Opis historii i pojęć związanych z rozwojem robotyki
Robotyka jest jedną z dziedzin nauki i techniki, która swoją wszechstronnością obejmuje takie przedmioty jak elektrotechnika, informatyka, mechanika, a także psychologia i biologia.
Etapy obejmujące zakres robotyki to:
I. projektowanie;
II. konstrukcja;
III. działanie i zastosowanie robotów.
Historia Robotyki
Starożytność i średniowiecze: W starożytności, proste automaty powstawały już w cywilizacji greckiej i egipskiej. W średniowieczu zaczęto tworzyć złożone zegary astronomiczne.
XVIII i XIX wiek: W tym okresie zaczęto tworzyć już bardziej rozbudowane automaty. Niektóre z nich zaczęły wykonywać złożone czynności, takie jak np. gra na instrumentach.
XX wiek: Do przełomu rozwoju robotyki doszło w latach 40-stych XX wieku, kiedy to George Devol zaprojektował pierwszego przemysłowego robota o nazwie Unimate. Robot ten pierwszy raz został użyty w fabryce General Motors w 1961 roku.
XXI wiek: Dynamiczny rozwój robotyki nastąpił na początku XXI wieku. W tym okresie powstało kilka rodzajów robotów. Są to roboty autonomiczne, które samodzielnie się poruszają i wykonują zadania, roboty humanoidalne, które naśladują ruchy człowieka oraz roboty nano, które są wielkości kilku mikrometrów.
Podstawowe pojęcia związane z robotyką
Robot: Robot to urządzenie mechaniczne, które może być zaprogramowane do wykonywania zadań. Występują roboty pełnoautonomiczne, tj. przeprowadzają procesy bez ingerencji człowieka i półautonomiczne, tj. wymagają ciągłej kontroli człowieka.
Autonomiczność: Autonomiczność w odniesieniu do robota, to zdolność do wykonywania przez niego zadań bez interwencji człowieka.
Manipulator: Manipulator jest urządzeniem mechanicznym, wykorzystywanym w robotach, naśladującym ruchy ręki człowieka, służącym do wykonywania precyzyjnych czynności na obiektach.
Sensor: Sensor to urządzenie, za pomocą którego robot wykrywa otoczenie. Są to m.in. sensory światła, temperatury, odległości, dźwięku, nacisku itp.
Programowanie robotów: Programowanie robotów to tworzenie instrukcji, wytycznych, z których robot będzie korzystał podczas wykonywania zadania. Jest to m.in. sekwencja precyzyjnych ruchów, reagowanie na dane sensorów, rozpoznawanie wzorców. Języki, które wykorzystuje się w robotyce to m.in. Python, C++, Java, ROS (Robot Operating System), a także inne języki przeznaczone do określonych systemów robotycznych.
Robot humanoidalny: Robot humanoidalny, to robot wzorowany na wyglądzie człowieka, który naśladuje jego ruchy. Takie roboty wykorzystuje się do współpracy z ludźmi.
Robot przemysłowy: Robot przemysłowy, to robot, wykorzystywany w przemyśle do wykonywania zleconych zadań takich jak montaż, spawanie, pakowanie, kontrola jakości itp.
Robotyka mobilna: Robotyka mobilna, to jedna z dziedzin robotyki, która skupia się na robotach zdolnych do poruszania się w środowisku. Są to np. roboty lądowe, podwodne, latające.
Robotyka nano: Robotyka nano, to dziedzina robotyki skupiająca się na tworzeniu robotów, które są wykorzystywane w medycynie, naukach materiałowych czy elektronice.
AI i Machine Learning w Robotyce: Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe stanowi ważną rolę w nowoczesnej robotyce. Umożliwia robotom naukę, adaptację do nowych sytuacji oraz wykonywanie złożonych zadań.
Etyka w Robotyce: Etyka w robotyce, to dziedzina zajmująca się określaniem zasad moralnych, które powinny obowiązywać wobec robotów, a przede wszystkim tych, które posiadają autonomię i mogą wpływać na życie ludzi.
Aktuator: Aktuator to urządzenie służące do przekształcania energii (elektrycznej, hydraulicznej itp.) w ruch. W robotyce, aktuatory wykorzystywane są np. do napędzania części robota, takich jak koła ramiona, przeguby.
Algorytmy sterowania: Algorytmy sterowania stosowane są do sterowania ruchem i działaniem robota. Mogą obejmować metody z zakresu sterowania PID, sterowania adaptacyjnego, sterowania optymalnego itp.
ROS (Robot Operating System): ROS to łatwo przystosowujący się framework (platforma programistyczna zawierająca strukturę aplikacji) do pisania oprogramowania dla robotów. Zawiera zestaw narzędzi, bibliotek i konwencji, służących do zoptymalizowania budowy oprogramowania dla robotów.
Robotyka edukacyjna: Robotyka edukacyjna, to dziedzina, która koncentruje się na wykorzystywaniu robotów do nauki, zwłaszcza w kontekście STEM ( nauka, technologia, inżynieria, matematyka).
Robotyka medyczna: Robotyka medyczna, to dziedzina, która zajmuje się zastosowaniem robotów w medycynie, np. do przeprowadzania precyzyjnych
i skomplikowanych operacji, do rehabilitacji, czy też dostarczania leków.
Swarm Robotics: Swarm Robotics to koncepcja robotyki, polegająca na koordynacji wielu robotów, pozwalająca razem wykonywać im pracę. Jest inspiracją zachowań naturalnych, takich jak np. praca roju pszczół, czy kolonii mrówek.
Haptics: Haptics, to technologia umożliwiająca odczuwanie dotyku, czegoś co naprawdę nie istnieje. Zazwyczaj stosowana w robotyce do sterowania robotami lub w symulatorach do treningów.
Cybernetyka: Cybernetyka to odłam nauki badający systemy regulacji
i sterowania w maszynach. Cybernetyka związana jest z przetwarzaniem
i przekazywaniem informacji.
Automat: Automat to urządzenie, które automatycznie wykonuje jedno lub kilka zadań.
Robot społeczny: Robot społeczny, to robot stworzony do współpracy z ludźmi w kontekście społecznym.
Robotyka Soft: Robotyka Soft, to rodzaj robotyki, skupiającej się na tworzeniu robotów z miękkich i elastycznych materiałów.
Bionika: Bionika to dziedzina wiedzy z pogranicza biologii i nauk technicznych, zajmująca się zastępowaniem organów i części ciała urządzeniami, które naśladują naturalne zachowanie człowieka.
Robotyka kooperacyjna: Robotyka kooperacyjna to dziedzina robotyki, która zajmuje się badaniem współpracy robotów przy wykonywaniu zadań. Takim przykładem jest produkcja samochodu, gdzie kilka robotów współpracuje ze sobą w celu zbudowania części samochodu.
Robotyka rehabilitacyjna: Robotyka rehabilitacyjna to dziedzina, która koncentruje się na wykorzystaniu robotów do pomocy w rehabilitacji pacjentów, np. po udarze.
Robotyka przyszłości: Robotyka przyszłości jest trudna do przewidzenia, ale prawdopodobnie będzie osiągać coraz większą autonomię, złożoność, interakcję
z ludźmi oraz zdolność do uczenia się i adaptacji.
Sztuczne sieci neuronowe (ANN-Artificial Neural Networks): Sztuczne sieci neuronowe to modele obliczeniowe, zainspirowane biologicznymi sieciami neuronowymi (systemy naśladujące działanie mózgu). ANN stosowane są
w robotach w celu przetwarzania obrazu, rozpoznawania wzorów i uczenia maszynowego.
Robotyka ewolucyjna: Robotyka ewolucyjna to dziedzina, która wykorzystuje algorytm genetyczny do modyfikacji robotów poprzez procesy selekcji, krzyżowania i mutacji.
Robotyka modułowa: Robotyka modułowa zajmuje się robotami zbudowanymi
z wielu modułów, które mogą być skonfigurowane do różnych form i funkcji.
Algorytm SLAM (Simultaneous Localization and Mapping): SLAM jest techniką stosowaną w robotyce, która pozwala robotom tworzyć mapy nieznanych środowisk, jednocześnie utrzymując orientację w tych środowiskach.
Widzenie maszynowe: Widzenia maszynowe to technologia umożliwiająca robotom „widzenie” i interpretację obrazów.
Bezpieczeństwo w robotyce: Bezpieczeństwo w robotyce to zarządzanie ryzykiem i zapewnienie bezpiecznego użytkowania robotów. Odnosi się do fizycznych interakcji między robotem a człowiekiem.
Robotyka kosmiczna: Robotyka kosmiczna to odłam robotyki zajmujący się eksploracją kosmosu za pomocą sond kosmicznych.
Planowanie trajektorii: Planowanie trajektorii to proces obliczania optymalnej ścieżki, którą robot będzie podążał, aby osiągnąć cel.
Kinematyka i dynamika: Kinematyka to nauka o ruchu bez uwzględniania sił powodujących ten ruch. W robotyce kinematyka analizuje ruchy robotów tj. rotacja (obroty), translacja (przesunięcia). Dynamika to nauka o ruchu
z uwzględnieniem sił powodujących ten ruch. Dynamia w robotyce odnosi się do sił i momentów wpływających na ruch robotów.
Robotyka podwodna: Robotyka podwodna to dziedzina robotyki, która skupia się na tworzeniu robotów zdolnych do wykonywania zadań w środowiskach podwodnych, takich jak oceanograficzne badania podwodne czy podwodne misje ratunkowe.
Innowacje w robotyce: Innowacje w robotyce to przede wszystkim rozwój bardziej zaawansowanych czujników, udoskonalenie algorytmów AI, tworzenie bardziej elastycznych i wszechstronnych manipulatorów.
Standardy w robotyce: Standardy w robotyce są bardzo istotną częścią tej dziedziny. Obejmują takie aspekty jak bezpieczeństwo, interoperacyjność, komunikację między systemami, testowanie robotów.
Podstawowe terminy związane z rozwojem robotyki i generacjami robotów.
W trakcie ewolucji robotyki powstało kilka generacji robotów, które różnią się cechami i możliwościami. Oto podstawowe definicje i generacje robotów:
Pierwsza generacja – Roboty manualne: To pierwsze formy robotów, które powstały już w starożytności. Wymagały ciągłej interwencji człowieka. Nie posiadały zdolności samodzielnego działania. Roboty manualne były mechanicznymi urządzeniami sterowanymi przez człowieka.
Druga generacja – Roboty sterowane programem: To roboty, które wykorzystywane są do wykonywania określonych zadań, poprzez wcześniejsze zaprogramowanie. Są to np. roboty przemysłowe, używane do produkcji, mogące wykonywać powtarzające się czynności, takie jak montaż czy spawanie.
Trzecia generacja – Roboty autonomiczne: To roboty, które posiadają zdolność samodzielnego działania, w określonym środowisku. Nie wymagają ciągłego nadzoru człowieka. Poprzez wykorzystanie sensorów służących do badania otoczenia, mogą samodzielnie podejmować decyzji na podstawie zebranych danych. Takie roboty można spotkać w życiu codziennym, jest to np. odkurzacz lub samochód autonomiczny.
Czwarta generacja – Roboty inteligentne: To roboty, które potrafią adaptować się do nowych sytuacji. Wykorzystują techniki AI i uczenia maszynowego do rozumowania świata i podejmowania decyzji. Przykładem takiego robota jest humanoidalny robot Sophia od Hanson Robotics.
Piąta generacja – Roboty społeczne: To najbardziej zaawansowane formy robotów, które obecnie są cały czas w fazie rozwoju. Zaprojektowane są do interakcji z ludźmi. Zaawansowana technologia pozwala im komunikować się z człowiekiem, rozumieć i wyrażać swoje emocje, a także budować relacje.
Zagrożenia i korzyści robotyzacji mające wpływ na rynek pracy i gospodarkę.
Rozwój robotyzacji wiąże się z wieloma korzyściami dla różnych sektorów branży przemysłowej. Jednak w tym wszystkim nie można zapomnieć o płynących zagrożeniach. Oto kilka z nich:
Korzyści robotyzacji
Innowacje: Rozwój robotyki prowadzi do nowych technologii, które mogą przynieść korzyści w wielu dziedzinach, takich jak medycyna, nauka, edukacja i wiele innych.
Dostępność usług: Roboty mogą umożliwić dostęp do usług w miejscach, które są dla ludzi trudne do zdobycia, takich jak głębokie obszary oceanów, przestrzeń kosmiczna czy obszary dotknięte katastrofą.
Zwiększona efektywność i wydajność: Zaprogramowane roboty mogą pracować dłużej niż człowiek, co przekłada się na zwiększoną produkcję
i skrócenie czasu cyklu trwania produkcji.
Poprawiona jakość i dokładność: Praca wykonywana przez roboty jest z większą precyzją i powtarzalnością niż praca człowieka, co pozwala uniknąć błędów ludzkich.
Zwiększenie bezpieczeństwa: Ograniczenie kontaktu człowieka
z niebezpiecznym środowiskiem pracy, tj. np. toksycznymi substancjami.
Oszczędność kosztów: Początkowe wdrożenie stanowiska zrobotyzowanego może być kosztowne, jednak z czasem roboty mogą przyczynić się do obniżenia kosztów poprzez mniejsze zużycia materiałów i energii, zwiększenie wydajności oraz redukcji błędów.
Elastyczność: Możliwość zwiększenia liczby robotów przy zmieniających się potrzebach produkcji.
Poprawa warunków pracy: Przeniesienie fizycznych i niezdrowych warunków pracy na robota, co pozwala pracownikom wykonywać pracę bardziej kreatywną
i wartościową.
Analiza procesów: Automatyzacja pozwala kontrolować proces produkcyjny, dane te mogą być później wykorzystane do analizy i doskonalenia tych procesów, co wpływa na efektywność i jakość produktu.
Lepsze wykorzystanie dostępnych materiałów: Minimalizacja odpadów
i kontrola zużycia energii.
Zwiększona konkurencyjność: Dzięki automatyzacji można zwiększyć efektywność, podwyższyć jakość wykonywanych usług, przyspieszyć czas dostaw, co z czasem znajdzie swoje odzwierciedlenie w konkurencyjności.
Nowoczesność i rozwój: Robotyzacja pozwala podążać za nową technologią, co z czasem pozwoli na oferowanie nowych produktów wykonywanych przez pracę robotów, której nie może wykonać osoba fizyczna.
Wzrost innowacji: Robotyka przyczynia się do innowacji, co może prowadzić do nowych produktów i usług, które z kolei mogą stymulować wzrost gospodarczy.
Zagrożenia wynikające z wdrożenia robotyzacji
Utrata miejsc pracy: Automatyzacja może prowadzić do utraty miejsc pracy, zwłaszcza w sektorach o niskich kwalifikacjach, gdzie zadania mogą być łatwo zautomatyzowane.
Bezpieczeństwo: Bez odpowiedniego zabezpieczenia, roboty mogą być podatne na cyberataki, które mogą prowadzić do poważnych konsekwencji, zwłaszcza jeśli roboty są używane w krytycznych sektorach, takich jak ochrona zdrowia czy infrastruktura.
Etyka: Wprowadzenie robotów do interakcji z ludźmi na bardziej osobistym poziomie stwarza szereg kwestii etycznych, takich jak prywatność, odpowiedzialność i manipulację emocjonalną.
Nierówność społeczna: Rozwój robotyki może przyczynić się do powiększenia nierówności społecznych, jeśli korzyści z automatyzacji będą nierównomiernie rozłożone.
Zależność od technologii: Korzystając z możliwości robotów, stajemy się bardziej zależni od technologii, co może prowadzić do problemów, jeśli ta technologia zawiedzie.
Wymagania szkoleniowe: Jeśli kadra nie odbędzie odpowiedniego szkolenia dotyczącego obsługi maszyn, może dorowadzić to do błędów, a w konsekwencji do wypadków.
Zwiększenie kosztów: Wdrażając robotyzację warto pamiętać o dodatkowych kosztach wdrożenia, aktualizacji i regularnej konserwacji robotów.
Odnosząc się do obaw dotyczących tego, iż stanowiska zrobotyzowane mogą zastąpić pracę człowieka, warto zauważyć, że nigdy nie zastąpią go w kompetencjach miękkich. Kompetencje miękkie, takie jak np. umiejętność rozwiązywania problemów, empatia, kreatywność, praca zespołowa są nie do zautomatyzowania i wymagają doświadczenia. Inteligencja emocjonalna jest cechą wyłącznie dla człowieka, to ona pozwala reagować na emocje innych osób. Ważna jest także komunikacja werbalna i niewerbalna, służąca do skutecznej komunikacji. Kreatywność, czyli twórcze myślenie, nadal pozostaje domeną człowieka, to on odkrywa nowe rozwiązania, a robot może je wykonywać. Skuteczne zarządzanie, takie jak motywowanie zespołu, rozdzielanie zadań, podejmowanie decyzji, czy budowanie relacji, to nadal interakcja człowieka, której robot nie potrafi wykonać.
Ważne w tym wszystkim jest to, aby otworzyć się na zmiany technologiczne i starać się je jak najlepiej wykorzystywać. Warto pomyśleć o wprowadzeniu zmian w edukacji, by już od najmłodszych lat zacząć zdobywać nowe kompetencje, które później pozwolą sprostać nowym realiom. W pracy warto zadbać o ciągłe szkolenie i podnoszenie kwalifikacji pracowników. Systemy zautomatyzowane to wiele nowych możliwości ale także i wyzwań.
Historyczne zastosowania robotów w różnych dziedzinach życia.
Robotyka ma długą i bogatą historię z różnorodnymi zastosowaniami w wielu dziedzinach. Oto kilka przykładów historycznych zastosowań robotów:
Przemysł: Pierwsze roboty przemysłowe, takie jak Unimate, wprowadzone w latach 60., były używane do automatyzacji rutynowych lub niebezpiecznych zadań w fabrykach, takich jak podnoszenie ciężkich przedmiotów, malowanie czy spawanie. Te roboty przyczyniły się do znacznej poprawy wydajności i bezpieczeństwa.
Medycyna: Roboty zaczęły być używane w medycynie już w latach 80. W 1985 r. robot PUMA 560 był używany do precyzyjnej biopsji mózgu. W 2000 roku wprowadzono na rynek system da Vinci, który pozwalał na wykonywanie skomplikowanych operacji
z minimalnymi nacięciami.
Eksploracja kosmiczna: Roboty stały się niezbędne w eksploracji kosmicznej. Programy takie jak sondy Voyager NASA (1977), roboty Mars Pathfinder Sojourner (1997), a potem rozwinięte marsjańskie łaziki jak Spirit, Opportunity i Curiosity, pozwoliły na zbieranie danych z miejsc, które są nieosiągalne dla człowieka.
Dom: W latach 2000. roboty zaczęły wkraczać do naszych domów, głównie jako odkurzacze. Roomba firmy iRobot, wprowadzona w 2002 roku, była jednym z pierwszych robotów do użytku domowego i od tamtego czasu znacząco się rozwija.
Edukacja: Robotyka stała się również narzędziem edukacyjnym. Roboty Lego Mindstorms, wprowadzone w 1998 roku, umożliwiły dzieciom i dorosłym naukę podstaw robotyki i programowania poprzez konstruowanie i personalizację własnych robotów.
Wojsko: Roboty są wykorzystywane w wojsku od wielu lat. Roboty takie jak PackBot firmy iRobot, które zostały wprowadzone w 2001 roku, były używane do rozbrajania bomb w Iraku i Afganistanie.
Rolnictwo: Robotyka jest coraz częściej stosowana w rolnictwie, pomagając
w zautomatyzowaniu różnych procesów, takich jak siew, zbiór, czy monitorowanie upraw. Jednym z przykładów jest autonomiczny traktor firmy John Deere, zaprezentowany
w 2021 roku.
Rozrywka: Roboty od dawna są częścią przemysłu rozrywkowego. Disney na przykład używał animatronicznych robotów do tworzenia realistycznych postaci w parkach tematycznych od lat 60. XX wieku.
Ratownictwo: Roboty są coraz częściej używane w misjach ratowniczych, szczególnie w sytuacjach, które są zbyt niebezpieczne dla ludzi. Na przykład, roboty były używane do oceny szkód i szukania ocalałych po trzęsieniach ziemi, pożarach, czy awariach jądrowych, jak w przypadku Fukushima w 2011 roku.
Podwodna eksploracja: Roboty są kluczowe dla podwodnej eksploracji, umożliwiając badanie głębin oceanów, które są nieosiągalne dla ludzi. Na przykład, w 2012 roku robot nazywany Deepsea Challenger pomógł Jamesowi Cameronowi w historycznym nurkowaniu w najgłębszym miejscu oceanu – Rowie Mariańskim.
Transport: Robotyka ma coraz większy wpływ na transport. W latach 2010. Google rozpoczęło testy z samochodami autonomicznymi, co otworzyło drogę do rozwoju autonomicznego transportu. W 2020 roku firma Starship Technologies zaczęła oferować usługę dostaw jedzenia za pomocą autonomicznych robotów dostawczych.
Zakupy: Roboty są coraz częściej stosowane w handlu detalicznym. Na przykład, w 2015 roku firma Lowe’s zaczęła testować robota o nazwie LoweBot, który pomagał klientom znaleźć produkty w sklepie.
Opieka społeczna: Roboty są coraz częściej stosowane do opieki nad osobami starszymi i z niepełnosprawnością. Japońska firma Cyberdyne wprowadziła w 2015 r. exoszkielet HAL (Hybrid Assistive Limb), który pomaga ludziom z ograniczoną mobilnością
w poruszaniu się.
Gastronomia: Roboty zaczynają przenikać do sektora gastronomicznego. W 2018 roku firma Miso Robotics wprowadziła Flippy, robota kucharza, który umiejętnie przewracał burgery na grillu.
Bankowość i finanse: Roboty i sztuczna inteligencja są coraz częściej stosowane
w bankowości i finansach do automatyzacji zadań, takich jak obsługa klienta, analiza finansowa i transakcje. Na przykład, od 2016 roku firma HSBC zaczęła używać robota Pepper do interakcji z klientami w swoich oddziałach.
Copyright © Radosław Grabowski
