Роботы. Робототехника - глобальные перспективы, самые перспективные компании и проекты

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.

Робототехник (Чешск. robot, от robota - подневольный труд и rob - раб) — специалист по разработке роботов и их обслуживанию. Профессия подходит тем, кого интересует физика, математика, черчение и информатика (см. выбор профессии по интересу к школьным предметам).

Особенности профессии

Робототехника (роботехника) - это прикладная научная отрасль, посвященная созданию роботов и автоматизированных технических систем. Такие системы также называют робототехническими системами (РТС). Ещё одно название - роботостроение. Так называют процесс создания роботов, по аналогии с машиностроением. Роботы особенно нужны там, где человеку работать слишком тяжело или опасно, и там, где каждое действие должно выполняться с нечеловеческой точностью. Например, робот может взять пробы грунта на Марсе, обезвредить взрывное устройство или провести точную сборку прибора.

Конечно, для каждого вида работы нужен специальный робот. Роботов-универсалов пока не существует. Всю робототехнику можно разделить на промышленную, строительную, авиационную, космическую, подводную, военную. Кроме этого существуют роботы-помощники, роботы для игр и т.д.

Робот может работать по заранее разработанной программе либо под управлением оператора. Роботов с самостоятельным мышлением и мотивацией, со своим эмоциональным миром и мировоззрением пока тоже нет. Оно и к лучшему.

Робототехника находится в родстве с мехатроникой.

Мехатроника - это дисциплина, посвящённая созданию и эксплуатации машин и систем с программным управлением. Часто мехатроникой называют электромеханику и наоборот.

К мехатронике относятся заводские станки с программным управлением, беспилотные транспортные средства, современная офисная техника и пр. Иными словами, приборы и системы, предназначенные для выполнения какой-то конкретной задачи. Например, задача офисного принтера - печать документов.

А что такое робот по своей сути?

Как видно из самого названия, робот изначально представлялся как подобие человека. Но прагматизм берёт верх. И чаще всего роботу отводится роль технического приспособления, для которого внешность не имеет большого значения. По крайней мере, промышленные роботы на людей совсем не похожи.

Однако у роботов есть признак, который объединяет их со всеми живыми существами - движение. И способ движения порой довольно чётко копирует то, что встречается в природе. Например, робот может летать, подобно стрекозе, бегать по стене, словно ящерица, ходить по земле, словно человек и пр.

(См. ролик внизу страницы.)

С другой стороны, некоторые роботы специально рассчитаны на душевный отклик людей. Например, роботы-собаки скрашивают жизнь людям, у которых нет времени на настоящую собаку. А плюшевые «младенцы» облегчают депрессию.

Не за горами то время, когда среди прочей бытовой техники у нас появятся роботы, помогающие по хозяйству. Лично я предпочла бы слугу в виде улыбчивого пластикового кокона на колёсах. Но кому-то наверняка захочется, чтобы их роботы-мажордомы были как настоящие люди. В этом направлении уже сделаны потрясающие успехи.

Создание робота - это то, чем занимается робототехник . Точнее, инженер-робототехник . Он исходит из того, какие задачи робот будет решать, продумывает механику, электронную часть, программирует его действия. Такая работа - не для одиночки-изобретателя, инженеры-робототехники работают в команде.

Но робота нужно не только изобрести и разработать. Его нужно обслуживать: управлять работой, следить за «самочувствием» и ремонтировать. Этим также занимается робототехник, но специализирующийся на обслуживании.

В основе современной робототехники находятся механика, электроника и программирование. Но, как подсказывают фантасты, со временем для изготовления роботов будут широко использовать био- и нанотехнологи. В результате получится киборг, т.е. кибернетический организм - что-то среднее между живым человеком и роботом. Чтобы не слишком радоваться по этому поводу, можно посмотреть фильм «Терминатор», любую его часть.

Начало истории роботов

Слово «робот» придумал Карел Чапек в 1920 г. и использовал его в своей пьесе «R.U.R.» («Россумские Универсальные Роботы»). Позже, в 1941 г., Айзек Азимов использовал слово «робототехника» в научно-фантастическом рассказе «Лжец».

Но видимо, одним из первых робототехников в истории человечества можно считать арабского изобретателя Аль-Джазари, жившего в XII веке. Остались свидетельства, что он создал механических музыкантов, которые развлекали публику, играя на арфе, флейте и бубнах. Леонардо да Винчи, живший в XV-XVI веках, оставил после себя чертежи механического рыцаря, способного двигать руками и ногами, открывать забрало своего шлема. Но эти выдающиеся изобретатели вряд ли могли представить, каких вершин достигнут технологии через несколько столетий.

Обучение на Робототехника

Чтобы стать робототехником, нужно получить высшее образование по направлению «мехатроника и робототехника». В частности, к этому направлению относится специальность «роботы и робототехнические системы». Высшее образование даёт квалификацию «инженер».

На этом курсе можно получить профессию специалиста по мехатронике и робототехнике за 3 месяца и 10 000 руб.
— Одна из самых доступных цен в России;
— Диплом о профессиональной переподготовке установленного образца;
— Обучение в полностью дистанционном формате;
— Сертификат соответствия профстандарту стоимостью 10 000 руб. в подарок!;
— Крупнейшее образовательное учреждение дополнительного проф. образования в России.

Рабочее место

Робототехники работают в конструкторских бюро авиации и космонавтики. Например, в НПО им. С.А.Лавочкина. В научно-исследовательских центрах разной направленности (космос, медицина, нефтедобыча и пр.). В компаниях, специализирующихся на роботостроении.

Оплата труда

Важные качества

Профессия робототехник предполагает интерес к точным наукам и инженерному делу, аналитический склад ума, хорошо структурированное мышление в сочетании с богатым воображением.

Знания и навыки

По существу, робототехник - это универсальный специалист: инженер, программист, кибернетик в одном лице. Ему необходимо знание механики, программирования, теории автоматического управления, теории проектирования автоматических систем. Очень важны навыки конструирования, умение работать руками, например, пользоваться паяльником.

Робототехники олицетворяют собой сочетание противоположностей. Как специалисты, они искушены в тонкостях своей специализации. Как универсалы, они способны охватить проблему в целом в той степени, что позволяет имеющаяся обширная база знаний. Предлагаем вашему вниманию интересный материал на тему умений и навыков, которые необходимы настоящему робототехнику.

А кроме самого материала также комментарии одного из наших робо-экспертов, куратора екатеринбургского , Олега Евсегнеева.

Инженеры-робототехники, как правило, попадают в две категории специалистов: думающих (теоретиков) и делающих (практиков). Это означает, что робототехники должны отличаться хорошим сочетанием двух противоположных стилей работы. «Склонные к исследованиям» люди вообще любят решать проблемы, думая, читая и изучая. С другой стороны, специалисты-практики любят решать проблемы лишь «испачкав руки», можно так сказать.

В робототехнике нужен тонкий баланс между напряженными исследованиями и расслабленной паузой, то есть работа над реальной задачей. В представленный перечень попали 25 профессиональных умений, сгруппированных в 10 существенных для роботостроителей навыков.

1. Системное мышление

Один из менеджеров проекта однажды заметил, что многие, связанные с робототехникой люди, оказываются впоследствии менеджерами проектов или системными инженерами. В этом есть особый смысл, так как роботы являются очень сложными системами. Занимающийся роботами специалист должен быть хорошим механиком, электронщиком, электриком, программистом и даже обладать познаниями в психологии и когнитивной деятельности.

Хороший робототехник в состоянии понять и теоретически обосновать, как совместно и слаженно взаимодействуют все эти разнообразные системы. Если инженер-механик может вполне обоснованно сказать: «это не моя работа, тут нужен программист или электрик», то робототехник должен хорошо разбираться во всех этих дисциплинах.

Вообще, системное мышление является важным навыком для всех инженеров. Наш мир – одна большая сверхсложная система. Навыки системной инженерии помогают правильно понять, что и как связано в этом мире. Зная это, можно создавать эффективные системы управления реальным миром.

2. Мышление программиста

Программирование является довольно важным навыком для робототехника. При этом не имеет значения, занимаетесь ли вы низкоуровневыми системами управления (используя лишь MATLAB для проектирования контроллеров) или являетесь специалистом по информатике, проектирующим высокоуровневые когнитивные системы. Занимающиеся роботами инженеры могут быть привлечены к работе по программированию на любом уровне абстракции. Основное различие между обычным программированием и программированием роботов заключается в том, что робототехник взаимодействует с оборудованием, электроникой и беспорядком реального мира.

Сегодня используется более 1500 языков программирования. Несмотря на то, что вам явно не нужно будет учить их все, хороший робототехник обладает мышлением программиста. А они будут комфортно чувствовать себя при изучении любого нового языка, если вдруг это потребуется. И тут мы плавно переходим к следующему навыку.

Комментарий Олега Евсегнеева: Я бы добавил, что для создания современных роботов требуется знание языков низкого, высокого и даже сверхвысокого уровня. Микроконтроллеры должны работать очень быстро и эффективно. Чтобы этого достичь, нужно углубляться в архитектуру вычислительного устройства, знать особенности работы с памятью и низкоуровневыми протоколами. Сердцем робота может быть тяжелая операционная система, например, ROS. Здесь уже может понадобиться знание ООП, умение пользоваться серьезными пакетами машинного зрения, навигации и машинного обучения. Наконец, чтобы написать интерфейс робота в веб и связать его с сетью интернет, неплохо будет научиться скриптовым языкам, тому же python.

3. Способность к самобучению

О робототехнике невозможно знать все, всегда есть что-то неизвестное, что придется изучать, когда возникнет в том необходимость при реализации очередного проекта. Даже после получения высшего образования по специальности робототехника и нескольких лет работы в качестве аспиранта многие только начинают по-настоящему понимать азы робототехники.

Стремление к постоянному изучению чего-то нового является важной способностью на протяжении всей вашей карьеры. Поэтому использование эффективных лично для вас методов обучения и хорошее восприятие прочитанного помогут вам быстро и легко получать новые знания, когда в этом возникает необходимость.

Комментарий Олега Евсегнеева: Это ключевой навык в любом творческом деле. С помощью него можно получить другие навыки

4. Математика

В робототехнике имеется не так много основополагающих навыков. Одним из таких основных навыков является математика. Вам, вероятно, трудно будет добиться успеха в робототехнике без надлежащего знания, по крайней мере, алгебры, математического анализа и геометрии. Это связано с тем, что на базовом уровне робототехника опирается на способность понимать и оперировать абстрактными понятиями, часто представляемыми в виде функций или уравнений. Геометрия является особенно важной для понимания таких тем, как кинематика и технические чертежи (которых вам, вероятно, придется много сделать в течение карьеры, включая те, что будут выполнены на салфетке).

Комментарий Олега Евсегнеева: Поведение робота, его реакция на окружающие раздражители, способность учиться – это все математика. Простой пример. Современные беспилотники хорошо летают благодаря фильтру Калмана – мощному математическому инструменту для уточнения данных о положении робота в пространстве. Робот Asimo умеет различать предметы благодаря нейронным сетям. Даже робот-пылесос использует сложную математику, чтобы правильно построить маршрут по комнате.

5. Физика и прикладная математика

Есть некоторые люди (чистые математики, например), которые стремятся оперировать математическими понятиями без привязки к реальному миру. Создатели роботов не относятся к такому типу людей. Познания в физике и прикладной математике важны в робототехнике, потому что реальный мир никогда не бывает таким точным, как математика. Возможность решить, когда результат расчета достаточно хорош, чтобы на самом деле работать – это ключевой навык для инженера-робототехника. Что плавно подводит нас к следующему пункту.

Комментарий Олега Евсегнеева: Есть хороший пример – автоматические станции для полета на другие планеты. Знание физики позволяет настолько точно рассчитать траекторию их полета, что спустя годы и миллионы километров аппарат попадает в точно заданную позицию.

6. Анализ и выбор решения

Быть хорошим робототехником означает постоянно принимать инженерные решения. Что выбрать для программирования - ROS или другую систему? Сколько пальцев должен иметь проектируемый робот? Какие датчики выбрать для использования? Робототехника использует множество решений и среди них почти нет единственно верного.

Благодаря обширной базе знаний, используемой в робототехнике, вы могли бы найти для себя более выгодное решение определенных проблем, чем специалисты из более узких дисциплин. Анализ и принятие решений необходимы для того, чтобы извлечь максимальную пользу из вашего решения. Навыки аналитического мышления позволят вам анализировать проблему с различных точек зрения, в то время как навыки критического мышления помогут использовать логику и рассуждения, чтобы сбалансировать сильные и слабые стороны каждого решения.

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.

Робот - это программируемое механической устройство, способное выполнять задачи и взаимодействовать с внешней средой без помощи со стороны человека. Робототехника - это научная и техническая база для проектирования, производства и применения роботов.

Слово «робот» было впервые использовано чешским драматургом Карлом Чапеком в 1921. В его произведении «Универсальные роботы Россума» речь шла о классе рабов, искусственно созданных человекоподобных слуг, сражающихся за свою свободу. Чешское слово «robota» означает «принудительное рабство». Слово «робототехника» было впервые применено известным автором научной фантастики Айзеком Азимовым в 1941 году.

Базовые компоненты робота

Компоненты робота: тело/рама, система управления, манипуляторы, и 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.

Возможности применения и примеры роботов

На сегодняшний день, роботы имеют массу применений. Области применения делятся на три основные категории:

• промышленные роботы;
• исследовательские роботы;
• образовательные роботы.

Промышленные роботы

В промышленности, для выполнения огромного количества работ необходимы высокая скорость и точность. В течение многих лет ответственность за выполнение подобных работ несли люди. С развитием технологий, использование роботов позволило ускорить и повысить точность многих производственных процессов. Это и упаковка, сборка, окраска и укладка на поддоны. Изначально, роботы выполняли только особые виды повторяющихся работ, где требовалось соблюдение простого заданного набора правил. Тем не менее, с развитием технологий промышленные роботы стали гораздо более подвижны, и теперь они способны принимать решения на основе сложного ответа от датчиков. Сегодня промышленные роботы часто оснащены системами технического зрения. К концу 2014 года международная робототехническая федерация прогнозировала объем применения промышленных роботов по всему миру свыше 1,3 миллиона единиц!

Роботы могут использоваться для выполнения сложных, опасных задач, а также задач, которые человек выполнить не в состоянии. Например, роботы способны обезвреживать бомбы, обслуживать ядерные реакторы, исследовать глубины океана и достигать самых дальних уголков космоса.

Исследовательские роботы

Роботы имеют широкое применение в мире исследований, так как их часто используют для выполнения задач, в решении которых человек беспомощен. Наиболее опасные и сложные среды находятся под поверхностью Земли. В целях изучения космического пространства и планет солнечной системы в НАСА на протяжении использовались космические аппараты, посадочные модули и вездеходы с функциями роботов.

Роботы Pathfinder и Sojourner

Для марсианской миссии Pathfinder была разработана уникальная технология, позволяющая осуществить доставку оборудованного посадочного модуля и роботизированного вездехода, Sojourner, на поверхность Марса. Sojourner был первым вездеходом, отправленным на планету Марс. Масса вездехода Sojourner на поверхности земли составляет 11 кг (24,3 фунта), на поверхности Марса - прибл. 9 фунтов, а его размеры сопоставимы с размерами детской коляски. Вездеход имеет шесть колес и может перемещаться со скоростью до 0,6 метров (1,9 футов) в минуту. Миссия была запущена на поверхности Марса 4 июля 1997 года. Pathfinder не только выполнил свою прямую задачу, но также вернулся на Землю с огромным количеством собранных данных и превысил свой проектный срок эксплуатации.

Вездеходы Spirit и Opportunity

Марсианские исследовательские вездеходы (MER) Spirit и Opportunity были отправлены на Марс летом 2003 года и приземлились в январе 2004 года. Их миссия состояла в исследовании и классификации большого количества камней и почв с целью обнаружения остатков воды на Марсе, в надежде на отправку на планету человеческой миссии. Несмотря на то, что запланированная длительность миссии составляла 90 дней, в действительности она превысила шесть лет. За это время было собрано бесчисленное количество геологических данных о Марсе.

Роботизированная рука космического корабля

Когда проектировщики НАСА впервые приступили к проектированию космического корабля, они столкнулись с задачей, выраженной в необходимости безопасной и эффективной доставки в космическое пространство огромного, но, к счастью, невесомого объема груза и оборудования. Система дистанционного манипулирования (RMS), или Канадарм (канадский дистанционный манипулятор), совершила свой первый выход в космос 13 ноября 1981 года.

Рука имеет шесть подвижных соединений, имитирующих человеческую руку. Два соединения расположены в плече, одно - в локте, и еще три - в кисти. На конце кисти установлено захватное устройство, способное захватывать или зацеплять требуемый груз. В условиях невесомости рука способна поднимать 586 000 фунтов груза и выполнять их размещение с удивительной аккуратностью. Общая масса руки на поверхности Земли составляет 994 фунта.

RMS использовалась для запуска и поиска спутников, а также оказалась бесценным помощником для астронавтов в процессе ремонта космического телескопа Хаббла. Последняя миссия Канадарм в составе космического корабля стартовала в июле 2011 года и стала девяностой миссией этого робота.

Мобильные обслуживающие системы

Мобильная обслуживающая система (MSS) представляет собой систему, аналогичную RMS, и известна также как Канадарм 2. Система была спроектирована для установки на международной космической станции в качестве объектного манипулятора. MSS предназначена для обслуживания оборудования и приборов, установленных на международной космической станции, а также для оказания помощи при транспортировке продовольствия и оборудования в пределах станции.

Dextre

В рамках космической миссии STS-123 в 2008, космический корабль Endeavor осуществлял перевозку последней части гибкого манипулятора специального назначения Dextre.

Dextre - это робот, оснащенный двумя не большими руками. Робот способен выполнять задачи по точной сборке, которые до этого выполняли астронавты во время входа в открытый космос. Dextre может транспортировать объекты, пользоваться инструментами и осуществлять установку или удаление оборудования на космической станции. Dextre также оснащен освещением, видео-оборудованием, инструментальной базой, а также четырьмя держателями для инструментов. Датчики позволяют роботу «чувствовать» объекты, с которыми он имеет дело, и автоматически реагировать на движения или изменения. Команда может наблюдать за работой с помощью четырех установленных камер.

По конструкции робот напоминает человека. Верхняя часть его тела может поворачиваться в талии, а плечи удерживают руки, расположенные с двух сторон.

Роботы в образовании

Робототехника стала увлекательным и доступным инструментом обучения и поддержки STEM, проектирования и подходов к решению задач. В робототехнике, учащиеся получают возможность реализовать себя в роли проектировщиков, артистов и техников одновременно, используя собственные руки и голову. За счет этого открываются огромные возможности применения научных и математических основ.

В современной системе образования, с учетом финансовых ограничений, средние и высшие школы находятся в постоянном поиске экономически выгодных путей преподавания сложных программ, сочетающих технологии с множеством дисциплин, учащимся для их подготовки к профессиональной деятельности. Преподаватели сразу видят преимущества робототехники и данного учебного курса, так как в них реализован межпредметный метод сочетания различных дисциплин. В дополнение, робототехника предлагает наиболее доступное и подходяще для повторного использования оборудование.

Сегодня более чем когда либо, школы применяют робототехнические программы в классе для "оживления" учебных курсов и обеспечения соответствия широкому спектру академических стандартов, необходимых для учащихся. Робототехника не только является уникальной и широкой базой для преподавания разнообразных технических дисциплин, но также областью техники, оказывающей значительное влияние на развитие современного общества.

Почему робототехника важна?

Как видно из раздела «Возможности применения и примеры роботов», робототехника является новой областью техники, применяемой во многих сферах жизни человека. Важным фактором развития общества является образованность всех его членов в части существующих технологий. Но это не единственная причина возрастающей значимости робототехники. Робототехника уникальным образом сочетает в себе основы дисциплин STEM (естественные науки, технологии, инженерия и математика). В процессе обучения в классе учащиеся изучают различные дисциплины и их взаимосвязи, используя современные, технологичные и увлекательные инструменты. Помимо этого, визуальное представление проектов, которое требуется от учащи, стимулирует их к экспериментам и проявлению изобретательности в процессе поиска эстетичных и работоспособных решений. Комбинируя эти аспекты работы, учащиеся поднимают свои знания и возможности на новый уровень.