Что такое робототехника? Классификация, история и области применения роботов

Робототехника — отдел прикладной науки, который занимается проектированием, производством и применением автоматизированных технических систем — роботов. Робот — это программируемое механическое устройство, способное действовать без помощи человека.

Действуя по заранее заложенной программе и получая информацию о внешнем мире от датчиков (аналогов органов чувств живых организмов), робот самостоятельно осуществляет производственные и иные операции, обычно выполняемые человеком либо животными. При этом робот может как и иметь связь с оператором (получать от него команды), так и действовать автономно.

Роботы бывают манипуляционными и мобильными:

• За исполнение действий манипуляционного робота отвечает манипулятор с несколькими степенями подвижности и устройство программного обеспечения. Манипуляционные роботы получили большое распространение в машиностроительных и приборостроительных отраслях.
• Мобильный робот более подвижен, чем манипуляционный, поскольку у него есть движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами — «мышцами» роботов.

Классификация мобильной робототехники по типу перемещения

Современные роботы, созданные на базе самых последних достижений науки и техники, применяются во всех сферах человеческой деятельности. Внешний вид и конструкция современных роботов могут быть весьма разнообразными.

Робототехника может перемещаться по любой поверхности, в воде и в воздухе. Так, по типу передвижения роботы бывают:

• Колесные и гусеничные (наиболее распространенный вид роботов);
• Шагающие;
• Летающие — автопилоты и беспилотные летательные аппараты;
• Ползающие — передвигаются по принципу змей и червей и применяются для поиска людей под обломками рухнувших зданий;
• Плавающие — перемещаются в воде, подражая движениям рыб, и тем самым становятся бесшумными и очень маневренными;
• Передвигающиеся по вертикальным поверхностям — действуют по принципу человека, взбираясь на стену с помощью выступов, или же с помощью специальных присосок.

Лидерами в производстве роботов на данный момент являются компании FANUC (Япония), KUKA (Германия) и ABB (Швеция, Швейцария).

Пример устройства робота — элементы и конструкция

Каждый робот состоит из следующих базовых компонентов:

• Рама или тело робота;
• Блок управления;
• Манипуляторы;
• Ходовая часть.

• Тело/рама: Тело, или рама, робота может иметь любую форму и размер. Изначально, тело/рама обеспечивает конструкцию робота. Большинство людей знакомы с человекоподобными роботами, используемыми для съемок кинофильмов, но в действительность большинство роботов не имеют ничего общего с человеческим обликом. (Робонафт НАСА, представленный в предыдущем разделе, является исключением). Как правило, в проекте робота внимание уделяется функциональности, а не внешности.
• Система управления: Система управления робота является эквивалентом центральной нервной системы человека. Она предназначена для координирования управления всеми элементами робота. Датчики реагируют на взаимодействие робота с внешней средой. Ответы датчиков отправляются в центральный процессор (ЦП). ЦП обрабатывает данные с помощью программного обеспечения и принимает решения на базе логики. То же самое происходит при вводе пользовательской команды.
• Манипуляторы: Для выполнения задачи большинство роботов взаимодействует с внешней средой, а также окружающим миром. Иногда требуется перемещение объектов внешней среды без непосредственного участия со стороны операторов. Манипуляторы не являются элементом базовой конструкции робота, как его тело/рама или система управления, то есть робот может работать и без манипулятора. В настоящем учебном курсе акцент делается на тему манипуляторов, особенно блок 6.
• Ходовая часть: Хотя некоторые роботы могут выполнять поставленные задачи, не изменяя свое местоположение, зачастую от роботов требуется способность перемещаться из одного места в другое. Для выполнения данной задачи роботу необходима ходовая часть. Ходовая часть представляет собой приводное средство перемещения. Роботы-гуманоиды оснащены ногами, тогда как ходовая часть практически всех остальных роботов реализована с помощью колес.

Робот может быть любых форм и размеров. Именно рама или тело робота является основой его конструкции и определяет внешний облик. Среднестатистический человек при слове «робот» представляет человекоподобное существо из металла. Этот образ навязан многочисленными фантастическими кинофильмами.

На самом же деле большинство роботов совершенно не похоже на человека. Главное для робота – это его функциональность, а не то, как он выглядит.

Контроль за работой робота осуществляется при помощи системы управления. Она включает в себя огромное количество датчиков, которые помогают технике взаимодействовать с внешним миром.

Система управления роботом предполагает целый набор алгоритмов, благодаря которым решаются те или иные задачи. В работе робота происходит постоянный обмен данными между датчиками и центральным процессором (ЦП). Алгоритмы и программное обеспечение создаются человеком.

Для физического контакта с объектами внешней среды используется манипулятор. Данный элемент не является обязательным. Как правило, манипулятор не является частью рамы/тела робота. Используется для решения конкретных задач в различных отраслях.

Ходовая часть робота также не является обязательной, и наличествует лишь у тех роботов, которым необходимо передвижение в пространстве. В качестве средств для перемещения чаще всего используются колеса.

Практическая часть

• Большинство из вас хочет создать робота не только для обучения и получения знаний, но и для чистого удовольствия. Хотя у многих есть свои конкретные идеи или проекты, которые можно материализовать.
• Последний важный момент — это бюджет. Трудно точно понять, что люди имеют хотят, когда они строят своих первых роботов. Может быть они хотят построить автономного робота для очистки снега, в то время как кто-то просто хочет сделать умные часы. Простой программируемый мобильный робот может стоить около $100. В то время как более сложные могут быть несколько тысяч долларов.

В данном цикле статей будет сделана мобильная платформа для того, чтобы понять, что такое моторы, датчики, микроконтроллеры и программирование. Мы будем использовать для создания мобильной платформы образовательный набор Lego Mindstorms EV3.

Основные компоненты робототехники

Корпус большинства роботов состоит из отдельных подвижных и неподвижных частей. Вот основные из них:

Внутренний контроллер. Каждый робот оснащен контроллером — компьютерной операционной системой. Контроллер — это мозг любого робота. Он содержит всю необходимую информацию для выполнения задач и указаний.

Источник энергии. Роботам необходим источник энергии. Одни работают от батарей. Другие оснащены фотоэлементами, которые преобразуют солнечный свет в энергию. Механические роботы заводятся с помощью пружинного механизма.

Дистанционное управление. Роботы, которые работают на других планетах, такие как марсоход, оборудованы внутренними контроллерами, но ими также можно управлять с Земли.

Сенсоры света и звука. С их помощью робот может распознавать свет, исходящий от объектов, определять звуковые волны. Эта функция помогает либо обходить различные предметы, либо идти к ним навстречу. Также в корпус робота может быть встроено устройство распознавания голоса, с помощью которого человек отдает машине устные приказы.

Датчики давления. Некоторые роботы оборудованы датчиками давления, которые имитируют осязание. У этих сенсоров два назначения: они сообщают роботу о том, что он ударился о какой-нибудь предмет и должен сменить направление движения, а также позволяют правильно захватить и поднять объект.

Приводы — это «мышцы» роботов. В настоящее время самыми популярными двигателями в приводах являются электрические, но применяются и другие, использующие химические вещества или сжатый воздух. Перечислим все основные варианты приводов для робототехники:

• Двигатели постоянного тока: В настоящий момент большинство роботов используют электродвигатели, которые могут быть нескольких видов.
• Шаговые электродвигатели: Как можно предположить из названия, шаговые электродвигатели не вращаются свободно, подобно двигателям постоянного тока. Они поворачиваются пошагово на определенный угол под управлением контроллера. Это позволяет обойтись без датчика положения, так как контроллеру точно известно, на сколько был сделан поворот. В связи с этим они часто используются в приводах многих роботов и станках с ЧПУ.
• Пьезодвигатели: Современной альтернативой двигателям постоянного тока являются пьезодвигатели, также известные как ультразвуковые двигатели. Принцип их работы совершенно отличается: крошечные пьезоэлектрические ножки, вибрирующие с частотой более 1000 раз в секунду, заставляют мотор двигаться по окружности или прямой. Преимуществами подобных двигателей являются высокое нанометрическое разрешение, скорость и мощность, несоизмеримая с их размерами. Пьезодвигатели уже доступны на коммерческой основе и также применяются на некоторых роботах.
• Воздушные мышцы: Воздушные мышцы — простое, но мощное устройство для обеспечения силы тяги. При накачивании сжатым воздухом, мышцы способны сокращаться до 40 % от своей длины. Причиной такого поведения является плетение, видимое с внешней стороны, которое заставляет мышцы быть или длинными и тонкими, или короткими и толстыми. Так как способ их работы схож с биологическими мышцами, их можно использовать для производства роботов с мышцами и скелетом, аналогичными мышцам и скелету животных.
• Электроактивные полимеры: Электроактивные полимеры — это вид пластмасс, который изменяет форму в ответ на электрическую стимуляцию. Они могут быть сконструированы таким образом, что могут гнуться, растягиваться или сокращаться. Однако, в настоящее время нет ЭАП, пригодных для производства коммерческих роботов, так как все неэффективны или непрочны.
• Эластичные нанотрубки: Это многообещающая экспериментальная технология, находящаяся на ранней стадии разработки. Отсутствие дефектов в нанотрубках позволяет этому волокну эластично деформироваться на несколько процентов. Человеческий бицепс может быть заменен проводом из такого материала диаметром 8 мм. Такие компактные «мышцы» могут помочь роботам в будущем обгонять и перепрыгивать человека.

Что еще потребуется изучить?

Программирование. Избежать его возможно только на первоначальном этапе, потом же без него никуда. Начать можно с Lego Mindstorms, Python, ROS (Robot Operating System).

Базовую механику. Начинать можно с поделок из бумаги, картона, бутылок, что важно и для мелкой моторики, и для общего развития. Самого простого робота можно сделать вообще из отдельных деталей (моторчики, провода, фотодатчик и одна несложная микросхема). Познакомиться с базовой механикой поможет «Мастерилка с папашей Шперхом».

Основы электроники. Для начала научиться собирать простые схемы. Для детей до восьми лет эксперты советуют конструктор «Знаток», дальше можно перейти к набору «Основы электроники. Начало».

Области применения робототехники

Применяются роботы самых различных сферах, но основными являются следующие:

• Промышленность: промышленные роботы;
• Исследовательская деятельность: роботы-ученые, исследователи;
• Боевые роботы: безпилотники, роботы-саперы, охрана и безопасность;
• Нанотехнологии: микро- и нано-роботы в исследовательских и медицинских целях;
• Домашние технологии: бытовые роботы, пылесосы, мойщики окон и персональные.

В сфере промышленности роботы позволяют выполнять большой объем работ с высокой скоростью и точностью. Они позволяют решать такие задачи, с которыми невозможно справиться человеческими силами.

Очень многие места нашей планеты и за ее пределами не исследованы по той причине, что делать это человеку невозможно. Например, о том, что творится в океанных глубинах и в космосе мы знаем благодаря роботам-исследователям.

Рост инновационных технологий позволяет оптимистически смотреть в будущее. Робототехника стремительно развивается, открывая человечеству новые возможности.

Системы управления

Под управлением роботом понимается решение комплекса задач, связанных с адаптацией робота к кругу решаемых им задач, программированием движений, синтезом системы управления и её программного обеспечения.
По типу управления робототехнические системы подразделяются на:

1. Биотехнические

:

1.1. командные (кнопочное и рычажное управление отдельными звеньями робота);

1.2. копирующие (повтор движения человека, возможна реализация обратной связи, передающей прилагаемое усилие, экзоскелеты);

1.3. полуавтоматические (управление одним командным органом, например, рукояткой всей кинематической схемой робота);

2. Автоматические

:

2.1. программные (функционируют по заранее заданной программе, в основном предназначены для решения однообразных задач в неизменных условиях окружения);

2.2. адаптивные (решают типовые задачи, но адаптируются под условия функционирования);

2.3. интеллектуальные (наиболее развитые автоматические системы);

3. Интерактивные

:

3.1. автоматизированные (возможно чередование автоматических и биотехнических режимов);

3.2. супервизорные (автоматические системы, в которых человек выполняет только целеуказательные функции);

3.3. диалоговые (робот участвует в диалоге с человеком по выбору стратегии поведения, при этом как правило робот оснащается экспертной системой, способной прогнозировать результаты манипуляций и дающей советы по выбору цели).

Среди основных задач управления роботами выделяют такие:

• планирование положений;
• планирование движений;
• планирование сил и моментов;
• анализ динамической точности;
• идентификация кинематических и динамических характеристик робота.

В развитии методов управления роботами огромное значение имеют достижения технической кибернетики и теории автоматического управления.

Какие знания необходимы для создания робототехники?

Современная робототехника строится на знаниях из области программирования, механики, мехатроники, электротехники, электроники и автоматического управления.

Для освоения робототехники на базовом уровне достаточно школьных знаний по математике и физике. Без понимания физики движения и принципов работы механизмов и электродвигателей сложно собрать функционирующего робота.

Затем идут информатика и проектирование. Так как программирование необходимо в робототехнике не меньше математики, важно разбираться в компьютерных науках и информационных системах. Проектирование поможет создавать удобные продукты. Но знания из других инженерных дисциплин тоже будут полезны.

Основные направления в изучении робототехнике:

• Машиностроение
  изучает физические составляющие робота — его «тело». Подтемы — механика и сопротивление материалов. Большинство курсов в этом направлении ориентированы на физический дизайн и приведение робота в действие.
• Электротехника и электроника
  или «нервная система» занимаются электрическими системами внутри робота, встроенными системами, низкоуровневым программированием и теорией управления. Обычно это автоматизация, которая строится вокруг контроля робота.
• Информатика
  — многие специалисты пришли в робототехнику благодаря увлечению компьютерными науками. Инженеры этого направления концентрируются на программном обеспечении робота и высокоуровневом программировании. Среди тем — искусственный интеллект, навигация, техническое зрение, обработка естественного языка и так далее.

Как понять, есть ли у ребенка склонность к робототехнике?

Для начала нужно купить конструктор и посмотреть, нравится ли ребенку собирать его. А дальше и в кружок можно отдать. Занятия помогут ему развить мелкую моторику, фантазию, пространственное восприятие, логику, концентрацию и терпеливость.

Чем быстрее получится определиться с направлением роботехники — конструирование, электроника, программирование — тем лучше. Все три области обширны и требуют отдельного изучения.

Александр Колотов, ведущий специалист STEM-программ в Университете Иннополис: «Если ребенку нравится собирать конструктор, то ему подойдёт конструирование. Если ему интересно изучать, как устроена вещь, то ему понравится заниматься электроникой. Если у ребенка тяга к математике, то его заинтересует программирование».

История развития робототехники за последние 100 лет

Краткая история становления и развития робототехники с указанием самых значимых событий и разработок:

• 1913 год. Создание Чарльзом Маколи машины, находящей решения логических проблем.
• 1921 год. Первое упоминание слова «робот» (robota с чешского) в пьесе «R.U.R.» Пьеса была написана Карелом Чапеком в 1920 году («R.U.R» с чеш.яз. Rossumovi univerzalna roboti, «Россумские универсальные роботы»). 25 января 1921 года состоялся премьерный показ пьесы.
• 1934 год. Создание индустриального конвейерного робота для покраски поверхностей.
• 1946 год. Презентация механизма управления машинами посредствам магнитного записывающего устройства.
• 1950-е года. Активная разработка механических манипуляторов, которые копировали движение человеческих рук для внедрения на радиоактивные производства.
• 1963 год. На выставке в Калифорнии представлена искусственная рука Rancho Arm, сопоставимая с человеческой.
• 1971 год. Изобретение первого в мире микропроцессора.
• 1980 год. Сильнейший скачок роста рынка робототехники, произошедший благодаря коммерческой реализации японских роботов, производимых на базе высоких технологий.
• 1992 год. К Марку Торпу, в ходе разработки робота-пылесоса, приходит мысль организовать бои роботов.
• 2000 год. Компания Electrolux в эфире телеканала BBC представила робот-пылесос Trilobite, который самостоятельно передвигался по помещению и собирал пыль.
• 2001 год. Изобретение гибкого дисплея FOLED, в котором был использован гибкий пластик (или металлическая пластина) в качестве подложки.
• 2002 год Ознаменовался началом эры планшетов, у истоков которой стоял Microsoft Tablet PC – первый планшетный компьютер.
• 2003 год. В свет выходит QRIO. Детский робот, в котором заложена основа адаптивного поведения, может держать равновесие, стоя на одной ноге, использует в речи более 60 000 слов и танцует.
• 2003 год. Через 4 года после изобретения робота-пылесоса Trilobite, компания Electrolux выпускает второе поколение этой модели. Усовершенствования коснулись не только дизайна, но и функционала: он «научился» объезжать препятствия, «знал» когда нужно возвращаться к зарядному устройству, при этом уровень шума был значительно снижен.
• 2004 год. Марк Тилден создает первую коммерчески успешную игрушку робота Robosapien.
• 2005 год. Военная робототехника прославилась изобретением PackBot с системой REDOWL. Противоснайперская программа различала звук выстрела среди всех остальных и точно определяла координаты стрелявшего. Затем, производилось наведение лазерного прицела на цель.
• 2006 год. Лаборатория NEC System Technologies представила робота-дегустатора. Помимо возможности распознать продукт, он давал советы по сочетанию закусок и напитков менее чем за полминуты.
• 2007 год. Испытания тестового робота-милиционера Р-БОТ 001, проводимые МВД России в городе Пермь.
• 2008 год. В Европейском совете ядерных исследований разработали проект Большого адронного коллайдера, предназначенного для изучения продуктов соударений на высокой скорости протонов и тяжёлых ионов.
• 2009 год. Создание первого биологического 3D-принтера, способного на микроуровне воссоздавать архитектуру ткани организма.
• 2010 год. Корейская фирма Ilshim Global презентует первого в мире робота для мойки окон Windoro, который самостоятельно определяет размер поверхности и выстраивает маршрут.
• 2011 год. Доставлен на МКС робот НАСА Робонавт-2.
• 2011 год. Компания Inventist под началом Шейна Чена патентует первое моноколесо Solowheel, отличающееся от более ранних аналогов отсутствием сиденья и наличием системы гироскопов. Новшества позволили наладить массовое производство устройства.
• 2012 год. Военные научные разработки в области взрывчатых веществ привели к открытию самой мощной на сегодняшний день взрывчатки — гексанитрогексаазаизовюцитан.
• 2013 год. На Международную Космическую Станцию прибывает робот-астронавт японского производства.
• 2013 год. Запатентовано первое двухколёсное самобалансировочное средство передвижения – гироскутер.
• 2014 год. Беспроводная электроэнергия. Первые удачные испытания катушки, генерирующей электрическое поле. Это изобретение позволяет в радиусе 2,5 метров заряжать электронные устройства, освобождая их от розетки и проводов.
• 2015 год. Настоящим переворотом в электрическом автомобилестроении стала презентация внедорожника Tesla Model X, который способен без подзарядки преодолеть 402 км. А разгон до 100 км/ч осуществляется за 3 секунды.
• 2016 год. Исследования в области медицины, направленные на помощь людям, страдающим когнитивными расстройствами, привели к появлению коллекции посуды Eatwell Assistive Tableware. Она разработана с учётом всех особенностей приёма пищи людей с болезнью Альцгеймера.
• С 2022 года. Основное направление робототехники – это прогресс искусственного интеллекта. Главная цель разработок – приучение ИИ к саморазвитию, мгновенному приспосабливанию к изменяющимся факторам внешней среды и поиск оптимального решения поставленных задач.

Где можно получить образование по робототехнике?

GeekUniversity совместно с Mail.ru Group открыли первый в России факультет Искусственного интеллекта преподающий программирование для робототехники.

Для учебы достаточно школьных знаний. У вас будут все необходимые ресурсы и инструменты + целая программа по высшей математике. Не абстрактная, как в обычных вузах, а построенная на практике. Обучение познакомит вас с технологиями машинного обучения и нейронными сетями, научит решать настоящие бизнес-задачи.

После учебы вы сможете работать по специальностям:

• Искусственный интеллект,
• Машинное обучение,
• Нейронные сети,
• Анализ больших данных.

Особенности обучения в GeekUniversity

Через полтора года практического обучения вы освоите современные технологии Data Science и приобретете компетенции, необходимые для работы в крупной IT-компании. Получите диплом о профессиональной переподготовке и сертификат.

Обучение проводится на основании государственной лицензии № 040485. По результатам успешного завершения обучения выдаем выпускникам диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат на портале GeekBrains и Mail.ru Group.

Проектно-ориентированное обучение

Обучение происходит на практике, программы разрабатываются совместно со специалистами из компаний-лидеров рынка. Вы решите четыре проектные задачи по работе с данными и примените полученные навыки на практике. Полтора года обучения в GeekUniversity = полтора года реального опыта работы с большими данными для вашего резюме.

Наставник

В течение всего обучения у вас будет личный помощник-куратор. С ним вы сможете быстро разобраться со всеми проблемами, на которые в ином случае ушли бы недели. Работа с наставником удваивает скорость и качество обучения.

Основательная математическая подготовка

Профессионализм в Data Science — это на 50% умение строить математические модели и еще на 50% — работать с данными. GeekUniversity прокачает ваши знания в матанализе, которые обязательно проверят на собеседовании в любой серьезной компании.