Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Humanoidní roboti se chystají vstoupit mezi nás

Humanoidní roboti se chystají vstoupit mezi nás

Článek přináší informace o současném stavu vývoje v oblasti humanoidních robotů, zamýšlených zejména pro servisní účely v soukromé sféře. Vedoucí v tomto směru jsou pracoviště v Německu a Japonsku. V článku jsou stručně diskutovány jejich vybrané současné vývojové projekty.

Nástup servisních robotů
Roboty, které provádějí náročné a nebezpečné montážní operace v továrnách, v podzemí prohlížejí kanály nebo na vzdálených planetách sbírají vzorky hornin, jsou již skutečností. Mnohé procesy si lze bez nich už jen těžko představit. Podle Mezinárodní federace pro robotiku IFR (International Federation of Robotics) je třeba v nejbližších letech počítat s velkým nárůstem počtu servisních robotů v soukromé sféře. Možná již není daleko doba, kdy servisní roboty ovládnou i všední dny v našich domácnostech. Zejména až se autonomní servisní roboty – bez ohledu na to, zda mají vysávat prach, udržovat pořádek v bytě, podávat informace nebo zalévat květiny – podaří vyvinout do stavu, kdy budou schopny vyrovnávat se s neznámými situacemi, tedy až budou vybaveny umělou inteligencí. Servisní robot se totiž musí rychle a spolehlivě stále znovu a znovu orientovat v prostoru, jehož uspořádání tvůrci robotu nemohli předem předvídat, a tudíž ho na ně naprogramováním připravit.

Servisní roboty nové generace se musí umět učit, a to, co se naučí, musí také umět správně použít. Za vrchol technického umu při vývoji servisních robotů jsou považováni roboti s lidskou podobou, tzv. humanoidní roboti. Pod tímto zavedeným označením si lze představit robota, který je flexibilní, umí se učit, je univerzálně použitelný a svými schopnostmi i vzhledem se co nejvíce blíží člověku, přičemž jeho struktura je díky jeho mechanickému provedení mnohem robustnější a odolnější než lidské tělo. Roboti podobající se člověku se konstruují mj. proto, že stroj „s lidskou tváří“ je pro člověka přijatelnější, zejména má-li mu sloužit jako pomocník v domácnosti nebo např. při ošetřování starých a nemocných lidí.

Podle prof. Körnera, ředitele Výzkumného ústavu firmy Honda v Evropě, nejsou humanoidní roboti v současnosti již žádnou utopií, i když ve výzkumu v tomto oboru je stále ještě třeba pokračovat [3].

Na cestě k robotovi s lidskou podobou je třeba dosáhnout zejména těchto tří dílčích cílů:

  • vybavit robota stejnou schopností pohybu, jakou má člověk, tzn. naučit ho chodit, běhat, tančit, chodit po schodech apod.,

  • zajistit, aby se robot uměl orientovat v prostoru a dokázal se přizpůsobit lidskému světu, protože naše prostředí, vytvořené podle potřeb člověka, je plné překážek a nerovností a pobyt v něm je ovlivňován mnoha jen stěží předvídatelnými okolnostmi; k tomu robot potřebuje praktickou inteligenci, která mu umožní jednat na základě zkušeností a znalosti souvislostí,

  • přizpůsobit robota lidské inteligenci, přidat mu abstraktní znalosti, sociální inteligenci a zjednodušit jeho programování.

Přitom bezpochyby platí, že současný, dobře propracovaný mechatronický systém je v kombinaci s adaptivními regulačními algoritmy již dobrým základem humanoidních robotů budoucnosti.

Ve vývoji humanoidních robotů vede Japonsko

Prioritním cílem vývoje v oboru robotiky v Japonsku jsou právě humanoidní roboti. Ve výzkumném středisku firmy Honda v japonském městě Wako např. vznikl první komerčně dostupný humanoidní robot Asimo (Advanced Step in Innovative Mobility), jenž je střední velikosti (výška 1,2 m) a vzhledu malého kosmonauta v bílém skafandru [1]. V nejnovější verzi má robot Asimo celkem 34 stupňů volnosti (kloubů ovládaných servomotory), což mu umožňuje plynule se pohybovat a vykonávat v podstatě stejné činnosti jako člověk: chodí po rovině rychlostí až 6 km/h (obr. 1), běhá a tančí, chodí po schodech nahoru i dolů apod. Velmi dobře umí komunikovat s lidmi, dívat se jim do očí, pohybovat se vedle nich, podávat jim předměty denní potřeby apod. Díky vestavěným vizuálním senzorům dokáže odhadovat vzdálenost překážek a patřičně přizpůsobovat své pohyby. Před překážkou stojící mu v cestě se zastaví nebo ji obejde. Mění volně směr pohybu, aniž by se před otočením musel zastavit. Dokáže rozpoznat obličeje vybraných osob i rozlišit a interpretovat některá gesta (např. rozpozná podání ruky a opětuje je). Protože má sluch, otočí se ve směru, z něhož se na něj volá. Reaguje na vyslovení svého jména nebo na pozdrav, na povel se přemístí na určené místo a také identifikuje určité známé hluky (pád předmětu, vzájemný náraz). Když do něj někdo strčí, umí obnovit svou rovnováhu, a je-li mu podán předmět, vezme si ho. V jeho batohu je ukryt výkonný počítač se složitým softwarem, který ovládá složitý mechatronický systém robota se zmíněnými 34 servomotory. Odborníci z firmy Honda nyní usilovně pracují na tom, aby vyvinuli pro robota Asimo „mozek“, který by mu umožnil autonomně se rozhodovat. Za vzor si přitom berou uspořádání lidského mozku, jak se lze mj. dozvědět na webových stránkách (http://asimo.honda.com).

Německo nechce zaostat

Německo, které ve světě patří k předním výrobcům průmyslových a servisních robotů, nezůstává pozadu ani ve vývoji robotů humanoidních. Prvním pracovištěm v Německu zabývajícím se vývojem humanoidních robotů byl Ústav pro technickou informatiku ITEC (Institut für Technische Informatik) univerzity v Karlsruhe. Zde byla již v roce 2000 vyrobena první demonstrační verze humanoidního robota s označením Armar-I, dosud používaná k ověřování nových funkcí robotů. Horní část těla (trup) robota Armar-I má celkem devatenáct stupňů volnosti a může se pohybovat na pojízdné plošině. Všechny jeho pohyby jsou generovány servomotory zapojenými v regulační smyčce s polohovou zpětnou vazbou.

Od roku 2001 jsou humanoidní roboti vyvíjeni v rámci výzkumného projektu SFB 588 Humanoide Roboter – Lernende und kooperierende multimodale Roboter, koordinovaného a řízeného Německou výzkumnou společností DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) v Karlsruhe a naplánovaného až do roku 2012 [2]. Cílem je vyvinout humanoidního robota k všestrannému použití při zajišťování běžných činností v domácnosti. Na projektu interdisciplinárního charakteru spolupracují vedle třinácti ústavů univerzity v Karlsruhe také Fraunhoferův ústav pro informatiku a zpracování dat IITB (Fraunhofer Institut für Informations- und Datenverarbeitung) a Ústav pro vývoj produktů IPEK (Institut für Produktentwicklung) se sídlem tamtéž, Výzkumné středisko pro informatiku FZI (Forschungszentrum Informatik) a mnoho dalších pracovišť v Německu, přičemž každý z partnerů řeší určitý dílčí úkol. V první fázi výzkumného projektu bylo hlavním cílem dokončení vývoje další verze robota s označením Armar-II. Ten má, na rozdíl od svého předchůdce, již senzorovou hlavu vybavenou stereoskopickým kamerovým systémem, dvěma mikrofony a reproduktorem. Robot Armar-II je prostřednictvím kamerového systému schopen lokalizovat svého lidského uživatele a rozpoznávat objekty ve svém okolí. Mikrofony mu umožňují směrově slyšet a rozumět mluvené řeči. Přes reproduktory může dát najevo, že porozuměl povelu. Aby mohl manipulovat s předměty ve svém okolí, má Armar-II dvě ruce, každou s pěti ovládanými prsty.

Zkušenosti se uplatní v nové generaci robotů

Těžištěm projektu SFB 588 jsou ovšem zejména práce na vývoji nové generace demonstračního humanoidního robota s označením Armar-III (obr. 2), v níž budou využity a zhodnoceny všechny dosud získané zkušenosti. Odpovědnost za vývoj kritických mechanických komponent nového robota převzal IPEK. Pozornost je zde věnována nejprve paži robota, jednomu z jeho nejsložitějších pohybových systémů (každá paže má sedm stupňů volnosti). Cílem je zmenšit celkovou hmotnost paže a zlepšit její funkci. Klíčovou myšlenkou je realizovat paži robota bez akčních členů, tj. přemístit poměrně těžké pohonné jednotky do jeho trupu. Jde o účelné řešení, protože podobně jako u lidí jsou dynamické požadavky kladené na paže robota podstatně větší než požadavky na dynamiku trupu. Nakonec byla ale zvolena smíšená konstrukce s akčním členem pro ovládání zápěstního kloubu umístěným v předloktí. Vcelku se podařilo zmenšit hmotnost paže téměř o polovinu. Jedním z hlavních požadavků přitom bylo skloubit malou hmotnost s velkou přesností. Současně bylo z hlediska regulační techniky důležité zajistit, aby všechny pohyby bylo možné ovládat nezávisle na sobě, a navíc aby vedle polohy bylo vždy možné měřit i sílu a moment. Stejný princip byl použit také u nového krku, nyní se čtyřmi stupni volnosti, třemi ve spodním a jedním v horním segmentu krku. Kloub v horním segmentu umožňuje robotovi kývat „hlavou“, takže se robot Armar-III již dokáže dokonce i dívat dolů na vlastní „nohy“.

Robot Armar-III je také vybaven mnohem dokonalejší senzorovou hlavou, v níž jsou na místech očí nyní vloženy dva prostorové (stereoskopické) kamerové systémy, tedy celkem čtyři snímací kamery. Zatímco jeden kamerový systém je určen pro pohled do dálky, např. při lokalizaci člověka, druhý se dívá nablízko, tedy např. sleduje, jak jsou vykonávány požadované manipulační úkony. Uši robota tvoří soustava složená ze šesti mikrofonů umístěných nejenom na hlavě, ale i na trupu robota; to umožňuje spolehlivěji rozpoznávat polohu a rozlišovat různé zdroje zvuků, jako např. několik hovořících osob nebo vyzvánění telefonů. Tím byly také vytvořeny jednoznačně lepší výchozí podmínky pro rozpoznání řeči.

Předpokladem úspěšného použití jsou zručnost a dovednost

Robot Armar-III má významně zdokonalené manipulační schopnosti. Jeho nové pětiprsté ruce s pneumatickým pohonem umožňují realizovat větší počet řízených hmatů. Jsou částečně potaženy citlivou „pokožkou“, která jim dovoluje vnímat informace o dotyku a úchopné síle a zajišťovat základní hmatové funkce robota (obr. 3). Pneumaticky poháněná umělá ruka se podobá lidské ruce jak svým tvarem a rozměry, tak i pohyblivostí, a díky jejímu měkkému povrchu je přímý kontakt mezi člověkem a robotem bez rizika.

Aby humanoidní robot mohl úspěšně vykonávat lidské činnosti, musí být dostatečně zručný a dovedný. K tomu ovšem nestačí jen dobrý hardware, ale nutný je také vhodný software. Jeho vypracování se ujali odborníci z Fraunhoferova IITB.

Velmi náročným úkolem pro robota je manipulace s velmi hladkými anebo křehkými předměty. Aby takový úkol robot zvládl, musí mít nejenom určitý cit v konečcích prstů, ale současně je třeba programově zajistit vysoký stupeň koordinace pohybů obou jeho paží. Při přenášení hladkých předmětů, např. skleněné mísy, v obou rukou musí být přítlačná síla mezi prsty ruky robota a předmětem nastavena tak, aby předmět robotovi jednak nevyklouzl, ale také aby nebyl rozmačkán. K tomu účelu bylo třeba nejdříve vyvinout nový senzor prokluzu, který indikuje, zda ruka robota po drženém předmětu neklouže. Podle údajů tohoto senzoru se reguluje síla působící na předmět. Jinou prověrkou dovedností robota je úkol spočívající v zasunutí klíče do otvoru v zámku nebo zástrčky elektrického spotřebiče do zásuvky. Podobně jako člověk, používá k tomu také robot své vizuální a hmatové (taktilní) senzory. Technicky jde o řešení problému typu peg-in-hole v několika fázích pohybu. Podle vizuálních informací se vkládaný objekt nejdříve navede do blízkosti otvoru. Následně se taktilním skenováním lokalizuje vstup do otvoru. Potom se za současného měření síly otáčí objektem tak dlouho, dokud ho nelze zasunout do otvoru při vynaložení minimální síly [4].

Sestavit pro řízení složitých pohybů robota klasický počítačový program vyžaduje velké programátorské znalosti a zkušenosti, které laický uživatel humanoidního robota nemůže mít. Proto chtějí odborníci z Fraunhoferova IITB ve spolupráci s pracovníky univerzity v Karlsruhe vypracovat intuitivní poznávací (kognitivní) metodu programování robota na bázi učení. Základní myšlenka spočívá v tom, že člověk většinou velmi dobře ví, jak by měl robot zadaný úkol splnit, protože to sám dokáže, a tudíž se jeví nejjednodušší, když mu to názorně předvede. V průběhu předvádění žádaného úkonu snímají senzory (stereokamery pro záznam obrazu, tzv. datové rukavice atd.) všechny pohyby člověka a předávají je jako sekvenci základních úkonů do počítače, kde jsou analyzovány a automaticky se z nich krok za krokem odvozuje flexibilní program pro řízení kinematiky robota. Celý proces není tak jednoduchý, jak se na první pohled zdá, a jeho dovedení do podoby použitelné v praxi bude ještě vyžadovat velmi mnoho programátorské práce.

Důležitá je mobilita robota

K dosažení nezbytné mobility je demonstrační robot Armar-III upevněn na speciální mobilní plošině, která mu umožňuje pohybovat se lineárně v libovolném směru a při současném otáčení. K tomu účelu byl vyvinut nový kyčelní kloub robota se třemi stupni volnosti a velmi širokým rozsahem pohybu. Přímo nad ním se nachází trup robota, který má, stejně jako u lidí, za úkol spojit paže a hlavu s dolní částí těla. Podobně jako u člověka vnitřní orgány, je u robota v prostoru trupu umístěna řídicí elektronika. Nová mobilní plošina současně zásobuje celého robota energií a nese v sobě centrální řídicí počítač, který podle vloženého programu řídí všechny pohyby a další aktivity robota. Tuhá a ergonomicky uspořádaná struktura robota Armar-III byla navržena s použitím moderních optimalizačních postupů a je vyrobena z lehké slitiny na bázi hořčíku.

Výhledově se počítá s tím, že všesměrová mobilní plošina bude nahrazena dvounohým pohybovým systémem, který umožní robotovi chodit podobně jako člověk. Zde ovšem čekají na vývojáře zcela nové problémy spojené s řízením rovnováhy robota. Chůze na dvou nohách je v současnosti již technicky možná, ale složitá manipulace s objekty ještě není u dvounohých robotů vyřešena. V tom mají němečtí vědci za svými kolegy v Japonsku zatím zpoždění.

Závěr

Demonstrační humanoidní robot Armar-III sice již před rokem přivítal na veletrhu Automatica v Mnichově bavorského ministerského předsedu Edmunda Stoibera a potřásl mu rukou, než však nastoupí jako užitečný pomocník do německých domácností, čeká na jeho autory ještě mnoho práce. Zejména je třeba ještě dále „zlidštit“ vzhled robota, aby svému uživateli připomínal spíše člověka než složitý stroj. Dále je ho třeba vybavit senzory a funkcemi, které mu umožní rozpoznat mimiku a gesta partnera a v každé situaci je správně interpretovat a využít k prohloubení kooperace robota s člověkem při náročných úkonech. Odborníci přitom musí mít stále na zřeteli, že humanoidní roboti neučiní pro společnost přijatelnější vynikající hodnoty samotných jejich technických parametrů, ale především funkce, které dokážou spolehlivě plnit, které mají smysl a které lidem usnadní život. Mimořádně důležitým aspektem současně musí být dokonalá bezpečnost, protože riziko zranění technikou, která se vymkla kontrole, je obrovské. Podrobně se bude problematikou humanoidních robotů zabývat mezinárodní konference Humanoids 2007, pořádaná v součinnosti s organizací IEEE ve dnech 29. listopadu až 1. prosince letošního roku v Ústavu robotiky (Robotics Institute) na Carnegie Mellon University v Pittsburghu (USA).

Literatura:
[1] KABEŠ, K.: Robot Asimo na konferenci CER 2005. Automa, 2006, roč. 12, č. 12, s. 52.
[2] Humanoide Roboter – Lernende und kooperierende multimodale Roboter. Zpráva DFG Karlsruhe, Karlsruhe, 2006. Dostupné na http://www.sfb588.uni-karlsruhe.de BR>[3] KOCH, B.: Zukunft der Roboter – Roboter der Zukunft. Fraunhofer Magazin, 2005, č. 2, s. 56–57. BR>[4] RÖTZER, I.: Roboter lernen hören, sehen und greifen. Fraunhofer Magazin, 2006, č. 4, s. 58–59.

Ing. Karel Kabeš

Obr. 1. Robot Asimo se suverénně pohybuje i ve svém novém domově (foto Honda)
Obr. 2. Demonstrační humanoidní robot Armar-III (foto DFG Karlsruhe)
Obr. 3. Pohled na mechanickou ruku robota Armar-III s pěti prsty ve dvou různých stadiích její montáže (foto DFG Karlsruhe)

Příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde