Σύνταξη άρθρου: Ευθύμης Κυρίκος

Επιμέλεια: Κωνσταντίνος Ουρανός

 

Έκθεμα από έκθεση στη Στέγη Γραμμάτων και Τεχνών

Ρομπότ ονομάζεται μια μηχανή η οποία είναι ικανή να πραγματοποιήσει μια σειρά από πολύπλοκες ενέργειες αυτόματα, χωρίς ανθρώπινη επέμβαση. Είναι μια σύγχρονη εφαρμοσμένη επιστήμη, που περιλαμβάνει τις επιστήμες της μηχανικής, της ηλεκτρονικής, του σχεδιασμού λογισμικού καθώς και άλλες, που συνιστούν νεοεμφανιζόμενους κλάδους, όπως είναι η επιστήμη υλικών. Για έναν σύγχρονο μηχανικό ρομποτικής είναι απαραίτητη η βασική γνώση όλων αυτών των επιστημών, ώστε να μπορεί να τις χρησιμοποιήσει για τον σχεδιασμό ενός ρομπότ.

Το παρόν λοιπόν, είναι το πρώτο από μια σειρά άρθρων, με τα οποία θα προσεγγίσουμε τη τεχνολογία της ρομποτικής από όλες τις πλευρές της, μελετώντας όλους τους επιμέρους τεχνολογικούς κλάδους καθώς και τον τρόπο με τον οποίο αυτοί χρησιμοποιούνται στη ρομποτική.

 

Μηχανολογία στη ρομποτική

Ξεκινώντας το ταξίδι μας, θα πρέπει να απαντήσουμε στο πώς κατασκευάζεται ο σκελετός ενός ρομπότ καθώς και τα δομικά του στοιχεία. Συνήθως, όταν μιλάμε για ένα ρομπότ, έχουμε στο μυαλό μας τα ανθρωποειδή, τα ρομπότ δηλαδή που μοιάζουν στη φυσιολογία τη δική μας. Ρομπότ ωστόσο υπάρχουν στη καθημερινή μας ζωή, στη βιομηχανία, στις μεταφορές, στις επιστήμες υγείας καθώς και  παιχνίδια με τα οποία παίζουν τα παιδιά. Κλασσικά παραδείγματα ρομπότ είναι οι βιομηχανικοί βραχίονες, οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε εργοστάσια για τη συναρμολόγηση προϊόντων, ένα τηλεκατευθυνόμενο τετράπτερο (drone) και ένα ρομπότ χειρουργός, που έχει ικανότητα να εκτελεί επεμβάσεις με ακρίβεια μικρομέτρων. Παρατηρούμε έτσι πως η χρήση τους είναι αρκετά πλατειά και αφορά σε πολλές εργασίες πολύ διαφορετικές μεταξύ τους. Εδώ λοιπόν προκύπτει το πρώτο μεγάλο πρόβλημα της ρομποτικής καθώς για κάθε εργασία χρειαζόμαστε και διαφορετικού τύπου ρομπότ. Ένα ρομπότ λόγου χάρη, που συναρμολογεί αυτοκίνητα σε ένα εργοστάσιο, πρέπει να έχει πολύ διαφορετικό σχήμα σε σχέση με ένα άλλο, το οποίο χρησιμοποιείται για μεταφορές ή που εκτελεί μια πολύ λεπτομερή εργασία. Για τους παραπάνω λόγους ο σχεδιαστής πρέπει να σχεδιάσει έναν διαφορετικό σκελετό, ο οποίος να έχει κατάλληλα χαρακτηριστικά ,ώστε να μπορεί να εκτελέσει τις εργασίες για τις οποίες προορίζεται. Έτσι γεννήθηκε η πρώτη επιστήμη της ρομποτικής, που είναι η ρομποτική μηχανική.

 

Ρομποτική μηχανική

Ρομποτική Μηχανική ονομάζεται η επιστήμη, η οποία ασχολείται με τα δομικά κομμάτια ενός ρομπότ, δηλαδή με τις μηχανές, τους βραχίονες, τους άξονες, τις ρόδες καθώς και με θέματα φυσικής, που το αφορούν, όπως το βάρος, η αδράνεια, η αντοχή και η ικανότητα φορτίου, που μπορεί να έχει ένα ρομπότ. Εύκολα αντιλαμβανόμαστε πως αυτός είναι ο πιο σημαντικός κλάδος κατά τη διαδιασία σχεδιασμού ενός ρομπότ, καθώς σε αυτή τη φάση οι σχεδιαστές καλούνται να πάρουν αποφάσεις, όπως το σχήμα, τα υλικά και ο τρόπος με τον οποίο θα εκτελεί τις εργασίες της η μηχανή. Κακός σχεδιασμός συνεπάγεται και κακή λειτουργία του ίδιου του ρομπότ, η οποία συνήθως δεν μπορεί να διορθωθεί μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής του.

Από ποιους όμως παράγοντες εξαρτάται και με ποιον τρόπο γίνεται σχεδιασμός ενός ρομπότ; Η απάντηση σε αυτή την ερώτηση είναι: “από τις ανθρώπινες παρατηρήσεις”. Σε όλη την ιστορία της επιστήμης οι άνθρωποι εμπνέονταν από καθημερινά πράγματα της ζωής. Ένας μηχανολόγος, που καλείται να φτιάξει ένα ρομπότ ικανό να εκτελέσει μια εργασία, συνήθως σκέφτεται τον τρόπο με τον οποίο μπορεί ο ίδιος ο άνθρωπος να εκτελέσει την ίδια εργασία. Αν, για παράδειγμα, θέλουμε να κατασκευάσουμε ένα ρομπότ που εκτελεί μια συναρμολόγηση, την οποία πριν την έκαναν άνθρωποι, θα χρειαστεί να σχεδιάσουμε μια μηχανή που να μοιάζει με ανθρώπινο χέρι. Αντίστοιχα ένα ρομπότ, που εκτελεί μικροχειρουργικές επεμβάσεις, μηχανολογικά αποτελείται από δυο βραχίονες έχοντας στα άκρα τους προσαρμοσμένα διάφορα εργαλεία, όπως λαβίδα και νυστέρι. Ένα ρομποτικό όχημα μοιραία θα μοιάζει με αυτοκίνητο καθώς εξυπηρετεί τον ίδιο σκοπό μεταφοράς.

 

Κατηγορίες Ρομποτικών Μηχανών

Μηχανολογικά λοιπόν, τα ρομπότ διαφοροποιούνται λόγω των διαφορετικών εργασιών που πρέπει να φέρουν εις πέρας. Έτσι παρατηρείται πως ρομπότ που κατασκευάζονται για παρόμοιες εργασίες να έχουν και κοινά χαρακτηριστικά, βάσει των οποίων μπορούμε να τα ομαδοποιήσουμε. Μερικές από τις πιο σημαντικές ομάδες ρομπότ σήμερα είναι:

Βιομηχανικά Ρομπότ:  Συνήθως αποτελούνται από ένα βραχίονα με αρθρώσεις, όπως ακριβώς το ανθρώπινο χέρι, και στο άκρο τους έχουν ένα εργαλείο για να πραγματοποιήσουν μια εργασία.

Κινούμενα ρομπότ: Ρομπότ που έχουν την ικανότητα να κινούνται στο περιβάλλον. Συνήθως η μηχανική τους κατασκευή είναι παρόμοια ενός οχήματος έχοντας επιπλέον συστήματα για αποφυγή εμποδίων στο χώρο και ικανότητα αυτόνομης οδήγησης.

Ρομπότ Υπηρεσιών: Τα πιο γνωστά ρομπότ υπηρεσιών είναι βιομηχανικά ρομπότ που χρησιμοποιούνται για τη τη διανομή  εμπορευμάτων. Ο αγγλικός όρος «Service robot» δεν είναι καλά ορισμένος. Η Διεθνής Ομοσπονδία Ρομποτικής έχει προτείνει ένα ενδεικτικό ορισμό, «Ένα Ρομπότ Υπηρεσιών (Service robot) είναι ένα ρομπότ που λειτουργεί μερικώς ή πλήρως αυτόνομα για παροχές υπηρεσιών χρήσιμες για την ευημερία των ανθρώπων και του εξοπλισμού, συμμετέχει παντού εκτός από τις κατασκευές. Μπορούμε πιο εύκολα να πούμε πως ένα ρομπότ υπηρεσιών είναι κατασκευασμένο να εκτελεί επαναλαμβανόμενες, εύκολες και κουραστικές εργασίες για τον άνθρωπο. Ένα παράδειγμα ενός τέτοιου μηχανήματος είναι οι ρομποτικές ηλεκτρικές σκούπες που έχουν τη δυνατότητα να καθαρίζουν μόνες τους ένα σπίτι.

Εκπαιδευτικά Ρομπότ: Υπάρχουν και ρομπότ που εξυπηρετούν εκπαιδευτικούς σκοπούς. Από το 1980 υπάρχουν ρομπότ σε σχήμα χελώνας, ενώ σήμερα είναι γνωστά τα εκπαιδευτικά πακέτα ρομποτικής της εταιρίας LEGO. Είναι φτηνές, μικρές και απλές κατασκευές, με λίγα μηχανικά μέρη καθώς δεν υπάρχουν ιδιαίτερες μηχανολογικές απαιτήσεις και πρέπει να μπορούν να εισάγουν ομαλά τους εκπαιδευόμενους στις τεχνολογίες της ρομποτικής.

Αρθρωτά ρομπότ: Είναι συνήθως πολύπλοκες κατασκευές που αποτελούνται από πολλά διαφορετικά ρομποτικά συστήματα συνδεδεμένα μεταξύ τους. Ένα απλό παράδειγμα αρθρωτής κατασκευής είναι ένα αυτοκινούμενο ρομπότ, που στο σώμα του έχει ένα βραχίονα. Αυτές οι κατασκευές είναι μεγάλες, ακριβές και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου ο σκελετός του ρομπότ πρέπει να προσαρμόζεται, ώστε να εκτελεί περισσότερες από μια εργασίες.

Ρομποτική Κινηματική

Ρομποτική Κινηματική είναι η βασική τεχνική που χρησιμοποιούν οι μηχανικοί, για να σχεδιάσουν το σκελετό ενός ρομπότ. Ρομποτική Κινηματική είναι η διαδικασία κατασκευής ενός ρομποτικού σχελετού χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις κίνησης από τη Φυσική. Η ρομποτική κινηματική μπορεί επίσης, για ένα ρομπότ του οποίου γνωρίζουμε τις παραμέτρους, να μας υπολογίζει όλες τις κινήσεις του πάνω σε μια τροχιά. Για να μελετήσουμε τι είναι η κινηματική στη ρομποτική, θα πάρουμε ως παράδειγμα ένα από τα πιο απλά ρομπότ, έναν βιομηχανικό βραχίονα. Ο βραχίονας θα λέγαμε πως είναι μια αντιγραφή του ανθρώπινου χεριού. Κατασκευάζεται από μια σειρά από ράβδους, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους μέσω μηχανικών αρθρώσεων. Αν παρομοιάσουμε έναν ρομποτικό βραχίονα με το ανθρώπινο χέρι, θα λέγαμε πως οι ράβδοι είναι τα κόκκαλα και οι μηχανικές αρθρώσεις είναι ίδιες με τις ανθρώπινες αρθρώσεις. Κάθε μηχανική άρθρωση έχει και μια μηχανή στο εσωτερικό της, συνήθως ηλεκτρική, ώστε να μπορεί να κινεί τον σκελετό. Οι μηχανικές αρθρώσεις μπορούν να εκτελούν κινήσεις και περιστροφικές και ευθύγραμμες. Ο συνδυασμός αυτών των κινήσεων είναι που μετακινεί το άκρο του βραχίονα στο επιθημητό σημείο. Σκεφτείτε το ανάλογο παράδειγμα με το ανθρώπινο χέρι: για να μετακινηθεί το άκρο σε ένα σημείο χρειάζεται συνδυασμένη κίνηση όλων των αρθρώσεων. Η γενική αποκρυπτογράφηση των διαδικασιών της κίνησης αλλά και ο έλεγχος αυτών των κινήσεων είναι μέρος της “κινηματικής ανάλυσης” και ενδιαφέρει τους μηχανικούς τόσο στον σχεδιασμό όσο και στον έλεγχο του ρομπότ.

Επίλογος

Η μηχανική ρομποτική, αν και σήμερα κάπως λιγότερο προβεβλημένη σε σχέση με τους υπόλοιπους κλάδους (τεχνητή νοημοσύνη, αυτόνομη μάθηση), αποτελεί τον κατεξοχήν θεμελιώδη τομέα της ρομποτικής. Μελέτησε και καθόρισε τον τρόπο κατασκευής πολύπλοκων μηχανικών αλυσίδων, όπως ονομάζονται, που χρησιμοποιούνται και σε άλλες εφαρμογές, όπως οι κατασκευές. Τέλος, η ανάπτυξή της άνοιξε νέους ορίζοντες τόσο στη κατανόηση των μηχανών όσο και στη μελέτη της φυσιολογίας του ανθρώπινου σώματος με όρους φυσικής.

 

Πηγές:

  • Τζαφέστας, Σπύρος Γ., «Ρομποτική. Τομ. 1: Ανάλυση και έλεγχος.» (629.892 ΤΖΑ).
  • Αθανασάκη Δέσποινα, Κρήτη 2015 «Κατασκευή ρομποτικού οχήματος με δυνατότητα αποφυγής εμποδίων» Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης, Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής.
  • Craig, John J., “Introduction to robotics : mechanics and control,” Addison – Wesley, Pearson Education, Inc. 1989

 

Ηλ. Ταχ.: [email protected]

Σοφία Δρακάκη

Ηλεκτρολόγος Μηχανικός, M. Sc. Computer Engineering

 

Ευθύμης Κυρίκος

Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Ειδικός Αυτοματισμού και Ρομποτικής