1. Roboti a my - hardware
Hardware má každý počítač – v čem je hardware robota jiný? Mají roboti smysly stejně jako lidé? Co je motor a co senzor a kde je u robota najdeme? Bolí robota odřené koleno?
Češtinářovo okénko
Jsou správně česky ti roboti nebo ty roboty? Přestože je slovo robot českého původu (poprvé ho použil spisovatel Karel Čapek, ale slovo vymyslel jeho bratr Josef), může ti dělat starosti jeho (ne)životnost. Na robota (nebo na robot?) si totiž jen tak někdo nepřijde.
Podle Slovníku spisovného jazyka českého z let 1960–1971 je robot životný, pokud jde o člověka nebo umělého člověka. Všimni si zkratky (živ.). Naopak, rod neživotný se použije, pokud je to stroj, všimni si zkratky (neživ.) za pomlčkou:
robot, –a m. (živ.) 1. (též robotka, –y ž.) postava umělého člověka, kt. vytvořil Karel Čapek ve svém dramatu RUR; automat vykonávající někt. lidské činnosti vůbec 2. expr. člověk pracující namáhavě a bez odpočinku: pracovat jako r.; člověk se nesmí stát r–em bez radosti ze života nádeníkem; — robot, –u, –a m. (neživ.) složitý stroj konající rozmanitou práci: kuchyňský r. elektrický strojek k mechanizaci kuchyňských prací (mletí, strouhání ap.); → zdrob. robotek, –tka m. (6. mn. –tcích).
Na obrázku robot Geminoid vznikl jako kopie svého tvůrce. Hiroši Išiguro i Geminoid jsou životní.
Také novější odpovědi v Jazykové poradně Ústavu pro jazyk český vyznívají podobně:
Nejsem si jistá shodou přísudku s podmětem ve větě „Roboti zpracovali tisíce žádostí“. Má být v přísudku měkké i, nebo tvrdé y?
Slovo „robot“ může být jak životné, tak neživotné, záleží na konkrétním použití (pokud se stroj podobá člověku, má životné tvary, pokud nikoli, může mít tvary neživotné i životné). Tvar „roboti“, který jste užila, však zakončením na –i přímo signalizuje životnost, takže v přísudku je také nutné napsat měkké i. Ve Vašem případě by však byla v pořádku i neživotná varianta „Roboty zpracovaly tisíce žádostí“.
Mluvíme-li o průmyslových robotech, jde o životné, nebo neživotné podstatné jméno: roboty, nebo roboti?
Pokud se stroj podobá člověku, má tvary životné, pokud se člověku nepodobá, je u něj možné jak životné, tak neživotné pojetí, záleží na konkrétní situaci a konkrétním stroji. Např. u kuchyňských robotů převládá neživotné pojetí. Obecně řečeno lze tedy napsat průmysloví roboti i průmyslové roboty.
Jak rozdílný hardware mají roboti oproti počítačům?
Co je hardware? Hard znamená pevný a hardware znamená pevná konstrukce, ve které jsou uloženy naprogramované instrukce – počítačové programy čili software. Asi už víš, že počítače uvnitř počítají s jedničkami a nulami. Tohle „počítání“ probíhá na úrovni elektrických signálů – jednička znamená, že proud nějakou součástkou prochází, nula znamená, že proud součástkou neprochází. Jedničky a nuly se skládají podobně jako morseovka do složitějších zpráv. To ale znamená, že všechny hardwarové součástky „vyrábějí“ elektrické signály. Pojďme se podívat, jak to dělají.
Hardware a software – to jsou přece naše počítače. Takže, jaký je rozdíl mezi robotem a počítačem? Schopnost „starat se o sebe sám“ se nazývá autonomie – pokud si umíš koupit šalinkartu nebo vybrat na internetu letní tábor, jsi dost autonomní! Čím je člověk dospělejší, tím víc je autonomní.
Roboti, kteří jsou aspoň částečně autonomní, počítač obsahují. Oproti počítači, na kterém čteš tato slova, mají navíc mechanické součástky. Ty zajišťují robotův pohyb – od kývání hlavy po běhající nohy. Aby se mohl robot autonomně pohybovat, musí také něco vydržet. Oproti běžnému domácímu počítači bývají roboti pevní a odolní. Mohou pracovat v náročných podmínkách – vlhku, špíně či extrémních teplotách. Při pohybu se musejí vyhýbat překážkám, ale může se stát, že do něčeho narazí. A bylo by pěkně hloupé, kdyby se hned rozbili.
Mechanické součástky dělají z robota těžší stroj, autonomie zase vyžaduje, aby robot nemusel mít napájecí kabel. Robot musí mít energii sbalenou v baterkách, a tedy musí „vědět“, že mu hrozí vybití. Ideální je, pokud baterie vydrží dlouho a pokud robot sám pozná „kdy má hlad“.
Pepper a jeho hardware
Představení hardwaru robota Peppera
Co vidí Pepper – záběry z Pepperovy kamery s rozpoznáváním obličejů
Pepper se probouzí – robot musí zkontrolovat svoje funkce, stav baterie a své okolí
Čidla neboli senzory
My lidé máme pět smyslů, u strojů se pro jejich „smysly“ používá termín čidlo nebo senzor (anglicky sensor). Kolik „smyslů“ může mít takový robot? Velmi mnoho, v textu představíme ty nejčastější.
Robot má zrak...
Kamera je snad ta nejsamozřejmější součást telefonů. Co ale dělá? Kamera, přesněji řečeno čip pro snímání obrazu převádí světlo na elektrické impulzy. Koneckonců, slovo fotografie vystihuje přesně, co to je: fotos znamená řecky světlo, grafé znamená kreslení.
Fotografie je kreslení pomocí světla.
Běžné denní světlo vypadá bílé, možná ale víš, že ve skutečnosti je složeno ze všech barev duhy. Právě duha je příkladem, jak se bílé světlo rozkládá na jednotlivé složky. Při průchodu světla rozdílnými materiály (vzduch a kapka vody) dochází k ohybu světelného paprsku, tzv. refrakci. Refrakci můžeš pozorovat i ve sklenici s vodou, do které dáš brčko. V místě hladiny vody vypadá brčko, jako by bylo zlomené.
Refrakce se projevuje i na rozhraní čočky. Umělá čočka je vypouklý kus skla nebo plastu, který také ohýbá světlo. Čočka může světelné paprsky ze svazku paprsků spojovat do jednoho bodu (pak se jí říká spojka), nebo je naopak rozptylovat (překvapivě se jí pak říká rozptylka). V kameře se používá celá soustava čoček, které vstupující světelný paprsek rozloží a namíří jeho jednotlivé složky tam, kam je potřeba.
Místo, na které světelný paprsek míří, je světelný senzor. Možná tě překvapí, že senzor nevidí žádné barvy. Místo toho má každá ploška, kam paprsek dopadá, barevný filtr – červený (red, R), zelený (green, G) nebo modrý (blue, B). Díky refrakci přes soustavu čoček se světelný paprsek rozloží a každá jeho barevná složka zamíří na to správné místo.
To správné místo je malinká ploška na světelném senzoru, který podle místa dopadu světelného paprsku změní svůj elektrický náboj a vyšle informaci o této změně. Každá z těch malých plošek představuje jeden pixel, který je v počítači popsaný jako trojice čísel (R, G, B). Každé z těchto čísel je hodnota mezi 0 a 255. Tak třeba (255, 0, 0) je sytě červená barva a (0, 0, 0) je černá. Když se u kamery udává počet megapixelů, znamená to, kolik milionů takových malinkých plošek - pixelů na senzoru je.
Představ si, že u šestimegapixelové kamery se všechno to ohýbání a zachytávání světelného paprsku odehrává šest milionkrát vedle sebe na ploše několika milimetrů.
… a sluch
Mikrofon vynalezl Emile Berliner spolu s gramofonem v roce 1877. Přestože dnešní mikrofony jsou miniaturní, jejich princip je od 19. století stejný. Převádějí zvuk, což je vlnění vzduchu, na elektrické signály. Mikrofon obsahuje pružnou součástku (membránu), kterou zvukové vlny rozechvívají, a nepohyblivou destičku, která je blízko této pružné membráně. Zvukové vlny, které narazí na membránu, převedou pohyb vzduchu (zvuk) na pohyb membrány. Rozdíl vzdálenosti mezi membránou a nepohyblivou destičkou lze převést na elektrický signál.
… a další smysly
Asi tě nepřekvapí, že uvnitř počítače jsou elektronické součástky. Základním součástkám se říká integrované obvody, protože obsahují (integrují) mnoho jednodušších součástek na velmi malé ploše.
Integrované obvody vznikly v 50. letech 20. století. Od 60. let se datuje vznik MEMS – mikroelektromechanických systémů (Microelectromechanical systems). To jsou integrované obvody, ve kterých je kromě elektronických součástek integrována nějaká součástka mechanická, čili něco, co se může hýbat.
Zjisti více: Tam dole je spousta místa
Ne každému vynálezu hned lidé přikládají význam, některým se vyloženě vysmívají. O integrovaných obvodech a MEMS ale vědci nepochybovali. Už v roce 1958 přednesl slavný fyzik Richard Feynman přednášku Tam dole je spousta místa, kde předpověděl, že malinké stroje jsou naše budoucnost. Tím „tam dole“ myslel uvnitř, v prostoru mezi atomy. Později se tomu začalo říkat nanotechnologie.
Nejčastěji používané senzory
Teploměr (anglicky thermometer)
Klasický teploměr asi znáš. Je založen na pozorování, že kapalina při zahřátí zvětšuje svůj objem. Takže když je obarvený líh v trubičce venkovního teploměru vystaven slunci, jeho objem se zvětší a lihu nezbyde než v trubičce putovat nahoru. V mikrosvětě je to ale jinak. Teploměr musí teplotu převést na elektrický signál. Toho lze docílit například tím, že elektrický signál teče přes materiál, u kterého se s teplotou výrazně mění elektrický odpor. Této součástce se říká termistor, což je kombinace slov thermal (teplotní) a resistor (odpor).
Náklonoměr (sklonoměr, inklinometr, anglicky tilt sensor)
Náklonoměr měří náklon. Na rozdíl od akcelerometru a gyroskopu neměří změnu polohy. Náklonoměry fungují díky gravitaci, podobně jako třeba vodováha. Konstrukce náklonoměru může být různá, ta nejjednodušší funguje díky pohyblivé vodivé kuličce, která ve válečku spojí dva vodiče, pokud je váleček nakloněn nožičkami dolů. Pokud váleček položíš, kulička se odkutálí a eletrický obvod se rozpojí.
Akcelerometr (anglicky accelerometer)
Díky akcelerometru náš telefon „ví", že má zhasnout obrazovku a deaktivovat dotykový displej, když máš telefon nastojato u ucha. Akcelerometr také říká telefonu, jestli se chceš dívat na displej nastojato nebo naležato.
Akcelerometr měří akceleraci, což je česky zrychlení. Rychlost se měří například v metrech za sekundu. Zrychlení je ale změna rychlosti za určitý čas, proto se měří v metrech za sekundu za sekundu (opravdu dvakrát), což můžeš napsat jako metry za sekundu na druhou – m/s2.
Uvnitř mikrosoučástky je upevněna těžší část mezi pružnými tenkými nožičkami. Při změně pohybu (zrychlení nebo zpomalení) těžší část pružné nožičky napne tím, jak se setrvačností cukne. Přitom se dotkne vodičů a začne procházet elektrický proud. Skutečný akcelerometr měří zrychlení ve třech osách (zleva doprava, shora dolů a zepředu dozadu).
Gyroskopický senzor (senzor úhlové rychlosti, anglicky gyroscope)
Gyroskop se často používá dohromady s akcelerometrem. Na rozdíl od něj měří úhlovou rychlost, to znamená, jak rychle se součástka otáčí. Úhlová rychlost se měří v úhlových stupních za sekundu. Například sekundová ručička na hodinkách se otáčí rychlostí 360/60 = 6 stupňů za sekundu.
Gyroskopické senzory mají různé konstrukce. Například DRG (Disc Resonator Gyroscope) je disk složený z tenkých dílků, které mají společný střed (představ si je jako talíře různých velikostí na sobě). Jakmile se disk roztočí, jeho tvar se malinko změní. Tato změna se podobně jako u akcelerometru projeví elektrickými signály. Jiná konstrukce měří změny pomocí pružných součástek umístěných na disku.
Senzor vlhkosti (hygrometr, anglicky hygrometer)
Senzory vlhkosti se používají pro regulaci vzduchu v místnostech tak, aby se lidé cítili dobře. Některé elektronické přístroje nesnesou vysokou vlhkost, a proto si ji měří, aby mohly zavčas rozpoznat, že prostředí pro ně není vyhovující.
Vlhkost je množství kapiček vody ve vzduchu. Čidla, která vlhkost měří, jsou většinou složena z několika vodivých i nevodivých vrstev. Vrstva mezi dvěma vodivými vrstvami je určena k zachytávání mikrokapiček vody. Takto nacucaná vrstva má jiné elektrické vlastnosti, než když je suchá. Podobně jako u jiných senzorů se tato malá změna projeví v elektrických signálech, které senzor vydává.
Senzory vzdálenosti a přiblížení (anglicky distance sensors a proximity sensors)
Vzdálenost a přiblížení - jaký je v tom rozdíl? V obou případech se součástky snaží zjistit, že někde někdo nebo něco je. Senzor přiblížení zjišťuje, jestli to něco nebo ten někdo je v určité vzdálenosti. Senzor vzdálenosti změří i jak daleko to je.
Čidla, která otevírají automatické dveře, jsou založena na odrazu světla v infračerveném (pro nás neviditelném) spektru. Můžeš se setkat se zkratkou PIR (Passive Infrared Sensor, pasivní infračervené čidlo). Infračervená čidla dokážou dobře změřit tvar objektu, ale bohužel jejich měření ovlivňuje viditelné světlo, takže na přímém slunci můžou mít zkreslené výsledky. Čidla pro otvírání dveří jsou senzory přiblížení, protože jim „stačí vědět”, že něco uvnitř pomyslného obdélníku před dveřmi.
Ultrazvukový senzor funguje jinak. Vlastně jsme jej okopírovali od ozvěny. Kdybychom my lidé měli dobře vytrénovaný sluch, mohli bychom podle ozvěny poznat tvar údolí, do kterého voláme „Ozvěnóóóó”. Při ozvěně totiž slyšíš odraz zvuku svého vlastního hlasu, čím dále zvuk musel letět, než se odrazil třeba od skály, tím delší ozvěna je. Ultrazvuk je příliš vysoký, než abychom jej slyšeli, nicméně, určitě víš, že pomocí ultrazvuku se orientují ve tmě netopýři.
Ultrazvukový senzor vzdálenosti najdeš například v robotickém vysavači. Tento senzor měří vzdálenost a dává vysavači informaci o tom, jak daleko ještě může jet.
Přesné čidlo pro měření vzdálenosti může být také založeno na principu laseru (úzkého a přesně zamířeného paprsku světla). Říká se mu LIDAR (Light Detection and Ranging neboli detekce světla a rozsahu) a můžeš se s ním setkat například v laserových měřidlech vzdálenosti, které používají řemeslníci. Lidary vyšlou laserový paprsek, počkají, až se odrazí, a potom měří, jak vypadá odražený paprsek. Protože různé povrchy odrážejí paprsky laseru různým způsobem, dá se pomocí lidaru například snímkovat oceán a vytvořit 3D mapa oceánského dna.
Šikovné ruce, rychlé nohy
Asi tě nepřekvapí informace, že za pohybem robota je vždy motor. Oproti motoru v autě nebo třeba v mixéru jde o něco jiného. Auto nebo mixér mají hnací motor, jehož cílem je rychlost. Naproti tomu v ruce nebo noze robota jsou takzvané servomotory, jejichž cílem je natočit součástku do správné polohy.
Na rozdíl od hnacích motorů, servomotor musí vždy „vědět“, v jaké poloze je jeho osa. K tomu slouží servomotoru řídicí jednotka a zpětná vazba – součástka, která dává motoru i řídicí jednotce informaci o poloze motoru. Servomotory často obsahují další senzory, například senzor naklonění nebo tachometr. Díky tomu také dokáží nějakou akci přesně zopakovat.
Servomotory slouží k různým účelům, a proto se mohou docela lišit. Hlavní rozdělení je na servomotory s plynulým pohybem – takové umí třeba pohánět kolečka robota – a servomotory krokové s daným počtem poloh. Ty umějí pohánět ruce robota tak, že může svírat a rozevírat prsty. Podobně jako u člověka, ani u robota nechceš, aby se prsty rozevíraly úplně kamkoliv.
Servomotory většinou nějakou součástkou otáčejí nebo ji posouvají rovně. V praxi to znamená, že pro složitější pohyb, jako třeba zamávání, je zapotřebí více servomotorů, které pracují dohromady.
Správný robot si musí umět poradit v neočekávaných situacích. Například roboti na nohách musejí počítat s tím, že do nich někdo šťouchne nebo že stoupnou na nerovný povrch. Robot bývá naprogramovaný tak, aby hned po prvním štouchnutí nespadl. Jeho strategie je podobná jako naše. Při naklonění se snažíš přenést část váhy těla do protisměru, proto ti vylétnou ruce proti směru náklonu. Když je náklon nebezpečnější, snažíš se do směru náklonu udělat krok a zabránit tak pádu. Roboti pro tyto manévry potřebují senzory naklonění a rychlosti, servomotory, a také program, který pomůže celý záchranný manévr řídit.
Nenechat robota upadnout je docela věda, ale mnohem složitější věda je nechat robota zase si stoupnout. Nediv se proto, že hodně robotů je na kolečkách nebo s více než dvěma nohama.
Když už robot padá, podobně jako každý živý tvor se snaží si neublížit. Ne, že by robota bolelo odřené koleno, to spíš jeho majitele bolí peněženka. Snahu robota nepoškodit se musejí programátoři naprogramovat. Roboti používají různé strategie pádu – sbalení se do klubíčka, skrytí nejcitlivějších součástek, otočení.
Robot musí mít naprogramovánu i strategii, jak vstát. Asi už tě nepřekvapí, že i tady jsou potřeba senzory, aby zjistily, v jaké poloze robot leží a jak vypadá okolí. Jestli máš zkušenost s lyžováním, určitě víš, že vstát s lyžemi na nohách na svahu a hned zase nespadnout není jen tak. Robot má většinou v zásobě několik postupů a pro ten nejvhodnější se rozhodne právě podle informací ze senzorů.
Výkon, spotřeba, cena
Z videí o Pepperovi vidíš, že počítač, který robot má, není příliš výkonný. Pepper některé věci neumí, nebo je neumí moc dobře. Nedokáže třeba rozpoznat slova, která nikdy neslyšel nebo nejsou v jeho databázi. Proč mu výrobce nenamontoval lepší hardware?
Výkonnější počítač většinou potřebuje více energie. Ne že by byl nešetrný, ale díky tomu, že na něm můžeme pustit složitější výpočty, spotřeba elektřiny roste. Robot by tedy potřeboval větší baterii. Kdyby měl větší baterii, byl by těžší, a potřeboval by tudíž silnější motory, aby se mohl pohybovat. A spotřeba by zase vzrostla.
Všimni si ve videu Co vidí Pepper, že obraz z kamery není moc kvalitní. Pepperova kamera nemá příliš velké rozlišení (to je počet bodů, které kamera umí zaráz nasnímat). Ve skutečnosti je Pepperova kamera mnohem méně výkonná než kamera z obyčejného mobilu. V tomto případě nemá robot problém se spotřebou, ale s dalším zpracováním. Pepper napodobuje lidské chování tím, že sleduje obličej člověka a dívá se na něj. Musí proto rychle obličej najít. Aby mohl Pepperův počítač zpracovávat video z kamery ihned (někdy tomu říkáme v reálném čase), musí mít výkonný počítač a dost paměti. A zase se dostáváme k výkonu a spotřebě.
Každý robot je tedy navržený tak, aby měl rozumnou výdrž baterie, hmotnost, spotřebu elektrické energie a hlavně rozumný výkon. Samozřejmě, že s tím vším souvisí i cena robota.
Zjisti více: Robocup
Vědci každoročně pořádají fotbalové mistrovství robotů, kde najdeš roboty v kategoriích kolečkoví roboti, Lego, roboti na nohách a řadu dalších. Kromě schopnosti kopnout do balónu musejí roboti zvládnout i spolupracovat. Podívej se na nějaké utkání.
„Pro roboty je snazší udělat salto než otevřít dveře. Z toho mi plyne, že jestli se jednou roboti vzbouří, bude stačit zavřít dveře na kliku.“
Senzory
Najdi to správné čidlo pro každý jev.