Роботы и перспективы робототехники сообщение
Обновлено: 07.07.2024
Прикладная наука, занимающаяся созданием и использованием роботов, всевозможных систем автоматизации, которая возникла как результат слияния кибернетики и механики, имеет гораздо более долгую историю, чем может показаться. На самом деле развитие робототехники началось еще до нашей эры, когда Архит Тарентский в IV веке до н.э. задумал создание первого в истории человечества робота – механической птицы из дерева, которую предполагалось приводить в движение паровой тягой для подъема до 200 метров ввысь.
Первый человекоподобный робот был сконструирован Леонардо да Винчи в 1495 году. Это был рыцарь, способный шевелить руками и вращать головой. К слову, в наше время ученым удалось создать реплику конструкции по эскизным чертежам. Но гораздо дальше всемирного гения продвинулся в XVIII веке механических дел мастер Жак де Вокансон, создавший уникальную утку, позже названную в его честь, а также играющего на флейте андроида, в числе умений коего было проигрывание 11 мелодий. История развития робототехники навсегда запечатлела это изображение.
К слову, сам термин "робот" был изобретен уже в XX веке. Что интересно, пришел он из литературы – в 1920 году писатель из Чехии Карел Чапек написал пьесу о производстве, выпускающем ненастоящих людей, где впервые было упомянуто это слово. Кроме того, его творение "Р.У.Р." стало передовым произведением о "злых" роботах.
Исторически развитие робототехники именно в ХХ веке стало происходить ускоренными темпами ввиду всеобщего научно-технического прогресса. Этот термин был придуман известным фантастом Айзеком Азимовым в 1942 году, создавшем целую вселенную, где люди жили бок о бок с роботами.
Непосредственно история развития робототехники берет свое начало в 60-х годах ХХ века, когда на производстве General Motors впервые начали использоваться промышленные роботизированные манипуляторы от компании Unimation. В начале 1970-х годов был создан первый мультифункциональный подвижный робот Shakey, который был способен оценивать и анализировать собственные действия.
Воплощением следующего этапа, чье влияние на развитие робототехники неоспоримо, стал робот-марсоход "Соджорнер", приземлившийся на Марсе в 1997 году. Он сыграл значительную роль в исследовании красной планеты. Примерно с этого момента начинается активнейшее развитие в этом направлении.
Довольно интересно отметить перспективы развития робототехники. По мнению экспертов, прогресс в этом направлении уже не остановить. Роботы и роботизированные комплексы стали неотъемлемым элементом последней промышленной революции, характерной чертой которой являются всеобщая роботизация производства и обширное внедрение аддитивных технологических разработок.
Автоматизация промышленных предприятий сейчас идет полным ходом, и сегодня уже вполне нормальная ситуация, когда на заводе трудятся всего 20–30 человек, а вся работа выполняется машинами. А в России перспективы развития робототехники еще и дополнительно стимулируются государством, чтобы сократить отставание от передовых стран.
Робототехника является одной из самых динамично развивающихся областей современной техники, и именно она задаёт вектор развития технологий. Робототехника развивается стремительными темпами, достижения в науке и технике предоставляют невероятные инструменты для создания самых необычных механизмов. Перед человеком открываются поистине невероятные горизонты. Но на пути развития робототехники есть ряд проблем, которые необходимо решать. На эти проблемы указывают многие ученые и философы.
Робототехника всегда шла об руку с развитием техники, а позже и электротехники, математики и других технических дисциплин. В зависимости от того, какая дисциплина в тот или иной период времени превалировала, изменялось и направление развития робототехники. Если сначала создавались роботы для развлечения людей, то потом сфера интересов сместилась в сторону промышленности, затем в сторону информатики и даже в сторону создания компьютеров.
Робототехника в современном мире
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Робототе́хника (от робот и техника ; англ. robotics — роботика , роботехника ) — прикладная наука , занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой развития производства.
Робототехника опирается на такие дисциплины:
Выделяют строительную, промышленную, бытовую, медицинскую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.(Википедия)
В робототехнике соединяются механика, система управления и искусственный интеллект, поэтому она является важнейшим направлением научно-технического прогресса. Робототехнику требуются знания в вышеперечисленных дисциплинах, в результате робототехник, в отличие от узкого специалиста, обладает широким кругозором и системным мышлением.
Робот – устройство, управляемое с помощью электронной платы или компьютера, который можно запрограммировать на выполнение определенных операций. Он является электромеханическим, гидравлическим, пневматическим устройством или их сочетанием, в зависимости от сферы применения, предназначенный для замены человека или облегчения его труда.
Управление роботами делится на:
телеуправление – то есть с участием человека;
Существует три класса устройств робототехники, это сборные устройства, манипуляторы и уже готовые работы.
Системы управления робототехнических устройств строятся на том же техническом базисе, что и все другие автоматические устройства. В отличие от автоматов робот не просто следует заранее вложенному в него алгоритму, а способен воспринимать внешние сигналы и в соответствии с ними адаптировать свои действия в изменяющейся ситуации. Важно понимать, что на данный момент ещё нет универсальных роботов, которых можно было бы использовать для любой задачи. Инженеры-изобретатели разрабатывают и программируют роботов отдельно для каждой конкретной задачи.
По уровню применения робототехника подразделяется на:
Игровая робототехника может быть предназначена для детей и для взрослых. Игровая робототехника для детей направлена на выработку у них интереса к программированию и инженерным наукам. Игровая робототехника может быть полезна и для взрослых, так как её применение может способствовать выработке навыков поведения в типичных жизненных и опасных ситуациях.
В рамках обучающей робототехники используются робототехнические комплекты для детских, учебных и досуговых центров на базе Huna, Lego, Fishertechnik, Arduino. Например, компания LEGO выпустила первый робототехнический конструктор в рамках новой линейки конструкторов MINDSTORMS в 1998 году, открывая детям дверцу в волшебный мир роботов.
Актуальность темы.
В 21веке робототехника используется во всех видах промышленности, строительства, быта, авиации, особенно в экстремальных сферах деятельности человечества таких, как военная, космическая и подводная.
Цель реферата.
Целью реферата является рассмотрение видов и типов роботов, а также сферы их использования в современном мире.
Строительная робототехника.
Строительная робототехника, как это понятно из её названия, связана со сферой строительства. То есть работа идёт над разработкой роботов, которых можно будет использовать как при строительстве различных объектов, так и, что интересно, при их разрушении. Трудоёмкость обоих этих процессов высока, да и технологичность каждой операции процесса строительства должна быть на должном уровне. Поэтому использование роботов в этой сфере поможет соблюдать установленные технические стандарты и требования, а также может помочь максимально исключить ошибки, допускаемые из-за человеческого фактора.
Промышленная робототехника.
Промышленные роботы уже активно используются на заводах и фабриках, при производстве игрушек, чайников, мотоциклов, конфет, а также в производстве действительно сложных изделий, например, автомобилей. Роботы могут без помощи человека варить металл, штамповать, собирать по частям готовые продукты, всё это происходит благодаря особым конструкциям и программам, которые определяют функционал каждого робота. Говоря иными, а именно научными словами, такие устройства предназначены для автоматизации производства — изготовления чего-либо без помощи человека.
Бытовая робототехника.
Роботы для использования в домохозяйствах, включая персональных роботов, как правило, узкоспециализированные - каждый под какой-то один вид деятельности. В перспективе можно ожидать появления многофункциональных, универсальных роботов, способных выполнять различные виды деятельности. Жаргонное название - "домашники". Отличаются многообразием видов, в зависимости от назначения. Они могут быть: помощниками для пожилых людей, дворецкими, кухонными работниками, охранниками и т.д.
В данное время всё усиливается спрос на умные дома, они позволяют быстро реконфигурировать одно и то же помещение в соответствие с текущими задачами в режиме реального времени. Электроприводы, повинующиеся заложенной программе или нажатию кнопок в приложении, выдвигают из недр робо-комплекса кроватили или столы, настраивают конфигурацию шкафов и полок. А в роботизированном доме даже перегородки между комнатами могут передвигаться так, как нужно сейчас хозяину. Как в ручном режиме, так и автоматически, например, в таком доме занавески раздвинутся как раз тогда, когда хозяин встает, одновременно включится, например, кофеварка.
Медицинская робототехника.
Главной целью развития медицинской робототехники является высокая точность и повышение эффективности лечения, уменьшение рисков нанесения вреда здоровью человека. В настоящее время роботы играют колоссальную роль в развитии современной медицины. Они способствуют точной работе при операциях, помогают провести диагностику и поставить правильный диагноз. Заменяют отсутствующие конечности и органы, восстанавливают и улучшают физические возможности человека, снижают время на госпитализацию, обеспечивают удобство, быстроту реагирования и комфорт, экономят финансовые затраты на обслуживание. Вот некоторые роботы применяемые в медицине: роботы хирурги, роботизированные протезы, нанороботы и многие другие медицинские роботы.
Авиационная робототехника.
Авиация в плане роботизации не отстаёт от других сфер деятельности человека.
В нынешнее время очень популярным являются беспилотные летательные аппараты (БПЛА). БПЛА - беспилотный летательный аппарат военного назначения, разновидность военного робота. В задачу этих автономных систем, созданных для полёта, входит выполнение миссий, потенциально опасных для человека.
Также в авиации широко используются промышленные роботы, задействованные в производстве, обслуживании и ремонте самолётов.
Военная робототехника.
К группе военных роботов относят всевозможные беспилотные разведчики, машины для минирования и разминирования местности. Был разработан даже настоящий робот-медик. Называется этот робот Bloodhound, а предназначен он для оказания помощи раненым, к которым невозможно приблизиться врачам из-за сильного огня со стороны противника. Bloodhound оснащён видеокамерами, радиостанцией с микрофоном и динамиками, а также стетоскопом. Все эти элементы робота позволяют медикам дистанционно управлять им, проводить первичный осмотр раненого и даже беседовать с ним. После постановки диагноза Bloodhound может остановить кровотечение (например, наложить повязку на рану) и сделать назначенный укол, который позволит раненому дождаться эвакуации. Благодаря таким роботам можно спасти огромное количество человеческих жизней.
В 2004 российские инженеры создали робота, способного обнаруживать и обезвреживать взрывные устройства. Такой робот способен проникать и доставлять в труднодоступные зоны средства наблюдения и разведки, а также осматривать подозрительные объекты и в случае необходимости осуществлять их транспортировку до места назначения или разминирование. Робот может работать индивидуально или в группе таких же машин.
Космическая робототехника.
Космороботы – это роботы, приспособленные работать в космическом пространстве. Преимущество космических роботов перед человеком заключается в том, что они могут работать в крайне неблагоприятных условиях и обходиться без каких-либо ресурсов, так как в большинстве случаев они работают на солнечных батареях. Также гораздо легче будет пережить потерю такого робота, чем гибель астронавта. Обычно, задача косморобота заключается в проведении какой-нибудь научной деятельности. Вообще-то, тоже самое может сделать и обычный робот, работающий на земной поверхности, но к космороботу есть несколько основных требований, которым он должен соответствовать.
функционировать в сложных условиях враждебной среды;
весить как можно меньше;
потреблять мало энергии и иметь долгий срок службы;
работать в автоматическом режиме;
обладать чрезвычайной надежностью;
Для того, чтобы соответствовать всем этим требованиям, учёные создают все новые и новые устройства, механизмы, приводы, микроконтроллеры, обладающие высокой прочностью и использующим как можно меньше энергии. Эксперты подсчитали, что отправление на Марс человека будет стоить примерно 200-300 миллиардов долларов, при том, что это будет безвозвратное отправление. Еще придется потратить несколько месяцев на психологическую адаптацию участников экспедиции. А отправка корабля, на борту которого будет робот, обойдется примерно в 5-10 миллиардов долларов. Так что роботы в космосе обходятся намного дешевле, чем люди.
Подводная робототехника.
В современной жизни человек уже использует роботов во всех сферах своей деятельности. В большинстве своём роботы являются не заменимыми помощниками, но всё чаще они используются там, где человек справлялся без особого труда. Благодаря своему интеллекту человек развил науку, и смог создать робототехнику, но из-за своей лени он всё чаще стремится заменить свой труд роботами. Но и этого человеку мало, теперь человек пытается создать, для своих роботов, искусственный интеллект. С искусственным интеллектом роботы смогут самостоятельно оценивать происходящее вокруг них и принимать решения по действиям, которые им необходимо произвести. Человеку не надо уже будет тратить силы и время на подачу необходимых команд и алгоритмов. Но такое положение дел может привести к деградации человечества, а возможно и исчезновения, как вида, с лица земли. Вполне возможно, что великие достижения человеческого разума и человеческая лень, могут обернуться против самого человека.
Прейко М., Устройства управления роботами: схемотехника и программирование – М.: Издательство ДМК, 2004, 202с.
Сведения о первом практическом применении прообразов современных роботов – механических людей с автоматическим управлением – относятся к эллинистической эпохе. На маяке, сооружённом на острове Фарос, установили четыре позолоченные женские фигуры. Днём они горели в лучах Солнца, а ночью ярко освещались и всегда были хорошо видны издалека. 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 3 (1136–1206). Так, он создал лодку с четырьмя механическими музыкантами, которые играли на бубнах, арфе и флейте.
Чертёж человекоподобного робота был сделан Леонардо да Винчи 4 около 1495 года. Записи Леонардо, найденные в XX веке, содержали подробные чертежи механического рыцаря, который мог сидеть, раздвигать руки, двигать головой и открывать забрало.
В XVI–XVIII веках в Западной Европе получило значительное распространение конструирование автоматонов – заводных механизмов, внешне напоминающих человека или животных и способных иногда выполнять достаточно сложные движения.
Французский механик и изобретатель Жак де Вокансон 5 создал в 1738 году первое работающее человекоподобное устройство – андроид, которое играло на флейте. Он также создал механических уток, которые, умели клевать корм.
Активное развитие робототехники и массовое производство автоматизированных машин начинается в конце XX века. Это были промышленные роботизированные машины, которые использовались в производстве. Они успешно заменили людей на конвейерах и выполняли однообразные работы, что позволило существенно снизить количество несчастных случаев на производстве, а также повысить производительность труда в промышленном производстве.
- распознавание объектов благодаря встроенной видеокамере робот может следить за движущимися объектами, распознает окружение;
- понимает жесты, может верно истолковывать жестикуляцию;
- может пожимать руку в знак приветствия или прощаться;
- двигается безопасно для себя и окружающих;
- понимает, что такое ступенька, и не упадет с неё, также без усилий обойдет человека, который остановился у него на пути;
- работает со звуками, в голову и тело робота встроено 8 микрофонов, соединенных с системой управления, которая способна распознавать звуки с точностью 80 %.
Рис 1 – Робот АСИМО
Более того, робот АСИМО способен распознавать три потока речи, то есть понимать, о чём говорят три человека одновременно (кстати, такая способность не каждому человеку доступна). Робот без труда определяет, откуда пришел звук, различает голоса, отделяя человеческую речь от других источников шума. Робот отзывается на своё имя, поворачивает голову к собеседнику, а также реагирует на звуки, несущие тревогу или опасность.
Другой удивительный робот – робот София – это первый в мире робот, получивший гражданские права. Робот по имени София была создана в 2015 году, родом она из Гонконга – из компании Hanson Robotics. Над её появлением на свет работала международная команда специалистов, а программное обеспечение объединило решения ведущих предприятий мира. Робот-андроид София распознаёт речь, непосредственно связанной с Google. Её искусственный интеллект изготовлен компанией SingularityNET, использовавшей для этого блочкейн-технологии. Внешний вид Софии достаточно футуристичен. Ее автором выступил доктор Дэвид Хэнсон (Dr. David Hanson), известный своими интересными проектами в робототехнике. У робота Софии интригующая улыбка и выразительные глаза. Последнее достигается благодаря вмонтированным в глаза камерам: это помогает роботу устанавливать с человеком зрительный контакт, также робот-София умеет выражать свыше 60 эмоций и активно использует это во время общения с людьми: моргает, округляет брови, хмурится, улыбается, двигает шеей и головой сообразно произносимым или услышанным словам.
Рис 2 – Робот София
Рис 3 – Робот София
Кроме того, она умеет узнавать людей и, как мы уже отмечали выше, выражать свыше 60 эмоций, поэтому наблюдать за тем, как она общается, весьма интересно. Робот София строит достаточно сложные предложения и способна поддерживать разговоры даже на философские и абстрактные темы. Конечно, чаще всего ее спрашивают о совместной будущей жизни роботов и людей, о развитии искусственного интеллекта. Например, в конце октябре София выступила на конференции Future Investment Initiative, где получила гражданство, поблагодарила участников, рассказала о себе и ответила на ряд вопросов журналистов.
Отдельным актуальным направлением роботизации является создание боевых роботов. 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 местности и т. п. 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. Примерами таких устройств являются роботы: авиационные беспилотные с дистанционным управлением, подводные аппараты и надводные корабли. Большинство боевых роботов являются устройствами так называемого телеприсутствия, немногие модели имеют возможность выполнять некоторые задачи автономно, без вмешательства оператора.
Конечно же, в настоящее время роботы не способны работать самостоятельно. Для контроля над ними нужны люди, которые постоянно следят за ходом выполнения работ и в случае необходимости могут выключить их либо перенастроить. Отметим важный факт, что в роботы способны строить других роботов, которые в свою очередь способны трудиться на производстве таких же автоматизированных машин. Научная активность в развитии робототехники очень высока. Каждый год появляется огромное количество роботов, способных заменять людей.
СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Макаров И. М., Топчеев Ю. И. Робототехника: История и перспективы. – Изд-во Наука, 2003.
Развитие робототехники будет во многом зависеть от смежных отраслей: науки о материалах и достижений компьютерной техники. Аналитики Сбербанка выделили основные тенденции в отрасли на ближайшие пять лет
Авторы ежегодного обзора рынка робототехники, который выпускает Сбербанк, обсудили со специалистами фундаментальные тенденции в этой области и в докладе за 2019 год представили 11 направлений, которые в ближайшие пять лет окажут наибольшее влияние на развитие робототехники в России и мире.
1. Новые материалы
Даже если учитывать простейшие промышленные манипуляторы, в 2019 году на одного робота приходится около 3,5 тыс. человек, и соотношение это едва ли вырастет без радикальных перемен в науке о материалах, из которых создается робототехника, уверены авторы обзора. Особое внимание они уделяют двум перспективным материалам:
- нитрид галлия (GaN), который может успешно заменять кремний для производства транзисторов;
- графен, супертонкий и суперпрочный материал, из которого можно производить исполнительные приводы роботов, новые аккумуляторы и много чего еще.
2. Новые источники энергии, технологии ее сбора и хранения
Учитывая количество тепла, выделяемого при сгорании бензина и потребности человека в энергии, несложно высчитать, что если бы люди питались бензином, им нужно было бы всего 150 г топлива в день. В свою очередь, электромоторы сейчас еще менее энергоэффективны, нежели двигатель внутреннего сгорания. Чтобы роботы по своим возможностям могли конкурировать с человеком, нужны прорывные технологии в их энергообеспечении.
Например, это совершенствование нынешних литиевых аккумуляторов, создание новых элементов питания на основе водорода и прочее. Также нельзя забывать и об альтернативных, возобновляемых источниках энергии. Наконец, может быть реализована технология дистанционной подзарядки робота, например, от встроенных в пол или стены источников энергии.
3. Взаимодействие групп роботов и людей
Речь идет о системах управления беспилотным трафиком. Чтобы избежать несчастных случаев и аварий, транспортные роботы должны иметь канал взаимосвязи как с человеком, так и друг с другом.
4. Навигация в экстремальных условиях
Роботы должны понимать, что они делают и куда они двигаются не только в нормальных для человека условиях, но и там, куда люди просто так попасть не смогут: например, в горах или на морском дне.
Кроме этого, нельзя исключать ситуации, когда робот останется вообще без связи (например, под землей или при поломке спутника). На этот случай важно разрабатывать полностью автономную систему навигации для беспилотных устройств. Подобные наработки уже сейчас есть как за рубежом, так и в России.
5. Машинное обучение
повышение эффективности использования нейросетей за счет усложнения их архитектуры или снижения энергопотребления;
обучение алгоритмическим процедурам вместо жесткого программирования, что упростит, а значит, и ускорит процесс получения машиной навыков;
массовое внедрение облачных сервисов для машинного обучения;
совершенствование двигательных действий роботов благодаря технологиям искусственного интеллекта.
6. Человеко-машинное взаимодействие
Экономика роботов, как и всех других инновационных технологий, заключается в повышении производительности труда. То есть автоматизация — это не самоцель, а инструмент повышения экономической эффективности. Авторы обзора склоняются к тому, что наилучший результат покажет не замена людей роботами, а их сотрудничество. По их словам, взаимодействие роботов и людей будет развиваться по четырем основным направлениям:
- робот как инструмент, повторяющий возможности человека (например, экзоскелеты и протезы);
- робот как инструмент, расширяющий возможности человека;
- робот-аватар, то есть машина, дистанционно управляемая человеком в труднодоступных местах;
- социальное взаимодействие с человеком, например голосовые помощники и чат-боты.
7. Манипуляционная робототехника
В первую очередь речь идет о совершенствовании обратной связи сенсоров. Робот, захватывая объект, должен будет детально сообщать оператору его вес, размеры, силу сжатия и т.д. Также новые компьютерные технологии позволят программировать более сложные траектории движения манипуляторов.
Чтобы обучать роботов, нужны большие объемы данных. Чтобы их получать, необязательно строить модель робота — иногда это может быть экономически невыгодно, иногда даже опасно для человека. Поэтому объемы создания компьютерных симуляторов робота с расширением автоматизации будут только увеличиваться.
10. Новый привод
Фундаментально принципы создания приводных механизмов едва ли изменятся, но и тут авторы обзора находят поле для внедрения инноваций. Помимо указанных в первом пункте новых суперпрочных материалов, это могут быть новые двигатели и редукторы.
11. Проектирование и производство
Опять же речь идет в первую очередь об инновациях в программном обеспечении. Библиотеки электронных компонентов, качественные цифровые дневники, инструменты виртуальной реальности способны упростить процесс проектирования изделия.
На этапе же производства стимулировать прогресс робототехники станет появление новых материалов, их удешевление, а также развитие 3D-печати. Здесь также не обойтись без оптимизации программного обеспечения, которое позволит создавать новые машины проще и быстрее.
Читайте также: