Робототехника — виды и направления

• Кто такие роботы

• История роботов

• Три этапа роботостроения

• Направления разработок в современной робототехнике

• Виды роботов в робототехнике

• Плюсы робототехники

• Робототехника детям

• Особенности образовательной робототехники для детей разного возраста

Робототехника — это перспективная прикладная наука, которая разрабатывает автоматизированные системы, то есть роботов. Этот термин в 1941 году первым использовал Айзек Азимов в своем фантастическом рассказе «Лжец». 

Кто такие роботы

Сам робот — это техническое устройство, которое работает автоматически и выполняет действия вместо человека или животного. Он считывает данные о мире с помощью датчиков, которые заменяют ему наши органы чувств, а действовать может автономно в соответствии с заложенной в него программой или под управлением оператора. У робота несколько задач: избавить людей от рутинных действий с помощью автоматизации, работать вместо нас там, где человеку невозможно или опасно находиться, выполнять тонкие и точные работы, где велика вероятность ошибок из-за человеческого фактора.

Роботы могут выглядеть и действовать по-разному, все они имеют свое назначение. Они могут быть похожи на людей, но в производстве, медицине и других сферах в них мало «человеческого» по экономическим и техническим причинам.

История роботов

Впервые люди задумались о том, что было бы неплохо заиметь механических друзей, которыми можно управлять, еще в Древней Греции. Первые попытки создания роботов сделали опять-таки греки. На Фаросском маяке они разместили четыре женских фигуры, которые стали первыми прообразами роботов. Механические «дамы» умели поворачиваться через заданный промежуток времени и бить склянки, а ночью трубили, предупреждая моряков о близости земли.

Также своего рода робототехникой занимался арабский изобретатель Аль-Джазари. Его авторству принадлежит лодка с музицирующими на флейте, арфе и бубнах роботами.

В связи с робототехникой нельзя не вспомнить Леонардо да Винчи. В районе 1495 года он начертил в мельчайших подробностях рыцаря, который, если бы был реализован, смог бы сидеть, двигать руками, головой и поднимать забрало шлема. Правда, не осталось никаких свидетельств, принимал ли изобретатель попытки создать робота в реальности.

Уже с XVIII века к роботам начала проявлять интерес широкая общественность. О «разумных машинах» писала пресса то тут, то там, но на поверку все эти «ноу-хау» оказывались мошенничеством, а внутри робота прятались люди или дрессированные звери. Первым похожим на человека роботом стал андроид Жака де Вокансона, созданный в 1738 году. Устройство умело играть на флейте. Кроме андроида Жак сделал роботов-уток, которые могли имитировать процесс клевания корма и опорожнения кишечника.

Естественно, все древние машины были механическими, а само слово «робот» появилось только в 1920 году в пьесе Чапека. Мощное развитие робототехника получила в 30-х годах благодаря Генри Форду, который с помощью роботов смог поставить производство автомобилей на поток. Серьезно целенаправленным созданием роботов занялась компания Unimation, созданная в 1956 году. На разработку ушли годы, а первый промышленный робот начал свой «трудовой путь» на заводе GM в начале 60-х.

В 70-80-х прогресс в области робототехники совершил резкий скачок благодаря изобретению микропроцессоров и официального языка программирования роботов. Первый электрический робот Scara компания Adept представила в 1984 году. Но реальный рывок в производстве роботов произошел уже в 21 веке. Умных помощников становится все больше, они проникают во все сферы нашей жизни: от помощи по дому до обслуживания космических станций и сложного оперативного лечения.

Три этапа роботостроения

Unimate, робот, изменивший автоматизацию

1. Роботы первого поколения. Они создавались для промышленности в 60-х гг. XX в. Такие роботы не были гибкими, они работали независимо от внешних обстоятельств по конкретной заложенной в них программе и не могли ее менять, как-то приспосабливаться к новым условиям. Из роботов первого поколения наиболее запомнились Версатран и Юнимейт.

2. Роботы второго поколения. В них программа была уже более гибкая, она позволяла подобрать оптимальный режим работы в зависимости от внешних обстоятельств. Они решали более сложные задачи, в которых нужна была высокая точность.

3. Роботы третьего поколения. Современные модели, которые могут самообучаться и легко адаптируются к к переменам во внешней среде. Они умеют сами выстраивать различные линии поведения, принимать решения. Об искусственном интеллекте говорить еще рано, но роботы третьего поколения — большой шаг к нему.

Направления разработок в современной робототехнике

Робототехника развивает разные направления в функционировании роботов.

Управление. Сегодня роботы управляются с помощью программ, есть следующие варианты управления:

• Машины с жесткой программой. В них заложена одна программа с одним вариантом работы, которая не способная меняться. Робот действует всегда и в любых условиях по одному и тому же алгоритму.

• Адаптивные роботы. В них внедрена сенсорная система, которая считывает внешние условия, а программа в зависимости от них может выбирать один из вариантов работы.

• Роботы с гибкими программами. Это самые современные модели, которые ориентируются на цель работы, могут не только получать, но и анализировать информацию о внешних факторах. В зависимости от них роботы гибко меняют поведение и выбирают оптимальный вариант поведения и действий.

• Коллаборативные роботы. Это машины, которые работают в «сотрудничестве» с человеком, то есть их действия не полностью независимы, а контролируются или управляются оператором.

Позиционирование. Роботы программируются с различными системами координат и разным позиционированием в пространстве.

• С прямоугольной системой координат. Они могут перемещаться по двум либо трем осям — в плоскости или в пространстве.

• С цилиндрической системой координат. Такие роботы вращаются в одной степени и перемещаются минимум в одном направлении.

• С полярной системой координат. Подобные агрегаты имеют две степени вращательного движения.

• Шарнирные роботы уже имеют три и более вращательных степеней.

• Scara — имеют две вращательные степени, которые передвигаются по параллельным осям.

• Комбинированные роботы — совмещают разные типы позиционирования и перемещения.

Способ перемещения. Если роботу необходимо передвигаться, он оснащается различными системами перемещения. Их выбор зависит от назначения робота и от того, где он будет применяться. Способы перемещения могут быть изолированы, а могут сочетаться и комбинироваться.

• Колеса. Робот может иметь разное число колес от одного и более. Колеса также влияют на маневренность.

• Гусеницы. Роботы на гусеничном ходу имеют высокую проходимость, поэтому они востребованы в сложных природных условиях, в боевых установках и т. п.

• Имитация человеческих шагов. Такой способ перемещения применяют в основном в человекоподобных роботах-андроидах.

• Полет. Используются разные механизмы и способы, чтобы поднять робота в воздух. Обычно такие технологии используются в БПЛА разного назначения — от игрушечных до боевых дронов.

• Плавание. Как и с летающими роботами, есть разные способы «заставить» робота плыть.

• Имитация движений животных. Робот может имитировать передвижение любых животных, от насекомых до млекопитающих.

Виды роботов в робототехнике

Роботы применяются в различных сферах, где они эффективнее человека. Самые распространенные назначения роботов:

• Промышленные. До появления микропроцессоров роботы на производстве встречались нечасто, так как их стоимость была высока, что делало применение нерентабельным. Но микропроцессорные системы, появившиеся в 1970-х годах, позволили снизить стоимость роботов в 3 раза. После этого их массовое внедрение в производство стало неизбежным. Использовать роботов выгодно по многим причинам: они могут работать круглосуточно, без перерывов и отдыха, не требуют повышения зарплаты, не устраивают забастовки. Они работают быстрее и точнее, чем человек, при этом не боятся высоких температур, ядовитых испарений и выбросов.

• Медицинские. По большей части роботы используются в хирургии. Впервые автоматизированное устройство было применено еще в 1985 году в процедуре биопсии мозга под управлением компьютера. Сегодня самый массовый робот в медицине — Да Винчи, который проводит лапароскопические операции. Он «работает» в сотнях клиник по всему миру.

• Бытовые. В наши дни бытовые роботы шире всего представлены в виде роботов-пылесосов. Они могут собирать пыль и небольшой мусор в жилье, двигаясь по сложному алгоритму, и самостоятельно возвращаются на станцию для подзарядки. А первым бытовым роботом, созданным для развлечения, стала автоматизированная собачка от Sony. Бытовые роботы могут выполнять и более сложные работы, например, андроид Вакамару узнает людей, выполняет простые функции секретаря, знает несколько фраз. Но стоимость подобных машин пока что не позволяет массово внедрить их в нашу жизнь.

• Боевые. Такие роботы были разработаны, чтобы убрать присутствие человека из мест и ситуаций, которые угрожают жизни. Боевые роботы занимаются разведкой на земле, в воде и в воздухе, разминированием, наносят боевые удары. Большинство боевых роботов являются коллаборативными, то есть управляются оператором, и лишь немногие способны действовать автономно.

• Исследовательские. Эти роботы незаменимы в сложных и экстремальных условиях. Они способны работать в любой среде, в том числе при высоких температурах, радиации, на большой глубине, в разреженном воздухе и т. д.

• Развлекательные. Многие роботы на радиоуправлении и интерактивные являются, по сути, игрушками. Они могут петь, декламировать стихи, рассказывать сказки, ездить, летать. Для детей делают более простые модели, а для взрослых, которые тоже любят такие игрушки, роботы создаются более сложные и дорогие.

Многие организации используют роботов для обслуживания клиентов. Машины подключаются к базам данных, сервисам, системам безопасности, могут узнавать лица, выполнять несложные операции. Робот может заменить консультанта, гида, официанта и других сотрудников или взять на себя часть их функций.

Плюсы робототехники

Роботы — недешевое удовольствие в разработке, создании и обслуживании. Чем сложнее механизм, тем больше у него возможностей сломаться, не говоря о том, что роботы в принципе достаточно хрупкие создания. Но у их применения есть много плюсов:

• Экономия денег, которая позволяет окупить стоимость робота в перспективе.

• Оптимизация труда. Роботы могут выполнять как сложную для человека, так и рутинную работу.

• Высокий темп работы. Машины работают быстрее, чем человек. Даже если в короткий отрезок времени «живой» сотрудник выполнит задачу быстрее, то на длинном отрезке объем работы, сделанной роботом, будет больше, так как ему не надо есть, спать, ходить в туалет и на перекур и т. д.

• Качество работы, которую выполняет робот, выше и стабильнее. 

А еще роботы вызывают восторг и интерес, как со стороны детей, так и со стороны взрослых. На различных выставках и съездах по современным технологиям отделы с роботами — одни из самых популярных и никогда не бывают пустыми.

Робототехника детям

Не менее активно, чем роботы, развиваются и кружки робототехники в России. Многие родители не понимают, зачем детям нужна робототехника, особенно, когда узнают, что все создание роботов завязано на LEGO. Некоторые воспринимают это как игру, некоторые относятся к робототехнике, как к дополнительным занятиям, на которые можно отправить ребенка для его развлечения. Есть и те, кто считает, что строить роботов — занятие для гениальных ботаников.

На самом деле, польза робототехники для детей в том, что она закладывает базу для практических технических навыков и знаний. Это направление не подходит всем подряд детям, как и любое другое. Но если будущий технарь активно интересуется техникой, компьютерами, любит что-то изобретать, собирать и создавать, то отдать его в робототехнику будет верным решением.

Что развивает робототехника:

• компьютерную грамотность и понимание принципов программирования;

• понимание принципов работы механизмов;

• умение самостоятельно проектировать механизмы, которые должны выполнять определенные задачи;

• пространственное мышление, умение найти несколько альтернативных решений, оптимизировать процессы;

• навык командной работы и понимание своей зоны ответственности;

• английский язык, который является международным стандартом в компьютерном и техническом направлениях.

Особенности образовательной робототехники для детей разного возраста

В кружки робототехники берут детей начиная с 5-6 лет. Но, конечно, в каждом случае нужно смотреть на конкретного ребенка.

• 5-6 лет. В этом возрасте для детей любое обучение должно строиться в форме игры. В группах у таких малышей не идет речь о создании чего-то глобального. Главная задача на этом этапе — научиться самому собирать устройства (машинки, вертолеты, самосвалы) без инструкций и помощи, так как ребенок видит сам. Программирование здесь не затрагивают или затрагивают минимально.

• 7-9 лет. Школьники младших классов уже умеют более-менее удерживать интерес на сложных вещах. В этой возрастной группе дети проходят основы программирования, работают с датчиками.

• 10-14 лет. Этот возраст считается самым продуктивным для работы в кружках робототехники. Дети относятся к занятиям уже осознанно, заинтересованно, более серьезно. Они имеют необходимые знания математики, которые позволяют работать с программированием вплотную, не возникает проблем с умножением/делением, процентами, десятичными дробями.

Профессия преподавателя робототехники — одна из самых интересных в сфере дополнительного образования. Если вы всегда были на «ты» с техникой, обладаете логическим мышлением, любите математику и программирование, хотите создавать роботов и учить этому детей — приглашаем на курс профессиональной переподготовки в АППКК!