Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Postavte si svého robota – roboti ve výuce (část 1)

Zahajovaný seriál má za cíl usnadnit výuku robotiky na školách, zejména její praktickou konstrukční složku. První díl nového seriálu má úvodní charakter. Seznamuje s historií vzniku robotů a s rozvojem robotiky jako dynamicky se rozvíjejícího oboru. Prezentuje zkušenosti s její výukou v motivačním předmětu roboti bakalářského programu Kybernetika a robotika (KYR) na Elekrotechnické fakultě ČVUT v Praze a s využitím stavebnice Lego Mindstorms NXT.

 

Úvod

Robot je stroj pracující s určitou mírou samostatnosti, který vykonává určené úkoly předepsaným způsobem a při různé míře interakce s okolním světem a se zadavatelem. Robot je schopen své okolí vyhodnocovat prostřednictvím svých senzorů, zasahovat do něj, popř. si o něm vytvářet „vlastní představu“ – model. Svým vnímáním může nejenom poznávat své okolí, ale může také vyhodnocovat svůj vliv na ně a tak využívat zpětnou vazbu. Robot je fyzickou realizací obecnějšího pojmu agent.
 

R.U.R. a exkurze do etymologie

Současné české slovo robot je odvozeno od staročeského robiti (dělat) a to pochází z praslovanského rob ve významu oddaný či otrok. Slovo robota se za feudalismu používalo ve významu nucené práce. Pro zajímavost uveďme, že proniklo i do středověké latiny v podobě robotas facere (robotovat) a do staroněmeckého robot ve stejném významu. Od tohoto základu je odvozeno i staročeské roba (služka) nebo současná slova vyrábět, výroba apod. [1]. Pro stroj (umělého dělníka) poprvé použil slovo robot spisovatel Karel Čapek v divadelní hře R.U.R. (Rossum‘s Universal Robots). Poradil mu je jeho bratr Josef Čapek, když se ho Karel ptal, jak umělou bytost pojmenovat. Původně zamýšlený název labor zněl autorovi příliš papírově.
 
Robotika byla poprvé v praxi využita teprve v 50. letech dvacátého století, kdy byl patentován „statický průmyslový manipulátor“, první varianta robotového ramena. Jeho velmi komplikovaní následovníci jsou dnes běžným vybavením továren, kde provádějí i velmi složité mechanické úkony.
 

Trocha historie

Po celá staletí je většina lidstva odsouzena k celoživotní tvrdé a vyčerpávající fyzické práci. Nejlépe je to patrné při návštěvě některého z muzeí průmyslové revoluce (19. století). Po celodenní dřině mohla být člověku útěchou fantazie, ve které se dostával do světa bytostí a strojů, které pracovaly za něj samy – automaticky. Byl to svět létajících koberců, džinů, golemů, homunkulů a jiných fantazijních bytostí. S rozvojem společnosti se začaly tyto sny postupně uskutečňovat. Potřeba automaticky vykonávané práce obvykle vedla ke konstrukci zařízení naprosto nepodobných člověku, ale snaha vyrobit umělého člověka – „robota“ – provází a zřejmě bude provázet člověka ještě dlouhou dobu. S vývojem techniky měly první napodobeniny člověka (popř. zvířete) podobu mechanickou. Známy jsou mechanické napodobeniny člověka – androidi švýcarských mistrů Piera a Henryho Drozů z 18. století. Jejich automat – písař – byl schopen psát perem několik vět a velmi dobře napodoboval člověka. Vývoj mechanizace, automatizace a robotizace byl postupný. Za jedno z nejstarších zařízení, které ulehčovalo lidem práci a zvyšovalo produktivitu, lze uvést tkalcovský stav, i když jeho první modely nejsou příliš podobné těm dnešním.
 
Myšlenkou na „robota“ se zabýval už Leonardo da Vinci. V 50. letech dvacátého století se našly jeho nákresy z konce 15. století, které obsahují detailní podoby mechanického rytíře, tedy jakéhosi středověkého humanoida. První robot, který byl použitelný pro práci, vyrobili v roce 1926 ve firmě Westinghouse. Jmenoval se Televox, fungoval jen podle předem daných příkazů a zvládal pouze jednoduché úkony.
 

Rychlý rozvoj robotiky

V roce 1948 a 1949 spatřily světlo světa první elektronické roboty druhé generace, které už fungovaly autonomně. Sestrojil je William Grey Walter z bristolského Burden Neurological Institutu ve Velké Británii a jmenovaly se Elmer a Elsie. Dokázaly rozeznávat intenzitu okolního světla a svůj pohyb korigovat podle okolních objektů a překážek. První číslicově programovatelný autonomní robot se objevil v USA v roce 1961. Jmenoval se Unimate a jeho původcem byl George Devol. Později se uplatnil při výrobě automobilových částí v General Motors. Ostatně automobilový průmysl byl a je jedním z průkopníků robotizované výroby.
 
V roce 1964 byly otevřeny laboratoře umělé inteligence na Massachusettském technickém institutu (MIT), Stanfordském výzkumném institutu (SRI) a dalších institucích v USA. Zabývají se (mimo jiné) využitím umělé inteligence v robotice. V roce 1968 byl v SRI postaven mobilní robot Shakey, vybavený strojovým viděním. Roku 1977 uvedla evropská firma Asea na trh své velmi zdařilé roboty. Roboty koncepce Selective Compliant Articulated Robot Arm (SCARA) jsou vyráběny od roku 1979. Průmyslové roboty se stávají běžným prostředkem automatizace manipulačních operací především v automobilovém průmyslu. Masivně jsou používány při svařování plamenem, elektrickým obloukem a při bodovém svařování. Jsou používány k nanášení barev a všude tam, kde jsou manipulační operace pro člověka nebezpečné a zdraví škodlivé. Počáteční předstih USA ve výzkumu, ale hlavně ve využití robotů později přebralo Japonsko.
 
Po roce 1980 začaly být první průmyslové roboty vybavovány počítačovým viděním, senzory hmatu a dalšími prvky, které do té doby byly předmětem výzkumu v oboru umělé inteligence. Roku 1995 se objevil první chirurgický robotický systém pro minimálně invazivní chirurgii. V roce 1997 byl na Marsu vysazen robot Sojourner. Zhruba ve stejném období byly položeny základy mezinárodním organizacím Federation of International Robot-soccer Association (FIRA) a RoboCup, které organizují soutěže robotů ve fotbale. Jejich posláním je především urychlit výzkum v robotice. RoboCup si dokonce ve své preambuli klade za cíl, aby robotický tým porazil lidský tým – mistra světa v roce 2050, v regulérním fotbalovém zápase. V roce 2000 předvedla firma Honda svého humanoidního robota Asima a firma Sony nabídla své zooidy nazvané Aibo.
 

Asimovovy zákony robotiky

Exkurzi do historie lze uzavřít citováním základních zákonů robotiky, jak je formuloval spisovatel Issac Asimov již v roce 1950 v knize Já robot (anglicky I, Robot):
  • robot nesmí ublížit člověku nebo svou nečinností dopustit, aby člověku bylo ublíženo,
  • robot musí uposlechnout příkazů člověka, kromě případů, kdy tyto příkazy jsou v rozporu s prvním zákonem,
  • robot musí chránit sám sebe před zničením, kromě případů, kdy tato ochrana je v rozporu s prvním nebo druhým zákonem.
Tyto zákony, přestože jsou sepsány spisovatelem sci-fi literatury, by měl ctít každý výzkumník v oboru robotiky. Je však otázka, do jaké míry budou tyto zákony v budoucnosti respektovat výrobci robotů. Pro roboty určené pro armádu jsou tyto zákony přinejmenším modifikovány.
 

Redakční úvod

V našem časopise právě zahajujeme seriál Postavte si svého robota – roboti ve výuce, jehož cílem je podpořit použití robotů ve výuce na odborných školách.
 
Stále častěji se na školách (někdy i základních, ale častěji na středních a vysokých) lze setkat s různými stavebnicemi, z nichž je možné postavit robot nebo jiný mechanismus. Se svými výtvory se potom studenti zúčastňují různých soutěží (např. Kyber Robot na TU v Liberci, Robosoutěž na FEL ČVUT v Praze aj. – www.robosoutez.cz). Bylo by nespravedlivé považovat tyto stavebnice jen za pouhé hračky. Jejich použití ve výuce motivuje žáky a studenty k zájmu o technické obory, rozvíjí jejich tvořivost a technický cit. Získávají motivaci ke studiu souvisejících oborů, např. elektroniky, teorie řízení, senzoriky, logiky a programování. Přiznejme si, že stavba robotu vlastní konstrukce a soutěžení je pro studenty zajímavější než např. experimenty s regulátory (i když i s nimi se při práci s roboty lze setkat).
 
Velmi rozšířenou se stává stavebnice Lego Mindstorms. Její použití evokuje otázky, studenti a učitelé potřebují detailnější informace a výměnu zkušeností. To je důvod, proč se redakce časopisu Automa rozhodla pro vydání tohoto seriálu.
 
Autory seriálu jsou Ing. Lenka Mudrová (lenka.mudrova@gmail.com) a Ing. Martin Hlinovský, Ph.D. (martin.hlinovsky@fel.cvut.cz), který na Elektrotechnické fakultě ČVUT v Praze vyučuje předmět roboti a se stavebnicemi Lego Mindstorms má mnoho zkušeností. V první části seriálu bude postupně popsáno technické vybavení (hardware) stavebnice, porovnána její starší verze NXT s novou verzí EV3, uvedeny jejich výhody, nevýhody a možnosti použití. Popsány budou programovací jazyky (NXT-G, NXC, LeJOS a další). Na jednoduchých příkladech bude vysvětlen postup programování a použití základních senzorů ze sady NXT, popř. EV3. Dále bude popsáno použití podprogramů, řešení paralelních úloh a komunikace mezi roboty pomocí Bluetoothu. Ve druhé, aplikační části seriálu budou popsány typické úlohy stavby robotů ze stavebnice Lego Mindstorms – zadání a návody ke stavbě robotů i k řešení programového vybavení v různých programovacích jazycích. Půjde především o úlohy sledování černé čáry, řízení a balancování dvoukolového vozítka typu segway, balancování s míčkem, soutěž v přetlačování (sumo), bludiště, sbírání míčků, mobilní most, aktivní pérování automobilu, využití pokročilých senzorů a manipulátor (seznámení s kinematikou a konstrukcí). Autoři seriálu i redakce časopisu jsou připraveni průběžně reagovat na dotazy čtenářů i na diskusi a zveřejňovat je na tištěných stránkách časopisu i na webu www.automa.cz.
Ladislav Šmejkal
 

Poznámka ke gramatice

Robot je neživý objekt (obvykle stroj) a v češtině je slovo robot chápáno jako neživotné a je skloňováno podle vzoru hrad –
množné číslo roboty. Pro „inteligentní“ roboty podobné člověku se ve vědeckofantastické literatuře běžně používá životné skloňování podle vzoru pán – množné číslo roboti. Tuto zvyklost postupně přejímá i technická terminologie. Neživotné skloňování zůstává vždy pro všechny průmyslové a jiné „člověku nepodobné“ roboty (např. pro kuchyňské roboty).
 

Roboty, výuka na školách a Lego Mindstorms NXT

Robotika jako vědecká a technická disciplína se zabývá roboty, jejich konstrukcí, výrobou a užitím. Úzce souvisí s elektronikou, mechanikou, mechatronikou a programováním. Je rychle se rozvíjejícím oborem. Nelze se tedy divit, že se stále častěji objevuje i ve studijních osnovách mnohých středních a vysokých škol. Důvodem je nejenom potřeba seznámit studenty s novým a perspektivním oborem, ale i snaha probudit jejich zájem o techniku obecně, rozvíjet jejich tvořivost, konstruktérské myšlení a technický cit. Osvědčuje se kombinovat teoretickou výuku s konstruováním a soutěžemi studentských výtvorů. Jedním z osvědčených mechanických prostředků pro podporu výuky je počítačově řízený model Lego Mindstorms NXT, který lze významnou měrou využít k účinnému vzdělávání mladé generace v tomto odvětví. Je ukázkou nejnovější techniky výukových robotů. Řídicí kostka LEGO® NXT je mikropočítačovým „mozkem“ mechanické stavebnice. Obsahuje důmyslné senzory a základní software s jednoduchým programováním pomocí skládání programových bloků (drag and drop).
 

Zkušenosti na Fakultě elektrotechnické ČVUT

Na Fakultě elektrotechnické (FEL) ČVUT v Praze je od školního roku 2009/2010 v rámci nového bakalářského programu Kybernetika a robotika (KYR) v prvním semestru studia studentům nabízen povinný předmět A3B99RO Roboti. Participují na něm katedra řídicí techniky, katedra kybernetiky a katedra měření. Jde o zcela nový typ předmětu. Obsahuje minimum přednášek (jen s výkladem bezprostředně nezbytné teorie) a maximum laboratorní práce. Reaguje na skutečnost, že začátek studia technických oborů obvykle bývá obtížný a studenty spíše odrazuje. Náročné základní předměty (matematická analýza, lineární algebra, fyzika apod.) jsou sice pro vzdělání v oboru elektrotechniky nezbytné a pro kariéru velmi užitečné, ale v době, kdy je studenti absolvují, si to obvykle ještě neuvědomují. Často až na konci studijní etapy zjistí, k čemu úvodní předměty vlastně byly – a občas i litují, že se je dříve neučili lépe. Chybují i učitelé, když nedokážou studenty dostatečně zaujmout a poskytují jim odpovědi dříve, než přijdou jejich otázky.
 
Jedním z prostředků k nápravě je právě zavedený předmět roboti. Není to tradiční univerzitní kurz, ale předmět motivační. V jeho názvu je úmyslně použita životná forma slova robot, aby se tím zdůraznila tvořivost a hravost studentů a jejich partnerský vztah k technice. V jejich rukou roboti „ožívají“ a studenti se stávají jejich „stvořiteli“. Studenti pracují v malých týmech. Přínosem je i skutečnost, že nenuceným tréninkem spolupráce v týmu získají důležitou dovednost užitečnou pro praxi. Každý tým navrhne a realizuje jednoduchého autonomního mobilního robota vlastní koncepce, který je schopen splnit zadané úlohy. Ke konstrukci smějí použít jen prvky stavebnice Lego Mindstorms s využitím programů NXT-G, NXC, LeJOS atd. Vyvrcholením jejich úsilí v předmětu je závěrečná soutěž robotů nazvaná Robosoutěž (viz např. [2]), v níž vyhraje ten nejlepší a nejrychlejší. Robosoutěž je velmi oblíbená i mezi odbornou veřejností. Proto byla od roku 2009 zpřístupněna i pro středoškolské týmy. Letos v ní dokonce zvítězil tým středoškoláků.
 

Účel seriálu

S popularitou soutěže roste zájem i o stavebnice Lego Mindstorms, pořizují si je i jiné odborné školy (střední školy, učiliště i technické univerzity). Použití stavebnice evokuje otázky, potřebu podrobnějších informací a potřebu výměny zkušeností. To je důvodem zveřejnění tohoto seriálu v odborném časopise Automa, který je distribuován na mnohé odborné střední i vysoké školy. Jeho cílem je poskytnout potřebné informace o stavebnici Lego Mindstorms, především o řídicí kostce Lego NXT a o možnostech jejího programování, a sdělit zkušenosti s jejím použitím a příslušné rady. Autoři seriálu i redakce časopisu jsou připraveni reagovat na dotazy čtenářů a na diskusi.
 
Literatura:
[1] HOLUB, J. – LYER, S.: Stručný etymologický slovník jazyka českého. Praha, SPN, 1978.
[2] ŠMEJKAL, L.: Robosoutěž na pražské technice vyhráli středoškoláci. Automa, 2014, č. 3, s. 73.
 
Ing. Martin Hlinovský, Ph.D.
Ing. Lenka Mudrová
(lenka.mudrova@gmail.com),
FEL ČVUT v Praze