Robotika i mehatronika

SVIJET ROBOTIKE

Pri objašnjavanju obilježja fenomena suvremene robotike može se u znanstvenim i tehničkim krugovima čuti da je robotika “generička tehnologija”, tj. da je izvedenica iz postojećih, starijih pojmova i koncepata poput automata i automatike. Po toj zamisli robotika je dio automatike. No, na prijelazu milenija pojavio se i širi pojam od automatike, mehatronika koja kao nadpojam (nadkoncept) apsorbira ne samo robotiku već i klasičnu automatiku. Povijesno, riječ mehatronika je nepoznata u vrijeme pojave robotike. U rječnicima frekvencija javnog korištenja riječi “mehatronika” u prvom desetljeću XXI. st. vrlo je bliska nuli, a periodično i nestaje. U drugom desetljeću dolazi do naglog širenja pojma i koristi se za opis svake primjene elektronike u mehaničkim uređajima. Pojam “mehatronika” star je više od 50 godina. Nastao je 1969. godine u danas poznatom japanskom proizvođaču robota Yaskawa Electric Corporation koji je u to vrijeme razvijao i proizvodio mehaničke uređaje i strojeve. Autor pojma Tetsuro Mori spojio je riječi “mehanika” i “elektronika” u pojam “mehatronika”. Pojavu pojma izazvale su promjene u razvoju, proizvodnji i primjenama klasičnih mehaničkih sustava. Te promjene omogućavale su elektronika, masovno uvođenje senzorike, aktuatora i upravljačkih jedinica s kojima su uređaji postajali učinkovitiji, ali i jeftiniji. Mehatronički sustav nije obično spajanje elektroničkog i mehaničkog s pridruženom upravljačkom jedinicom. On je nerazdvojiva cjelina čija pojedina sastavnica gubi funkcionalni smisao izdvajanjem. Tvrtka Yaskawa 1972. dobila je i autorska prava na ekskluzivno korištenje registriranog brenda “mechatronics”, ali je 1982. odustala od tih prava što je doprinijelo upotrebi pojma na sve rašireniji trend spajanja mehanike i programirane elektronike. U drugom desetljeću XXI. st. koncept mehatronike postao je sve prihvaćeniji u industriji, a posljedično i u akademskoj zajednici pa se postupno uvodi u nastavne kurikulume na svim razinama. Širenje interneta, GPS-a i mobilne telefonije dodatno je širilo mehatroničku zamisao. Sve više postojećih uređaja znatno mijenja svoj izvorni dizajn, parametre i funkcionalnost. U današnje vrijeme cilj mehatronike je poboljšati

Mehatronika je pojam ili koncept nastao u trenutku tehničkog razvoja u kojem pasivne mehanizme i uređaje počinju zamjenjivati prilagodljivi aktivni mehanizmi u kojima je naglašena primjena elektrike, elektronike i programiranih računalnih upravljačkih jedinica. Koncept robotike širi je od tehnike. Pojam robot nastao je izvan tehnike i tek naknadno je primijenjen u tehnici. U mehatronici ne postoji pojam koji odgovara pojmu robot pa se on smatra mehatroničkim uređajem.

ROBOTIKA I MAHATRONIKA. Iako se s gledišta glavnih sastavnica mehatronike (slike desno i u sredini) sve čini jasnim, nemoguće je povući oštru granicu između mehatronike i robotike. Robotika je, s gledišta mehatronike, specifična klasa mehatroničkih sustava. Nije svaki mehatronički uređaj robot, ali su svi roboti mehatrončki uređaji (slika lijevo). Napredni roboti su mehatronički uređaji opremljeni “pametnom” upravljačkom jedinicom, ali postoje i suvremeni mehatronički uređaji s “pametnim” kontrolerima (slika desno). Zbog toga je rasprostranjenost mehatroničkih uređaja veća, a obrazovanje mehatroničara perspektivnije od obrazovanja robotičara. U konačnici, s gledišta obrazovanja, mehatronika se može shvatiti i kao uvod u robotiku.

RAŠIRENOST MEHATRONIČKIH UREĐAJA. Težište mehatronike je u praksi i primjenama složenih elektromehaničkih sustava i metoda upravljanja. Na slici su tri masovno proizvođena uređaja i stroja koja su po svom načinu izvedbe i rada mehatronički proizvodi. Na slici lijevo je hladnjak čije su osnovne funkcije proširene s mogućnostima povezivanja u IOT (internet stvari) na način da korisnik posredstvom interneta ili mobilnog telefona ima stalni vizualni uvid u namirnice, ali i mogućnost njihove automatske nadopune. U sredini je suvremeni automobil s mnoštvom mehatroničkih sklopova (sustavi protiv blokiranja kotača, senzori za automatsko usporavanje, kontrolirani sustavi ubrizgavanja goriva, sustavi kontrole proklizavanja itd.). Mobiteli su također mehatronički uređaji jer osim vizualno, daju taktilne povratne informacije i rezultate u obliku vibracija, mogu osjetiti kretanje pa znaju svoju orijentaciju i služe kao pedometri, kompasi i sl. Kamere su također mehatronički uređaji. Senzori detektiraju razine i kutove svjetlosti, računala određuju udaljenosti i objekte na koje se fokusiraju – uključujući automatsko otkrivanje i fokusiranje lica na fotografiji – a mehanički uređaji kojima upravljaju računalni sustavi unutar fotoaparata prilagođavaju fokus i otvore objektiva.

MEHATRONIKA U OBRAZOVANJU. Dva velika konkurenata u izradi obrazovnih sustava pokazuju različit pristup robotici i mehatronici. Fischertechnik (slika lijevo) orijentiran je više prema robotici i STEM-konceptu. Drugi veliki proizvođač obrazovno-zabavne opreme LEGO (slika desno) potpuno se priklonio mehatronici, ali je njegov sustav LEGO Mindstorm Mechatronics IFR ocijenio i kao najpotpuniji za obrazovanje u robotici. No građevni elementi oba seta gotovo su isti. Uključuju mehaničke elemente poput zupčanika, kotača, električne elemente aktuatora, senzora i upravljačke jedinice sa specifičnim vizualnim softverom. Na slici u sredini je neobičan primjer mehatroničkog zabavno-obrazovnog uređaja koji je nemoguće izvesti bez integracije mehanike, elektronike, senzorike i upravljanja. Robotska kolica Vertigo pokreću dva propelera koja stvaraju silu prianjanja vozila uz podlogu. Kombinacijom rada propelera postiže se sposobnost kolica da se gibaju i po vertikalnoj površini.

funkcioniranje sustava i uređaja pretvarajući ih najprije u automatizirani, a potom i u inteligentan sustav. To se događa s uređajima široke potrošnje s kojima smo danas okruženi. Najčešće korištene definicije opisuju mehatroniku kao sinergijsku integraciju strojarstva s elektronikom i inteligentnim računalnim upravljanjem u projektiranju i proizvodnji proizvoda i procesa. To se vidi i u najpopularnijoj definiciji mehatronike iz časopisa Mehatronika koja je opisuje kao “sinergijsku kombinaciju strojarstva, elektroničkog upravljanja i sustavskog razmišljanja u dizajnu proizvoda i proizvodnih procesa”. Savjetodavni odbor za industrijsko istraživanje i razvoj Europske zajednice mehatroniku definira kao: “primjenu složenog odlučivanja na rad fizičkih sustava”. Cilj projektiranja sustava, uređaja i proizvoda je postizanje optimalne ravnoteže između osnovne mehaničke strukture i njezine sveukupne kontrole. Već i po mjestu nastanka pojma očekivana je, a još je i danas naglašena, povezanost mehatronike sa strojarstvom, a u konačnici i s robotikom. Ta veza s robotikom vrlo se često naglašava, ali ni danas nije posve jasna razlika između mehatronike i robotike. Odnos robotike i mehatronike posebice je složen s gledišta obrazovanja jer kandidate zbunjuje sličnost nastavnih programa.

RAZLIKA ROBOTIKE I MEHATRONIKE. Glavna razlika je u tome što se mehatroničkim sustavima ulazni podaci “zadaju” pa je njihov rad automatski kao kod perilica, dok robotski sustavi sami “pribavljaju” ulazne podatke pa su oni autonomni. Perilica rublja (slika desno) je tipični mehatronički sustav čija se mehanika malo mijenjala, ali se uvođenjem programirane elektronike proizvod funkcionalno promijenio. Pritiskanjem tipki ili zadavanjem naredbi glasom određuju se parametri pranja koji se odabirom više ne mijenjaju. Taj se proces rada naziva automatskim. Dostavni robot (slika lijevo) je primjer autonomnog sustava koji se na svom putu susreće s uvijek novim problemima. On senzorima detektira stanje i prilagođava ponašanje kako bi došao do cilja. Taj se proces rada naziva autonomnim.

Određenje robota kao posebne vrste mehatroničkih uređaja izvodi se iz postavki da su svi roboti mehatronički uređaji, ali svi mehatronički uređaji nisu roboti. Jasno je da je po tom gledištu robotika podskup mehatronike pa se tako i izučava. Slijedom takvog zaključka postaje jasnije zbog čega se u fakultetskim nastavnim programima mehatronika i robotika uvijek navode usporedno kao ROBOTIKA I MEHATRONIKA ili obrnuto. Dakle kao jednakopravni pojmovi i područja. Iz nastavnih programa vidljivo je da se mehatronika shvaća primarno kao uvod u robotiku. Robotika je interdisciplinarna grana u čijoj podlozi su, kao i kod mehatronike strojarstvo, elektroničko računalstvo i informacijsko inženjerstvo, ali se bavi dizajnom, radom, konstrukcijom i upotrebom robota. Mehatronika je studij interakcija elektromehaničkih sustava s drugim tehničkim sustavima poput elektronike, robotike, telekomunikacijskog inženjerstva, kontrolnog inženjerstva, sistemskog inženjerstva i računalnog inženjerstva pa se mehatroniku shvaća i kao nadskup nad robotikom.

Ipak, iz rasprava o odnosu mehatronike i robotike može se konačno zaključiti da su ti pojmovi zapravo gotovo sinonimi jer svaki mehatronički sustav teži biti robotiziran, tj. od automatiziranosti stroja teži se prema njegovoj autonomnosti. U mehatronici ne postoji ekvivalent pojmu robot pa se koristi pojam mahatronički uređaj. Osim toga, rijetke su posebne diplome za robotiku, pa ako želite raditi u robotici potrebno je steći diplomu iz mehatronike jer se ona bavi osnovama robotike: mehanikom, elektronikom, računalima i programiranjem. Razvoj i napredak mehatronike u budućnosti će pokretati sve veća primjena mehatroničkih sustava u proizvodima široke potrošnje kroz raznolike pametne male i velike kućanske aparate priključene na internet stvari. Minijaturizacija će smanjivati upravljačke jedinice i umnožavati sve sitnije senzore koji će preplaviti proizvode i uređaje i učiniti da se oni, posredstvom strojnog učenja, prilagođavaju svom okruženju i budu sve učinkovitiji. Internet i bežična veza već sada omogućavaju komunikaciju mehatroničkih uređaja s pametnim telefonom. Postupno će se povećavati modularizacija proizvoda što će pojednostaviti razvoj i proizvodnju, povećati standardizaciju i unifikaciju zbog pojeftinjenja

Mehatronika se i danas doživljava pretežno kao mehanika. Tipičan studijski program mehatronike obuhvaća 27% mehanike (predmeti statike, dinamike, mehanizama), 24% elektronike (sklopovi, osnovna elektronika, instrumentacija), 5 % obuhvaća ICT (računala, programiranje). Samo 14% programa obuhvaća mehatroniku kao sinergijsko područje (uvod u mehatroniku, mehatronička instrumentacija).