Основы робототехники. Робототехника: с чего начать изучение, где заниматься и каковы перспективы

Изобретение относится к устройству, защищающему тело от удара, вызванного столкновением с препятствием во время перемещения устройства по поверхности. Устройство (1, 21), содержащее, по меньшей мере, тело (2, 22) и амортизатор (6), который подвижно прикреплен к телу таким образом, чтобы защищать тело от удара, вызванного столкновением с препятствием во время перемещения устройства по поверхности, в котором амортизатор (6) прикреплен к телу (2, 22) посредством, по меньшей мере, одной пружины (9, 25), продолжающейся в направлении, которое, по меньшей мере, в основном перпендикулярно направлению, в котором амортизатор является подвижным относительно тела, отличающееся тем, что пружина (9, 25) является предварительно натянутой спиральной пружиной, работающей на растяжение, при этом пружина (9, 25) имеет относительно большую жесткость при силах ниже заданного значения и относительно малую жесткость при силах выше заданного значения. Кроме того, выполнен робот-пылесос, содержащий такое устройство.

Система пылесоса-робота может быть использована для уборки пыли и посторонних материалов с пола, окон или газовых вентилей в доме и обеспечивает возможность точного определения пылесосом-роботом местоположения внешнего зарядного устройства, даже если оно находится за пределами зоны, в которой верхняя видеокамера может обнаружить опознавательные метки расположения, а способ стыковки позволяет пылесосу-роботу точно пристыковаться к внешнему зарядному устройству. Система пылесоса-робота содержит внешнее зарядное устройство с выводом питания, подключенным к сети питания общего пользования, опознавательную метку зарядного устройства, нанесенную на внешнее зарядное устройство, пылесос-робот с датчиком опознавательной метки, который обнаруживает опознавательную метку зарядного устройства, и с подзаряжаемой аккумуляторной батарей. Пылесос-робот выполнен с возможностью автоматической пристыковки к выводу питания для подзарядки подзаряжаемой аккумуляторной батареи. Система имеет блок управления выводом питания, смонтированный в составе внешнего зарядного устройства, для подачи питания только во время подзарядки пылесоса-робота и содержащий элемент крепления вывода питания, упругий элемент, подсоединенный одним концом к элементу крепления вывода питания, и подсоединенный другим концом к выводу питания для упругого крепления вывода питания, и микропереключатель, смонтированный между выводом питания и элементом крепления вывода питания и срабатывающий в соответствии с изменением положения вывода питания. Согласно способу стыковки пылесоса-робота с внешним зарядным устройством осуществляют отодвигание пылесоса-робота из положения подключения к внешнему зарядному устройству после получения сигнала к началу работы, при этом пылесос-робот после обнаружения первой опознавательной метки местоположения при посредстве верхней видеокамеры в процессе движения сохраняет в памяти, в качестве данных о точке входа, потолочное изображение, на котором впервые обнаружена первая опознавательная метка местоположения. Пылесосом-роботом выполняют назначенное задание, после ввода командного сигнала на подзарядку пылесос-робот возвращают в точку входа на основании данных текущего местоположения и сохраненных данных о точке входа, при этом данные текущего местоположения вычисляют по снятым верхней видеокамерой потолочным изображениям. Внешнее зарядное устройство обнаруживают посредством обнаружения опознавательной метки зарядного устройства с использованием датчика на корпусе пылесоса-робота, который подключают своим вводом подзарядки к выводу питания внешнего зарядного устройства. Подзаряжаемую аккумуляторную батарею подзаряжают от внешнего источника питания через ввод подзарядки.

Предложенное изобретение относится к автоматическим системам уборки помещений с парковочным модулем. Предложена автоматическая система уборки помещения, содержащая робот-пылесос, зарядную станцию, систему управления, а также парковочный модуль для робота-пылесоса. Парковочный модуль содержит корпус, обеспечивающий размещение в нем робота-пылесоса и зарядной станции, фронтальную крышку с управляемым приводным механизмом, обеспечивающим открытие и закрытие указанной фронтальной крышки по команде от системы управления. Наличие указанного парковочного модуля и его конструктивное выполнение обеспечивают улучшение эргономики автоматической системы уборки помещений, экономию внутреннего пространства помещения с сохранением дизайна помещения, а также исключение нежелательного контакта детей и домашних животных со сложной дорогостоящей роботизированной техникой.

Способ предназначен для зарядки робота-пылесоса, осуществляющего уборку очищаемой поверхности при самостоятельном перемещении по ней. Способ включает перемещение робота-пылесоса пользователем вплотную к зарядному устройству для его зарядки вручную, распознавание состояния соединения между зарядными клеммами зарядного устройства и контактными клеммами робота-пылесоса, подтверждение, находится ли робот-пылесос на заданном расстоянии от зарядного устройства, если зарядные клеммы и контактные клеммы разъединены друг с другом. Указанное подтверждение осуществляют по истечении заданного времени после получения подтверждения того, что зарядные и контактные клеммы разъединены друг с другом, путем обнаружения сигнала близкого расстояния, переданного от зарядного устройства, и подтверждения нахождения робота-пылесоса перед зарядным устройством, когда сигнал близкого расстояния обнаружен. Далее предусмотрено выполнение режима автоматической зарядки, при котором робот-пылесос автоматически перемещается и стыкуется с зарядным устройством для электрической зарядки, если робот-пылесос находится на заданном расстоянии от зарядного устройства. Технический результат состоит в обеспечении возможности выявления неправильного соединения между контактными и зарядными клеммами и предотвращении неправильной установки робота-пылесоса относительно зарядного устройства при зарядке робота-пылесоса вручную.

Робот-пылесос и система робота-пылесоса могут быть использованы для очистки различных поверхностей и способны эффективно выполнять заданный объем работы путем более точной идентификации текущего положения робота-пылесоса. Робот-пылесос содержит привод, предназначенный для приведения в движение множества колес, камеру, расположенную в корпусе, и управляющее устройство для идентификации положения привода путем использования информации о положении, полученной из идентификационной метки на потолке рабочей зоны, которая сфотографирована камерой, и для управления приводом путем использования информации об идентифицированном положении с возможностью обеспечения соответствия заданной операции чистки. Идентификационная метка имеет множество частей, указывающих направление, которые образованы за одно целое с ней. Части, указывающие направление, образованы в азимутальном направлении от заранее заданной центральной точки идентификационной метки и имеют разную длину. В варианте выполнения робот-пылесос содержит корпус, всасывающее устройство, множество колес, привод, соединенный с колесами, датчик для обнаружения препятствий, расположенный на корпусе, датчик для определения длины перемещения, расположенный на корпусе, камеру, выполненную с возможностью фотографирования идентификационной метки, образованной на потолке зоны, подлежащей чистке, управляющее устройство, сконфигурированное с возможностью выдачи сигнала приводу и идентификации положения робота-пылесоса на основе сравнения текущей фотографии идентификационной метки и хранящейся в памяти фотографии идентификационной метки. Система робота-пылесоса включает в себя робот-пылесос, содержащий привод для приведения в движение множества колес и верхнюю камеру, расположенную в корпусе для фотографирования верхнего изображения, простирающегося перпендикулярно направлению движения робота-пылесоса, и устройство дистанционного управления, имеющее беспроводную связь с роботом-пылесосом для идентификации текущего положения робота-пылесоса путем использования изображения идентификационной метки, образованной на потолке рабочей зоны, которая сфотографирована верхней камерой. Идентификационная метка имеет множество частей, указывающих направление, которые образованы за одно целое с ней. Части, указывающие направление, образованы в азимутальном направлении от заранее заданной центральной точки идентификационной метки и имеют различные длины. Устройство дистанционного управления выполнено с возможностью управления направлением рабочего перемещения робота-пылесоса и выполнения заданной операции чистки на основе идентифицированного текущего положения робота-пылесоса.

Робототехника завоевывает сегодня все большие отрасли промышленности и все плотнее внедряется в различные сферы человеческой жизни. И если раньше роботы могли выполнять роль человека, замещая его на заводах, где часто требуются однообразные действия при конвейерном производстве, например при производстве автомобилей, то теперь наступили времена, когда роботы способны оказаться и в каждом доме, чтобы помогать человеку решать насущные задачи, и способствовать экономии наших времени и сил.

Бытовые роботы, предназначенные для помощи человеку в его повседневной жизни, набирают все большую популярность, что вовсе не удивительно, ведь разнообразие роботов растет с каждым годом. Уже сегодня это и пылесосы, и газонокосилки, и мойщики окон, и чистильщики бассейнов, и даже снегоуборочные роботы.

Кстати, еще в 2007 году Билл Гейтс обратил внимание на значительный потенциал данного технологического направления, опубликовав статью «Робот в каждом доме», где он отразил перспективы, которые откроются обществу, благодаря внедрению бытовых роботов.

Предметом данной статьи будет краткий обзор набирающих популярность типов бытовых роботов. Мы рассмотрим несколько роботов, предназначенных для различных бытовых применений, посмотрим как они работают, что могут, как их нужно использовать, и насколько легко с ними обращаться.

Поскольку робот-пылесос является устройством автономным, то он обязательно оснащен не только аккумулятором, но и камерой, помогающей ему ориентироваться в помещении, чтобы два раза не убирать одно и то же место.

Робот просто предварительно выстраивает оптимальную карту уборки, опираясь на данные с камеры, затем приступает непосредственно к уборке, по окончании которой возвращается на место старта, связанное с зарядным устройством.

На борту пылесоса имеются все необходимые датчики (включая гироскоп), позволяющие прибору измерять расстояние до препятствия, оценивать высоту основания мебели над полом (сможет ли он под нее заехать), фиксировать столкновение, определять наличие на месте пылесборника и т.д. Интеллектуальная электроника позволяет роботу нормально ориентироваться среди мебели и стен в процессе работы.

Пылесборник компактен, и располагается недалеко от щеток. Для движения робот использует два колеса, при помощи которых он может поворачивать. Две направляющие щетки заметают мусор в направлении турбощетки, которая в свою очередь направляет мусор в пылесборник, где всасывающее устройство окончательно захватывает мусор. Питается все это оборудование от емкостью в несколько ампер-часов.

Благодаря наличию гироскопа, робот-пылесос всегда «знает» угол своего наклона, и поэтому вероятность того, что он застрянет исключается. Единственный недостаток таких роботов-пылесосов — малая сила всасывания. Они подойдут для уборки гладких напольных покрытий, таких как линолеум или ламинат, но с уборкой сильно загрязненного коврового покрытия справятся вряд ли.

В любом случае, робот-пылесос способен сильно облегчить нашу жизнь. Человеку уже не придется каждый раз, когда он увидит на полу пыль, бежать за веником, чтобы подмести. Достаточно запрограммировать робота на регулярную уборку, и он будет самостоятельно осуществлять профилактику по всей квартире, по дому или даже офису.

Есть два типа роботов для мойки окон. Первый тип — робот из двух частей, в одной из которых находится управляющая электроника, а в другой — чистящий механизм. Две части крепятся к оконному стеклу с разных сторон, и держатся на нем за счет постоянных магнитов.

Сначала робот задает себе карту для работы, предварительно доезжая до каждого из краев стекла, измеряя таким образом размер поверхности которая должна быть вымыта, затем начинает мыть ее, двигаясь зигзагом.

В качестве инструментов для мытья служат четыре подушечки из микрофибры, а перемещение достигается благодаря взаимодействию постоянных магнитов и управляющего модуля.

В центре между подушечками расположено отверстие, из которого подается моющее средство. Питается устройство от встроенного литиевого аккумулятора. Человеку достаточно запустить аппарат, и он сам все сделает, используя предварительно заправленное в специальный резервуар моющее средство.

Второй тип робота-мойщика окон — робот с креплением вакуумными присосками. Такой робот имеет только один и только рабочий модуль для одной стороны окна.

Робот по сути протирает стекло, перемещаясь влево и вправо по его поверхности, без использования вращающихся подушечек. Здесь используется сменная салфетка, которую необходимо предварительно смочить моющим средством вручную.

Робот питается от сети, хотя и выполняет работу автономно, стоит его включить и установить на стекло. Есть резервный аккумулятор на случай отключения электричества в доме. Пользователю остается установить робота на стекло и включить его.

Принцип работы данных роботов заключается в следующем. Первым делом прокладывают кабель-ограничитель, по которому течет постоянный ток, и который определяет собой границу рабочей зоны робота-газонокосилки. Такая автономная газонокосилка оснащена всеми необходимыми датчиками, включая датчики препятствий, как и у роботов-пылесосов, чтобы газонокосилка могла бы объехать дерево, бордюр или клумбу.

Кабель-ограничитель необходим для того, чтобы газонокосилка не упала в водоем или не стала бы пытаться косить камни садовой дорожки, тем самым нанося себе вред. Кабелем ограждают периметр, клумбы, каменные дорожки, водоемы.

В процессе работы газонокосилка хаотично движется по площади в пределах периметра, срезая ножами траву. Некоторые модели двигаются не хаотично, а по спирали или зигзагом, это зависит от производителя.

Параметры роботов-газонокосилок отличаются. В первую очередь — шириной захвата. Согласитесь, при ширине захвата в 56 см, по сравнению с 24 см, дело пойдет и будет завершено быстрее. Мощность также имеет значение.

Газонокосилка мощностью 500 ватт и с шириной захвата в 56 см гораздо быстрее пройдет ту же площадь, что 100 ваттная модель. Аккумулятор здесь, безусловно определяет площадь, которую сможет обслужить робот на одной подзарядке. Есть роботы-газонокосилки, рассчитанные на 4 сотки, а есть — на все 30 соток.

Имеется ли в комплекте база для подзарядки, чтобы газонокосилка могла самостоятельно подъехать, подзарядиться и продолжить работу? На это потребителю необходимо обратить внимание при выборе модели, иначе придется самостоятельно носить робота на подзарядку, что не всегда удобно.

Если есть зарядная базовая станция, то человек сможет запрограммировать газонокосилку на весь сезон и не беспокоиться о графике выполнения работ по стрижке газона.

Робот имеет шнур питания и пару колес для перемещения по дну и по стенкам бассейна. В зависимости от длины провода нормируется размер бассейна, с которым сможет справиться робот. Щетки робота вращаются независимо от колес, и легко удаляют слизь и грязь, направляя ее через фильтр.

Вода вместе с грязью всасывается в фильтрующий отсек робота, затем вода выбрасывается обратно в бассейн, а грязь оседает на фильтре. Фильтр потом нужно будет просто вытащить и промыть под водой.

Робот для чистки бассейна сначала очищает дно, затем движется по стенкам, присасываясь к ним. Так, 70% времени уходит на чистку дна, а 30% - на чистку стен бассейна. Типичный бассейн площадью дна 28 кв.м. средний робот очистит за 2-3 часа.

Несмотря на то, что вода проходит через фильтр робота, всасываясь его насосом, хозяину бассейна необходимо будет как всегда использовать систему очистки воды бассейна, робот не заменит ее собой, он только очистит поверхности, но не саму воду. Тем не менее, робот избавит своего хозяина не только от необходимости чистить бассейн вручную, но и от надобности наблюдать за процессом чистки.

Наконец, робот-снегоуборщик, - актуальнейшее для наших широт решение. Вместо того, чтобы размахивать лопатой там, где не может проехать габаритная снегоуборочная техника, поможет снегоуборочный робот. Управление роботом осуществляется со смартфона по wi-fi, и выглядит это как интерактивная игра.

Поднимать и опускать ковш, перемещаться на гусеницах назад и вперед, разворачиваться, - все это может делать робот, которым оператор управляет удаленно, даже находясь дома в тепле за компьютером.

Глазами робота является видеокамера, через которую пользователь может оценивать обстановку, чтобы затем направлять робота для выполнения снегоуборочных работ.

Емкий аккумулятор, заряженный от розетки, позволит осуществлять уборку снега в течение нескольких часов без необходимости таскать снег вручную, особенно если речь идет об уборке больших территорий, вблизи строений, куда снегоуборочная техника проехать просто не может.

Как видите, ассортимент бытовых роботов сегодня довольно широк, и каждый человек наверняка найдет среди доступных сегодня на рынке именно то, что облегчит быт именно ему. Кому-то нужно регулярно чистить летний приусадебный бассейн, а кто-то замучился зимой чистить снег.

Каждый имеющий в доме животных задумается о приобретении робота-пылесоса, некоторые из которых с животными отлично ладят. Живете в районе с сильно загрязненным воздухом и окна часто становятся пыльными — робот поможет вам вымыть окна. Что уж говорить о роботе-газонокосилке, который позволит своему хозяину заниматься другими более важными делами или просто отдыхать, пока газоном занимается робот.

Андрей Повный

Роботехника - сравнительно новое и интенсивно развивающееся научное направление, вызванное к жизни необходимостью освоения новых сфер и областей деятельности человека, а также потребностью широкой автоматизации современного производства, направленной на резкое повышение его эффективности. Использование автоматических программируемых устройств - роботов - в исследовании космоса и океанских глубин, а с 60-х гг. нашего столетия и в производственной сфере, быстрый прогресс в области создания и использования роботов в последние годы обусловили необходимость интеграции научных знаний ряда смежных фундаментальных и технических дисциплин в едином научно-техническом направлении - робототехнике .

Идея создания роботов - механических устройств, своим внешним видом и действиями подобных людям или каким-либо живым существам, увлекала человечество с незапамятных времен. Даже в легендах и мифах человек стремился создать образ рукотворных существ, наделенных фантастической физической силой и ловкостью, способных летать, жить под землей и водой, действовать самостоятельно и в то же время беспрекословно подчиняться человеку и выполнять за него самую тяжелую и опасную работу. Еще в "Илиаде" Гомера (VI в. до н. э.) говорится о том, что хромоногий кузнец Гефест, бог огня и покровитель кузнечного ремесла, выковал из золота девушек, которые исполняли его поручения.

Навстречу ему золотые служанки вмиг подбегали, Подобные девам живым, у которых Разум в груди заключен и голос, и сила, Которых самым различным трудам обучали Бессмертные боги...

У современного человека эти "служанки" непременно ассоциируются с антропоморфными, т.е. созданными по образу и подобию человека, автоматическими универсальными устройствами - роботами.

Теория робототехники опирается на такие дисциплины, как электроника, механика, информатика, а также радиотехника и электротехника. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.

Сегодня человечество практически вплотную подошло к тому моменту, когда роботы будут использоваться во всех сферах жизнедеятельности. Поэтому курсы робототехники и компьютерного программирования необходимо вводить в образовательные учреждения.

Изучение робототехники позволяет решить следующие задачи, которые стоят перед информатикой как учебным предметом. А именно, рассмотрение линии алгоритмизация и программирование, исполнитель, основы логики и логические основы компьютера.

Также изучение робототехники возможно в курсе математики (реализация основных математических операций, конструирование роботов), технологии (конструирование роботов, как по стандартным сборкам, так и произвольно), физики (сборка деталей конструктора, необходимых для движения робота-шасси).

Классы роботов

Манипуляционный робот - автоматическая машина (стационарная или передвижная), состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и устройства программного управления, которая служит для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций. Такие роботы производятся в напольном, подвесном и портальном исполнениях. Получили наибольшее распространение в машиностроительных и приборостроительных отраслях.

Мобильный робот - автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колёсными, шагающими и гусеничными (существуют также ползающие, плавающие и летающие мобильные робототехнические системы.

Компоненты роботов

Приводы - это «мышцы» роботов. В настоящее время самыми популярными двигателями в приводах являются электрические, но применяются и другие, использующие химические вещества или сжатый воздух.

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 определённый угол под управлением контроллера. Это позволяет обойтись без датчика положения, так как угол, на который был сделан поворот, заведомо известен контроллеру; поэтому такие двигатели 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 весьма оригинален: крошечные пьезоэлектри

ческие 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[источник не указан 987 дней]. 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. Впрочем, в настоящее время нет ЭАП, пригодных для производства коммерческих роботов, так как все ныне существующие их образцы неэффективны или непрочны.

Эластичные нанотрубки : Это - многообещающая экспериментальная технология, находящаяся на ранней стадии разработки. Отсутствие дефектов в нанотрубках позволяет волокну эластично деформироваться на несколько процентов. Человеческий бицепс может быть заменён проводом из такого материала диаметром 8 мм. Подобные компактные «мышцы» могут помочь роботам в будущем обгонять и перепрыгивать человека.

Способы перемещения

Колёсные и гусеничные роботы

Шагающие роботы

Другие методы перемещения:

• Летающие роботы (в том числе БПЛА – беспилотные летательные аппараты).
• Ползающие роботы.
• Роботы, перемещающиеся по вертикальным поверхностям.
• Плавающие роботы.

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.

Подвиды современных роботов:

• Промышленные роботы

• Медицинские роботы

• Бытовые роботы
• Роботы для обеспечения безопасности
• Боевые роботы

• Роботы-учёные

К настоящему времени роботы внедрены во многие сферы деятельности человека и продолжают дополнять и иногда заменять людской труд как в опасных видах деятельности, так и в повседневной жизни.

Робототехника  - прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.

Слово «робототехника» (в его английском варианте «robotics») было впервые использовано в печати Айзеком Азимовым в научно-фантастическом рассказе «Лжец», опубликованном в 1941 году.

Робот (чеш. robot, от robota - подневольный труд или rob - раб) - автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма.

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.

“Современные роботы, созданные на базе самых последних достижений науки и техники, применяются во всех сферах человеческой деятельности. Люди получили верного помощника, способного не только выполнять опасные для жизни человека работы, но и освободить человечество от однообразных рутинных операций.” И. М. Макаров, Ю. И. Топчеев. “Робототехника: История и перспективы”

Внешний вид и конструкция современных роботов могут быть весьма разнообразными. В настоящее время впромышленном производстве широко применяются различные роботы, внешний вид которых (по причинам технического и экономического характера) далёк от «человеческого».

История

Сведения о первом практическом применении прообразов современных роботов - механических людей с автоматическим управлением - относятся к эллинистической эпохе.

Тогда на маяке, сооружённом на острове Фарос, установили четыре позолоченные женские фигуры. Днём они горели в лучах солнца, а ночью ярко освещались, так что всегда были хорошо видны издалека. Эти статуи через определённые промежутки времени, поворачиваясь, отбивали склянки; в ночное же время они издавали трубные звуки, предупреждая мореплавателей о близости берега.

Прообразами роботов были также механические фигуры, созданные арабским учёным и изобретателем Аль-Джазари (1136-1206). Так, он создал лодку с четырьмя механическими музыкантами, которые играли на бубнах, арфе и флейте.

Чертежи Леонардо да Винчи

Чертёж человекоподобного робота был сделан Леонардо да Винчи около 1495 года. Записи Леонардо, найденные в 1950-х, содержали детальные чертежи механического рыцаря, способного сидеть, раздвигать руки, двигать головой и открывать забрало. Дизайн, скорее всего, основан на анатомических исследованиях, записанных в Витрувианском человеке. Неизвестно, пытался ли Леонардо построить робота.

С начала XVIII века в прессе начали появляться сообщения о машинах с «признаками разума», однако в большинстве случаев выяснялось, что это мошенничество. Внутри механизмов прятались живые люди или дрессированные животные.

Французский механик и изобретатель Жак де Вокансон создал в 1738 году первое работающее человекоподобное устройство (андроид), которое играло на флейте. Он также изготовил механических уток, которые, как говорили, умели клевать корм и «испражняться».

Виды роботов

Промышленные роботы
Появление станков с числовым программным управлением привело к созданию программируемых манипуляторов для разнообразных операций по загрузке и разгрузке станков.

Появление в 70-х гг. микропроцессорных систем управления и замена специализированных устройств управления на программируемые контроллеры позволили снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение в промышленности. Этому способствовали объективные предпосылки развития промышленного производства.

Несмотря на их высокую стоимость, численность промышленных роботов в странах с развитым производством быстро растёт. Основная причина массовой роботизации такова:

«Роботы выполняют сложные производственные операции по 24 ч в сутки. Выпускаемая продукция при этом имеет высокое качество. Они… не болеют, не нуждаются в обеденном перерыве и отдыхе, не бастуют, не требуют повышения заработной платы и пенсии. Роботы не подвержены влиянию температуры окружающей среды либо воздействию газов или выбросов агрессивных веществ, опасных для жизни человека».

Медицинские роботы
В последние годы роботы получают всё большее применение в медицине; в частности, разрабатываются различные модели хирургических роботов.

Ещё в 1985 году робот Unimation Puma 200 был использован для позиционирования хирургической иглы при выполнении биопсии головного мозга, проводившейся под управлением компьютера.

В 1992 году разработанный в Имперском колледже Лондона робот ProBot впервые осуществил операцию на предстательной железе, положив начало практической роботизированной хирургии.

Робот Da Vinci

С 2000 года компания Intuitive Surgical серийно выпускает робот Da Vinci, предназначенный для лапароскопических операций и установленный в нескольких сотнях клиник по всему миру.

Бытовые роботы

Одним из первых примеров удачной массовой промышленной реализации бытовых роботов стала механическая собачка AIBO корпорации Sony.

Робот-пылесос iRobot

В сентябре 2005 в свободную продажу впервые поступили первые человекообразные роботы «Вакамару» производства фирмы Mitsubishi. Робот стоимостью $15 тыс. способен узнавать лица, понимать некоторые фразы, давать справки, выполнять некоторые секретарские функции, следить за помещением.

Всё большую популярность набирают роботы-уборщики (по своей сути - автоматические пылесосы), способные самостоятельно прибраться в квартире и вернуться на место для подзарядки без участия человека.

Боевые роботы

Боевым роботом называют автоматическое устройство, заменяющее человека в боевых ситуациях или при работе в условиях, несовместимых с возможностями человека, в военных целях: разведка, боевые действия, разминирование и т. п.

Беспилотник

Боевыми роботами являются не только автоматические устройства с антропоморфным действием, которые частично или полностью заменяют человека, но и действующие в воздушной и водной среде, не являющейся средой обитания человека (авиационные беспилотные с дистанционным управлением, подводные аппараты и надводные корабли).

В настоящее время большинство боевых роботов являются устройствами телеприсутствия, и лишь очень немногие модели имеют возможность выполнять некоторые задачи автономно, без вмешательства оператора.

В Технологическом институте Джорджии под руководством профессора Хенрика Кристенсена разработаны напоминающие муравьёв инсектоморфные роботы, способные обследовать здание на предмет наличия там врагов и мин-ловушек (доставляются к зданию «главным роботом» - мобильным роботом на гусеничном ходу).

Получили распространение в войсках и летающие роботы. На начало 2012 года военными во всём мире использовались около 10 тысяч наземных и 5 тысяч летающих роботов; 45 стран мира разрабатывало или закупало военных роботов.

Роботы-учёные

Первые роботы-учёные Адам и Ева были созданы в рамках проекта Robot Scientist университета Аберистуита и в 2009 году одним из них было совершено первое научное открыти.

К роботам-учёным безусловно можно отнести роботов, с помощью которых исследовались вентиляционные шахты Большой Пирамиды Хеопса. С их помощью были открыты т. н. «дверки Гантенбринка» и т. н. «ниши Хеопса». Исследования продолжаются.

Система передвижения

Для передвижения по открытой местности чаще всего используют колёсный или гусеничный движитель (примерами подобных роботов могут служить Warrior и PackBot).

Реже используются шагающие системы (примерами подобных роботов могут служить BigDog и Asimo).

Роботы BigDog

Для неровных поверхностей создаются гибридные конструкции, сочетающие колёсный или гусеничный ход со сложной кинематикой движения колёс. Такая конструкция была применена в луноходе.

Внутри помещений, на промышленных объектах роботы передвигаются вдоль монорельсов, по напольной колее и т. д. Для перемещения по наклонным или вертикальным плоскостям, по трубам используются системы, аналогичные «шагающим» конструкциям, но с вакуумными присосками.

Также известны роботы, использующие принципы движения живых организмов - змей, червей, рыб, птиц, насекомых и других типах роботов бионического происхождения.

Робот Tuna

Система распознавания образов

Системы распознавания уже способны определять простые трехмерные предметы, их ориентацию и композицию в пространстве, а также могут достраивать недостающие части, пользуясь информацией из своей базы данных (например, собирать конструктор Lego).

Двигатели

В настоящее время в качестве приводов обычно используются двигатели постоянного тока, шаговые электродвигатели и сервоприводы.

Существуют разработки двигателей, не использующих в своей конструкции моторов: например, технология сокращения материала под действием электрического тока (или поля), которая позволяет добиться более точного соответствия движения робота натуральным плавным движениям живых существ.

Математическая база

Робот Aibo

Помимо уже широко применяющихся нейросетевых технологий, существуют алгоритмы самообучения взаимодействию робота с окружающими предметами в реальном трёхмерном мире: робот-собака Aibo под управлением таких алгоритмов прошел те же стадии обучения, что и новорожденный младенец, самостоятельно научившись координировать движения своих конечностей и взаимодействовать с окружающими предметами (погремушками в детском манеже). Это дает ещё один пример математического понимания алгоритмов работы высшей нервной деятельности человека.

Навигация

Системы построения модели окружающего пространства по ультразвуку или сканированием лазерным лучом широко используются в гонках роботизированных автомобилей (которые уже успешно и самостоятельно проходят реальные городские трассы и дороги на пересечённой местности с учётом неожиданно возникающих препятствий).

Внешний вид

В Японии не прекращаются разработки роботов, имеющих внешний вид, на первый взгляд неотличимый от человеческого. Развивается техника имитации эмоций и мимики «лица» роботов.

В июне 2009 года ученые Токийского университета представили человекоподобного робота «KOBIAN», способного выражать свои эмоции - счастье, страх, удивление, грусть, гнев, отвращение - с помощью жестов и мимики.

Робот KOBIAN

Робот способен открывать и закрывать глаза, двигать губами и бровями, использовать руки и ноги.

Производители роботов

Существуют компании, специализирующиеся на производстве роботов (среди крупнейших - iRobot Corporation). Роботов также выпускают некоторые компании, работающие в сфере высоких технологий: ABB, Honda, Mitsubishi, Sony, World Demanded Electronic, Gostai, KUKA.

Проводятся выставки роботов, напр. самая крупная в мире International robot exhibition (iRex) (проводится в начале ноября раз в два года в Токио, Япония).

Фантасты 50-х представляли себе 2000 год с летающими машинами и роботами, живущими бок о бок с человеком.
Как мы видим, этого пока не случилось, тем не менее сфера робототехники постепенно развивались в течение десятилетий, иногда стремительно затем ее развитие приутихло, но в настоящее время вновь возобносила небывалый рост. Каждый месяц производятся тысячи различных промышленных роботов, разрабатываются гуманоиды и андроиды, ученые всего мира работают созданием искусственного интеллекта, и все это -только начало.

Робототехника - это не самостоятельная отрасль, прежде всего это синергия всех последних достижений технических, естественных наук и информационных технологий.

Когда мы говорим "робот", то люди далеки от техники его примерно так и представляют как в советских фантастических фильмах с железными руками и ногами. Конечно, мы вкладываем в это понятие гораздо более широкий смысл.

Выделяют следующие группы роботов:

1. Промышленные - когда говорят "роботизация" имеют ввиду прежде всего развитие этой сферы.

2. Военные - единственный вид, который получил развитие в России, к ним же можно отнести роботов ливидаторов различных аварий и природных катаклизмов.

3. Космические - к ним относятся и спутники, планетоходы и антропоморфные роботы, помогающие космонавтам.

4. Бытовые - уборщики, кухонные роботы, роботы - компаньоны.

5. Андроиды, гуманоиды - различные антропоморфные роботы, чьей целью является усовершенствование "человекообразности" роботов для различных социальных целей.

История робототехники

Автоматизация и роботизация производства в капиталистическом мире началась в 50-е годы XX века. Именно к тому времени можно отнести появление первых промышленных роботов. Они осуществляли сборку оборудования, и простейшие монотонные операции.
Первый такой робот был разработан изобретателем самоучкой Джоржем Деволом в 1954 году. Робот-манипулятор весил две тонны и управлялся программой записанной на магнитном барабане. Система получила название Unimate на новое устройство был оформлен патент и а в 1961 изобретатель основал компанию Unimation.

Первый робот был установлен на заводе Дженерал Моторс (на литейном участке) в 1961 году. Затем новинка была опробована заводами Chrysler и Ford,

Система Unimate применялась для работы с литыми металлическими деталями, которые манипулятор извлекал из форм отливки. Захватиное устройство управлялось гидроприводом.
Робот имел 5 степеней свободы и захватное устройство с двумя "пальцами". Точность работы была весьма высока до 1,25 мм. И был эффективнее человека - работал и быстрее и с меньшим количеством брака.

В 1967 промышленные манипуляторы приходят Европу. Они уже расширяют свой функционал, осваивают профессии сварщика, маляра. У робота появляется "техническое зрение" посредством видеокамер и датчиков, он учится определять габариты изделий и место их расположения.

В 1982 году IBM разрабатывает официальный язык для программирования робототехнических систем. В 1984 - компания Adept представила первый робот Scara с электроприводом .
Новая конструкция сделала роботы более простыми и надежными, сохранив высокую скорость.

В 90-е появился контроллер с интуитивным интерфейсом управления, которому мог управлять оператор, он мог изменять параметры и регулировать режим работы. С тех пор возможности управления роботами и их функиции только развивались, увеличивалась их сложность, скорость, число осей, стали использоваться различные материалы, шире становились возможности разработки и управления, было сделано несколько первых уверенных шагов в сторону искусственного интеллекта.

В то же время в СССР был фактически лидером в робототехнике. Началось все еще в 30-е годы. В 1936 году 16–летний советский школьник Вадим Мацкевич создал робота, который умел поднимать правую руку. Для этого он потратил 2 года работы в токарных мастерских новочеркасского Политеха. Ранее, в 12 лет создал маленький радиоуправляемый броневик, стрелявший фейерверками. На "робота" Мацкевича обратили внимание власти и в 1937 году он представлял его на Всемирной выставке 1937 года в Париже.

На рубеже 30 - 40-х гг. XX в. в СССР также появились автоматические линии для обработки деталей подшипников, а в конце 40-х гг. XX в. впервые в мировой практике было создано комплексное производство поршней для тракторных двигателей с автоматизацией всех процессов - от загрузки сырья до упаковки готовой продукции.

В 1966 в Воронеже был изобретен манипулятор для укладки металлических листов, в 1968 в Ленинграде году разработали подводный робот "Манта" с чувствительным захватным устройством - в дальнейшем он совершенствовался. В 1969 году в ЦНИТИ Миноборонпрома приступили к разработке промышленного робота «Универсал-50». В дальнейшем активно внедрялись автоматизированные системы на крупные производства.

В 1985 году уже использовалось 40 тыс промышленых роботов и в несколько раз превосходило количество, используемых в США. Автоматизированые линии вовсю работали на АвтоВазе в 80-е года и даже подвергались атакам работников-"хакеров".

Были крупные военные и космические разработки. Уникальным достижением по тем временам был беспилотный разведчик ДБР-1, который был принят на вооружение ВВС СССР еще в 1964 году. Такой аппарат мог выполнять разведывательные задачи над всей территорией Западной и Центральной Европы.

Одним из самых заметных достижений отечественной робототехники и науки стало создание в КБ им. Лавочкина «Лунохода-1». Именно советский аппарат стал первым в мире планетоходом, который успешно выполнил свою миссию на поверхности другого небесного тела.

В 1983 году на вооружение ВМФ СССР был принят уникальный противокорабельный комплекс П-700 «Гранит». Его особенностью стало то, что при залповом пуске ракеты могли самостоятельно выстраиваться в боевой порядок и во время полета обмениваться между собой информацией, самостоятельно распределяя цели. При этом одна из ракет комплекса могла играть роль лидера, занимая более высокий эшелон атаки.

Развивались и "роботы-гуманоиды": в 1962 году появился первый робот экскурсовод Рэкс - он проводил экскурсии для детей в Политехническом музее. Говорят, он все еще там "работает".

В Советском Союзе было выпущено более 100 тыс. единиц промышленной робототехники. Они заменили более одного миллиона рабочих, но в 90-е годы эти роботы исчезли.

В дальнейшем развитие робототехники идет ударными темпами, потому что развивается ключевые отрасли - физика, химия, электротехника и главное - электроника. На смену вакуумным лампам пришла силовая электроника, позже микросхемы, затем микроконтроллеры... Появляются новые материалы, новые способы автоматизации и методы программирования.

Но к России и СНГ это не уже не относится. Прежде всего развитие происходит в США, в Юго-Восточной Азии и Западной Европе.

На производствах внедряются управляемые роботизированные линии, роботы манипуляторы используются во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, медицине, в космосе и, конечно, в быту.

В некоторых отраслях до 50% работ выполняют промышленные роботы, например в автомобилестроении они могут сварить, покрасить, и переместить детали на другой участок сборки, где ими займутся другие роботы.

Существуют даже 100% автоматизированные фабрики. В Японии есть завод где роботы сами собирают роботов. И даже готовят еду для 2000 человек - офисного центра, обслуживающего этот завод.

В 90-е годы наблюдался некоторый спад. Внедрение роботов, использующих существующие в то время технологии, на производство не принесло ожидаемой прибыли и финансирование некоторых крупномасштабных проектов было приостановлено. По ряду причин - и экономических, и социальных - ожидаемого бума не произошло, они остались как нишевая продукция для автосборочных и ряда других производств.

Резкий скачок произошел только в середине нулевых и это развитие продолжается. Прежде всего из-за того, что в робототехнике заинтересовались военные...

Остановить уже развитие невозможно и все странам, желающим быть в авангарде мировой промышленности приходится это принимать и догонять.

Устройство робота и задачи робототехники

Выделяют шесть общих задач роботехники:

1. Перемещение - передвижение в любой среде
2. Ориентация - осознавать свое местоположение
3. Манипуляция - свободно манипулировать предметами окружающей среды
4. Взаимодействие - контактировать с себеподобными
5. Коммуникация - свободно общаться с человеком
6. Искусственный интеллект - робот должен самостоятельно решать как ему выполнить команду человека

Самое оптимальное перемещение робота на колесах и гусеничной платформе. Именно эти способы обеспечивают наибольшую устойчивость и проходимость.
У колесных платформ с проходимостью сложнее - колесо не может преодолеть препятствие выше, чем его радиус. Колесные схемы постоянно совершенствуются, используются мощные серводвигатели , разрабатывается независимые подвески, применяются покрышки с грунтозацепами.

Устойчивы четырехноние и инсектоморфные роботы (это значит в форме насекомых, несколько "ног", обычно 6) Такие устройства часто используются для военных целей.

Ходить на двух ногах робот учился очень долго. Из всех существующих с этим хорошо справляется только гуманоид ASIMO от Honda он умеет не только устойчиво ходить, но и подниматься по ступеням, компания его разрабатывала более 25 лет
Большинство же человекоподобных роботов пока передвигаются на платформе.

Кроме хождения по земле опреденные модели могут ползать, плавать и летать.

Ориентрируется в пространстве робот с помощью датчиков, сенсоров, видеокамер, имеет способность "видеть" в инфракрасном диапазоне, улаваливать ультразвуковые колебания и воспринимать тепловое излучение.
Управлять может и оператор, он может находиться в той же комнате или за несколько километров.

Все озвученные задачи робототехники в той или иной мере решаются. Робот становится совершеннее, он умеет сотрудничать с другими роботами, учится общаться человеком и лучше его понимать.

Интересная схема обучения космического робота-спутника, вероятно этот же принцип используется для настройки других робототехнических систем. "Эмоциональное обучение", как называют его разработчики. Суть его в том, что в нем закладывается "аппарат эмоций", который сообщает спутнику что для него "хорошо", а что "плохо". Хорошо - если он нацеливается на конкретный заданный обьект - это увеличивает оценку, плохо - если от него отклоняется - оценка будет уменьшена. Ну и так пока устройство не станет стабильным "хорошистом".
Например, это может пригодиться для космических телескопов. Обучение проводится с помощью оператора и занимает около 20 минут, результат отображается в базе знаний.

Конкретно это описанное устройство космонавт может выбросить в открытый космос: остальные действия спутник выполнит сам. В концепте разработана модель нервной системы, которая логически следует из тех условий, в которых работает нервная система всех живых организмов.
Робототехника будущего может самостоятельно собирать новые знания, анализировать их и применять на практике.