Roboti

ASIMO je humanoidní robot vyráběný firmou Honda.

Robot je mechanické zařízení, které může vykonávat předem naprogramované fyzické úkoly. Robot může jednat pod přímou kontrolou člověka (např. robotické rameno raketoplánu) nebo autonomně pod kontrolou předem naprogramovaného počítače. Roboty mohou být používány k provádění úkolů, které jsou pro člověka příliš nebezpečné nebo obtížně proveditelné přímo (např. rameno raketoplánu), nebo mohou být používány k automatizaci opakujících se úkolů, které může robot vykonávat levněji než zaměstnáním člověka (např. výroba automobilů; lékař).

Konkrétně humanoidní robot může být použit k popisu inteligentního mechanického zařízení v podobě člověka. Tato forma robota (kulturně označovaného jako androidi) je běžná ve sci-fi příbězích. Nicméně takoví roboti se teprve stanou běžnou součástí reality a vývoj je ještě nutný v oblasti umělé inteligence, než se přiblíží robotům sci-fi.

Humanoidní robot vyrobený firmou Toyota „hraje“ na trubku

Slovo robot se používá k označení široké škály strojů, jejichž společným znakem je, že jsou všechny schopné pohybu a mohou být použity k plnění fyzických úkolů. Roboti mají mnoho různých forem, od humanoidních, které napodobují lidskou podobu a způsob pohybu, až po průmyslové, jejichž vzhled je dán funkcí, kterou mají vykonávat. Roboti mohou být seskupeni obecně jako mobilní roboti (např. autonomní vozidla), manipulační roboti (např. průmyslové roboty) a samostatně nastavitelní roboti, kteří se mohou přizpůsobit danému úkolu.

Roboti mohou být ovládáni přímo člověkem, například dálkově ovládanými roboty na zneškodňování bomb, robotickými rameny nebo raketoplány, nebo mohou jednat podle svých vlastních rozhodovacích schopností, poskytovaných umělou inteligencí. Nicméně většina robotů spadá mezi tyto extrémy, jsou ovládáni předem naprogramovanými počítači. Takoví roboti mohou obsahovat zpětnovazební smyčky tak, že mohou interagovat se svým okolím, ale nezobrazují skutečnou inteligenci.

Slovo robot se také používá v obecném smyslu pro jakýkoli stroj, který napodobuje jednání člověka (biomimikry), ve fyzickém smyslu nebo v duševním smyslu.

Slovo robot pochází z českého slova robota, průmyslová práce. Slovo se poprvé objevilo ve sci-fi hře R.U.R. (Rossumovi univerzální roboti) v roce 1921 a pravděpodobně ho vymyslel autorův bratr, malíř Josef Čapek. Podrobnější etymologické vysvětlení najdete v článku o Karlu Čapkovi.

Konstrukce robota sovětské výroby ze 70. let. Robot se dokázal pohybovat, reprodukovat předem nahrané zvuky, napodobovat chytrou konverzaci pomocí vestavěné rozhlasové stanice a předvádět filmy na vestavěné obrazovce. Používal se v různých seriálech.

Myšlenka umělých lidí se datuje přinejmenším do dávné legendy o Cadmovi, který zaséval dračí zuby, které se měnily ve vojáky, a mýtu o Pygmalionovi, jehož socha Galatea ožila. V klasické mytologii vytvořil deformovaný bůh kovodělné práce (Vulkán nebo Héfaistos) mechanické sluhy, od inteligentních zlatých služek až po užitkovější třínohé stoly, které se mohly pohybovat vlastní silou. Židovská legenda vypráví o Golemovi, hliněné soše oživené kabalistickou magií. Podobně v Mladší Eddě vypráví severská mytologie o hliněném obrovi, Mökkurkálfim nebo Mlhavém teleti, sestrojeném na pomoc trollu Hrungnirovi v souboji s Thorem, bohem hromu.

Roboraptor, robotický dinosaurus z wowee hračky

Pojmy podobné dnešnímu robotovi lze nalézt již v roce 450 př. n. l., kdy řecký matematik Archytas z Tarentum postuloval mechanického ptáka, kterého nazval „Holub“, který byl poháněn párou. Al-Jazari (1136-1206) Ortoqid (Artuk) turecký vynálezce navrhl a zkonstruoval automatické stroje jako vodní hodiny, kuchyňské spotřebiče a hudební automaty poháněné vodou (Viz jedno z jeho děl na ).

Jeden z prvních zaznamenaných návrhů humanoidního robota vytvořil Leonardo da Vinci kolem roku 1495. Da Vinciho zápisníky, znovuobjevené v 50. letech, obsahují detailní kresby mechanického rytíře schopného se posadit, mávat rukama a pohybovat hlavou a čelistí. Návrh je pravděpodobně založen na jeho anatomickém výzkumu zaznamenaném ve Vitruviově muži. Není známo, zda se pokusil robota sestrojit (viz: Leonardův robot).

První automat vytvořil v roce 1738 Jacques de Vaucanson, který vytvořil mechanickou kachnu, která byla schopna jíst obilí, mávat křídly a vylučovat.

Ve třicátých letech Westinghouse vyrobil humanoidního robota známého jako Elektro. Byl vystaven na světových veletrzích v letech 1939 a 1940, zatímco první elektronické autonomní roboty vytvořil Grey Walter na Bristolské univerzitě v Anglii v roce 1948.

Prvním člověkem, kterého robot zabil, byl sedmatřicetiletý Kendži Urada, japonský tovární dělník. Podle Economist.com Urada „přelezl bezpečnostní plot v továrně v Kawasaki, aby provedl nějaké údržbářské práce na robotovi. Ve spěchu se mu nepodařilo robota správně vypnout. Neschopen ho vycítit, robotovo silné hydraulické rameno dál pracovalo a omylem strčilo inženýra do brusky.“

Současné využití robotů

Roboty jsou stále složitější a jejich využití v průmyslu je stále rozšířenější. Hlavní využití robotů bylo dosud v automatizaci sériové výroby, kde stejné, definovatelné úkoly musí být prováděny opakovaně přesně stejným způsobem. Výroba automobilů je primárním příkladem využití velkých a složitých robotů pro výrobu výrobků. Roboti se v tomto procesu používají pro lakování, svařování a montáž automobilů. Roboti jsou pro takové úkoly dobří, protože úkoly mohou být přesně definovány a musí být prováděny pokaždé stejně, aniž by bylo potřeba zpětné vazby pro kontrolu přesně prováděného procesu. Průmyslové roboty mohou být vyráběny v široké škále velikostí, a tak zvládnou mnohem větší úkoly, než by zvládl člověk.

Jsou také užitečné v prostředích, která jsou pro člověka nepříjemná nebo nebezpečná při práci, například při čištění toxického odpadu, zneškodňování bomb, práci ve vesmíru nebo pod vodou a při těžbě. Často je to označováno jako práce „tří D: Dull, Dirty and Dangerous“. Stovky robotů na zneškodňování bomb, jako je iRobot’s Packbot a Foster-Miller’s Talon, jsou používány v Iráku a Afghánistánu americkou armádou k zneškodňování bomb u silnic nebo improvizovaných výbušných zařízení (IED’s) při činnosti známé jako Explosive Ordinance Disposal (EOD).

Automatizovaná řízená vozidla (AGV) jsou pohyblivé roboty, které se používají ve velkých zařízeních, jako jsou sklady nemocnic a kontejnerových přístavů, pro pohyb zboží, nebo dokonce pro bezpečnostní a bezpečnostní hlídky. Taková vozidla sledují dráty, značky nebo laserové navádění pro navigaci v okolí místa a mohou být naprogramována tak, aby se pohybovala mezi místy pro doručení zboží nebo hlídkování v určité oblasti. Mezi špičkové výrobce patří Transbotics, FMC a Jervis B Webb vyrábí AGV „mozky“ používané ve volně se pohybujících autonomních vozidlech, která nevyžadují pevné cesty, jak tomu bylo u dřívějších AGV.

Nyní jsou k dispozici domácí roboti, kteří provádějí jednoduché úkony, jako je vysávání a sekání trávy. Do konce roku 2004 bylo prodáno přes 1 000 000 kusů vysavačů . Příkladem těchto domácích robotů jsou roboti Scooba a Roomba od iRobot Corporation, Friendly Robotics‘ Robomower a Electrolux’s Automower.

Ostatní domácí roboti mají za cíl poskytovat lidem společnost (sociální roboti) nebo si hrát na partnery (ludoboti). Příkladem jsou Sony’s Aibo, komerčně úspěšný robotický pes, Paro, robotický tulení mládě určený k uklidňování pacientů v domovech důchodců a Wakamaru, humanoidní robot určený pro starší a postižené lidi. Další
humanoidní roboti jsou ve vývoji s cílem být schopni poskytovat robotické funkce ve formě, která může být pro zákazníky esteticky příjemnější, a tím zvýšit pravděpodobnost jejich přijetí ve společnosti.

Roboti vystupují na velkých uměleckých festivalech a v muzeích s díly umělců, jako je James Seawrights House Plants, 1983, ve kterém se umělá květina otevře v reakci na interakci diváka nebo Ken Rinaldo Autotelematic Spider Bots, 2006, kde roboti, kteří se objevují jako pavouci, vidí jako netopýři a chovají se jako mravenci interagují s veřejností a strukturují chování navzájem prostřednictvím bluetooth komunikace.

Pro vzdělávání ve školách a na středních školách a pro školení mechatroniky ve firmách jsou robotické soupravy stále populárnější. Na straně škol existují soupravy LEGO nebo Fischertechnik z plastových komponentů, na straně profesionálů např. robotická souprava qfix z hliníkových dílů.

Vývoj robota s přirozeným lidským nebo zvířecím krokem je neuvěřitelně obtížný a vyžaduje velké množství výpočetní síly . Nyní, když byly základní technologie chování, navigace a plánování cest vyřešeny pomocí základních robotů na kolečkách, robotici pokračují ve vývoji chodících robotů (např. SIGMO, QRIO, Asimo & Hubo). Jedním z přístupů k ovládání chůze je pasivní dynamika, kde je geometrie robota taková, že bude téměř chodit bez aktivního ovládání.

Počáteční práce se zaměřila na vícenohé roboty (např. Aibo), jako jsou hexapody , protože jsou staticky stabilní a tak se s nimi lépe pracuje, zatímco dvounohý robot musí být schopen rovnováhy. Problém vyvažování je robotickou jednokolkou doveden do extrému. Problémem vývoje robotů s přirozenými chůzemi je, že lidská a zvířecí těla využívají při pohybu velmi velké množství svalů a replikovat všechny tyto mechanicky je velmi obtížné a nákladné. Tato oblast výzkumu robotů se stala známou jako biomorfní robotika.

Pokroku je dosahováno v oblasti zpětné vazby a hmatových senzorů, které robotovi umožňují vnímat jeho jednání a podle toho přizpůsobovat jeho chování. To je nezbytné k tomu, aby roboti mohli vykonávat složité fyzické úkony, které vyžadují určitou aktivní kontrolu v reakci na danou situaci.

Robotické manipulátory mohou být velmi přesné, ale pouze tehdy, když lze úkol plně popsat.

Zdravotnická robotika je rostoucím oborem a v poslední době bylo uděleno regulační schválení pro použití robotů při minimálně invazivních zákrocích. Roboty jsou zvažovány pro použití při provádění vysoce delikátních, přesných chirurgických zákroků nebo pro umožnění chirurgovi, který je lokalizován vzdáleně od svého pacienta, provést zákrok pomocí robota ovládaného na dálku. V poslední době mohou být roboti používáni autonomně při chirurgických zákrocích .

Experimentální okřídlení roboti a další příklady využívající biomimimiku jsou také v raném vývoji. Očekává se, že takzvané „nanomotory“ a „chytré dráty“ drasticky zjednoduší pohon, zatímco stabilizace za letu se pravděpodobně zlepší extrémně malými gyroskopy. Významným hnacím motorem této práce je vojenský výzkum špionážních technologií.

Hmatové senzory a umělá kůže mají blízko k tomu, aby robotům poskytly hmatový vjem podobný lidskému.

Budoucnost moderního válčení bude vybojována automatizovanými zbraňovými systémy . Americká armáda masivně investuje do výzkumu a vývoje zaměřeného na testování a zavádění stále automatizovanějších systémů. Nejvýznamnějším systémem, který se v současnosti používá, je bezpilotní vzdušný prostředek (IAI Pioneer & RQ-1 Predator), který může být vyzbrojen samopaly Air-to-Ground a dálkově ovládán z velitelského střediska v průzkumných rolích. DARPA pořádala v letech 2004 a 2005 soutěže za účelem zapojení soukromých společností a univerzit do vývoje bezpilotních pozemních vozidel pro navigaci drsným terénem v Mohavské poušti za konečnou cenu 2 miliony dolarů . Předstírání dělostřelectva také zaznamenalo slibný výzkum s experimentálním zbraňovým systémem pojmenovaným „Dragon Fire II“, který automatizuje nakládací a balistické výpočty potřebné pro přesnou předpovídanou palbu, a poskytuje tak 12 sekund reakčního času na požadavky dělostřelecké podpory. Válečné zbraně však mají jedno omezení v tom, aby se staly plně autonomními: zůstávají intervenční body, které vyžadují lidský vklad, aby se zajistilo, že cíle nebudou v oblastech s omezenou palbou, jak je definují Ženevské konvence pro válečné zákony.

Došlo k určitému vývoji směrem k vývoji autonomních stíhacích letounů a bombardérů . Využití autonomních stíhaček a bombardérů ke zničení nepřátelských cílů je zvláště slibné kvůli nedostatku výcviku potřebného pro robotické piloty, autonomní letadla jsou schopna provádět manévry, které by jinak nemohly být provedeny s lidskými piloty (kvůli vysokému množství G-Force), konstrukce letadel nevyžadují systém podpory života a ztráta letadla neznamená ztrátu pilota. Nicméně, největším lákadlem zpět k robotice je jejich neschopnost doprovázet za nestandardních podmínek.

Někteří vědci se domnívají, že roboti budou v první polovině 21. století schopni přiblížit se lidské inteligenci. Průkopník kybernetiky Norbert Wiener se zabýval otázkou robotů nahrazujících člověka v pracovních oborech ve své knize The human use of human beings (1950), ve které spekuloval, že roboti přebírající lidská pracovní místa mohou zpočátku vést k rostoucí nezaměstnanosti a společenskému chaosu, ale že ve střednědobém horizontu by to mohlo přinést větší materiální bohatství lidem ve většině národů. Lidské vnímání a přijetí robotů bylo zváženo a vedlo k návrhu Uncanny Valley při analýze lidských pocitů ohledně robotů.

Robotika bude pravděpodobně pokračovat ve svém rozšíření v kancelářích a domácnostech a nahradí „hloupé“ spotřebiče inteligentními robotickými ekvivalenty. Domácí roboti schopní vykonávat mnoho domácích úkolů, popisovaných ve sci-fi příbězích a žádaných veřejností v šedesátých letech, budou pravděpodobně zdokonaleni.

Je pravděpodobné, že dojde k určitému stupni sbližování mezi lidmi a roboty. Někteří lidé jsou již kyborgy, jejichž některé části těla a dokonce i části nervového systému jsou nahrazeny umělými analogy, jako jsou pacemakery a umělé sítnice (nyní v klinických studiích). V mnoha případech by stejná technologie mohla být použita jak v robotice, tak v medicíně.

I když se roboti dosud nevyvinuli do stadia, kdy by představovali hrozbu nebo nebezpečí pro společnost , obavy a obavy z robotů byly opakovaně vyjádřeny v celé řadě knih a filmů. Hlavním tématem je inteligence robotů a jejich schopnost jednat by mohla přesáhnout inteligenci lidí, že by si mohli vypěstovat svědomí a motivaci převzít nebo zničit lidskou rasu.

Frankenstein (1818), někdy nazývaný jako první sci-fi román, se stal synonymem pro téma robota nebo monstra postupujícího za svého tvůrce. Pravděpodobně nejznámějším autorem, který v této oblasti pracuje, je Isaac Asimov, který roboty a jejich interakci se společností umístil do centra mnoha svých děl. Zvláštní zájem vzbuzují Asimovovy Tři zákony robotiky.

V současné době může být největším nebezpečím škodlivé programování nebo nebezpečné používání robotů. Ačkoli průmysloví roboti mohou být menší a méně výkonní než jiné průmyslové stroje, jsou stejně tak schopni způsobit lidem těžká zranění. Avšak vzhledem k tomu, že robot může být naprogramován tak, aby se pohyboval po různých trajektoriích v závislosti na jeho úkolu, může být jeho pohyb pro člověka stojícího v jeho dosahu nepředvídatelný. Proto většina průmyslových robotů operuje uvnitř bezpečnostního plotu, který je odděluje od lidských pracovníků. Manuel De Landa teoretizoval, že lidé jsou v kritické a významné situaci, kdy lidé dovolili robotům, „chytrým střelám“ a autonomním bombám vybaveným umělým vnímáním, aby rozhodovaly o našem zabití. Domnívá se, že to představuje důležitý a nebezpečný trend, kdy lidé přenášejí více našich kognitivních struktur do našich strojů [citace nutná].

I bez škodlivého programování je robot, zejména budoucí model pohybující se volně v lidském prostředí, potenciálně nebezpečný kvůli svým velkým pohyblivým hmotám, výkonným pohonům a nepředvídatelně složitému chování. Robot, který na někoho spadne nebo mu jen omylem šlápne na nohu, může oběti způsobit mnohem větší škody než stejně velká lidská bytost. Navrhování a programování robotů tak, aby byli vnitřně bezpeční a aby vykazovali bezpečné chování v lidském prostředí, je jednou z velkých výzev v robotice.

Roboti se často objevovali jako postavy v literárních dílech a první použití slova „robot“ v literatuře lze nalézt ve hře Karla Capeka R.U.R. (Rossum’s Universal Robots), napsané v roce 1920. Isaac Asimov napsal mnoho svazků science fiction zaměřujících se na roboty v mnoha podobách a převlecích . Asimov výrazně přispěl k redukci Frankensteinova komplexu, který dominoval raným fikčním dílům zahrnujícím roboty. Jeho tři zákony robotiky se staly obzvláště známými pro kodifikaci jednoduchého souboru chování pro roboty, aby zůstali ve službách svých lidských tvůrců.

V literatuře se dnes používá mnoho slov pro různé typy robotů. Robot začal znamenat mechanické lidi, zatímco android se používá pro organické umělé lidi a kyborg neboli „bionický člověk“ pro lidskou formu, která je směsí organických a mechanických částí. Organičtí umělí lidé byli také označováni jako „konstrukty“ (nebo „biologické konstrukty“).

Podle Wiktionary je robotika věda a technologie robotů, jejich konstrukce, výroba a aplikace. Robotika vyžaduje pracovní znalosti elektroniky, mechaniky a softwaru a osoba pracující v oboru se stala známou jako robotik. Slovo robotika bylo poprvé použito v tisku Isaacem Asimovem, v jeho sci-fi povídce „Runabout!“ (1941).

I když se vzhled a schopnosti robotů značně liší, všichni roboti sdílejí rysy mechanické, pohyblivé struktury pod nějakou formou ovládání. Struktura robota je obvykle většinou mechanická a lze ji nazvat kinematickým řetězcem (jeho funkčnost je podobná kostře těla). Řetězec je tvořen články (jeho kosti), pohony (jeho svaly) a klouby, které mohou umožnit jeden nebo více stupňů volnosti. Většina současných robotů používá otevřené sériové řetězce, ve kterých každý článek spojuje ten předchozí s tím následujícím. Tito roboti jsou nazýváni sériovými roboty a často se podobají lidské paži. Někteří roboti, jako například Stewartova platforma, používají uzavřené paralelní kinematické řetězce. Jiné struktury, jako například ty, které napodobují mechanickou strukturu lidí, různých zvířat a hmyzu, jsou poměrně vzácné. Vývoj a použití takových struktur u robotů je však aktivní oblastí výzkumu (např. biomechanika). Roboti používaní jako manipulátoři mají koncový efektor namontovaný na posledním článku. Tímto koncovým efektorem může být cokoliv od svařovacího zařízení až po mechanickou ruku používanou k manipulaci s prostředím.

Mechanická struktura robota musí být řízena tak, aby plnila úkoly. Ovládání robota zahrnuje tři různé fáze – vnímání, zpracování a činnost (robotická paradigmata). Senzory poskytují informace o prostředí nebo o robotovi samotném (např. poloha jeho kloubů nebo jeho koncového efektoru). Pomocí strategií z oblasti teorie ovládání se tyto informace zpracovávají pro výpočet příslušných signálů k pohonům (motorům), které pohybují mechanickou strukturou. Ovládání robota zahrnuje různé aspekty, jako je plánování dráhy, rozpoznávání vzorů, vyhýbání se překážkám atd. Složitější a přizpůsobitelné strategie ovládání lze označit jako umělou inteligenci.

Jakýkoli úkol zahrnuje pohyb robota. Studium pohybu lze rozdělit na kinematiku a dynamiku. Přímá kinematika se týká výpočtu pozice koncového efektoru, orientace, rychlosti a zrychlení, když jsou známy odpovídající hodnoty spoje. Inverzní kinematika se týká opačného případu, kdy jsou pro dané hodnoty koncového efektoru vypočteny požadované hodnoty spoje, jak se provádí při plánování dráhy. Některé zvláštní aspekty kinematiky zahrnují zacházení s redundancí (různé možnosti provedení stejného pohybu), zabránění srážce a zabránění singularitě. Poté, co byly pomocí kinematiky vypočteny všechny relevantní polohy, rychlosti a zrychlení, jsou ke studiu vlivu sil na tyto pohyby použity metody z oblasti dynamiky. Přímá dynamika se týká výpočtu zrychlení v robotu, jakmile jsou známy aplikované síly. Přímá dynamika se používá v počítačových simulacích robota. Inverzní dynamika se vztahuje k výpočtu sil pohonu nutných k vytvoření předepsaného koncového efektorového zrychlení. Tyto informace mohou být použity ke zlepšení řídicích algoritmů robota.

V každé výše uvedené oblasti se výzkumníci snaží vyvíjet nové koncepty a strategie, zlepšovat ty stávající a zlepšovat vzájemné působení mezi těmito oblastmi. K tomu je třeba vyvinout a zavést kritéria pro „optimální“ výkon a způsoby optimalizace návrhu, struktury a řízení robotů.

Soutěže pro roboty získávají na popularitě a nyní existují soutěže pro širokou škálu stavitelů robotů od škol až po výzkumné instituce. Roboti soutěží v široké škále úkolů včetně boje, hašení požárů, hraní her, řešení bludišť, plnění úkolů a navigačních cvičení (např. DARPA Grand Challenge)

Třídy a typy robotů viz Kategorie: Roboti.

Oblasti výzkumu spojené s robotikou

Obecné informace a organizace