Что такое робототехника? классификация, история и области применения роботов

Prox Dynamics

Занимается производством ручных дронов, которые можно закинуть на линию огня. Может ли миниатюрная игрушка, которая помещается на ладони, стоить 31 миллион долларов? Министерство обороны Великобритании решило, что может, и заказало 160 нанокоптеров под названием Black Hornet, развернув половину из них в Афганистане в 2012 году. Теперь подразделения пехоты используют эту «игрушку» для ближней разведки и автоматизированного наблюдения. Норвежский производитель роботов также заключил контракт на 2,5 миллиона для разработки новых Black Hornet для армии США.

Авторы: Наташа Маркова, Алина Толмачева

Что такое робот?

Существует множество определений робота и никакого реального консенсуса пока не достигнуто. Дадим такое определение робота:

Это означает, что тостер, лампа, или автомобиль не будет рассматриваться как роботы. Прежде всего они не имеют возможности воспринимать свое окружение. С другой стороны, пылесос, который может перемещаться по комнате или солнечная панель, которая направлена на солнце и изменяет угол наклона в зависимости от положения солнца, могут быть  рассмотрены как роботизированные системы.

Важно также отметить, что “роботы” участвующие в войнах роботов, или какие-либо исключительно дистанционно управляемые устройства не подпадают под это определение. Скорее всего они будут ближе к более сложной радиоуправляемой машине

Также можно создать дистанционно управляемого робота на базе известных робототехнических конструкторов. Одним из таких конструкторов является Lego EV3.

Это определение является достаточно общим. Хотя оно может понадобиться в будущем для того чтобы понимать самые последние достижения в этой области. Робототехника в наше время стремительно развивается. Следовательно будет требоваться все больше специалистов для разработки, наладки, программирования и обслуживания роботов и роботизированных линий.

Есть 10 статей.

Каждая статья проведет вас через один шаг к созданию универсального мобильного робота. Это позволит вам создать своего собственного мобильного робота для выполнения задач по вашему выбору. Каждый урок будет проиллюстрировано примером из опыта. Статьи предназначены для того, чтобы быть изучены одна за другой и опираются на информацию, полученную раньше.

Три закона робототехники Айзека Азимова

Классик мировой фантастики сформулировал три основных правила поведения роботов, которые в теории должны быть заложены в роботах на уровне инстинктов. Они приписывали роботам некоторые ограничения действий, которые наделяли механизмы эмоциональной составляющей.

Появление законов

До формулирования трёх законов робототехники вся научная фантастика преподносила роботов как нечто угрожающее существованию человека. В произведениях часто встречался сюжет истребления роботами человечества. Азимов же, в своих рассказах пописывал устройства наделённые качествами, напоминающими совесть, честность, преданность.

В 1940 году беседа Азимова с его другом Джоном Кэмпбеллом по поводу последних новостей научной фантастики закончилась описанием трёх постулатов. По словам Кэмпбелла, он извлёк их из уже существующих произведений Айзека.

Значение законов

Обязательные правила поведения для всех роботов подчёркивают главенство человека над созданными им механизмами. Основной посыл заключен в приоритетной безопасности любого действия или бездействия устройства.

Однажды, в 1986 году в романе «Роботы и Империя» Айзек Азимов добавил нулевой закон. Добавление дополнительно закона обосновано его приоритетностью относительно остальных.

Нулевой закон утверждает, что действия робота должны быть направлены на интересы человечества, а не только отдельно взятого человека.

Таким образом, первоначальное и неотъемлемое значение робота — быть безоговорочным помощником человека, служить в интересах науки и всего человечества!

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.

Социальные и этические аспекты робототехники

Первая возникающая проблема — угроза безработицы. Футурологи предсказывают, что при такой скорости развития технологий нас ждет серьезная трансформация рынка труда и общественного устройства.

В 70-е годы проводили социологическое исследование в социалистических и капиталистических странах.В соц странах более 95% рабочих хорошо относились к внеднению роботов, в капиталистических это одобрили  менее 30%. Если в одних надеялись освободить время для  «творческого труда», то  в других — просто боялись безработицы.Отчасти поэтому развитие робототехники приостановилось. А сейчас почти все страны живут в условиях капитализма и возможность потери дохода — малоприятная перспектива.

Если люди не будут работать — откуда возьмется доход?

Не спровоцирует ли повсеместное внедрение роботов неолуддизм из-за угрозы безработицы и невостребованности. Если роботы возьмут на себя практически всю работу и на производстве и в офисах, а людям останется творческая и инженерная работа. Чем будет заниматься «средний» человек?

Сейчас уже есть все технологии чтобы освободить человека от монотонного неквалифицированного труда. В справочнике рабочих профессий нет ни одной специальности, которыю бы не сейчас на смог выполнять специально запрограммированый робот. Но реально ли общество, где каждый будет заниматься тем, чем вздумыается и делать общественный вклад «по способностям»?

В октябре 2014г. Оксфордский университет опубликовал исследование о перспективах использования робототехники, в котором допускается, что в течение последующих двух десятилетий до 47% сегодняшних рабочих мест в США могут быть заменены роботами. Наивно полагать, что все люди тут же начнут заниматься творчеством и научными исследованиями. Общество досуга будет обречено, и человечество в таком случае ждет неминуемое интеллектуальное расслоение.

Люди искусства фантазируют на тему восстания машин и уничтожения человечества. Эта угроза пока не имеет под собой оснований. Полноценный искусственный интеллект еще не изобретен, а все существующие роботы четко следуют прописаной программе. У них безусловно могут быть сбои в рамках их рабочей операции. 

Хотя по вине программного сбоя бывают и смертельные случаи.  Недавно на заводе Volkswagen был случай гибеля человека по вине робота-манипулятора. Разумеется это было никакое не восстание а программный сбой и несоблюдение техники безопасности, тем не менее такие прециденты иногда случаются.

Чем сложнее машина, тем больше вероятность сбоев, но это не значит что робот будет специально пытаться вредоносно воздействовать на человека. Никакой мотивации у него для этого нет.  Вот мы подошли и к другой проблеме, робот может нанести вред человеку, но только если его соответствующим образом запрограммировать.

Да, если дело касается военных операций, то здесь ситуация иная, те роботы разрабатываются для того, чтобы уничтожать и убивать… Это их основная операция, но ими пока управляют люди.

Коспирологи рассуждают о возможности появления этнического или иных видов оружия. Теоретически это возможно, будет ли реализовано это практически. А если высокие технологии будут доступны экстремистским организациям? 

Внедрение роботов в жизнь — глобальная задача, сейчас она действительно актуальна только для Японии и Южной Корее, но в дальнейшем по мере развия, может даже через 50 лет она будет актуальна и для всего мира.  

Как мы будет осуществляться это взаимодейсвие? 

В 2007 году правительство Южной Кореи начало разрабатывать «Устав этических норм для роботов». Основные положения Устава напоминают сформулированные А. Азимовым «Законы роботехники»:

1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред.
2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые даёт человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону.
3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому или Второму Законам.

В дальнейшем великий фантаст добавил еще «нулевой» закон:

0. Робот не может причинить вред человечеству или своим бездействием допустить, чтобы человечеству был причинён вред.

Но опять же современные робототехники признают, что на сегодняшний день азимовские законы невыполнимы на практике и вряд ли будут реализованы во всех роботах, ведь главные инвесторы данной отрасти — военные структуры. 

————————

P.S.

Фотографии взяты из открытых источников. Статья приведена для ознакомления. 

Education robots

Город: Москва

Стоимость обучения: от 6500 рублей в месяц за 4 занятия

Используемые платформы: Arduino, 3D-принтеры

Возраст: от 5 до 17 лет, есть курсы для взрослых

Education Robots не пользуется готовыми робототехническими конструкторами: программа построена так, что дети с нуля проектируют роботов, печатают детали на 3D-принтере, собирают схемы и программируют на C++ и Python. Поэтому обучение состоит из четырех модулей, которые сменяются каждые 3–4 месяца: в Education Robots ребенок пройдет 3D-моделирование и печать, электротехнику и электронику, программирование, гидравлику и основы проектной работы. Школа предлагает два групповых курса (для детей до 11 лет и подростков до 16 лет), а также индивидуальные занятия.

Примеры работы инженером робототехники

Если вы все еще мало представляете, чем же занимается инженер этого профиля, давайте рассмотрим несколько примеров, кем можно стать после окончания обучения.

Проектировщик детской робототехники. Это те самые роботизированные щенки, ходячие и говорящие роботы, развивающие игры и помощники для родителей

При разработке таких проектов важно учитывать особенности детский психики и физиологические характеристики ребенка.

Проектировщик медицинских роботов. Это «ювелирные» роботы, которые решают огромное количество задач в области медицины

Они могут спасать жизни, облегчать быт людям с инвалидностью и т.п. Сюда же относятся различного рода протезы и средства передвижения.

Проектировщик домашних роботов. Здесь фантазия инженера может разгуляться по полной. В домашнем хозяйстве роботы могут облегчить практически все: мойку посуды, сушку одежды, уборку дома, открытие вина, работу в саду и т.д.

Проектировщик промышленной робототехники. Это та сфера, в которой конструируют машины для создания других машин. Промышленная техника в значительной степени облегчает работу на производстве, помогает ускорить его процессы и эффективность.

И это далеко не все сферы деятельности, которые затрагивает робототехника — это пространство увеличивается ежегодно. Сюда также может входить и военная техника, и проектирование нейроинтерфейсов, и космическая промышленность, и многое другое. Хороший специалист никогда не останется без работы.

Три поколения роботов

1. Роботы первого поколения, освоенные промышленностью в 1960-х годах, работали по жесткой программе, не могли адаптироваться к изменяющимся условиям производства и внешней среды, а на входе требовали упорядоченного размещения ориентированных деталей в накопителе. Некоторые из первых промышленных роботов «Версатран» и «Юнимейт» функционируют до сих пор, преодолев порог в 100 тысяч часов рабочего времени. 
2. Роботы второго поколения работают по гибкой программе и используются для выполнения сложных производственных задач, например, для сборки прецизионных изделий. Прецизионный — обладающий высокой точностью или созданный с соблюдением высокой точности параметров. У таких роботов более развитый сенсорный аппарат, который обеспечивает работу по принципу «ситуация — действие» и способен выбрать оптимальный алгоритм функционирования в зависимости от хода производственного процесса.
3. Роботы третьего поколения — это уже интегральные или интеллектуальные системы, оснащенные новейшими средствами адаптации. Они имеют способность к самообучению и распознаванию образов, которая является важным элементом искусственного интеллекта. С развитием ИИ роботы получают возможность моделировать внешнюю среду, анализировать производственную обстановку, принимать решения и планировать собственные действия.

Польза от обучения

Основы робототехники напрямую связаны с навыками, предоставляемыми STEM-образованием. На подобных занятиях ребенок не просто проводит время с пользой, но и получает фундаментальные знания по множеству технических дисциплин, таких как физика, математика, программирование, моделирование и т. д.

Stem образование

Вся эта информация сопровождается практическими занятиями, что помогает усвоить материал намного проще. Благодаря таким курсам ребенок будет получать фундаментальные знания, весело проводить время, у него улучшится ситуация с точными науками в школе. Они станут более понятными и интересными.

Во время обучения вырабатывается навык усидчивости, внимательности и креативного мышления. Занятия подходят и детям с техническим мышлением, одаренным, которые скучают на уроках в школе. С помощью этого курса им потом намного проще будет поступить в технический вуз и развить навыки, необходимые для работы в науке.

Отвлечение от непродуктивных занятий

Социальные сети пользуются огромной популярностью. В жизни современных детей они занимают огромное место. Однако это непродуктивные занятия, как и многочасовые игры на компьютере. Нельзя ограничивать досуг только интернетом и просмотрами фильмов. Нужно расширять кругозор и получать обширные знания. Этому может поспособствовать школа робототехники и программирования для детей.

Знания из разных областей

Занимаясь в кружке, ребенок получит знания из различных сфер:

• Физика. Однако это будут не примитивные школьные опыты и скучные формулы, а применение законов на практике
• Математика. Дети не станут зубрить аксиомы с теоремами. Они будут вести реальные расчеты, помогающие получить работающее изобретение
• Проектирование, программирование. Только реальная практика, а не сухая теория

Опытные школьные педагоги всегда отмечают, что самое скучное для школьников – что-то учить. Просто так. В кружках робототехники они увидят результат того, что изучали. Дети получают наглядный пример! Поэтому ребенок развивается разносторонне, гармонично и у него не будет проблем с точными науками.

Работа в команде

Чуть выше мы уже говорили о соцсетях и их популярности. Однако они снижают у детей и подростков коммуникативные навыки и умения командной работы. А ведь при трудоустройстве важным аспектом является коммуникация. Поэтому возможны проблемы в будущем при реальном общении.

Занимаясь в кружках роботехники, можно научиться:

• Работать вместе с другими людьми
• Быть членом одной команды
• Находить оригинальные решения
• Выходить из сложных ситуаций
• Брать ответственность за себя и проект

Кроме того, серьезное увлечение роботехникой – это отличные перспективы в будущем

Закончив школу, можно легко поступить в технические ВУЗы, создав технику, — привлечь внимание солидных компаний

Школа Roboschool

Теперь посмотрим, чему учит детей и подростков в СПб школа программирования на Scratch, Python, Minecraft и робототехники Робоскул.

В школе создаются группы. Численность детей не превышает 12 человек. Ребята обучаются в классах, оснащенных необходимым оборудованием для качественной подготовки. К услугам детей:

• Интерактивные доски
• Ноутбуки
• Видеопроекторы
• Конструкторы
• Первоклассные учебники и учебная программа

Поэтому дети быстро и хорошо усваивают материал, применяя знания на практике. Опытные преподаватели способны быстро найти подход к детям, применяя в обучении игровые и интерактивные методы.

В школе дети изучают законы математики/физики на практике и основы:

• Роботехники
• Программирования
• Моделирования

Стоимость обучения зависит от конкретного курса (смотрите ниже). Диапазон цен колеблется в пределах 2 800 — 4 500 рублей. Количество занятий от 16.

Первый урок полноценный (60 минут), но носит ознакомительный характер. Родители могут не платить. Занятие пройдет в онлайн режиме. За это время ребенок сможет собрать
первого робота либо создаст полноценную программу!

Преподаватели на первом пробном бесплатном уроке:

• Расскажут о профессиях, которые можно освоить в школе
• Оценят навыки детей в сфере робототехники/программирования
• Подберут им оптимальный курс обучения
• Совместно с учеником создадут робота/игру либо напишут программу

Для проведения первого урока надо оставить заявку на сайте Roboschool Pro. Менеджер компании позвонит и можно будет договориться о времени проведения первого урока.

Курсы школы Roboschool и их стоимость

Roboschool предлагает в СПб обучение для детей и подростков в возрасте 5-17 лет.

Начиная с 10 лет и до завершения школы (17 лет), разрешается совершенствоваться на курсах Python.

Надо отметить, что занятия могут проводиться как дистанционно, так и в офисах компании.

Заключение или преимущества школы Робоскул

Подведем итог и соберем вместе преимущества школы Робоскул:

• Первое занятие бесплатное
• С детского возраста можно получить неплохие знания по программированию и робототехнике
• Уроки могут быть в классах и в онлайн режиме
• Много практических занятий
• Развитие коммуникативных навыков и умения работать в команде
• Качественно оборудованные помещения
• Опытные преподаватели

РАЗВИТИЕ РАБОТОТЕХНИКИ

Если опираться на историю развитие робототехники набирает большую актуальность в 20 веке в связи с научно-техническим прогрессом. Данный термин описал американский писатель, фантаст — Айзек Азимовов в 1942 году, используя целый мир, где человечество взаимодействовало в реальной жизни с роботами.

Конкретно история развития робототехники начинает активно развиваться в 60 годах 20 века. Тогда компания Unimation предоставила промышленный роботизированный механизм и организация General Motors активно внедряет роботов в свою деятельность. А уже к концу 60-х годов, в начале 70 был изобретен мультифункциональный робот Shakey, который имел много функционала и мог проанализировать свои действия.

Развитие робототехники довольно активно набирает обороты, что говорит об актуальности роботизированной техники в наше время. Многие специалисты в данной отрасли говорят о том, что данный процесс развития механизмов для упрощения жизни людей не остановить.

Мы можем заметить тот факт, что люди привыкли к технике и уже не могут представить жизнь без многих устройств, которые упрощают нам жизнь. Промышленность идет в ногу с развитием техники, и уже работу на заводах невозможно представить без специально запрограммированной техники. Где большую часть работы выполняет техника, а меньшая часть — это люди, контролирующие работу автоматических устройств.

Какой самый приятный отзыв вы услышали?

Оксана. Обычно: «Спасибо большое за занятие!» Или когда спустя два года ребёнок находит тебя в инстаграме и пишет в личном сообщении: «Спасибо, я вас не забуду!» И вот через время, ребёнок, которого уже даже не узнаёшь по фотографиям, шлёт тебе благодарность.

Хотите развивать в ребёнке логику, воображение, усидчивость и другие важные для 21 века качества? Тогда записывайте его в детскую IТ-школу в Адукар: актуально для ребят с 1 по 10 класс.

***

Перепечатка материалов с сайта adukar.by возможна только с письменного разрешения редакции. info@adukar.by

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. 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.