Robotyka (ang. robotics ) jest dziedziną nauki zajmującą się wszystkimi problemami dotyczącymi mechaniki, sterowania ruchem, sensoryki, inteligencji maszynowej, projektowania, zastosowań i eksploatacji manipulatorów, robotów i maszyn kroczących.

Robot jest mechanicznym urządzeniem wykonującym zadania w sposób automatyczny. Działanie robota może być kontrolowane przez człowieka, przez wprowadzony wcześniej program, bądź przez zbiór ogólnych reguł, które zostają przełożone na działanie robota przy pomocy technik sztucznej inteligencji. Roboty często zastępują człowieka przy monotonnych, złożonych z powtarzających się kroków czynnościach, które mogą wykonywać znacznie szybciej od ludzi. Domeną ich zastosowań są też te zadania, które są niebezpieczne dla człowieka, na przykład związane z manipulacją szkodliwymi dla zdrowia substancjami lub przebywaniem w nieprzyjaznym środowisku. Stały rozwój technologii stosowanych w robotyce i coraz bardziej zaawansowane systemy wpływają na częstsze i coraz powszechniejsze stosowanie urządzeń robotyki w życiu codziennym człowieka - od przemysłu i fabryk, poprzez szpitale, wojsko i policję, po gospodarstwa domowe.

Pojęcia robot używamy też do nazywania autonomicznie działających urządzeń odbierających informacje z otoczenia przy pomocy sensorów i wpływających na nie przy pomocy efektorów. Roboty takie budowane są przez badaczy zajmujących się sztuczną inteligencją lub kognitywistyką w celu modelowania zdolności poznawczych, sposobu myślenia lub zachowania zwierząt bądź ludzi.

Struktura mechaniczna robota musi być sterowana do wykonywania określonych zadań. Na sterowanie robota składa się: percepcja, przetwarzanie danych i akcja. Czujniki są odpowiedzialne za pozyskiwanie informacji o otoczeniu lub o samym robocie (np. pozycji jego złącz lub efektorów). Wykorzystując zagadnienia teorii kontroli, informacje zebrane przez czujniki są przetwarzane tak, aby wygenerować odpowiednie sygnały sterujące przesyłane do układu napędowego, dzięki któremu struktura mechaniczna robota porusza się. Na sterowanie robotem składa się wiele, połączonych ze sobą aspektów, takich jak planowanie trasy, rozpoznawanie obrazu, unikanie przeszkód i wiele innych. Bardziej złożone i zdolne do adaptacji przy zmieniających się warunkach otoczenia zagadnienia sterowania wchodzą w skład sztucznej inteligencji.

Z naukowego punktu widzenia, ruch robota można opisać dzięki zagadnieniom kinematyki i dynamiki. Kinematyka prosta to obliczanie pozycji końcowej efektora, orientacji, prędkości i przyspieszenia struktur mechanicznych, przy znanych wartościach opisujących złącza. Kinematyka odwrotna pozwala określić zmienne przegubowe w zależności od pozycji i orientacji efektora. Dynamika jest stosowana do obliczeń efektu działania sił podczas ruchu struktury mechanicznej robota. Dynamika prosta pozwala obliczyć prędkość i przyspieszenie przy znanych wartościach sił działających na robota. Jest ona używana do symulacji komputerowych robotów. Dynamika odwrotna pozwala obliczyć siły działające na struktury mechaniczne robota przy znanych prędkości i przyspieszeniu. Informacje wynikające z zastosowania zadania dynamiki odwrotnej mogą posłużyć do usprawnienia algorytmów kontroli robotów.

Historia i rozwój robotyki

Po raz pierwszy terminu robot użył czeski pisarz Karel Capek w 1921 roku w swojej sztuce R.U.R (Rossum's Universal Robots). Terminem tym określił maszynę-niewolnika zastępującą człowieka w najbardziej uciążliwych zajęciach. Nazwa wywodzi się z czeskiego słowa robota czyli ciężka praca. Maszyny te były imitacją człowieka i odznaczały się dużym zdyscyplinowaniem i wydajnością pracy, wykazywały także pewne własności inteligencji. Znamiennym był brak okazywania przez nich uczuć.

W języku angielskim pojęcie to pojawiło się po raz pierwszy w krótkim opowiadaniu Isaaca Asimova Kłamca (Liar) w 1941 roku.

Assimov wprowadził także trzy prawa robotyki. Według jego założeń prawa te musi przestrzegać większość robotów. Po raz pierwszy pojawiły się jego opowiadaniu Zabawa w berka (Runaround) w 1942 roku:

- prawo pierwsze: robot nie może skrzywdzić człowieka, ani przez zaniechanie działania dopuścić, aby człowiek doznał krzywdy.

- prawo drugie: robot musi być posłuszny rozkazom człowieka, chyba że stoją one w sprzeczności z pierwszym prawem.

- prawo trzecie: robot musi chronić sam siebie, jeśli tylko nie stoi to w sprzeczności z pierwszym lub drugim prawem.

Później Asimov dodał jeszcze nadrzędne prawo (tzw. prawo zerowe): robot nie może skrzywdzić ludzkości, ani przez zaniechanie działania doprowadzić do uszczerbku dla ludzkości.

Oprócz tych podstawowych praw, sformuowano także kilka innych praw (mniej znanych), wynikających z rozwoju robotyki i prowadzonych badań.

Początek rozwoju robotyki jako dziedziny wiedzy przypada na rok 1961. Wtedy to w General Motors uruchomiono pierwszy manipulator pracujący na linii produkcyjnej. Urządzenie nazywało się Unimate i zostało wyprodukowane przez firmę Unimaton, założoną przez G.C. Devola i J.S.Engelbergera.

Zakres robotyki

W robotyce jako nauce można wyróżnić dwie dziedziny: robotykę teoretyczną, zajmująca się teorią robotów i manipulatorów (struktur mechanicznych, układów napędowych, przemieszczania się, układów sensorycznych, teorii sterowania, a także sterowników i układów programowalnych i inteligencji maszynowej) oraz robotykę ogólną, na którą składają się zagadnienia ekonomiczne, socjalne, społeczne, kształcenie, terminologia oraz rozwój.

Według kryterium zastosowań robotów można wyróżnić kilka działów robotyki:

- robotyka przemysłowa (zastosowanie robotów i manipulatorów w przemyśle i gospodarce)
- robotyka maszyn mobilnych (roboty kołowe, roboty kroczące jedno- i wielonożne, roboty skaczące, pełzające itd.)
- robotyka medyczna i rehabilitacyjna (manipulatory i roboty do chirurgii, terapii, diagnostyki, protetyki i rehabilitacji)
- robotyka dziedzinowa (zastosowanie robotów w innych dziedzinach: roboty podwodne, latające, wojskowe, policyjne, inspekcyjne, kosmiczne, sprzątające, roboty do walki z pożarami, katastrofami, roboty w budownictwie, rolnictwie, leśnictwie, transporcie, usługach i administracji).

Obecny rozwój robotyki

Czynniki stymulujące rozwój robotyki można pogrupować według trzech kryteriów:

1. czynniki techniczne

1.1 Rozwój technologii produkcyjnych i konstrukcyjnych, dzięki którym produkcja robotów stała się technicznie możliwa i ekonomicznie opłacalna.

1.2 Zwiększenie zapotrzebowania w przemyśle na manipulowanie przedmiotami, którymi nie można manipulować ręcznie, ze względu na wysoką temperaturę, dużą masę, niewygodne kształty, promieniotwórczość, obecność substancji szkodliwych (pyły, gazy, agresywne ciecze itd.), zbyt wysokie lub niskie ciśnienie, atmosferę pozbawiona tlenu itd.

1.3 Dążenie do zapewnienia wysokiej i powtarzalnej jakości wyrobów wynikającej ze zwiększającej się konkurencji na rynkach zbytu.

2. czynniki ekonomiczne

2.1 Instalowanie kapitałochłonnych maszyn zmusza do maksymalnego ich wykorzystania (praca 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu)

2.2 Zwiększenie kosztów pracy ludzkiej sprawiające, że robot jest operatorem tańszym niż człowiek (przy spełnieniu pewnych warunków)

2.3 Możliwość elastycznej automatyzacji produkcji często zmieniającej się, gdy stosowanie kosztownych wyspecjalizowanych maszyn produkcyjnych jest nieopłacalne

Zastosowanie robotów powoduje wzrost efektywności ekonomicznej i skraca czas uruchomienia produkcji

3. czynniki społeczne

3.1 Problem starzenia się społeczeństwa (szczególnie zauważalny w Japonii) ora malejąca liczba chętnych do wykonywania prac nudnych, monotonnych i powtarzających się, nie dających satysfakcji emocjonalnej.

3.2 Tendencje do zwiększania bezpieczeństwa pracy - zastępowanie ludzi robotami, szczególnie na stanowiskach pracy niebezpiecznych dla zdrowia lub życia człowieka." [3]

Zastosowania robotyki

Robotyka jest relatywnie nową dziedziną nauki, która łączy różne tradycyjne gałęzie nauk technicznych. Nauka ta zawładnęła wieloma dziedzinami życia człowieka - od przemysłu i fabryk, poprzez szpitale, wojsko i policję, po gospodarstwa domowe.

Zadania, które wymagają dużej szybkości, dokładności, niezawodności i wytrzymałości mogą być wykonywane znacznie szybciej przez robota niż przez człowieka. W rezultacie wiele zadań w zakładach produkcyjnych, które dawniej były wykonywane przez ludzi, teraz są zrobotyzowane. Efektem tego jest zmniejszenie cen towarów masowej produkcji - przede wszystkim części samochodowych i elektroniki.

Istnieją także zadania, które człowiek wykonuje lepiej niż maszyna, ale z jakiegoś powodu nie chce lub nie może ich wykonać. Zadanie do wykonania może być nudne (np. sprzątanie domu), niebezpieczne (np. eksploracja wnętrza wulkanu) lub fizycznie niedostępne (np. eksploracja odległych planet czy operacje laparoskopowe). Również w takich sytuacjach robot zastępuje człowieka.

Stały rozwój technologii stosowanych w robotyce i coraz bardziej zaawansowane systemy wpływają na częstsze i coraz powszechniejsze stosowanie urządzeń robotyki w życiu człowieka, wpływając na poprawę jego jakości.

1. Podział robotów ze względu na sposób poruszania się:

1.1 roboty stacjonarne
1.2 roboty mobilne
1.3 roboty kołowe
1.4 roboty kroczące
1.5 roboty skaczące
1.6 roboty pełzające
1.7 roboty latające
1.8 roboty podwodne i poruszające się na wodzie

2. Podział robotów ze względu na sposób programowania i możliwości komunikacyjne:

2.1 roboty I generacji (nauczane): urządzenia wyposażone w pamięć, do której są wprowadzane rozkazy, a następnie, bez ingerencji człowieka, zdolne do wykonania zaprogramowanych czynności. Roboty I generacji nie są zdolne do samodzielnego zbierania informacji o zewnętrznym środowisku pracy oraz mają ograniczone właściwości funkcyjne. Zalicza się do nich m.in. roboty przemysłowe przeznaczone do podawania i odbierania obiektów z linii produkcyjnej.

2.2 roboty II generacji (uczące się): urządzenia potrafiące rozpoznać dany obiekt w zbiorze, bez względu na jego położenie i kształt. Możliwa jest zmiana miejsca pracy robota względem poszukiwanego elementu. Roboty II generacji mają ograniczoną możliwość rozróżniania kształtów i położeń dzięki zastosowaniu układów czujnikowych i systemów wizyjnych, połączonych z jednostką komputerową, analizującą i przetwarzającą sygnały.

2.3 roboty III generacji (inteligentne): urządzenia wyposażone w sztuczną inteligencję, charakteryzujące się możliwościami intelektualnymi, pozwalającymi na działania w zmieniających się warunkach oraz pracę w nieznanym środowisku. Wyposażenie robota w zaawansowane technologicznie układu czujnikowe, odpowiedzialne za odbieranie z otoczenia sygnałów wizyjnych, głosowych i dotykowych pozwalają na rozpoznawanie przedmiotów w przestrzeni, która została zapisana w pamięci robota. Roboty III generacji potrafią działać w nieznanym środowisku.

3. Podział robotów ze względu na układ napędowy:

3.1 roboty z napędem elektrycznym
3.2 roboty z napędem pneumatycznym
3.3 roboty z napędem hydraulicznym
3.4 roboty z napędem mieszanym

4. Przykładowy podział robotów ze względu na zastosowanie:

4.1 roboty przemysłowe

4.1.1 roboty spawalnicze
4.1.2 roboty paletyzujące i transportujące
4.1.3 roboty malarskie
4.1.4 roboty montażowe
4.1.5 roboty do przenoszenia materiałów i załadunku palet
4.1.6 roboty stosowane do obróbki materiałów
4.1.7 roboty do owijania palet (owijarki)

4.2 roboty policyjne i wojskowe

4.2.1 roboty poszukujące i rozbrajające niebezpieczne materiały (np. wybuchowe, radioaktywne, środki bojowe itd.)
4.2.2 roboty szpiegowskie
4.2.3 roboty inspekcyjno - zwiadowcze
4.2.4 roboty antyterrorystyczne
4.2.5 roboty interwencyjne, do misji poszukiwawczo - ratunkowych
4.2.6 roboty do ochrony budynków, roboty patrolujące
4.2.7 roboty czynnego ataku
4.2.8 roboty defensywne
4.2.9 roboty transportujące do zastosowań militarnych

4.3 roboty edukacyjne, laboratoryjne i badawczo - rozwojowe

4.4 roboty medyczne

4.4.1 roboty chirurgiczne
4.4.2 roboty rehabilitacyjne, egzoszkielety
4.4.3 roboty diagnostyczne
4.4.4 roboty do transportu próbek i lekarstw w szpitalach

4.5 roboty do rozrywki, roboty - zabawki

4.6 roboty kosmiczne

4.7 roboty usługowe i osobiste, roboty sektora publicznego

4.7.1 roboty sprzątające
4.7.2 roboty dla osób starszych i niepełnosprawnych
4.7.3 roboty osobiste do zastosowań w gospodarstwach domowych
4.7.4 roboty kosiarki
4.7.5 roboty strażnicy
4.7.6 roboty w budownictwie
4.7.7 roboty rolnicze
4.7.8 roboty leśne
4.7.9 roboty do utylizacji i zabezpieczania odpadów
4.7.10 roboty gaszące pożary
4.7.11 roboty w biurach i administracji
i inne

4.8 roboty ratunkowe

4.9 roboty eksploracyjne

4.9.1 roboty eksploracyjne pracujące na Ziemi
4.9.2 roboty eksploracyjne pracujące w Kosmosie oraz na innych planetach

4.10 roboty inspekcyjne

4.11 telerobotyka

i inne

źródło: [1] - Spong Mark W., Vidyasagar M. Dynamika i sterowanie robotów, Warszawa, WNT, 1997, [2] - Craig John J. Wprowadzenie do robotyki, Warszawa, WNT, 1993 [3] - Jerzy Honczarenko Roboty przemysłowe: budowa i zastosowanie, Warszawa, WNT, 2004 , [4] - wikipedia.com, [5] - learnaboutrobots.com, [6] - thetech.com

Producenci robotów

Roboty przemysłowe