TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 A GÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA A PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN Kovács György Robotika és Gyártásautomatizálás Pécs 2015 A tananyag a TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 azonosító számú, A gépészeti és informatikai ágazatok duális és moduláris képzéseinek kialakítása a Pécsi Tudományegyetemen című projekt keretében valósul meg.
TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 A GÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA A PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN Robotika és Gyártásautomatizálás Szerző: Kovács György Szakmai lektor: Nacsa János Nyelvi lektor: Veres Mária Kiadó neve Kiadó címe Felelős kiadó: ISBN szám Pécsi Tudományegyetem Műszaki és Informatikai Kar Pécs, 2015 Kovács György
TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 A GÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA A PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN TARTALOMJEGYZÉK 1. A robotika rövid, részleges története, előzményei néhány illusztrációval... 7 2. ROBOTIKA... 9 NÉHÁNY FONTOS MEGÁLLAPÍTÁS A ROBOTOKRÓL, ÉS NÉHÁNY FONTOS LÉPÉS A FEJLŐDÉSÜKBEN... 9 RENDSZERBEN ALKALMAZOTT, INTEGRÁLT ROBOTFELHASZNÁLÁS...10 ROBOTTÖRVÉNYEK...15 ROBOTOK AZ IRODALOMBAN ÉS A MOZIBAN...16 ROBOTOK...17 ROBOTKAROK JELLEMZŐI...22 ROBOTTÍPUSOK ÉS ALKALMAZÁSAIK, ROBOTKATEGÓRIÁK MINTAPÉLDÁKKAL...27 NÉHÁNY TOVÁBBI ROBOT ISMERTETÉSE KÉPEKKEL, ADATOKKAL...32 NÉHÁNY TOVÁBBI ROBOT...36 3. A da Vinci operáló robot... 44 4. Swarmok együttműködő, sokelemű robotcsapat... 46 EMBERSZERŰ HELYVÁLTOZTATÁS ROBOTIKÁJA...48 VISELKEDÉSALAPÚ ROBOTIKA...50 5. Az ipari robotok kézikönyve 1., 2., 3.... 53 6. Egy különleges, intelligens rendszer... 59 7. Szociális, jogi és egyéb szempontok... 63 8. Zárszó Összefoglalás helyett... 66 9. Irodalomjegyzék... 67
TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 A GÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA A PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE 1. NÉHÁNY MELFA ROBOT ADATAI 2. NÉHÁNY ABB ROBOT ADATAI
TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 A GÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA A PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN ÁBRÁK JEGYZÉKE 1. ÁBRA AZ ORLOJ, A PRÁGAI ÓRA... 7 2. ÁBRA A MÜNCHENI RÉGI VÁROSHÁZA ÓRÁJA... 7 3. ÁBRA A TÖRÖK KEMPELEN SAKKOZÓ GÉPE, BENNE ÜL A TÖRPE... 8 4. ÁBRA BROOKS-SÉMA...11 5. ÁBRA BROOKS-ARCHITEKTÚRA...11 6. ÁBRA GENGHIS-ROVAR...12 7. ÁBRA ROBOTOK INTELLIGENCIÁJA...14 8. ÁBRA R 2 ROBOT A STARWARSBAN...16 9. ÁBRA C 3PO ROBOT A STAR WARSBAN...16 10. ÁBRA EGY KLASSZIKUS ROBOTARCHITEKTÚRA...19 11. ÁBRA EGY KÜLÖNLEGES MEGFOGÓ...20 12. ÁBRA LÉZERES HEGESZTÉS...20 13. ÁBRA MEGFIGYELÉS, JAVÍTÁS AZ ŰRBEN...21 14. ÁBRA EGY ELÉG BONYOLULT ÉS FEJLETT MEGOLDÁS AZ EMBER UTÁNZÁSÁRA...21 15. ÁBRA PONTHEGESZTŐ VÉGEFFEKTOR...21 16. ÁBRA EGY KLASSZIKUS MEGFOGÓ...21 17. ÁBRA DERÉKSZÖGŰ KOORDINÁTÁS KAR...22 18. ÁBRA HENGERKOORDINÁTÁS KAR...22 19. ÁBRA GÖMBKOORDINÁTÁS KAR...23 20. ÁBRA SCARA (SELECTIVE COMPLIANCE ASSEMBLY ROBOT ARM)...23 21. ÁBRA HUMANOID KAR...23 22. ÁBRA IPARI ROBOT...27 23. ÁBRA ANDROIDOK...28 24. ÁBRA ANIMAT...28 25. ÁBRA AIBO, A JÁTÉKOS KUTYA...28 26. ÁBRA ÖNÁLLÓ HOLD-JÁRÓ (MARS-JÁRÓ)...29 27. ÁBRA KISHMET...30 28. ÁBRA ASIMO...30 29. ÁBRA NANOROBOT...31 30. ÁBRA NANOROBOT...31 31. ÁBRA NANOROBOT...31 32. ÁBRA NANOROBOT...31 33. ÁBRA ERŐ- ÉS NYOMATÉKADATOK...33 34. ÁBRA FANUC S 430IF ROBOT...34 35. ÁBRA KÜLÖNLEGES TRIPOD ROBOT...34 36. ÁBRA HEXAPOD MARÓGÉPEKHEZ...34 37. ÁBRA KÜLÖNLEGES HEXAPOD ROBOT...35
TÁMOP-4.1.1.F-14/1/KONV-2015-0009 A GÉPÉSZETI ÉS INFORMATIKAI ÁGAZATOK DUÁLIS ÉS MODULÁRIS KÉPZÉSEINEK KIALAKÍTÁSA A PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEMEN 38. ÁBRA HEXAPOD...35 39. ÁBRA KÜLÖNLEGES ROBOT...35 40. ÁBRA HEXAPOD MARÓGÉPEKHEZ...35 41. ÁBRA KÜLÖNLEGES ROBOT...35 42. ÁBRA MELFA ROBOT...36 43. ÁBRA ABB IRB 360 FLEXPICKER PÓKROBOT...39 44. ÁBRA ABB IRB 1520ID ÍVHEGESZTŐ...39 45. ÁBRA ABB IRB 120...40 46. ÁBRA ABB IRB 7600...40 47. ÁBRA ABB YUMI A KÉTKARÚ, EMBERBARÁT ROBOT...40 48. ÁBRA EGY IMPRESSZÍV AUTÓIPARI ALKALMAZÁS...42 49. ÁBRA BAXTER, AZ EMBER FORMÁJÚ ROBOT, KÉPES FIGYELNI A MUNKATÁRSAIRA...42 50. ÁBRA KAWASAKI KOLBÁSZ-ELŐKÉSZÍTÉS FÜSTÖLÉSRE...43 51. ÁBRA KAWASAKI LEMEZHAJLÍTÁS...43 52. ÁBRA KAWASAKI HEGESZTÉS...43 53. ÁBRA KAWASAKI SZERELÉS ELEKTROMOS ALKATRÉSZEK...43 54. ÁBRA DA VINCI ROBOT, BAL OLDALON AZ ORVOS HELYE, JOBB OLDALON A PÁCIENSÉ...44 55. ÁBRA DA VINCI ROBOT, BAL OLDALON AZ ORVOS, JOBB OLDALON A PÁCIENS...44 56. ÁBRA DA VINCI ROBOT, JOBB OLDALON A PÁCIENS...45 57. ÁBRA A JOBB OLDALON A PÁCIENS HELYE...45 58. ÁBRA SWARMOK...49 59. ÁBRA SWARMOK...49 60. ÁBRA SWARMOK...49 61. ÁBRA SWARM...49 62. ÁBRA HUMANOID SWARMOK...50 63. ÁBRA CYBER DEVICE IRÁNYÍTÁSA A VIRTUÁLIS VALÓSÁGBÓL...60 64. ÁBRA ROBOTOK KOLLABORÁCIÓJA...60
1. A robotika rövid, részleges története, előzményei néhány illusztrációval Ancient Greeks már a régi görögök szokás mondani, bármiről is van szó: itt természetesen igaz, mert már a régi görögök és rómaiak is készítettek robotszerű mechanizmusokat és vízzel hajtott játékokat. Al-Jazari, a 12 13. század, a középkor arab tudósa, igen sok mindenhez értett, és ő a szerzője a következő, angolra lefordított könyvnek: Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices, 1206 أ ب و ا ل ع ز ب ن إس ماع يل ) (Arabic: Abū al-'iz Ibn Ismā'īl ibn al-razāz al-jazarī (1136 1206) engineer, **anب ن Iraqi polymath: a scholar, inventor, mechanical الر زاز الجزري craftsman, artist, mathematician and astronomer from Al-Jazira, Mesopotamia. Leonardo da Vinci, a reneszánsz zseni, számtalan robotszerű berendezés terveit és leírását készítette el a 15. században. Hazánk fia, Kempelen Farkas (1734-1804), legyőzhetetlen sakkautomatát készített, amelynek rejtélyét miután a gép megsemmisült csak sokára fejtették meg, és a megfejtés ma sem mindenkinek teljesen meggyőző, lásd a 42 ábrát. Egy törpe sakkbajnok, akit Kempelen valahol Itáliában vásárolt ki a börtönből, ül tükrök között, hogy őt ne lássák, de ő láthassa a sakktáblát, és mozgathassa a pantográf másolószerű robotmechanizmussal a török -öt, aki a bábukat a megfelelő helyre teszi. Kempelen gépét számos magyar uralkodó is megcsodálta működés közben, sőt egyesek játszottak is ellene: Mária Terézia, (1717 1740 1780), II. József (1741 1780 1790), II. Lipót (1747 1790 1792), I. Ferenc (1768 1792 1835). 1. ábra Az Orloj, a prágai óra 2. ábra A müncheni régi városháza órája 7
A 18. századi Európában gyakori díszítések voltak a mozgó állatok, zenélő figurák stb., mind a robotika/manipulátorok alapelveivel. Ugyancsak robotelődnek tekinthetők az időnként igencsak régi, a toronyórákat díszítő mozgó figurák, pl. Prága (1410), zodiákus óra az apostolokkal, München, bonyolult, mozgó jelenetekkel stb. 2015.09.30. 14 3. ábra A török Kempelen sakkozó gépe, benne ül a törpe 8
2. ROBOTIKA A manipulátorok mechanikus berendezések, amelyek vagy ugyanazokat a mozgássorozatokat ismétlik akárhányszor (pl. 2 adott alkatrész összeillesztése), vagy emberi kéz irányítja őket (pl. valaminek az elmozdítása veszélyes térben). A manipulátorok programja be van építve a mechanizmusba és változtatása csak bonyolult átalakításokkal lehetséges (pl. másik 2 alkatrész összerakása). Tipikus, noha kézzel hajtott manipulátor Kempelen masinája, avagy a bonyolult óraszerkezetek. Az iparban pl. az izzólámpagyártásban már sok évtizede nagyhatékonyságú manipulátorok működtek, amelyeket mostanában cserélnek le robotokra A Robot talán legegyszerűbb meghatározása: A robot egy (újra)-programozható manipulátor. Azaz, ugyanaz a berendezés sokféleképpen használható és az újabb felhasználáshoz csak programot kell cserélni, módosítani. Néhány fontos megállapítás a robotokról, és néhány fontos lépés a fejlődésükben A robot szót a cseh drámaíró, Karel Čapek népszerűsítette 1921-ben írt színművével. A mű témája az emberiség elembertelenedése egy technikai társadalomban. Rossum s Universal Robots, RUR. A szó maga szláv eredetű, pl. oroszul rabotaty = dolgozni, rabota = munka. A szépirodalomban és a műszaki, technikai fogalomkörben is általában olyan eszközt, berendezést értenek roboton, amely az ember fizikai és/vagy szellemi munkájához hasonló tevékenységet végez. A robot egy aktív mesterséges ágens, aminek környezete a teljes fizikai világ. A robot teljes egészében ember készítette szerkezet. Mozogni tud és több szabadságfokkal rendelkezik. A szabadságfok azt mutatja, hogy hány különböző irányba képes a robot mozogni. Minimálisan 3 az elvárható a gyakorlatban 5, 6 és 7 szabadságfok a leggyakoribb. Tevékenységét részben vagy teljesen önállóan irányítja (autonóm). A robotika két okból is kihívást jelentő terület: A robotoknak a fizikai világban kell tevékenykedniük, ami sokkal bonyolultabb, mint a legtöbb szimulált szoftvervilág. Olyan hardvert (érzékelőket és beavatkozókat) igényel, amelyek valóban működnek. A mai robotika gyakorlatilag a mesterséges intelligencia valamennyi összetevőjét és alterületét alkalmazza. 9
Közvetlen elődök: manipulátorok, teleoperátorok, számjegyvezérlésű (NC) gépek. A teleoperátorok áttételeken keresztül valósították meg pl. a radioaktív anyagok mozgatását. Az 1950-es évek közepén/végén George Engelberger és George Devol fejlesztették ki az első hasznos ipari robotokat. Forgalmazásukra Engelberger megalapította az Unimation céget és elnyerte a robotika atyja címet. Az első robotdemonstráció alkalmából természetesen italt töltött egy üvegből egy pohárba. A szabadalmaztatás és az első ipari alkalmazás 1960-ban volt. Ez utóbbi a GM fröccsöntő üzemében, New Jerseyben. Az első modern, mozgó robot a Hopkins Beast volt, ami az 1960-as évek elején épült a John Hopkins Egyetemen. Mintafelismerő hardverrel rendelkezett. Rendszerben alkalmazott, integrált robotfelhasználás Magába foglaló architektúra Rodney A. Brooks (Stanford, MIT) a robottervezés viselkedésalapú robotikai megközelítését ajánlotta, mert Hagyományos intelligens robotrendszerekben az információfeldolgozás lassú, mert egymás után kell az alábbi feladatokat megoldani: érzékelés -> modellezés -> tervezés -> terv végrehajtás -> mozgásvezérlés Brooks új információfeldolgozó architektúrája: kis részben hierarchikus mindegyik komponens (alrendszer) önálló ágensként (holon) működik a modulok egymásra építhetők nincs központi tervezés, mindegyik komponens a saját feladatát kezeli (megjegyzés: a CE-re emlékeztet). A magába foglaló architektúra moduljai Az érzékelést a mozgásvezérléssel összekötő információfeldolgozás nem soros kapcsolatú folyamatok eredménye, hanem a modulok párhuzamos, egyidejűleg zajló munkájának összessége. 10
Környezet manipulálása Térképek kialakítása Megismerés Érzékelés Mozgásvezérlés Tárgy elkerülése Mozgatás 4. ábra Brooks-séma A magába foglaló architektúra egy alrendszerének sémája Brooks alapján Az egyes részfeladatokat megvalósító alrendszerek önálló érzékelő- és beavatkozóképességűek és kapcsolatban állnak környezetükkel. Az alrendszerek serkentő, illetve gátló üzenetekkel tartják egymással a kapcsolatot (az élőlényekben működő alrendszerekhez hasonlóan). A véges állapotú alrendszer (automata) egyszerű információ-feldolgozó kapacitású, például vektorösszegeket számít. 5. ábra Brooks-architektúra A Brooks-architektúra alkalmazása, a Genghis-rovar, 1989 Az elvek helyességének az igazolására az egyik első sikeres példány a hatlábú, 35 cm hosszú, 25cm magas, 1kg tömegű Genghis nevű robot volt. Az információfeldolgozást és a vezérlést négy darab mikroprocesszor végezte. Ennek ma nincs sok jelentősége a mikroprocesszorok fejlődésének ismeretében. A teljes működést 57 véges állapotú alrendszer biztosította. A robot a következő feladatokkal birkózott meg: felállás a tápfeszültség bekapcsolása után, sétálás sima talajon, 11
a láb átemelése ütközés esetén az akadályon, az akadályok elkerülése a tapintók alapján, egyensúly megtartása, közeli mozgó tárgyak észlelése és követése. 6. ábra Genghis-rovar Az SRI International Shakey -je volt az első mozgórobot, amelyet mesterséges intelligencia kontrollált. Érzékelőkkel felszerelve és egy problémamegoldó program által vezérelve a robot tájékozódni tudott az SRI termeiben: felhasználva a környezetből érkező információkat, megfelelő útvonalat dolgozott ki 1970. Flakey: a környezetbe ágyazott automataelméleten alapuló robot, a Shakey utódja. Képes volt az SRI termeiben a navigálásra, megbízatások teljesítésére, sőt kérdések feltevésére is. Rosenschein alap rendszerterve azon az elméleten alapul, hogy bármely véges állapotú gép megvalósítható egy olyan állapotregiszterrel, amelyhez egy olyan előrecsatoló áramkör csatlakozik, ami az állapotot aktualizálja az érzékelők bemeneteivel és az aktuális állapotnak a függvényében, és amihez tartozik egy másik olyan áramkör, ami a kimenetet számítja ki az állapotregiszter alapján. 1978 Texas Instruments Inc Speak &Spell emberi hang első elektronikus verziója, amit chipen tároltak. Megjegyezzük, hogy Kempelen Farkasnak nem a sakkozó gép volt a fő műszaki alkotása, hanem hangszintetizátort készített emberi hang előállítására. Még három kiemelni való a nagyon nagy választékból: Willian Grey Walter, intelligens robot, fényt keres, egy nagyon korai kísérlet, 1948. AI mint fogalom Darthmouth, konferencia, 1956. Itt határozták meg, hogy mit kell és lehet mesterséges intelligenciának tekinteni, és, hogy ez a robotika legfontosabb összetevője lesz. Az első emberszerű, humanoid robot, Waseda University, Japán, 1973. 12
A robotoknak általában 3 generációját definiáljuk 1.generációs robotok: 1960-as évek, csak mozgatásra kifejlesztve. 2.generációs robotok (ipar): 1970-es évek, érzékelőkkel vizsgálják környezetüket, tevékenységüket ezek hatására képesek megváltoztatni. 3.generációs robotok (kutatás): jelfeldolgozás, információ kiválasztása, kombinálása. Megjelennek az önálló viselkedési algoritmusok és döntési rendszerek. Ezekhez már legalább optikai érzékelők szükségesek. A robotok sok szempont szerint csoportosíthatók: intelligenciaszint, külső megjelenés (robotkarok, mobil robotok), pályavezérlés típusa, alkalmazási területek. Megkülönböztetjük a következő fajta robotokat: mobil (androidok, animatok, ember nélküli járművek, szórakoztatórobotok, általános autonóm robotok, focizó robotok), statikus (háztartási és ipari robotok, robotkarok, orvosi robotok), különleges robotok (mikrorobot, hexapod, tripod, tenger alatti, űrben dolgozó), nanorobotok (a fizika és, kémia határán). A következő ábra egy minőségi képet ad a különféle robotok bonyolultságára és intelligenciaigényére vonatkozóan. Látszik, hogy a háztartási robotok a legegyszerűbbek, mechanikailag és szoftverben is, míg pl. a cyborgok a legbonyolultabbak minden szempontból. A nanorobotokról még nincs igazi tapasztalat, így helyük erősen vitatható. Jelenleg több mint 10 millió robot működik a világon, legnagyobb részük az iparban, de a fejlődési trendek a háztartási, orvosi és játszórobotok nagyon gyors előretörését prognosztizálják. 13
Szoftver bonyolultság Bonyolultság Mesterséges intelligencia Cyborgok Kémia Fizika Orvostudomány Szórakoztató robotok Egyéb autonom robotok Animatok Vezető Nélküli járművek Ipari robotok Nanorobotok Háztartási Robotok Kézi manipulátorok Mechanikai bonyolultság 2015.10.01. 7. ábra Robotok intelligenciája 9 Érdekes pl., hogy ma a robotok labdarúgó-világbajnokságát évente megrendezik. A csapatok egyforma, 5 10 cm élhosszúságú kocka alakú, kerekeken vagy görgőkön haladó játékosokból állnak, csak a festésük és a belső felépítésük eltérő. A festés alapján ismerik fel a kamerák szoftverjei a hovatartozást. A játék egy nagyméretű csocsóasztalszerűségen történik pingponglabda méretű golyóval, és a kockák kergetik a golyót, amíg gólt nem érnek el. Van 3, 4, 5, 6 és 7 tagú csapat, ezeknek külön-külön rendezik a bajnokságot. A lényeg az, hogy a plafonra szerelt kamerák felismerik a csapatok játékosait, azt pedig az algoritmusok tudják, hogy mikor kell védekezni és mikor támadni, vagy éppen taktikai szabálytalanságot elkövetni. A leolvasó, helyzetértékelő és a végrehajtást vezérlő programok a számítógépekben laknak, a játékosok csak minimális intelligenciát visznek magukkal. A játékosok mozgatása, gyorsulása, lassulási képessége nagyban hozzájárul az esetleges sikerhez. A focikutatás célja pedig az, hogy 2050-re humanoid, két lábon járó (futó) robotok játsszanak az emberek ellen. Ma még eléggé hihetetlen, ha arra gondolunk, hogy a két lábon járás még nincs stabilan megoldva a robotvilágban. Igaz, hogy harminc éve, mesterséges intelligencia ide vagy oda, kevesen hitték, hogy valaha egy program megverheti sakkban a világbajnokot, pedig ez történt az IBM Deep Blue Kaszparov-meccsen 1997-ben, azaz közel 20 éve. Mivel a növekvő intelligenciájú robotok a könyvekben és filmekben is gyakran alkotóik ellen támadtak, sokan féltek attól, hogy mi minden történhet: így különféle törvényeket fogalmaztak meg az emberek és robotok kapcsolatáról. 14
Robottörvények Isaac Asimov, a jeles író, a következő alapszabályokat határozta meg 1940-ben: A robot nem árthat az embernek, és nem nézheti tétlenül, ha az embert veszély fenyegeti. A robot engedelmeskedni tartozik az emberek parancsainak, kivéve, ha ezek a parancsok az első törvénybe ütköznek. A robot köteles megvédeni magát mindaddig, amíg ez nem ütközik az első vagy a második törvénybe. Néhány baleset kérdéseket vetett fel: elegendők/megfelelők-e Asimov szabályai? Talán nem, ezt elég sok baleset igazolja, amelyek közül hármat választottunk ki: 2007-ben szoftverhiba miatt egy dél-afrikai katonai lőgyakorlaton egy Oerlikon GDF 005 robotágyú megölt 9 katonát és megsebesített 14-et. Egy Dvorak típusú robot fűnyíró gép megölt egy dán munkást. Egy kőgyűjtő robot majdnem leszedte egy svéd munkás fejét. A cég 25 000 korona büntetést fizetett. A balesetek újfajta felelősség kérdéseit is felvetik. Ki a felelős, ha baj történik: a gyártó, a programozó, a vevő, az eladó a felhasználó stb. Erre még visszatérünk. Mark Tilden, kaliforniai professzor a robotok védelmére kelt, és az alábbi szabályokat tette közzé: tekintettel arra, hogy csak a robotokról szól, aligha vehető tejesen komolyan, de érdekes. A robotnak minden körülmények között meg kell védenie magát A robot köteles a forrásait beszerezni és fenntartani. A robot állandóan köteles jobb forrásokat keresni. Az alábbiakban kompromisszumos, de kissé bonyolult szabályok találhatók Yueh-Hsuan Weng, Chien-Hsun Chen és Chuen-Tsai Sun tollából: Állandóan képesnek kell lennünk az ember robot interakciót értékelni, és reagálni a való világ bonyolult körülményeire. Azonnali defenzív reakciókra van szükségünk a nyelvi alapú és az autonómiából fakadó félreértések kockázatának csökkentésére. Egy explicit (határozott) interakciós szabályrendszerre és jogi keretekre van szükségünk, melyeket minden újgenerációs robotra használhatunk. 15
Robotok az irodalomban és a moziban Az írókat és filmeseket mindig foglalkoztatta az emberfeletti, a különleges, a másképp gondolkodó és működő, de mégis emberre hasonlító, esetleg megelevenedő lények. Sőt az emberre nem hasonlító intelligens lények is sokat szerepelnek pl. Čapek: Harc a szalamandrákkal, H. G. Wells: Óriások világa (Istenek eledele címen is megjelent) stb. Két kedvenc robotom a Csillagok háborúja c. filmben kapott jelentős szerepet C 3PO (röviden Threepio) George Lucas Csillagok háborúja c. film android szereplője. A sorozat két droid-főszereplőjének egyike. Magasság: 1,7 méter. Mozgás: szervomotoros végtagok. R 2 típus: R 2 Asztrorobot (Ipari automatakartell). Magasság: 1 méter. Mozgás: szervomotor hajtotta görgős lábak. 8. ábra R 2 robot a StarWarsban 9. ábra C 3PO robot a Star Warsban A két, együtt szereplő robotot képességeik és tudásuk alapján azonos szintű humanoidnak lehetne nevezni, pedig vannak még alapvető különbségek köztük. Az egyik két lábon jár és sok nyelven (100 felett) beszél, emberi kinézetű. A másik, mintha gurulna és beszéd helyett füttyszavakat hallat. Ennek ellenére kitűnően értik egymást és azonos szinten gondolkodnak és tevékenykednek. Néhány megelevenedett játék, szobor és hasonló, amelyek bizonyos, vagy más tekintetben robotszerűek: Pygmalion, Coppelia, Gólem, Pinocchio, avagy a Star Wars robotjai (C 3PO és R 2), vagy a Robotzsarué, a fából faragott királyfi stb. A robotokkal foglalkozó filmeket nem is ismertetjük, az irodalomra végtelen sok példát lehet találni, most csak néhány irodalmi művet sorolunk fel, mindegyiknek a lényege a megelevenedett, életre kelt robot: 16
Jack Williamson: The Humanoids, 1963 Invasion of the robots, 1963, kisregények Isaac Asimov: Satisfaction Guaranteed Henry Kuttnar: Piggy Bank Jack Williamson: With Folded Hands Richard Matheson: Brother to the Machine Robert Bloch: Almost Human Lester del Rey: Into Thy Hands Eric Frank Russel: Boomerang The coming of the robots, 1963, gyűjteményes kötet Otto Binder: I, robot, 1938 Lester del Ley: Helen o Loy, 1938 John Wyndham: The Lost Machine, 1932 Isaac Asimov: Runaround, 1942 Clifford D. Simak: Earth For Inspiration, 1941 Peter Phillips: Lost Memory, 1952 Harl Vincent: Rex, 1934 F. Orlin Tremaine: True Confession, 1939 Raymond Z. Gallun? Derelict, 1935 Michael Fischer: Misfit, 1935 Robotok Miután már sok mindent tudunk a robotokról, érdemes őket egy kicsit szisztematikusan is szemügyre venni. A robotosított rendszerek általános, klasszikus struktúrája A robotok két fő része a manipulátor, amely magába foglalja a végeffektorokat, a robot kezeit, az érzékelőket, a pneumatikus, hidraulikus vagy elektromos meghajtó berendezést, és a robotirányító számítógép, amely magába foglalja a vezérlőberendezést, a vezérlési algoritmusokat. A korszerű robotok vezérlését megfelelő, több mikroprocesszorból álló, hierarchikus felépítésű vezérlőberendezések végzik. Feladatuk az érzékelőkből időkülönbséggel érkező adatok összeillesztése, a műveletek időzítése, szinkronizálása. A vezérlés felső szintjén történik koordinátatranszformációk és egyéb műveletek segítségével a robot durva beállítása, és az egész tevékenység koordinálása. Alsóbb szinten a pontosabb beállítás, a pályagörbék, 17
az erő és a sebesség meghatározása, a legalsó szinten az elemi műveletek irányítása. Az érzékelők információi a hierarchia különböző szintjein lépnek be, s úgy módosítják az utasításokat, hogy az előre nem látható körülmények ne akadályozzák a feladat megoldását. Intelligencia. A robotmanipulátor feladata, hogy az effektort egy meghatározott célhelyzetbe, orientációba juttassa. Effektor (megfogó vagy szerszám) A belső érzékelők feladata az ízületek pillanatnyi jellemzőinek mérése, az erőforrások monitorozása, a mért adatok továbbítása. A munkatérben elhelyezkedő tárgyakat két osztályba soroljuk: céltárgyak és akadályok. A vezérlés robotprogrammal történik (berendezések működésének koordinálása, feladat-végrehajtás ütemezése, eseményfüggő lejátszás, érzékelés révén történő koordinátameghatározás). Pályavezérlés Pontról pontra vezérlés (a pálya bizonyos pontjai vannak megadva). Folyamatos pályavezérlés (a pontok között interpolációt hajt végre). A hajtás (motorok és áttételek egysége) lehet elektromos, hidraulikus, pneumatikus. Minden ízülethez önálló hajtás tartozik, ez a hajtáslánc (energiaközvetítés). A motor fordulatszámát, nyomatékát a hajtott elem követelményeihez kell illeszteni Segítségével el lehet távolítani a motort a robotmanipulátor megfogójának közeléből. A hajtásláncra vonatkozókövetelmények: Előírt kinematikai kapcsolat megvalósítása. Rendelkezés az előírt teherbírással. Kis tömegű szerkezet. Az energia jó hatásfokkal való eljuttatása a célhelyzetbe. 18
10. ábra Egy klasszikus robotarchitektúra Statikus robotkarok, manipulátorok, megfogók, robotkezek A robotok talán legfontosabb része az EOAT (End of Arm Tooling) (kar vég szerszám). A megfogó egy fizikai interfész, amely egy alkalmazást hajt végre. A robotkezek típusai: vacuum grippers, vákuumos pneumatic grippers, pneumatikus hydraulic grippers, hidraulikus and servo-electric grippers. szervo-elekromos. Vacuum Grippers, vákumos megfogók: Gyártáshoz szabvány volt, mert a legrugalmasabb. Gumi- vagy poliuretán csővel, zárt cellájú gumiréteggel. Sűrített levegő vákuum mindig rendelkezésre áll. Pneumatic Grippers, pneumatikus megfogók: A legnépszerűbb kicsi, könnyű, erős, könnyen beépíthető. Nyitott vagy zárt bang bang -ként hangzik, ahogy a fém a fémen csattan. 19
Hydraulic Grippers, hidraulikus megfogók: A legerősebbek > 2000 psi (N/m2). Veszélyes lehet: összetörhetik a végszerszámot. Kellemetlen lehet: pumpák olaját folyatva koszolhatnak. Servo-Electric Grippers, szervo-elektromos megfogók: Könnyen vezérelhetők ezért népszerűek. Rugalmasan változó erőket biztosít az elektromos irányítás. Kódadók segítségével detektálja és azonosítja a felvett objektumot. Legtisztább, legolcsóbb (nincs olaj- és levegőcső, nincs szennyezés). Az automatizálási folyamatokhoz figyelembe kell venni a kezelendő alkatrészeket és a megfelelő robotkezet kell választani és integrálni az ipari rendszerekbe. A robotfogást (prehension) vizsgálva négy alapvető robotmegfogási eljárás van: - Impactive Ütközéses: direkt kapcsolat a megfogott tárggyal (pl. fém alkatrészek). - Ingressive Behatoló: tűkkel beleszúrva az anyagba (pl. bőr esetén). - Astrictive Szívó-tapadó: vákuummal vagy más módon kiszíva az anyagot (pl. levegőt) a megfogó és a tárgy közül). - Contigutive Közvetlen adhéziós, tapadó: pl. ragasztás, fagyasztás. Néhány példa a megfogókra kommentek nem szükségesek, minden kép magáért beszél. 11. ábra Egy különleges megfogó 12. ábra Lézeres hegesztés 20
13. ábra Megfigyelés, javítás az űrben 15. ábra Ponthegesztő végeffektor 14. ábra Egy elég bonyolult és fejlett megoldás az ember utánzására 16. ábra Egy klasszikus megfogó 21
Robotkarok jellemzői Néhány alapfogalom: Munkatér (azon pontok halmaza, ahova a robotkar az effektor szerszámközéppontját/programozhatósági pontját eljuttathatja) Mobilitás-fok (ízületek száma) 3, 4, 5, 6 vagy akár 7 is lehet Pontosság (elméleti és elért pozíció közti eltérés vektor formájában megadva) Ismétlési pontosság Precízió (különböző irányokban milyen távolságra helyezkednek el a különböző rácspontok, azaz azok a legközelebbi szomszédos pontok, amelyekbe a karrendszer programozhatósági pontja eljuttatható) Terhelhetőség (kg) Maximális sebesség (effektornál) Maximális gyorsulás (effektornál) Azt, hogy a robotkar a tér mely pontjaiba tud eljutni, alapvetően az első három ízület mozgáslehetősége határozza meg, a további ízületek az effektor finompozicionálását és orientációjának beállítását végzik. Statikus robotkarok, manipulátorok Derékszögű koordinátás kar Az első három ízület egymásra merőleges irányokban transzlációs mozgást végez. Hengerkoordinátás kar Az első, csavaró ízület függőleges tengely körüli forgást biztosít, a második és harmadik transzlációs ízület függőleges, illetve vízszintes irányú mozgást végez. 17. ábra Derékszögű koordinátás kar 18. ábra Hengerkoordinátás kar 22
Gömbkoordinátás kar Az első ízület a törzs csavaró mozgását, a második az előzőre merőleges síkban a kar billentő mozgását, a harmadik, transzlációs ízület az alkar ki-be irányokba történő mozgását biztosítja. SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) Az első három, függőleges tengelyű ízület, az első és a második, billentő ízület a kart vízszintes síkban forgatja, a harmadik, transzlációs ízület a megfogót emeli, illetve süllyeszti. 19. ábra Gömbkoordinátás kar 20. ábra SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) jellemzőit. Humanoid kartípus Ez utánozza a legjobban az emberi kar A törzs beállítását csavaró, a felkar és az alkar pozicionálását egymással párhuzamos tengelyű billentő ízületek biztosítják. Legszélesebb körben alkalmazott robotkar. 21. ábra Humanoid kar 23
Kartagok Az emberi karra emlékeztető robotkar (soros manipulátor) ízületekkel egymáshoz kapcsolt kartagok sorozatából áll. Az i-edik kartag egy Kartag (Ki, Di) paraméterhalmazzal írható le, ahol Ki a kinematikai paraméterek részhalmaza, Di a dinamikai paraméterek részhalmaza. A Ki paraméterhalmaz tartalmazza többek között a kartaghoz rendelt lokális koordinátákat, a kartag irányvektorának jellemzőit, az ízületi tengelyek egységvektorait, a kartagok sebesség- és gyorsulásjellemzőit. A Di paraméterhalmaz tartalmazza a kartag tömegét, tehetetlenségi nyomatékait. Robotmanipulátorok modellezésének matematikai alapjai Egy manipulátorkar n merev kartagból áll. A manipulátor kartagok valamely bázisrendszeréhez viszonyított helyzetének és orientációjának jellemzésére mátrixalgebrai megközelítést alkalmazunk. Így a mozgás leírása az ízületekhez rendelt koordinátarendszerek és a báziskoordináta-rendszer közötti transzformációs kapcsolat segítségével történik. Homogén transzformációkat alkalmazunk. Legyen B báziskoordináta-rendszer x, y, z egységvektorokkal. A v=x.vx+y.vy+z.vz helyvektor leírja az L lokális koordinátarendszer OL origóját a bázis OB origójához képest. A bázis (rögzített) és a lokális (mozgó) koordinátarendszerek: z OB e3 e2 y OL x e1 A bázis x, y, z tengelye körül szöggel végzett elemi forgatások homogén transzformációs mátrixai: 24
Céltárgyak és akadályok modellezése Az objektumok felületét síklapokkal közelítjük. Az így kapott csúcsokat valamilyen sorrendben indexszel azonosítjuk, majd meghatározzuk a csúcspontok homogén koordinátás leírásait. Ha a modellezés során n számú csúcsot használunk, akkor a leíró vektorokat 4xn méretű mátrixba foglaljuk: Céltárgyak esetében a leírás részletességét nagyobbra választjuk. Ha a céltárgyat egyik pozícióból a másikba szeretnénk eljuttatni, a manipuláció leírására homogén transzformációs mátrixot (T) használunk. egyenlet jellemzi: A mozgatás előtti és utáni objektummodell kapcsolatát a következő Céltárgy (új helyzet) = T* Céltárgy (kiinduló helyzet). Robotok mobilitása Helyhez nem kötött: mobil robotok akutatók segédeszközeiként funkcionálnak: ember számára megközelíthetetlen helyeket keresnek fel folyamatos információgyűjtést végeznek komplex problémák megoldására tervezik őket. Mobil robottípusok Kerekes robotok (három-, négy- vagy hatkerekű). Járó robotok lépegető típus (vízszintes terepen) mászó típus (meredek falakon). Hogyan lehet eljuttatni a robotot az adott helyről a célpozícióba anélkül, hogy a robot akadályokba ütközne? durva pályatervezés (főbb sarokpontok) finom pályatervezés (két sarokpont között) trajektória tervezés (időbeli ütemezéssel) valós időben történő és egylépéses look ahead pályatervezés 25
A pályabejárás vagy navigáció során a megtervezett pályát követjük a robottal. A legnagyobb problémát a robot tervezett és realizált helyzete közti különbség jelenti. A navigációs rendszer tartalmaz: mozgásutasításokat (menj, fordulj stb. parancsok, távolság, szög, útjelző paraméterek). leíró jellegű információkat (milyen egyedeket kell érzékelni az úton, milyen globális orientációval kell haladni?). A robotok felhasználásának olyan gyors a fejlődése, és gyakran annyira váratlan, hogy nem is érdemes adatokat közölni. Csak részletezés nélküli felsorolást adunk. Egyetlen példa: ki merte volna öt évvel ezelőtt azt mondani, hogy 1,5 millió robotos sebészeti beavatkozás lesz embereken a Da Vinci operáló robottal. Robotok a gyártásban tegnap/ma Főleg az ember tehermentesítésére, különösen nehéz körülmények között: Anyagmozgatás: szerszámgépek és egyéb állomások kiszolgálása, rakodás Öntés, pont-, ívhegesztés, kovácsolás, hőkezelés, préselés, festés Intelligens robotok: nem csak belső erő nyomaték-érzékelőkkel, hanem külső tapintó, látó, halló, szagló érzékelők Szerelés (össze). Robotok a gyártásban ma/holnap Itt már finomabb feladatok is vannak Szerelés (össze-szét) Megmunkálás robotkar szerszámokkal (festő, maró, fúró, vágó, sorjázó stb.) Ellenőrzés Csomagolás, bőr-, textilkezelés Tisztítás, takarítás. Mikrorobot, nanorobot Itt már az ember által egyébként megoldhatatlan feladatok kerülnek az előtérbe: mobil (androidok, animatok, ember nélküli járművek) szórakoztatórobotok, általános autonóm robotok) statikus (háztartási és ipari robotok, robotkarok) mikrorobotok, egyebek, nanorobotok (fizika, kémia határán). 26
Robottípusok és alkalmazásaik, robotkategóriák mintapéldákkal Az iparban használt robotok: technológiai feladatot ellátó robotok, anyagmozgató robotok, szerelőrobotok, mérőrobotok. Ipari robotok A kutatásban használt robotok általános mobil robotok, telerobotok animatok androidok, antropomorf robotok. A speciális feladatok megoldására alkalmazott robotok: mikrorobotok, nanorobotok, gyógyászatban alkalmazott robotok, idősek segítése, sebészet, felügyelet, űr-robotok, tenger alatti, bányászati, bombahatástalanító robotok. a hardver-robotok mintegy 95 98%-át adják, kellemetlen munkahelyeken helyettesítik az embert. A robotok fő fogyasztói az autógyártás és a mikroelektronika. Általános autonóm robotok -mobilisak, 22. ábra Ipari robot -feladatspecifikusak, önállóan tudnak navigálni ismeretlen környezetben is, de a hatótávolságuk kicsi ellátó energia gondot okozhat, kerekes mobil robotok, mászó és lépegető (nukleáris, hadászati alkalmazás) robotok, telerobotok (mikrosebészet). 27
23. ábra Androidok 24. ábra Animat Animatok Megnevezésük az animal (állat) szóból származik, állatok gépi modelljjeinek megépítése állatok mozgásának eltanulása, felhasználása, komoly feladat a járási stratégia. Szórakoztató célú robotok síró, beszélő, rugdalózó csecsemő (pici android) robotfoci: legbonyolultabb, hagyományos autonóm robotokból (4 7 fős csapatok) álló multiágens rendszer gyors helyzetfelismerés, optimális terv-összehangolás elérése valós időben. Aibo robotkutya hangszóró, memóriakártya, digitális kamera: képes hallani, érezni, tanulni és mozogni első üzleti napján 20 s alatt 3000 darabot adtak el belőle. 25. ábra Aibo, a játékos kutya 28
Ember nélküli járművek autonóm robotok tulajdonságaival rendelkeznek általában járművek hatótávolságuk közepes, nagy vízi légi (robotpilóta) szárazföldi (metró, vonat, villamos) űrjárművek (Lunahod 1 Hold, Pathfinder Mars). Energiaellátás hálózatról (ritka) magával vitt (akku, napelem) átsugárzott (laser, mikro). Androidok Cél: mechanikus ember készítése. 26. ábra önálló Hold-járó (Mars-járó) Alapfeladatok: járás, kézmozgás, arcmozgás, beszéddel szinkronizált arc- és ajakmozgás, általános mozgáskoordináció. Kishmet (= sors): 15 számítógép tartja fenn Asimo az udvarias robot (a jobb oldali) 29
27. ábra Kishmet Háztartási robotok Háztartási automaták, segédeszközök 28. ábra Asimo Milyen okosnak kell lennie az ágyadnak ahhoz, hogy este félj lefeküdni? Rich Gold, Feb. 16, 1994 3. Nemzedék ultrahang- és infravörös-érzékelővel van felszerelve, megismeri a gazdája hangját, betörés vagy tűz esetén telefonon értesíti a rendőrséget, tűzoltóságot, fel és le tudja kapcsolni a villanyt, ajtót nyit, kezeli a porszívót, beépített televíziója, rádiója van (ára 1985-ben: 30 000$). intelligens ház, smart home. Az MIT Media Lab. aktuális kutatási-fejlesztési témája: a hűtő automatikusan listát készít arról, hogy mit kell vennünk, kapcsolatba lép az Interneten az áruházláncok eladó ágenseivel. Beszélő asztal, amely a recepteket tudja, mérlegként és alapanyag-adagolóként szolgál. Nanorobotok mikroszkopikus méretű gépek nanométer nagyságrendű ( m) robotok olyan robotok, melyekkel nanométer nagyságrendű objektumok manipulálhatók olyan mesterségesen előállított kémiai szerkezetek, amelyek a szervezetbe kerülve meghatározott feladatokat hajtanak végre (a gyógyszer és a műtét együttese). A nanostruktúrák az orvostudomány és a biokémia termékeinek, mesterséges enzimeinek tekinthetők, melyek programozhatók és irányíthatók. Tökéletesen működő nanorobotot még nem sikerült előállítani. 30
Foresight Institute, Palo Alto, Calif. USA: Technology Roadmap for Productive Nanosystemes. Hasznos nanorendszerek várható fejlődési irányai A Foresigt Intézet (Kalifornia, USA) Produktív Nanorendszerek Technológiai Roadmapja (Jövőterve) meghatározza a nanofeladatok előállítására/megoldására alkalmas eszközöket, körülményeket, feltételeket. Pl. a nanorobotokból hogyan lesz termelő nanorendszer. Egy konkrét, megtervezett nanorobot pl. úgy működik mint a haemoglobin. Vérbe juttatva oxigént (O 2 ) ereszt ki és szén-dioxidot (CO 2 ) nyel el vagy fordítva. Különbség csak annyi, hogy a haemoglobin által szállított O 2 200-szorosát képes hordozni. Azaz, ha egy felnőtt vérébe 1 liter, O 2 -nel feltöltött nanorobotot juttatunk, négy órán keresztül nem kell levegőt vennie. 29. ábra Nanorobot 31. ábra Nanorobot 30. ábra Nanorobot 32. ábra Nanorobot 31
Néhány további robot ismertetése képekkel, adatokkal A következőkben a végtelen kínálatból majdnem teljesen véletlenszerűen kiválasztott néhány robot fotóját mutatjuk meg. Egyesekhez közlünk műszaki adatokat is, másoknak csak a képe szerepel. Először a Fanuc S 430iF ipari robot adatait ismertetjük, megadva az összes fontos paraméterét, majd több egyéb robotról mutatunk képeket. Azért esett a Fanucra a választás, mert ezzel a robottal végeztük a legtöbb sikeres kísérletet az MTA SZTAKI CIM Robotlaboratóriumában (Fém- és műanyaglemez-megmunkálás, Rubik kocka, újfajta gripperek, Jenga játék, asztalterítés és levestálalás stb). Az ismertetés pedig azért részletes, hogy az olvasó láthassa, hogy kb. milyen adatokat szokás egy-egy robotról megadni. Fanuc S 430iF robot Előnyei Nagy munkaterület, képesség a feje feletti és a mögötte lévő térben is munkavégzésre. Kompatibilis az S 420i-vel, ami már bizonyított. Ismert, gyors szervorendszer a gyors pont pont vezérléshez. Rugalmas rendszer: a vezérlő többféle elhelyezése és típusa egyaránt használható Változatos modellek (S 430 család) Az S 420 és S 420i sorozattal közös tulajdonságok, pl. azonos szerszámozás Az S 410 és S 420i minden pontját könnyen eléri, így egyszerű a helyettesítés. Robotvezérlő: RJ3 Alkalmazások: Gépkocsi ponthegesztés és szerelés Általános ipari felhasználás, Anyagmozgatás A Fanuc S 430i robotsorok a maximális rugalmasságot, teljesítményt és megbízhatóságot nyújtják az autóiparban, anyagkezelésben és általános ipari felhasználásban. A kompakt tervezés nagy munkateret (átbillenéssel együtt) és kapacitást, valamint nagy sebességet és nagy terhelést biztosít. Mechanikai tulajdonságok: 6 tengelyes mozgás, sovány tervezés nagy megengedett csuklóerők és nyomatékok sok folyamatkapcsolódási pont, állandó külső kar precíziós hajtás a J5 és J6 tengelyen az ellensúly elhagyása növeli a munkateret, a kábelezés a karokban megy. 32
Irányítási tulajdonságok: 420 i-méretű (integrált vagy távoli) szekrény, gyorsan (<5 perc) cserélhető erősítő) gyors újratöltés (<30 sec.), könnyű kapcsolat sok I/O-val. Robotszoftver: Opciók: ugyanaz a látvány és érzés, mint az S 420i-nél speciális csomagok minden alkalmazáshoz. kettős belső légkábel, 3 fajta arclemez, elektromosan szigetelve belső robotkábelek, nehéz körülmények között is működik beállítható mechanikus megállítások a J5-J6 tengelyekre precíziós alaplap szereléshez, B-méretű irányító doboz. Tengelyek: 6 Terhelhetőség: 130 kg Magassági korlát: 2488 mm Ismétlési pontosság: ±0,5 mm Szerelés: álló helyzet Szoftver: Csak a legálisat árulnak Erő- és nyomatékadatok (vészmegálláskor, a 130 kg többszöröse léphet fel) Model Vertical moment M V [kgm] Force in vertical direction F V [kg] Horizontal moment M H [kgm] Force in horizontal direction F H [kg] S-430i F 5800 3600 1600 2600 S-430i W 6600 3900 1800 2600 33. ábra Erő- és nyomatékadatok 33
34. ábra Fanuc S 430iF robot Speciális hexapod és tripod robotok Egyéb kísérleti alkalmazások 35. ábra Különleges tripod robot Hexapod felhasználása: Repülés- és mozgásszimuláció Gyártásstechnológia Orvosi alkalmazások precíziós pozicionálása 36. ábra Hexapod marógépekhez 34
37. ábra Különleges hexapod robot 40. ábra Hexapod marógépekhez 38. ábra Hexapod 41. ábra Különleges robot 39. ábra Különleges robot 35
Néhány további robot Néhány gyár néhány robotját, ill. robotjait mutatjuk meg, különösebb kommentárok nélkül. Mitsubisi Melfa 42. ábra Melfa robot A 81. és 82. ábra közé tettünk még egy néhány robotot, számozatlan képalírással, felsorolás jelleggel: Melfa robotok, fő adatokkal, 6 FANUC ipari robot és két KUKA robot Melfa robotok 36
Néhány Melfa robot fő adatai. Különösen a sebesség- és a pontosságadatok összehasonlítására hívjuk fel a figyelmet. Nyilván ezek alapján dől el az optimális felhasználás. axes load reach speed mm/s repeatability RV M2 5 2,0 550 1500 +/-0,1 RV M1 5 1,0 410 1500 +/-0,3 RV 3S 6 3,0 642 5500 +/-0,02 RV-4AJL 5 4 850 6000 +/-0.04 Néhány Fanuc ipari robot (89-93) 37
89-93 ábra. FANUC robotok 89-93 ábra. FANUC robotok Két KUKA robot KUKA 16-2 F Terhelhetőség: 16+10 kg. Maximális elérés: 1610 mm Tengelyek száma: 6 Pontosság: +- 0,05 mm Súly: 235 kg Vezérlés: KR C2 Felszerelés: padló, mennyezet 38
KUKA KR 1000 Terhelhetőség: 1000+50 kg. Maximális elérés: 3202 mm Tengelyek száma: 6 Pontosság: +- 0,1 mm Súly: 4950 kg Vezérlés: KR C2 Felszerelés: padló Két, nagyon eltérő teljesítményű, méretű, célú robot, de közös a vezérlőjük. 43. ábra ABB IRB 360 flexpicker pókrobot 44. ábra ABB IRB 1520ID ívhegesztő 39
45. ábra ABB IRB 120 46. ábra ABB IRB 7600 47. ábra ABB YuMi a kétkarú, emberbarát robot 40
Néhány ABB robot fő adatai Név Terhelhetőség Elérési távolság IRB 120 3 kg 0,58 m IRB 1200 5 kg; 7 kg 0,7 m; 0,9 m IRB 140 6 kg 0,81 m IRB 1410 5 kg 1,44 m IRB 1520ID 4 kg 1,5 m IRB 1600 6 kg; 10 kg 1,2 m; 1,45 m IRB 1600ID 4 kg 1,5 m IRB 2400 12 kg; 20 kg 1,55 m IRB 260 30 kg 1,52 m IRB 2600 12 kg; 20 kg 1,65 m; 1,85 m IRB 2600ID 8 kg; 15 kg 1,85 m; 2,00 m IRB 360 1 kg; 8 kg Ø1,13 (m) IRB 4400 10 kg; 60 kg 1,95 m; 2,55 m IRB 4450S 30 kg 2,74 m IRB 460 high speed robotic palletizer 110 kg 2,40 m IRB 4600 20 kg; 40 kg; 45 kg; 60 kg 2,05 m; 2,51 m; 2,55 m IRB 52 7 kg 1,2 m, 1,45 m IRB 5400 25 kg 3,1 m; 15 m IRB 5500 FlexPainter 13 kg 2,7 m IRB 580 10 kg 2,2 m; 2,6 m IRB 6400RF 200 kg 2,5 m; 2,8 m IRB 660 180 kg; 250 kg 3,15 m IRB 6620 150 kg 2,2 m IRB 6620LX 150 kg 1,9 m IRB 6640 130 235 kg 2,55 3,2 m IRB 6650S 125 kg; 200 kg 3,0 m; 3,5 m IRB 6660 for pre machining 205 kg 1,9 m IRB 6660 for press tending 130 kg 3,10 m IRB 6700 235 kg 2,65 m IRB 760 high speed, full-layer, palletizer 450 kg 3,18 m IRB 7600 150 500 kg 2,3 3,5 m 41
48. ábra Egy impresszív autóipari alkalmazás 49. ábra Baxter, az ember formájú robot, képes figyelni a munkatársaira 42
50. ábra KAWASAKI kolbász-előkészítés füstölésre 52. ábra KAWASAKI hegesztés 51. ábra KAWASAKI lemezhajlítás 53. ábra KAWASAKI szerelés elektromos alkatrészek 43
3. A da Vinci operáló robot A da Vinci operáló robot, ami ma a robotika egyik csúcsa, és ahol alkalmazzák, ott a legtöbbször a betegek már ezt választják az orvos helyett. Természetesen itt is az orvos irányítja, vezérli a műtétet, de számos dologban (pl. pontosság, reszketésmentes kezek, nem elhomályosodó szem stb.) a robot előnyösebb lehet. 54. ábra Da Vinci robot, bal oldalon az orvos helye, jobb oldalon a páciensé 55. ábra Da Vinci robot, bal oldalon az orvos, jobb oldalon a páciens A fő jellemzői: Da Vinci távolból irányított, távsebészet (remote surgery). Minimális behatolást alkalmazó (minimally invasive) operáció, és emberi beavatkozás nélküli (unmanned) operáció. A szervezet traumájának lecsökkentése. Gyorsabb operáció kevesebb vérveszteség (alig kell vérátömlesztés). Csökkent operáció utáni fájdalom. Az operáció következtében előálló fertőzés valószínűségének lecsökkenése. Rövidebb kórházi tartózkodás, gyorsabb felépülés, kisebb sebhely. 44
56. ábra Da Vinci robot, jobb oldalon a páciens 57. ábra A jobb oldalon a páciens helye Eddig több mint 1,5 millió műtétet végeztek a da Vinci robotokkal világszerte. 45
4. Swarmok együttműködő, sokelemű robotcsapat Robotok együttműködésének irányítása mindig nehéz feladat volt. Pl. a legegyszerűbb feladat: két, egymással szemben álló robot emeljen fel és helyezzen át valamilyen nagy tárgyat, anélkül, hogy kárt okoznának, és ledobni is tilos. Sokan, sokat foglalkoztak ezzel a kérdéssel. Sok robot összehangolt mozgását és együttes, egymást segítő tevékenységét már csak intelligens eszközökkel lehet megoldani. A sokrobotos rendszerekre is gyakran a humanoid kifejezést használják, mert az emberi összefogás inspirálja azokat. Az angol swarm szónak nagyon sok magyar jelentése létezik, most ezek közül néhány: nyüzsög, pezseg, rajzik, hemzseg, sokaság, tömeg, zsibong, raj, méhraj, horda, eláraszt, megzavarodik, ellep A swarm robotika a sok, fizikailag egyszerű, de nagyszámú robotból álló multirobot rendszerek koordinálásának egy új, érdekes megközelítése. A nagy szám lehet öt tíztől egészen ezres nagyságrendig. Abban a reményben beszélünk róluk, hogy a megkívánt kollektív viselkedésük a robotok közti, valamint a robotok és a környezet közötti interakciókból jön létre, s számítástechnikai és szakértői tudás csak kismértékben befolyásolja a működésüket. A swarm robotika sokat tanult a hangyáktól, és a swarmokon belül a hangya robotika (ANT Robotics) az egyik alosztály lett. A részecske raj alapú optmalizálás a swarmok működési alapja (Forrás: Particle swarm optimization Wikipedia) A számítástudományban a részecske raj alapú optimálás egy számítási módszer, mely iteratív módon optimalizál, megpróbálva egy megoldásjelölt minőségét fejleszteni, javítani. Ezek a technikák általánosságban meta-heurisztikaként ismertek, mivel kevés, vagy semmi követelményt nem támasztanak az optimálandó feladattal szemben és a megoldásjelöltek hatalmas terében képesek keresni. Azonban, a meta-heurisztikák, mint a részecske raj alapú optimálás is, nem garantálják, hogy valaha is megtalálják az optimális megoldást. Még konkrétabban, a részecske raj optimálás nem használ gradienst az optimálandó problémában, ami egyúttal azt is jelenti, hogy nem igényli, hogy az optimálandó jellemző az állapottéren differenciálható legyen, mint ahogy az elvárás a gradiens módszer vagy a kvázi Newton-módszerek esetében. A részecske raj alapú optimálás emiatt olyan problémák esetén is alkalmazható, melyek részben szabálytalanok, hibákkal terheltek zajosak, időben változnak stb. (Ebben hasonlítanak a tabukeresésre vagy a genetikus algoritmusra.) A részecske raj alapú optimálás a problémát a megoldásjelöltek, azaz részecskék populációján keresztül optimálja (v. ö. evolúciós algoritmusok), egyszerű matematikai formulák segítségével mozgatva ezeket a részecskéket a keresési térben. A részecskék 46
mozgását a legjobb megtalált keresésitér-pozíciók vezetik, amelyek frissítődnek, amint jobb pontokat találnak a részecskék. A részecske raj alapú optimálás algoritmusa Az algoritmus alapvariációja a megoldásjelöltek (részecskék) egy populációjával (nevezzük rajnak) dolgozik. Ezek a részecskék a keresési térben néhány egyszerű matematikai formulának megfelelően mozognak. A részecskék mozgását a keresési térben a saját ismert legjobb pozíciójuk, valamint a teljes raj ismert legjobb pozíciója határozza meg. Amikor jobb pontokat találnak, ezek veszik át a raj vezérlő szerepét. Formálisan is viszonylag egyszerű, de mégis eltekintünk a részletektől, csakúgy, mint a jegyzet más részeinél is tettük. Mint minden iteratív számításnál, itt is legalább két érdekes kérdés merül fel, amelyekkel érdemes lenne külön foglalkozni: mikor és hogyan fejezzük be a keresést, az elért optimum, amely feltehetőleg lokális, vagy kvázi optimum, milyen messze van az optimumtól. Ha a leállás bekövetkezett, g megadja a megtalált addigi legjobb, szerencsés esetben kvázi optimális minimumpontot. Leállási kritérium lehet az iterációk számára megadott korlát teljesülése vagy megfelelő fitnessérték elérése. A paramétereket gyakorlati tapasztalatok alapján választjuk, ezekkel lehet kontrollálni az algoritmus viselkedését és változtatni a hatékonyságát. Paraméterválasztás A paraméterek helyes megválasztása erőteljesen kihat a részecske raj alapú optimálás hatékonyságára. (Egy másodlagos belső optimálási feladat.) Konvergencia Az algoritmus esetében a konvergencia kétféle dolgot is jelenthet, bár gyakran nem tisztázott, hogy melyiket értik alatta, és hibásan gondolják azonosaknak. A konvergencia vonatkozhat a raj g legjobb ismert pozíciójának a problémaoptimumához való tartására, a raj viselkedésétől függően. A konvergencia vonatkozhat a raj összehúzódására, amelyben az összes részecske tart a keresési tér egy pontja felé, mely egyaránt lehet az optimum vagy más pont. Bár történtek próbálkozások a konvergencia egzakt matematikai leírására, lásd a Forrást, az eredmények nem egyértelműek és az algoritmus sokszínűsége miatt változatosak. Mindenesetre, a paraméterek okozhatnak konvergenciát, divergenciát és oszcillálást is a raj részecskéinél. 47
Variánsok Még az alap algoritmusnak is számtalan variációja lehetséges, pl. az inicializálás variálásával. Új és finomított variációk folyamatosan jelennek meg a hatékonyság növelésének célzatával. Jelen van a hibrid optimálás irányába ható irányzat is. Több módszer, mint pl. a paraméterek keresés közbeni dinamikus változtatása, jól ismertek pl. a szimulált lehűtés vagy a mesterséges neurális hálók tanulási algoritmusaiból. Valószínűleg az algoritmus alkalmazása inkább problémaspecifikus, és a tapasztalat a próbák fontosságát emeli ki. Egyszerűsítések Egy másik irányzat a sokszínűség helyett az algoritmus anélküli egyszerűsítését célozza, hogy a hatékonysága jelentősen csökkenne. Ehhez gyakran Occam borotvája elvére hivatkozva. Kapcsolódó témakörök A részecske raj alapú optimálás alkalmazása előtt célszerű tanulmányozni a következők algoritmusait: rajintelligencia és a méhecske/ mesterséges méhecske kolóniák, hangyakolóniák. Most egy részecske raj alapú optimálást humanoid robotok helyváltoztatásának modellezésében hasznosító tanulmányt mutatunk be Rokbani és társai (2009) műve alapján. Emberszerű helyváltoztatás robotikája Multiágens robotrendszerek A multiágens, csoportos ágens robotrendszer a multiágens rendszer (Multi-agent System, MAS) alesete, és ily módon hordozza annak jellemzőit. A multiágens robotrendszerekben több, kommunikációra és önszabályozásra képes robot működik együtt egy közös cél által vezérelten, önszervező módon. Tipikus példa a robotfocizó robotok csapata. Egy ilyen rendszer egyedeitől megkívánjuk az intelligencia bizonyos fokát. A multiágens robotrendszerek robotjait jellemzi az autonómia, a robot önállóan is képes cselekedni egyedre szabott informáltság: a robotegyed nincs birtokában a rendszer teljes információjának decentralizáltság: a rendszer információi megoszlanak a robotegyedek között, nincs olyan egyed, amely a teljes rendszerre vonatkozó információt birtokolná. Megfigyelhető, hogy a rendszer célja nem áll elő egyszerűen a robotegyedek egyedi céljainak összességeként, de az egyedi tevékenységek összessége a kollektív célt is megvalósítja (a kapus csak véd, végül a csapat nyer). Liu és Wu (2001) könyvükben hangsúlyozták a tanulás fontosságát a környezet elvárásaihoz való adaptációban, valamint a 48