VIŠEFUNKCIONALNI MANIPULATOR

robotikaVOX tema: Robotika

Postoji mnogo različitih definicija vezanih za pojam robota. U cilju donošenja univerzalno prihvatljive definicije, Internacionalna organizacija za standardizaciju (Organisation internationale de normalisation- ISO) daje definiciju robota zasnovanu na standardu ISO 8373. Ona u slobodnom prevodu definiše robota kao "automatski upravljan, reprogramabilan, multifunkcionalan manipulator programiran za pomeranje u tri ili više osa, koji može biti fiksiran za neki oslonac ili pokretan

(mobilan) u domenu automatskih industrijskih primena".Ova definicija se koristi onda kada se želi statistički prikazati broj robota u nekim zemljama.

Ali, uprkos ovoj definiciji, zemlje kao što su Amerika i Japan imaju različite definicije robota.
Zvanična definicija od strane RIA (Robotics Institute of America) glasi: "Industrijski robot je višefunkcionalni manipulator koji se može reprogramirati i koji je namenjen da pomera radni materijal, predmete, alat i specijalne uređaje na razne zadate načine u cilju izvršavanja različitih zadataka."
 
RIA razlikuje četiri vrste robota:                  

  • alatni uređaji sa ručnom kontrolom;
  • automatizovani alatni uređaji sa predefinisanim ciklusima;
  • programabilni, servoupravljani roboti sa kontinualnim kretanjem od tačke do tačke ( "point-to-point" upravljanje );
  • roboti posebne specifikacije koja podrazumeva prihvatanje informacija iz okoline za inteligentne pokrete.

Japanska robotska asocijacija (Japanese Robot Association - JARA) klasifikuje robote u šest klasa:

  • ručni - alatni uređaji pokretani od strane operatera;
  • fiksirani sekvencijalni uređaji;
  • promenljivo-sekvencijalni robot sa lako promenljivom sekvencom kontrole;
  • playback robot, koji može snimiti pokrete za kasniju reprodukciju istih;
  • numerički kontrolisan robot;
  • inteligentni robot: koji razume okolinu i u stanju je da uprkos promenama u operacionim uslovima izvrši predviđen zadatak.

Jasno je da je vrlo teško generalizovati definiciju robota, jer ona ne može zadovoljiti svakog. Tako je npr. Joseph Engelberger, pionir u industrijskoj robotici, jednom izjavio: "Ja ne mogu da definišem robota, ali znam da je robot kada ga vidim."

 

Istorija robotike

Ideje koje predstavljaju začetke automatizovane mašine možemo pronaći ako zavirimo i daleko u prošlost prateći mitove o mehaničkim stvorenjima, zamišljene koncepte i pronalaske. Jedan od koncepta potiče još iz 4. veka pre n.e. kada je grčki matematičar Archytas od Tarentuma osmislio mehaničku pticu, goluba koji je trebalo da pokreće vodena para. Značajan pronalazač tog doba jeste Ctesibius od Alexandrie, fizičar i pronalazač iz Egipta, koji je oko 250. god. pre n.e. napravio vodeni sat - clepsydra. Heron od Alexandrie (10-70. god. n.e.), grčki matematičar i inženjer, imao je brojne izume među mašinama od kojih se za jednu tvrdilo da je navodno mogla da imitira ljudski glas.

Ako se osvrnemo na srednji vek, tamo ćemo pronaći jedan od prvih zabeleženih crteža humanoidnog robota, delo Lenonarda da Vinčija iz 1495. godine. Da Vinčijevi spisi, reotkriveni pedesetih godina prošlog veka, sadrže detaljne crteže mehaničkog viteza koji je mogao da sedi, maše rukama i pomera glavu i vilicu.
Nešto više od dva veka kasnije, tačnije 1738. godine, Jacques de Vaucanson napravio je mehaničku patku koja je mogla da guta zrnevlje, isto (verovatno samleveno) izbacuje vani i da maše krilima. Japanski zanatlija Hisashige Tanaka, poznat kao "japanski Edison," izmislio je niz kompleksnih mehaničkih igračaka, od kojih su neke mogle da služe čaj, odapinju strele ili pišu japansko pismo. Krajem XIX veka, 1898. godine, Nikola Tesla javno demonstrira tele-dirigovan brod upravljan radio talasima. Tesla se nadao da će razviti bežično navođeni torpedo kao deo vojnog naoružanja američke ratne mornarice.

Gledano kroz istoriju, dobri pisci naučno-fantastične literature veoma su uspešno predviđali razvoj nauke i tehnike u mnogim oblastima. Sasvim sigurno to možemo reći i za robotiku. Roboti se prvi put spominju u naučno-fantastičnom delu R.U.R. (Rosumovi Univerzalni Roboti), češkog pisca Karela Čapeka, iz 1920.
Tridesetih godina prošlog veka, korporacija "Westinghouse Electric" napravila je humanoidnog robota poznatog kao Elektro, koji je bio izložen 1939. i 1940. na svetskim sajmovima tehnike. Prve električne autonomne robote napravio je William Grey Walter na neurološkom institutu u Bristolu 1948. i 1949. Bili su to Elmer i Elsie. Ti roboti su mogli da osete svetlost i kontakte sa spoljnim objektima, i da koriste te stimuluse za navođenje.
Pravu prekretnicu u razvoju robotike donela su integrisana kola drugom polovinom XX veka, kada je snaga računara konstantno duplirana na otprilike svake dve godine (u skladu sa Murovim zakonom). Tada je upravo bilo moguće napraviti robota kao što je i zamišljano. Do tada, automatizovane mašine, iako su imale ljudski oblik i mogle da izvedu složena kretanja, nisu imale samokontrolu kao današnji roboti.

Prvi pravi moderni robot, digitalno upravljan, programabilan, koji je predstavljao mehaničku ruku, izumeo je George S. Devol 1954. i nosio je naziv Unimate. Prvog Unimate-a Devol je lično prodao General Motors-u 1960. koji je naredne godine instaliran u elektrani Trenton (New Jersey) za podizanje vrelih metalnih komada iz mašine za livenje i njihovo slaganje. Između 1961. i 1970. godine skoro sve firme koje su se počele baviti robotima bile su i proizvođači mašina alatki, uređaja za rukovanje i transport materijala, raznih vrsta neelektronske opreme i sl.

Prvi eksperimentalni robotski jezik (WLAVE) razvijen je 1973. u laboratoriji za veštačku inteligenciju Univerziteta u Stenfordu. Na ovom univerzitetu sagrađen je i eksperimentalni robot nazvan Klimavko (Shakey). Klimavko je bio jednoruki, pokretni robot, sa ugrađenom TV kamerom, koji se klimavo teturao između pet prostorija, i premeštao kutije sa jednog mesta na drugo. Klimavko je dugim kablom bio povezan na statičan upravljački računar. Istovremeno, na Univerzitetu u Edinburgu, napravljen je Fredy, statični robot sa rukom hvataljkom. Fredy je bio pokušaj da se u jednu celinu povežu veštački vid, veštačka inteligencija i robotska ruka, što je sve zajedno trebalo predstavljati radnika na pokretnoj traci.

Robot današnjice

Savremenom razvoju robotike su naravno najviše doprinele koropracije iz Japana, među kojima prednjače HONDA i SONY. Prvi Hondin humanoidni robot napravljen je 1986. god. Drugi, nazvan P2 završen je decembra 1996. i tada je postao prvi dvonožni robot sa mogućnošću samoregulacije. Sledeće godine u septembru razvijena je nova poboljšana verzija P3 robota koji je bio visine od preko jednog i po metra i težine od 130kg. Novembra 2000. Honda Motor Company je predstavila prvu verziju svog ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility) robota. Robot je bio visok 120cm i težak 54kg. On je vremenom usavršavan i poslednja verzija predstavljena je 2005. godine. ASIMO se još uvek smatra najsavršenijim robotom do sada napravljenim.

Njegova sadašnja visina je 130cm, hoda brzinom od 2.7km/h, trči 6km/h, za razliku od njegovog prethodnika koji je hodao brzinom od 2.5km/h i trčao 3km/h. Na leđima ima lithium ion (Li-ION) bateriju tešku 6kg, autonomije od najviše jednog sata i za koju je potrebno punjenje od tri sata. ASIMO je napravljen od posebnih materijala koji ga čine lakim i kompaktnim. Ima u sebi ugrađena 34 servomotora koji mu omogućavaju 34 stepena slobode što karakteriše veliku fleksibilnost u njegovim pokretima. Glavnu osobinu kod ASIMO robota predstavlja upravo primena tzv. "iWALK" (inteligentan  fleksibilan hod u realnom vremenu) tehnologija. Ovo je omogućilo robotu da hoda kontinualno tokom menjanja smera i dalo je bolju stabilnost pri iznenadnim pokretima. ASIMO kao i ljudska bića ima sposobnost da tokom obilaska nekog ugla ili objekta pomera svoj centar gravitacije prema unutrašnjosti okreta. Sposoban je da zadrži sopstvenu stabilnost pri spoljnim udarima do određenog stepena posle čega je pad sasvim izvestan. Trenutno ne može sam da ustane, ali Hondini inženjeri rade i na ovom problemu. On je adaptiran za kretanje po neravnoj podlozi i stepenicama. Poboljšan je ljudski interfejs. Rad robota moguće je kontrolisati laptop računarom ili portabilnim kompjuterskim uređajem preko bežičnog mrežnog sistema. No, naredbe mu se mogu zadavati i pokretom ruke ili glasom. Robot može da prepozna i odgovori na nekih 50 različitih poziva, čestitki i pitanja, prepozna i izvrši 30 različitih komandi zadatih na japanskom. Takođe, može odrediti smer iz kojeg dolazi zvuk, tako da se može okrenuti u smeru glasa koji mu zadaje komandu. Na mestu očiju nalaze se dve kamere pomoću kojih je, uz napredan softver za prepoznavanje oblika, robot u mogućnosti da prepozna ljudski lik i u realnom vremenu odreaguje na eventulane prepreke. Do prošle godine postojalo je 46 ASIMO robota. Izrada svakog od njih koštala je nešto manje od milion dolara. Još uvek ne postoji komercijalna proizvodnja upravo zbog visoke cene, tako da se trenutno samo može iznajmiti na godinu dana po ceni od oko 150 000 dolara.

Kretanje robota

Premda su izgled i sposobnosti robota različite, svi roboti su uglavnom mehaničke strukture koje predstavljaju kinematički lanac. Lanac je formiran od karika (kao kosti kod čoveka) i motora (mišiča) koji združeno funkcionišu izvodeći različite pokrete sa više stepena slobode. Ono što zapravo pokreće robota su DC motori (motori jednosmerne struje), step motori sa kontrolisanim uglom pomeranja, piezo (ultrasonični) motori fundamentalno drugačijeg principa rada, kao i hidraulički aktuatori velikoizlaznog momenta.
Ako posmatramo dinamiku kretanja robota, možemo razmatrati i četiri do sada razvijene metode:

  • ZMP (Zero Moment Point)

Algoritam tačke nultog momenta iskorišćen je upravo kod ASIMO robota. Koncept je prvi put predstavljen januara 1968. godine, od strane našeg poznatog naučnika i istraživača na ovom polju - *Miomira Vukobratovića, na Trećem Kongresu teoretske i primenjene mehanike u Moskvi. Svi radovi na ovom algoritmu nastali od 1970. do 1972. raširili su se  svim svetskim naučnim krugovima. Ovo je veoma bitan koncept kretanja bipednih robota. S obzirom da oni imaju samo dve tačke dodira sa podlogom, dok hodaju, trče ili skaču njihovi pokreti moraju biti isplanirani brinući pritom o dinamičkoj ravnoteži čtitavog tela robota. To nije lako postići zbog trupa robota koji je velike mase i inercije.

  • Tehnika "skakutanja"(hopping effect)

Naime, roboti sa jednom nogom i veoma malim stopalom mogu se uspravno kretati skakutanjem. Efekat je isti kao kad čovek skače na palici za skakanje. Dok robot pada na jednu stranu, trebalo bi da podskoči u smeru pada kako bi se održao uspravno. Isti algoritam se može generalisati i za bipedne robote.

  • Dinamička ravnoteža

Mnogo napredniji način za robota da hoda je da koristi algoritam dinamičke ravnoteže, koji je potencijalno mnogo robusniji nego ZMP algoritam, tako što konstantno prati kretanje robota i pomera noge u cilju održavanja ravnoteže.

  • Pasivna dinamika

Pokazuje se da je kretanje robota moguće ostvariti njegovim blagim nagibom i korišćenjem samo dejstva gravitacije. Ova tehnika obećava da će učiniti robota i do deset puta efikasnijim od sadašnjeg ZMP pešaka.

Naravno, danas su konstruisani roboti  osposobljeni i za razne druge vidove kretanja.

Letači. Kada malo razmislimo možemo se zapitati nisu li i putnički avioni delom leteći roboti uz prisustvo dva pilota. Autopilot može da kontroliše avion na bilo kom delu puta, uključujući uzletanje, normalan let i sletanje. Neki drugi leteći roboti su sa potpunom autonomijom i poznati su kao Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Oni su bespilotne letelice i lete iznad opasnih teritorija u misijama vojne špijunaže.  Razvijeni su tako da mogu i da otvore vatru na neprijateljske jedinice bez kontrole čoveka.

Zmije. Još uvek su u fazi razvoja ali predstavljaju idealno rešenje za traganje za ljudima zatrpanim u ruševinam zgrada. Japanski ACM-R5 zmija robot može da se kreće i na suvom i u vodi.

Točkaši. Veliki broj robota koji se kreću točkovima je razvijen kako u oblasti vojne industrije tako i posebno usavršavani za istraživanje svemira i ispitivanje sadržaja površina planeta i njihovih satelita.

Plivači. Ustanovljeno je da mnoge ribe mogu da postignu ubrzanje i manervišu daleko bolje od bilo kog broda ili podmornice i proizvode daleko manje buke i vodenih strujenja. Zato mnogi istraživači pokušavaju da podvodnim robotima implementiraju upravo ove osobine. I koriste ih za proučavanje morskih dubina i otkrivanje olupina davno potonulih brodova.

Srpski otac robotike

Miomir Vukobratović rođen je u Botošu (Zrenjanin) 1931. godine. Diplomirao je 1957. i doktorirao 1964. god. na Mašinskom fakultetu u Beogradu. Od Januara 1958. radio je u Aeronautičkom centru na prvim jugoslovenskim mlaznim avionima. Od početka 1965. radi u institutu Mihailo Pupin gde je direktor centra za robotiku. Njegove profesionalne i naučne aktivnosti se mogu podeliti na tri oblasti. Prva se odnosi na profesionalan rad i istraživanja u aernonautici, druga oblast je u osetljivoj analizi i kontroli velikih dinamičkih sistema, dok je treća oblast rada koja obuhvata najduži period (više od 35 godina) problem teoretske i primenjene robotike i dinamike sistema specijalne namene.     

U periodu od 1969−1973, zajedno sa D. Jurčićem, prof. Miomir Vukobratović je predstavio koncept tačke nultog momenta (ZMP - Zero Moment Point) zasnovan na problemima dinamičke ravnoteže i stabilnog režima antropomorfnih (humanoidnih) mehanizama i dvonožnih robota. Ovaj koncept je još uvek neprevaziđen čime se naš veliki naučnik proslavio u celom svetu.         

Sve istraživačke radove, Miomir Vukobratović je kao autor ili sa svojim saradnicima, objavio u preko 220 međunarodnih časopisa. Objavio je i oko 380 dokumenata na interancionalnim konferencijama, simpozijumima i kongresima. On je osnivač i naučni lider beogradske škole robotike. Takođe je dobitnik brojnih domaćih priznanja: punopravan član Srpske akademije nauke i umetnosti, predsednik Akademije inženjerskih nauka Srbije, dobitnik ordena "Nikola Tesla" i Sveti Sava - priznanja prvog reda. Tu su i mnoga druga priznanja za vreme postojanja bivše SFRJ. Ni malo ne zaostaju i međunarodna priznanja: strani član Ruske akademije nauka, punopravni član Evropske akademije nauka. Dobitnik je mnogih medalja i priznanja od strane brojnih ruskih Akademija nauka. Počasni je član i Kineske, Japanske i Mađarske akademije inženjerstva.

Nenad Vučković, ETF