Autor : dr inż. Tomasz Buratowski
Akademia Górniczo-Hutnicza
Robotyka jest stosunkowo nową dziedziną nauki, która łączy różne tradycyjne gałęzie nauk
technicznych. Zrozumienie zawiłości budowy robotów i ich zastosowań wymaga znajomości
zagadnień elektrycznych, mechanicznych, inżynierii przemysłowej, nauk komputerowych,
ekonomii i matematyki. Nowe działy inżynierii, takie jak inżynieria wytwarzania, inżynieria
zastosowań i inżynieria wiedzy, w znacznym stopniu dotyczą problemów z obszaru robotyki i
szeroko pojętej automatyki przemysłowej.
Pojęcie "ROBOT" w literaturze wystąpiło po raz pierwszy w sztuce czeskiego pisarza Karel'a
Ĉapka (1890-1938) R.U.R (Rossum's Universal Robots) w roku 1920. Słowo "robot" oznacza w
języku czeskim pracę lub służbę przymusową.
W roku 1942 Isaac Assimov w krótkim opowiadaniu "Runaround" po raz pierwszy użył słowa
robotyka. W kolejnych latach Assimov w swoich utworach niejednokrotnie poruszał tematy
robotyki w roku 1950 wydał zbiór opowiadań pod tytułem "Ja, robot". Assimov wprowadził także
trzy prawa robotyki, według których, jak uważa autor, powinny być programowane roboty:
Prawo zerowe:
Robot nie może szkodzić ludzkości, ani nie może, przez zaniedbanie, narazić
ludzkości na szkodę.
Prawo pierwsze:
Robot nie może zranić istoty ludzkiej, ani nie może przez zaniedbanie narazić
człowieka na zranienie, chyba, że narusza to prawo o wyższym priorytecie.
Prawo drugie:
Robot musi spełniać polecenia wydawane przez człowieka, poza poleceniami
sprzecznymi z prawami o wyższym priorytecie.
Prawo trzecie:
Robot musi chronić samego siebie dopóki dopóty nie jest to sprzeczne z prawem o
wyższym priorytecie.
1.2.1. Pierwsze roboty przemysłowe
Po gwałtownym rozwoju techniki w czasie drugiej wojny światowej w 1956 roku G.C. Devol i
J.S.Engelberger rozmawiając o twórczości Assimov'a postanowili stworzyć działający egzemplarz
robota. Engelberger założył firmę "UNIMATION" zajmującą się automatyzacją w szerokim tego
słowa znaczeniu i będącą pierwszą firmą produkującą roboty.
Pierwszym robotem stworzonym przez "Unimation" był robot nazwany "UNIMATE". W wyniku,
czego Engelberger został nazwany ojcem robotyki.
Pierwszy Unimate zainstalowany został w fabryce General Motors w Trenton przy
obsłudze wysokociśnieniowej maszyny odlewniczej, w kolejnych latach roboty Unimate zostały
przystosowane do pracy także w innych gałęziach przemysłu. Firma Unimate do dzisiaj produkuje
roboty przemysłowe.
1.2.2. Rozwój robotyki
Według definicji wprowadzonej w 1979 roku przez (Robotics Industries Association) robot to:
"
Programowalny, wielofunkcyjny manipulator zaprojektowany do przenoszenia materiałów, części,
narzędzi lub specjalizowanych urządzeń poprzez różne programowalne ruchy, w celu realizacji
różnorodnych zadań
".
Podstawową cechą robotów jest ich programowalność, co pozwala bez większych kłopotów
przystosować robota do zmiennych wymagań i środowisk pracy.
Początkowo roboty były projektowane do wykonywania różnych czynności związanych z
przenoszeniem materiałów. Program pracy zawierał zamkniętą sekwencję ruchów z punktu A,
zamknięcie chwytaka (uchwycenie przenoszonego przedmiotu), ruch do punkty B, otwarcie
chwytaka (odłożenie przenoszonego przedmiotu). Roboty te nie były wyposażone w żadne
zewnętrzne czujniki. Dopiero zastosowanie robotów do bardziej skomplikowanych czynności jak
spawanie, stępianie krawędzi czy montaż zmusiło konstruktorów do stworzenia robotów
posiadających możliwość wykonywania bardziej skomplikowanych ruchów i wyposażenie ich w
czujniki pozwalające im na większą interakcję z otoczeniem..
Poniżej przedstawiono ważne daty w historii robotyki:
1750 - Szwedzki rzemieślnik tworzy automaton mechanizm do odgrywania melodii i pisania
listów.
1917 - Słowo robot pojawiło się po raz pierwszy w literaturze, użyte w sztuce "Opilek" Czeskiego
pisarza Karel'a Ĉapka.
1921 - Słowo robot stało się znane dzięki sztuce "R.U.R." Karel'a Ĉapka.
1927 - Niemiecki reżyser Fritz Lang stworzył robota kobietę, w jego filmie "Metropolis".
1938 - Issac Assimov umieszcza termin robotyka w swojej noweli science-fiction i formułuje
Trzy Prawa Robotyki.
1947 - Opracowanie pierwszego teleoperatora z serwonapędem elektrycznym
1948 - Opracowanie teleoperatora ze sprzężeniem zwrotnym od siły.
1949 - Rozpoczęcie badań nad obrabiarkami sterowanymi numerycznie.
1954 - Pierwszy patent dotyczący robotyki w Wielkiej Brytanii Nr.781465 złożony w Anglii 29
Marca.
1954 - Zaprojektowanie pierwszego programowalnego robota przez Georg'a Devola.
1956 - Zakupienie praw do robota Devola i założenie firmy Unimation przez Josepha
Engelbergera, studenta fizyki na Uniwersytecie Colubia.
1958 - Pierwszy prototyp robota Unimate zainstalowany w fabryce General Motors.
1960 - Zespół sztucznej inteligencji w Stanfordzkim Instytucie Badawczym w Kalifornii i
Uniwersytet w Edynburgu w Szkocji rozpoczynają pracę nad zastosowaniem wizji w
robotach.
1961 - Pierwszy seryjny robot Unimate zainstalowany w fabryce General Motors w Trenton w
stanie New Jersey.
1961 - Opracowanie pierwszego robota ze sprzężeniem zwrotnym od siły.
1961 - Pierwszy patent dotyczący robotów w U.S.A. Nr.2,998,237 złożony przez G.C.Devol'a.
1963 - Opracowanie pierwszego systemu wizyjnego dla robota.
1963 - Wypuszczenie na rynek robota przemysłowego Versatran.
1964 - Pierwszy robot malarski Tralfa pracujący w fabryce w Norwegii.
1966 - Automatyczny lądownik księżycowy "Surveyor" ląduje na księżycu.
1968 - Unimation otrzymuje zamówienie na serie robotów z zakładów General Motors.
1969 - W Unimate General Motors rozpoczęto montaż nadwozi Chevrolet'a Vega przy pomocy
robotów Unimate.
1970 - Pierwsze sympozjum dotyczące robotyki w Chicago.
1970 - General Motors staje się pierwszą firmą wykorzystującą systemy wizyjne w
zastosowaniach przemysłowych. System Consight zostaje zainstalowany w zakładzie w St.
Catharines, Ontario, Kanada.
1971 - Założenie Japońskiego Stowarzyszenia Robotyki Przemysłowej (Japanese Industrial Robot
Association).
1971 - Opracowanie robota Stanford Arm na Uniwersytecie Stanford.
1972 - Na Uniwersytecie w Nottingham w Anglii stworzono SIRCH, układ zdolny do
rozpoznawanie dowolnie zorientowanych dwuwymiarowych części.
1972 - Kawasaki instaluje zrobotyzowaną linie produkcyjną w zakładach Nissan, roboty zostały
dostarczone przez firmę Unimation.
1973 - Pierwszy numer międzynarodowego czasopisma "Roboty Przemysłowe".
1973 - ASEA część przedsiębiorstwa Vasteras ze Szwecji prezentuje roboty elektryczne IRb 6 i
IRb 60 przeznaczonych do automatycznych operacji szlifierskich.
1973 - Opracowanie pierwszego języka programowania robotów (WAVE) na Uniwersytecie
Stanford.
1974 - Wprowadzenie przez firmę Cincinnati Milacron robota ze sterowaniem komputerowym.
1974 - Hitachi prezentuje robota Hi-T-Hand używającego czujników dotykowych i siłowych
pozwalających na wkładanie sworzni do otworów.
1974 - Założenie Stowarzyszenia Robotyki Przemysłowej (Robotics Industries Association).
1975 - Odnotowanie pierwszego zysku finansowego przez firmę Unimation.
1976 - Tralfa robot malarski zostaje zaadaptowany do spawania kątowego.
1977 - Założenie Brytyjskiego Stowarzyszenia Robotyki (British Robotics Association).
1978 - Wprowadzenie przez firmę Unimation robota PUMA (Programmable Universal
Assembly), opracowanego na podstawie projektu powstałego w trakcie badań w fabryce
General Motors.
1979 - Wprowadzenie robotów SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) w Japonii.
1982 - Robot Pedesco zostaje użyty do usunięcia skażonego materiału po wycieku paliwa
radioaktywnego z elektrowni nuklearnej.
1984 - Zostaje opracowany PROWLER, pierwszy z serii robotów militarnych.
1986 - Rozpoczęcie prac nad robotem humanoidalnym przez firmę HONDA.
1998 - Robot mobilny Sojourner ląduje na Marsie 4 lipca.
1998 - Skonstruowanie pierwszego bionicznego ramienia.
Kolejnymi kierunkami rozwoju robotów będzie tworzenie coraz bardziej uniwersalnych urządzeń,
w coraz większym stopniu niezależnych. Jednak stworzenie androidów, a co za tym idzie
stworzenie sztucznej inteligencji jest na razie odległą przyszłością.
1.3. Pojęcia podstawowe i definicje
Dziedzina nauki i techniki zajmująca się problemami mechaniki, sterowania, projektowania,
pomiarów, zastosowań oraz eksploatacji manipulatorów i robotów to robotyka.
Obszar zastosowania manipulatorów i robotów jest bardzo duży, obecnie jedynie względy
ekonomiczne mogą ograniczać proces robotyzacji przemysłu.
W dzisiejszych czasach roboty znalazły zastosowanie w transporcie, medycynie, produkcji
przemysłowej, budownictwie oraz środowiskach nieprzyjaznych człowiekowi, czyli w kosmosie i
głębinach morskich.
Jednym z fundamentalnych pojęć związanych z robotyką jest pojęcie maszyny cybernetycznej, jest
to sztuczne urządzenie przeznaczone do częściowego lub całkowitego zastępowania funkcji
energetycznych, fizjologicznych i intelektualnych człowieka. Poprzez funkcje energetyczne należy
rozumieć zastępowanie pracy fizycznej, funkcje fizjologiczne jako zastępowanie organów,
natomiast funkcje intelektualne jako właściwości adaptacyjne maszyny w zmieniającym się
środowisku.
Przy takiej definicji maszyny cybernetycznej, mechanizm cybernetyczny można zdefiniować jako
część maszyny cybernetycznej zastępującej czynności ruchowe człowieka.
Manipulator jest to mechanizm cybernetyczny przeznaczony do realizacji niektórych funkcji
kończyny górnej człowieka. Należy wyróżnić dwa rodzaje funkcji manipulatora: manipulacyjną,
wykonywaną przez chwytak i wysięgnikową, realizowaną przez ramię manipulatora.
Pedipulator jest to kończyna dolna "noga" maszyny kroczącej. Pedipulator może być układem jedno
lub kilku członowym.
Robot jest to urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych
i lokomocyjnych człowieka, posiadające określony poziom energetyczny, informacyjny i
inteligencji maszynowej. Inteligencja maszynowa to autonomia działania w pewnym środowisku.
Schemat blokowy robota został przedstawiony na rys.1.1.
A - układ zasilania, B- układ sterowania, C - układ ruchu.
Rys.1.1 Schemat blokowy robota
Istnieje w robotyce pewna klasa robotów, którą tworzą maszyny kroczące, czyli urządzenia
techniczne przeznaczone do realizacji wybranych funkcji podobnych do funkcji lokomocyjnych
zwierząt i owadów posiadających kończyny (kręgowce) lub odnóża (owady).
Mobilne roboty jest to klasa robotów, które mogą się przemieszczać za pomocą kół lub gąsienic.
Otoczenie robota jest to przestrzeń, w której robot jest usytuowany. Dla robotów stacjonarnych
otoczenie ogranicza się do przestrzeni roboczej.
Układ sterowania - zgodnie z teorią sterowania zadaniem układu sterowania jest określenie sygnału
sterowania, który należy podjąć wobec systemu (robota), aby otrzymać z góry założone
