1. fejezet - Bevezetés: Robotikai Trendek

Tartalom
1.1. Ember robot együttműködés a műhelyben
1.1.1. Robot működtetés osztott térben
1.1.2. Rugalmas ember robot kölcsönhatások
1.2. A szerviz robotok mérnöki koncepciója
1.3. Ember-robot kommunikáció fejlődése
1.4. Eto-robotika
1.5. Mogi robi a hűséges társ
1.5.1. Az etológiai modell
1.6. Összegzés
1.6.1. Hivatkozások a bevezetőhöz

A Japán Gazdasági és Kereskedelmi Minisztérium jelentése szerint a robotipari piac drámai átrendeződése várható (ld. 1.1. ábra). A hangsúly a termelési szektorban használt klasszikus ipari robotokról át fog helyeződni az un. szerviz robotokra, melyek máris átvették a vezető szerepet a tudományos folyóiratokban és konferenciákon, habár piaci részesedésük szinte elhanyagolható. Ez felerősödni a közel jövőben fog. Ez az észlelés az irodai, kórházi és hasonló robotok növekvő trendjét mutatja.

Robot ipari piac előrejelzése
1.1. ábra - Robot ipari piac előrejelzése


Mostanáig a közemberek csak TV-ben láthattak robotokat, de ezekkel nem volt valós fizikai kapcsolatuk. Ez azt jelenti, hogy a robotok tisztán csak mérnöki eszközök voltak (mérnökök találkoztak velük). Egyértelmű, hogy az ipari robotokat robot specialista mérnökök használják és programozzák. Ahogy a robotok kis és középvállalkozásokban is megjelennek már olyan mérnökök is használják őket, akik nem robot specialisták. Így a robotprogramozó módszereknek hatékonyabbá kell válniuk, hogy a veszteségek elkerülhetőek legyenek a kistermelésben a gyakori váltás miatt. Tehát növekvő igény van arra, hogy a robotok betanítása automatizáltabb legyen, valamint hogy képesebbek legyenek sokkal kifinomultabb feladatok elvégzésére is. Automatikus anyagmozgatásra az ipari robot egy nagyon kezes megoldás, habár speciális figyelmet igényel a munkafolyamat beprogramozása. Az offline programozása az ipari robotnak meglehetősen bonyolult, mert nagyon pontos rendszer beállításon alapul s a virtuális környezetet gondosan kalibrálni kell, hogy lemásoljuk a valós felépítést, és elkerüljük a helyszínen történő programmódosításokat. Ezek a problémák elkerülhetőek online programozással, de online programozás során a robot képtelen bármit is termelni. Ez eredményezi a folyamatos igényt az új és hatékony robotbetanító módszereknek. Az ipari robotok területén a legnagyobb kihívást nyújtó akadály az, hogy kb. 400-szor annyi időt vesz igénybe a robot komplex működésének a beprogramozása, mint amennyi ideig a tényleges feladat végrehajtása történik. [2]

A következő lépésben a robotot már nem mérnökök fogják használni. Robot felhasználói szempontból az emberek négy fő csoportra oszthatóak:

robot specialista mérnökök

mérnökök, de nem robot specialisták

nem mérnökök, de a robottechnika iránt érdeklődők

idős emberek, robotikától tartózkodók

Mindennapi életünkben a robotok nem elég ha csak egy előre beprogramozott feladatot hajtanak végre. Alkalmazkodniuk kell a változó körülményekhez, saját döntéseket hozni, valamint szociálisan beilleszkedni az emberi környezetbe. Ez egy sokkal kifinomultabb robot vezérlő módszert kíván. A használat módja olyan egyszerű (vagy egyszerűbb) kell legyen, mint bármely irodai, avagy háztartási berendezés használata. A szerviz robotok más eszközökétől sokkal kifinomultabb feladatok elvégzésére szolgálnak, ezért a robot vezérlése és mesterséges intelligenciája ki kell elégítse a kommunikációs feladatot az ember-robot kölcsönhatásban. A hardver tervezéssel összhangban az alacsony szintű szoftverfejlesztés is számos további kérdést vet fel:

Hogyan kellene egy szociális robotnak kinéznie?

Hogyan kommunikáljunk a robottal?

Lehetséges, hogy a robotnak legyenek érzelmei?

Mi az érzelem meghatározása?

Az emberek mindig is ragaszkodtak személyes használati cikkeikhez (telefon, autó, stb.). Ez a ragaszkodás erősebb lehet a szerviz robotokhoz. Ennek a - jelenleg egyoldalú - ragaszkodási viszonynak a kölcsönössé tétele nem csak nyilvánvaló marketing előnyökkel járna, de növelné az együttműködés hatékonyságát is az ember-rendszer interakciókban.

Ez az írás e trend szerint van rendezve kezdve az ipari robotokkal és a szociális robotokkal végződően. A II. részben a műhely-béli ember-robot együttműködés lesz bemutatva. A III. rész mérnöki szempontból mutatja be a szerviz robotokat. A IV. rsz bevezet az eto-robotikába (etológiailag inspirált robotok). Az V. rész a végkifejlet, és az utolsó a köszönetnyilvánítás és a hivatkozások.

1.1. Ember robot együttműködés a műhelyben

Amíg a szerviz robotok mindennapi életünkbe próbálnak beszivárogni, addig továbbra is komoly erőfeszítések vannak a robot manipulátorok kutatásában. Amíg a szerviz robotok egyre barátságosabbá és természetesebbé válnak, annál szembetűnőbbé válik a manipulátorok működtetésének és programozásának fejletlensége. Mivel a kis- és középvállalatok (KKV) automatizálni kezdenek a rugalmasan kezelhető robot-cellák iránti igény növekszik. A rugalmasság számos tényezőn múlhat:

A hardver rugalmassága (robot, CNC gép)

Integrálási rugalmasság (robot cella újrakonfigurálása)

Működtetési rugalmasság (ember-gép kölcsönhatás)

Az első két komponenst a robot gyártóknak és az informatikai technológia kutatóinak van címezve. A legnagyobb kihívás ezen a területen közös standard protokollt nyújtani a rendszert felépítő különféle komponenseknek. A szerviz orientált építkezés (SOA) paradigmája [3] tudományosan elfogadott megközelítést nyújt és továbbra is az érdeklődés középpontjában áll [4, 5, 6].

Másrészről a rendszer legkevésbé rugalmas pontja meghatározza a rendszer rugalmasságát. A probléma jól meghatározott a [7] referenciában: a legrugalmasabb robot cellákat saját operációs szoftverrel árusítják, így a kulcs a működtetés rugalmassá tételéhez az integrátor kezében marad. Hogy több alkalmazkodóképességet vigyünk a működésbe a [7] referencia egy készlet robosztus vezérlő szoftvert mutat be.Továbbá szem előtt kell tartani, hogy a KKV-k gyakran nem tehetik meg, hogy magasan képzett működtető személyzetet alkalmazzanak, ezért is járul hozzá a könnyű programozás és beállítás a rugalmassághoz (ld.: 2-2. ábra). Továbbra is az ember-robot együttműködés áll a középpontban az egyszerű robotprogramozás célja miatt.

1.1.1. Robot működtetés osztott térben

A legkönnyebb és legtermészetesebb módja a robot programozásának a kézzel való betanítás. Kézzel mozgatni a manipulátort veszélyeket hordoz: a robotnak áram alatt kell lennie, tehát egy robosztus és biztonságos vezérlő rendszer szükséges. A manipulátor bármely önálló mozgása potenciális veszélyforrás, ha az embernek a robot munkaterében kell dolgoznia. A robot-ember kölcsönhatás az erejének vezérlése megoldást nyújt és az alkalmazott ellenállás vezérlés [8] használata erőmérő érzékelőkkel kifizetődőnek tűnik a kerítés nélküli együttműködésre. Másik vezérlési sémát mutat be a [9] összehasonlításként a PD és csúsztató mód vezérlő algoritmussal. A probléma másik kimenetele a megfelelő robot rendszer. A robosztusság hiánya az előző rendszerben késztetett új technológiák kutatására. [10] referencia bemutat egy vezérlő rendszert pneumatikus izmok által mozgatott manipulátorok számára, míg a [11] és [12] direkt motoros meghajtást használnak drótkötél mechanizmussal. Az ipari manipulátorok vezérlését célzó kutatások trendje tisztán a robosztus, de kompatibilis rendszer felé mutat, hogy egyesítse a pontosságot és biztonságot.

Rugalmassági faktorok
1.2. ábra - Rugalmassági faktorok


1.1.2. Rugalmas ember robot kölcsönhatások

Az emberrobot együttműködés keretei között a legfontosabb szempont a kétoldalú kommunikáció. Az előző részben tárgyalt fizikai kölcsönhatás által felvetett biztonsági problémák, valamint a robot környezet tudatossága továbbra is jelentős probléma. Minél hatékonyabb és rugalmasabb a kölcsönhatás a felhasználóval annál kifinomultabb felismerő technológiára van szükség. A [13] referencia érdekes példát hoz erre. A hagyományos megközelítéssel egy további csatornán kellene kommunikálni a robottal a számára átnyújtott objektumról. A taktilis érzékelők jobb potenciált nyújtanak a robot rendszernek az emberi szándék megértésére, ezáltal az interakció kiterjesztett modularitására.

A működtető szemszögéből a rendszer megérthető a különféle közreműködőkhöz alkalmazkodott kezelőfelületen keresztül:

A robot cella komplexitása

A robot cella által végzett feladat komplexitása

A működtető hozzáértése

Szükséges információk

A kulcs a jobb rugalmassághoz a hagyományos és nagyon technikai grafikai felhasználió felület átformálása az ember és az ipari robot között (ld.: 23. ábra). A fókusznak a robot cella gyakorlati működtetéséről a kognitív programozásra és működtetésre kell áttérnie. E terület kutatásai magukba foglalnak más területeket is, mint a pszichológiai, használhatósági és emberi tényezők.

Az ipari robotok hagyományos (felső) és a rugalmas (alsó) felhasználói felülete
1.3. ábra - Az ipari robotok hagyományos (felső) és a rugalmas (alsó) felhasználói felülete


Hagyományos értelemben az ipari robotok olyan gépek, melyek a lehető legkevesebb emberi interakciót kívánnak meg. Az embereket a működtetés részének tekintve nem csak a rugalmasság és hatékonyság nő, hanem ez elősegíti az ember-robot kapcsolatok megértését is és általában új lépéseket tesz az automatizálás iránti bizalom építésében.

1.2. A szerviz robotok mérnöki koncepciója

A kiszolgálószektor robotjainak egyre és egyre kifinomultabb feladatokat kell ellátnia. Ez ugyanaz a trend mint az ipari robotok evolúciójának. Az első ipari robotot Griffith P. Taylor készítette 1937-ben. [14] Ez szinte csak mechanikai részekből és elektromos motorból állt. Fablokkok előre beprogramozott minta szerinti pakolására volt képes. A program lyukkártyán volt, mely elektromágneseket aktivált. Manapság az ipari robotok hegesztenek, festenek, marnak, stb.

Bizonyos nézőpontból a legegyszerűbb robot otthonunkban a mosógép, a turmixgép, a mosogató gép stb. Ezek az eszközök a mindennapi rutinunkat segítik. Ennek a fejlődésnek a következő lépcsőfoka segítség a mindennapi szolgáltatás típusú feladatainkban. A szolgáltatási feladatokból eredően a szerviz szektor legtöbb robotja mobil robot. Számos készséges robot platform áll valahogy a segítségünkre, vagy csak a szórakoztatás kedvéből. Roomba [15], vagy Navibot [16] segítenek tisztán tartani a háztartás idáig soha nem látott kényelmes módon. Vannak kutyaszerű berendezések is, mint AIBO [17], vagy Genibo, de ezek csak nagyon primitív szinten próbálják leutánozni egy valódi kutya viselkedését. Néhány ember által inspirált robot is elérhető, mint a Honda ASIMO-ja [18] vagy a SONY QRIO-ja [19], de ezek a komplex és technikailag nagyon fejlett platformok is csak karcolják a valódi ember- gép kölcsönhatás felszínét.

Idősek számára ott van Paro [20] vagy Kobie, egyfajta terápiás robotok, melyek képesek érzékelni a fényt, hangot, hőmérsékletet és érintést, tehát képesek érzékelni a környezetüket és az őket körülvevő embereket. Ezek a robotok egyszerű módon lépnek kölcsönhatásba a használóval. Képesek az idősek viselkedési preferenciáit megtanulni és reagálnak a nevük szólítására. Még az „egyszerű” játékok is, mint ezek, képesek lehetnek csökkenteni a felhasználó feszültségét, hogy javítsák a szocializációt az idősek között és tökéletesebb kommunikációt teremtsenek a gondviselőkkel.

1.3. Ember-robot kommunikáció fejlődése

Korábban az ipari robotokat csak cégóriások a nagysorozatú gyártásban (klasszikusan az autóiparban) alkalmaztak, ahol a robotokat robotika szakemberek programozták. A robot oldalon nem volt szükség az ember megértésre, hiszen a szakemberek ismerték a robotok minden belső rezzenését, gondolkoztak a robot helyett is. Annak ellenére, hogy a robotokat robotspecialisták programozták, a programozási idő meglehetősen hosszú volt. Átlagos szabályként azt mondhatjuk, hogy klasszikusan kb. 400-szor annyi idő egy művelet beprogramozása, mint a művelet elvégzése. Mára a robotok egyre több és egyre kisebb cégeknél jelennek meg, ahol egyre kevésbé van lehetőség tisztán robotikai szakemberek alkalmazására. De ebben az esetben a robotok még mérnökök kezében maradnak, akik valamilyen szinten értenek a robot nyelvén, ugyanakkor a robotokat is egyre intelligensebbre kell tervezni. Ennek a motiváltsága kettős. A kisebb szériák gyártásánál a robotizált folyamat gyakori átállítása a hagyományos robotprogramozási módszerekkel a költségeket annyira megnövelné, hogy a robotizálást teljesen versenyképtelenné válna. További gond, hogy a robotok programozása olyan szaktudást igényel, amely a kis és közép méretű vállalatoknál nincsen jelen. Ez vezetett az ún. szuper-flexibilis robotprogramozáshoz [1], ahol a cél az volt, hogy minél természetesebb módon lehessen a robotokat programozni. [2,3] a robotok programozásának és betanításának egy új paradigmáját mutatta be, amely a szokványostól eltérő kognitív info-kommunikációs csatornákra épül. Ha a robotfolyamattal a műhelyfőnök különösebb informatikai tudás nélkül is tud kommunikálni és „elmagyarázni” az elvégzendő feladat lényegét, mint egy kollégának, és a robot nagyobb részt automatikusan elő tudja állítani a szükséges robotprogramokat, akkor az átállás ideje, szakember igénye és költsége jelentősen csökkenthető. A gondot az jelenti, hogy ha 100%-os automatizálásra törekszünk, akkor a biztonság, a felkészülés minden extrém esetre, ismételten túlzottan megnöveli a költségeket. A megoldás a robotfelügyeleti rendszer, ahol bizonyos mértékben bevonjuk az emberi intelligenciát (brain in the control loop) folyamatot valósítunk meg [4]. Ez egy új dimenziót nyitott a robotizációban, nevezetesen a kis- és a középvállalatok számára is elérhetővé tette a robotos alkalmazásokat. A robotot egy erős, a jól definiált feladatot precízen megoldó, korlátozott intelligenciával rendelkező, de ugyanakkor több tekintetben fogyatékos betanított munkásnak tekintette és ez elindította azt a folyamatot, amelyben a robotokkal egyre egyszerűbb nyelven lehet kommunikálni.

Hamarosan a robotok megjelennek a mindennapi életünkben (ld. 1 ábra). Öregedő társadalmunkban egyre több ember szorul fizikai segítségre, és egyre drágább az emberi munkaerő. Valószínűleg a betegszállító robotok lesznek az elsők (kísérleti jelleggel ilyenek már vannak), ezt követően jönnek az időseket, fogyatékosokat figyelő, óvó, majd fizikailag segítő robotok, esetleg a terápiás robotok, de valószínűleg eljutunk a takarító és főző robotokig. A robotok olyan emberek között fognak tevékenykedni, akik csak saját nyelvükön tudnak kommunikálni, ezért a robotoknak kell megtanulni egy olyan nyelvet, amelyet a hétköznapi ember is megért. Kérdés, hogy milyen legyen ez a nyelv. Könnyen jutunk arra a következtetésre, hogy a legjobb az lenne, ha a robottal úgy lehetne kapcsolatot teremteni, mintha az egy másik ember lenne. Ezzel az a baj, hogy a jelenleg legintelligensebb robot is messze elmarad az emberi intelligenciától, így ha a robot felhasználója nem figyel (megfeledkezik, hogy egy robottal áll szembe), és embernek tekinti a robotot, akkor a robot megzavarodhat pl. beszédtechnológiai eszközökkel egy udvarias kérést sokkal nehezebb felismerni, mint egy direkt rövid parancsot. Sokkal tisztább a helyzet, ha a robotot nem az emberrel, hanem egy állattal tekintjük egyenrangúnak és csak olyan parancsokat adunk, hogy ül, fekszik, hozd ide, tedd ezt vagy azt. Az ipari robotokkal szemben az emberek között tevékenykedő robotok esetében nem mindegy, hogy a robot miként hajtja végre a feladatot. A robotnak a feladat megoldása mellett viselkednie is kell, szociálisan be kell illeszkednie az emberek közé. Ismét az a kérdés, hogy miként kell beilleszkedni, és a válasz ismét az, hogy a robot inkább legyen egy mesterséges állat, mint egy mesterséges ember.

1.4. Eto-robotika

Ez egy új tudományterület [5]. Ennek lényege, hogy az etológusok megfigyelik az állatok viselkedését és verbális etológiai modellt készítenek. Ezt az etológiai modellt informatikusok algoritmizálható matematikai modellé alakítják, majd a mechatronikai mérnökök beépítik a robotokba vagy más eszközökbe. A folyamatot a 2-4. ábra-án láthatjuk. A természettől a mérnökök sok technikai megoldást tanultak el, de most nem egy technikai megoldást kell eltanulni, hanem a viselkedést. Szeretnénk, ha a robot valamilyen mértékig szerethetővé válna, de a robotot ne úgy szeressük, mint egy másik embert, hanem úgy mint egy mesterséges állatot. De a kérdés, hogy pl. a kutya milyen viselkedéssel éri el azt, hogy szeressük. Erre a kérdésre etológusoktól várjuk a választ.

Eto-mérnöki folyamat
1.4. ábra - Eto-mérnöki folyamat


1.5. Mogi robi a hűséges társ

A MOGI Robi egy olyan kutatás eredménye, ahol az etológusok megfigyelték a kutyák kötődését a gazdájukhoz, az informatikusok ezt a viselkedést algoritmizálták és leprogramozták, majd a mérnökök megépítettek egy robot lényt, amelynek néhány viselkedéseleme a kutyáéhoz hasonlít. Annak ellenére, hogy MOGI Robinak nincsenek érzései, úgy tud mozogni, viselkedni, hogy bennünk az az érzés támad: kötődik hozzánk, szeret minket. A kutya és gazdája közötti kötődést magyar etológusok írták le először tudományosan [6,7]. Feltételezhetően a kutyák is túlélési céllal, a relatív táplálék bőség miatt alkalmazkodtak az emberhez. Így alakulhatott ki az állatvilágban egyedülálló, fajok közti viselkedés, a kutya-ember kötődés. A kötődés fogalmát eredetileg a pszichológusok az anya gyermek kapcsolatára dolgozták ki. Megfigyelhető, hogy a gyermek keresi az anyja közelségét, az anyjához fordul vigaszért a vele való kontaktus megnyugtatja, az anyjától elválasztva azonban tiltakozik, sír, növekszik a stressz szintje. Az újra találkozáskor üdvözli az anyját, hozzábújik, majd rövid időn belül megnyugszik Ezek a viselkedés elemek a kutyáknál is megfigyelhetők, és tán könnyebben algoritmizálhatók, önthetők szabályokba, mint az emberi viselkedés. Ezért esett a választás egy kutyaszerű robotlény, MOGI Robi, létrehozására (ld. Hiba! A hivatkozási forrás nem található.).

1.5.1. Az etológiai modell

Az etológiai modell olyan állításokból áll, pl. Ha a gazda közel van, akkor a kutya stressz állapota csökken. Ha a kutya stressz állapota alacsony és a labda a közelben van, akkor a kutya játékkedve nő. ha a kutya játékkedve nagyon magas, akkor játszani kezd. Ilyen szabályokból több százat állítottunk fel, és addig finomítottuk a szabályokat, amíg a robot viselkedése kutyaszerűvé nem vált. Egy ilyen verbális modellt a fuzzy logika segítségével a legegyszerűbb matematikai formába önteni.

1.6. Összegzés

Az etológiai modell szemléltetése terén az egyik fő elvárás a robottal kapcsolatban az volt, hogy a mozgása ne legyen kötött, azaz élőlényhez hasonlóan ne csak elfordulni és két irányba (előre-hátra) tudjon egy adott pillanatban elmozdulni, hanem képes legyen oldalazó, illetve pályán való haladás közben orientációt változtatni a pálya elhagyása nélkül. Tehát bármely pillanatban rendelkezzen a síkban lehetséges három szabadsági fokkal (holonomikus robot). Ehhez saját fejlesztésű robot alapra volt szükség. Ahhoz, hogy a robot képes legyen kötődéshez fűződő valamennyi hangulati elem megjelenítésére, egy fuzzy automatán alapuló érzelmi motort fejlesztettük. A robot viselkedésének kiszámításához olyan számítási kapacitás (három párhuzamosan működő számítógép) szükséges, amely a jelen technikai szinten nem helyezhető el a roboton, ezért fordultunk az intelligens tér koncepcióhoz, és fejlesztettünk ki egy mozgáskövető rendszert. A robot intelligenciáját elosztottuk a robotot körülvevő intelligens térben.

1.6.1. Hivatkozások a bevezetőhöz

  1. Takarics Béla, Szemes T Péter, Korondi Péter, Superflexible Welding Robot Based on the Ubiquitous Computing Concept. In: 7th International Conference on Global Research and Education. Pécs, Magyarország, 2008.09.15-2008.09.18. pp. 237-246. Paper IA0168

  2. Korondi Péter, Bjørn Solvang, Baranyi Péter, „Cognitive Robotics and Telemanipulation”, Keynote előadás az EDPE 2009 Konferencián Dubrovnik, Horvátország, 2009.10.12-2009.10.14.

  3. Sziebig Gábor, Korondi Péter, „Kognitív robotika” OGÉT 2010, pp. 408-415

  4. Solvang Bjørn, Korondi Péter, Sziebig Gábor, Ando Noriaki, SAPIR: Supervised and Adaptive Programming of Industrial Robots. In: Proc. 11th IEEE International Conference on Intelligent Engineering Systems (INES'07). Budapest, 2007.06.29-2007.07.02. (IEEE)pp. 281-286.(ISBN: 1-4244-1147-5)

  5. Géza Szayer, Bence Kovács, Balázs Varga, Piros Sándor, Péter Korondi MOGI Robi, egy érzéseket kifejező robot, OGÉT 2011

  6. Topál, J., Miklósi, Á, Csányi, V. 1998. Attachment behaviour in the dogs: a new application of the Ainsworth's Strange Situation Test. J. of Comp. Psych. 112, 219-229..

  7. Gácsi, M., Topál, J., Miklósi, A., Dóka, A., Csányi, V. 2001. Attachment behaviour of adult dogs (Canis familiaris) living at rescue centres: Forming new bonds. Journal of Comparative Psychology, 115, 423-431