История зарождения робототехники
По сути, робот — это кибернетическое устройство, способное выполнять определенную физическую или умственную работу за человека, согласно записанной в него специальной программе, с учетом внешних факторов. Первые идеи таких механизмов берут начало в древнегреческих мифах, но реальное воплощение они нашли только в 20 веке.
Термин «робот» появился благодаря чешскому писателю К. Чапеку, который использовал его в своей пьесе в 1920 году, а первые реальные прототипы современных андроидов — в 1930-х годах. Развитие робототехники было стимулировано работой Г. Форда над производственными линиями. Первая в мире компания по производству промышленных роботов (Unimation) появилась в США в 1956 году, а ее первенец, промышленный робот, был выпущен General Motors в начале 1960-х годов. Примерно в это же время появилась лаборатория по исследованию искусственного интеллекта.
Крупным достижением в робототехнике стала разработка микропроцессорных систем управления в 1970-х годах, что удешевило производство роботов, и разработка формального языка программирования роботов в 1982 году. Первый робот с электрическим приводом (Scara) был выпущен компанией Adept в 1984 году. Бурное развитие робототехники началось в начале 21 века. Она распространилась на многие сферы человеческой деятельности, начиная от домашних дел и заканчивая управлением космической станцией.
Существует 3 важных этапа в развитии робототехники:
- Создание роботов 1-го поколения. Они были освоены промышленностью в 1960-х гг. Они содержали конкретную программу, которая не могла адаптироваться к изменяющимся внешним факторам. Наиболее заметными представителями являются роботы Versatran и Unimates.
- Создание роботов поколения II. В них встроена гибкая программа, способная выполнять сложные производственные задачи, включая высокоточную сборку. Появилась возможность выбора оптимального режима работы в условиях меняющихся внешних факторов.
- Были созданы роботы третьего поколения. В них используются инновационные адаптивные технологии, возможности обучения и распознавания образов. Был сделан важный шаг в направлении искусственного интеллекта.
Таким образом, современный робот — это устройство с определенной программой, но способное воспринимать окружающий мир через систему датчиков, строить модели поведения, принимать решения и воздействовать на физический мир различными способами.
Каких видов бывают роботы
Существует общепринятое разделение робототехники на типы в зависимости от общей области применения. При этом используется классификация, предложенная в вышеупомянутом стандарте ISO 8373:2012:
- Промышленные роботы. Предназначен для выполнения задач в области промышленной автоматизации. Как правило, это манипуляторы всех видов. Например, ученые из Новосибирска разработали робота, способного сортировать бытовые отходы.
- Сервисные роботы. Они призваны заменить или дополнить человека при решении типичных и рутинных задач в сфере услуг. Например, компания OrionStar выпустила Robotic Coffee Master — робота-бариста, способного варить кофе на уровне мастера.
Грубо говоря, промышленные роботы находятся в цехе, а сервисные роботы — вне цеха.
Виды роботов по сфере применения
По сфере применения роботы делятся на бытовые, сервисные, медицинские, военные, промышленные, космические, развлекательные и образовательные.
Медицинские помощники
Автоматизированные медицинские устройства используются для выполнения медицинских или диагностических процедур. В эту категорию входят такие роботы, как:
- Хирурги. Используется для проведения хирургических вмешательств и манипуляций. Выполнять функции ассистента в дополнение к операции.
- Фармацевты. Приготовление и сортировка лекарств.
- Протезисты. Их роботизированные аналоги помогают частично восстановить функции утраченных конечностей.
- Трансплантация. Используются в качестве замены внутренних органов, которые перестали функционировать или были повреждены. Эти ткани могут полностью заменить некоторые части тела.
- Воспитатели. Используется при уходе за пациентами, которые не в состоянии ухаживать за собой самостоятельно.
- Диагностика. Составление плана лечения и постановка диагноза путем анализа обследований и истории болезни.
- Симуляторы пациента. Используется для обучения или повышения квалификации медицинских работников.
Сервисные
В эту группу роботов входят устройства, которые не подходят под другие категории. К сервисным роботам можно отнести инструменты для сбора данных, демонстрации новых технологий, исследовательские машины, а также роботы, используемые в сфере услуг — консультанты, администраторы, промоутеры, гиды и т.д.
Роботы-учёные
Первые роботы-ученые, Адам и Ева, были созданы в рамках проекта Университета Аберистуита «Робот-ученый», и в 2009 году один из них сделал свое первое научное открытие.
Были исследованы вентиляционные шахты Великой пирамиды Хеопса и обнаружены так называемая дверь Гантенбринка и ниши Хеопса[источник не указан 2343 дня].
Роботы-учителя
Один из первых примеров робота-учителя был разработан в 2016 году молодыми учеными из Томского политехнического университета. В мае 2016 года пресс-служба университета сообщила, что учащиеся старшей школы университета смогут получать теоретические и практические знания по математике, физике, химии и информатике с помощью робота, начиная с осени того же года.
Роботы для обеспечения безопасности
Роботы широко используются полицией, службами государственной безопасности, службами чрезвычайных ситуаций, ведомственными службами безопасности и службами вневедомственной охраны. Первые испытания российского полицейского робота R-BOT 001, разработанного московской компанией «Лаборатория трехмерного зрения», состоялись в Перми в 2007 году. Роботизированные пожарные установки используются в операциях по тушению пожаров. Для оперативной разведки спасательные службы и полиция используют «летающих роботов — (беспилотные летательные аппараты). При проведении подводных обследований потенциально опасных объектов и поисково-спасательных операций службы МЧС России используют подводные роботы серии «Гном», выпускаемые с 2001 года московской компанией Underwater Robotics.
Военные роботы
В военном деле речь идет о многофункциональных технических средствах, которые заменяют человека при выполнении конкретных военных операций. Эти устройства наделены искусственным интеллектом и предназначены для выполнения задач, которые человек не в состоянии выполнить.
В современном мире можно выделить следующие разновидности военных роботов:
- Беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Они используются для наземных миссий, таких как наблюдение и сбор данных. Летающие роботы могут разрабатывать схемы ударов по точкам противника, проводить разведывательные операции.
- Наземное базирование. В эту группу входят военные машины, которые передвигаются по земле и работают без помощи человека — саперы, системы наблюдения и охраны и боевые подразделения.
- Военно-морской флот. В эту категорию входят надводные и подводные роботизированные устройства, используемые для наблюдения, разведки, разведки, поиска мин.
Они предназначены как для военных операций (в качестве основной оперативной силы), так и для помощи военнослужащим: к ним относятся роботы для переноски тяжелых грузов (американский проект BigDog был разработан в надежде, что робот сможет переносить оборудование и помогать солдатам на местности, где обычные машины не могут передвигаться), роботы-саперы и экзоскелеты, которые в настоящее время активно разрабатываются.
Роботы-игрушки
В эту категорию входят разновидности, используемые для развлечения или обучения детей.
Бытовые роботы
На данном этапе бытовые роботы служат в основном для развлекательных целей, но все большую популярность набирают роботы-уборщики, то есть автоматические пылесосы, способные убирать дом и возвращаться на подзарядку без вмешательства человека.
К этому типу роботов также можно отнести роботов, способных заменить человека при выполнении какой-либо работы: роботы-токари, манекены, медсестры и парамедики и тому подобное.
Промышленные роботы
Этот тип роботов в основном используется на промышленных производствах и в научных лабораториях.
Термин «промышленный робот» часто относится к системе автоматических манипуляторов, управляемых специальными программами, которые используются для операций, связанных с перемещением различных объектов.
Промышленный робот-манипулятор имеет от двух до шести степеней свободы, в зависимости от задачи, и может перемещать грузы весом до нескольких сантиметров на расстояние до нескольких метров.
Промышленные роботы часто используются для обработки и сортировки различных товаров (в том числе негабаритных), в качестве сварщиков, а также для покраски.
Использование таких роботов выгодно для многих отраслей промышленности, поскольку повышает производительность при сохранении высокого качества продукции, а также позволяет быстро адаптироваться к изменениям на производстве и потребительском рынке. Именно поэтому с каждым годом все больше компаний оснащают свои производственные линии роботами.
Промышленное оборудование помогает полностью или частично автоматизировать производственные процессы. Машины делятся на следующие типы в зависимости от их функций
- Литейные машины. Они используются для плавки и литья металла. К этой группе можно отнести крупнейшую разработку в области промышленной робототехники — 3D-принтеры. Основной проблемой при разработке таких роботов является обеспечение того, чтобы они могли выдерживать температуру плавления металла.
- Инструменты для обработки. Используется для придания формы деталям с помощью отрезных и штамповочных станков.
- Инструменты для сборки. Используется для физического выравнивания или пайки компонентов в электронных схемах.
- Машины для нанесения покрытий. Они используются для автоматического распределения лаков и полировки поверхностей.
- Строительство. Помогает автоматизировать строительство и добычу сырья. В эту группу входят те, кто занимается транспортировкой материалов и укладкой строительных материалов.
- Баггеры. Они оценивают качество продукции, сортируют и упаковывают ее. Они помогают автоматизировать заключительный этап конвейерного производства.
- Рабочие конвейера. Используется для доставки продукции. Чаще всего используются конвейеры.
- Сельское хозяйство. Автоматизируйте весь процесс выращивания сельскохозяйственных культур.
Развлекательные
Они не требуют постоянного вмешательства человека в их работу и способны взаимодействовать с людьми в домах или развлекательных заведениях. В эту группу входят:
- Андроиды, которые имитируют поведение членов семьи. Они могут «сливаться с окружающими», общаться с ними и передвигаться по комнате.
- Роботы-животные. Автоматические устройства, которые заменяют домашних животных, имитируя их поведение и звуки.
Классификация по типу управления
Тип роботов также определяет, насколько они автономны и как функционируют. По типу управления роботизированные устройства делятся на:
- Автономность. Решает задачи без необходимости вмешательства человека. Устройства получают и анализируют информацию с помощью искусственного интеллекта. Считается самым передовым техническим средством, но устройство, способное критически мыслить, еще не создано, такие удары пока приводят к ошибкам в тех случаях, когда задача имеет несколько вариантов решения. Автономные транспортные средства могут включать беспилотные автомобили, дроны.
- Полуавтономный. Они не требуют постоянного контроля, выполняют действия по заранее заданному алгоритму. Эти роботы не отклоняются от плана, составленного человеком. В эту группу входят сборщики и станки с ЧПУ.
- Контролируется. Требует постоянного вмешательства человека. Управляется с небольшого расстояния или дистанционно с помощью ввода данных. В эту категорию входят экзоскелеты, медицинские изделия.
Разделение по методу передвижения
Внешний вид и дизайн робота во многом зависит от того, как он двигается. С этой точки зрения роботизированные машины делятся на:
- Колесо. Это самый простой способ передвижения. Характеристики машины зависят от количества колес. Машины с небольшим количеством движущихся частей более маневренны. Большее количество колес способствует устойчивости машины, улучшает проходимость.
- Отслеживание. Этот метод часто используется на военных машинах. Гусеницы позволяют автомобилю без труда преодолевать труднопроходимую местность.
- Ходьба. Имитация ходьбы затрудняет создание андроида. Добиться требуемой стабильности практически невозможно.
- Летательные. В эту категорию входят беспилотные летательные аппараты, дроны и ракеты.
- Плавающие. Осуществляет навигацию с использованием энергии ветра или гребного винта. Может работать как над водой, так и на глубине.
Большинство автоматических устройств, в отличие от человека, не подвержены негативным воздействиям, что позволяет использовать роботов в различных сферах.
Одноколесные роботы
Все мы хотя бы раз катались на велосипеде или мотоцикле, но многие ли из вас ездили на одноколесном велосипеде? Проблема в том, что одноколесные велосипеды так же неустойчивы, как и велосипеды, поэтому их трудно удержать в равновесии, а без правильной поддержки вы можете упасть в мгновение ока.
Создание одноколесного робота — сложная задача для инженеров, поскольку необходимо сделать его динамически устойчивым и эффективным. Одним из таких примеров одноколесного робота является MURATA GIRL.
Murata GIRL или Murata Seiko-chan — это моноциклетный робот, созданный японской компанией по производству электроники Murata. По данным компании, он оснащен усовершенствованными гироскопическими датчиками, которые позволяют ему сохранять равновесие, устройством Bluetooth для связи и ультразвуковым датчиком для обнаружения цели. Эти компактные роботы могут пригодиться в местах большого скопления людей.
Двухколесные роботы
Хотите создавать собственных роботов? Если да, то небольшие двухколесные роботы могут стать для вас подходящим вариантом. Их простая и эффективная конструкция является причиной того, что двухколесные роботы стали обычным явлением. Все, что вам нужно, — это пара моторов и два колеса для движения.
Но, как и у любого другого робота, у них есть и свои недостатки. Двухколесные роботы плохо удерживают равновесие, потому что они используют только два колеса с каждой стороны и должны постоянно находиться в движении, чтобы сохранять вертикальное положение. Чтобы сделать его более устойчивым, батареи установлены прямо под его корпусом.
Трехколесные роботы
Трехколесные роботы обычно бывают двух типов, в зависимости от характера управляемых колес. В первом типе два колеса приводятся в движение отдельно, а третье колесо свободно вращается для балансировки (с дифференциальным рулевым управлением). Во втором типе два колеса питаются от одного источника, а третье колесо — от другого.
В случае трехколесных роботов с дифференциальным управлением направление, в котором движется робот в любой момент времени, может быть изменено путем изменения относительной скорости двух ведущих колес. Когда оба колеса имеют одинаковую скорость и направление вращения, робот продолжает двигаться прямо вперед.
Трехногие и четвероногие роботы
Трехпедальные или трехногие роботы встречаются не так часто, но в Лаборатории робототехники и механики в Вирджинии был разработан радикальный трехногий робот под названием STriDER. В нем используется довольно новая концепция пассивной динамической локомоции для динамичной ходьбы и высокой эффективности, которая также может управляться с минимальным контролем.
В отличие от трехногих роботов, четырехногие роботы более популярны. Четырехногие роботы обладают большей устойчивостью, особенно когда не находятся в движении. Многие четвероногие роботы используют альтернативную технику ходьбы (в паре). Одними из лучших примеров четвероногих роботов являются WildCat, Cheetah и Big Dog.
Летающие роботы
Без тени сомнения, летающие роботы — самые популярные типы роботов. Уже сейчас некоторые крупные международные компании планируют внедрить эти летающие роботы в свою повседневную деятельность. Эти роботы не только крутые, они также прочные и аэродинамически надежные.
В некоторых районах компания Amazon начала доставлять товары с помощью летающих дронов. Эти полностью электрические и автономные беспилотники могут летать на расстояние до 25 км и доставлять клиентам посылки весом не более 2 кг менее чем за 30 минут.
Плавательные роботы
И почему летающие роботы должны быть в центре внимания, почему не плавающие роботы. Да, они такие же крутые, как и летающие роботы, с той лишь разницей, что вместо того, чтобы летать, они могут плавать. Эти роботы могут принимать форму насекомых, рыб или большой ползущей змеи.
Роботы-Гексаподы
В геометрии шестиугольник означает шестиугольный многоугольник, поэтому гексапод означает робота с шестью ногами, верно? Да, именно так. Хотя робот может быть идеально устойчив только на трех ногах, остальные ноги гексапода обеспечивают большую гибкость и расширяют его возможности.
Многие, если не все, конструкции гексапод вдохновлены движениями насекомых Hexapoda (в переводе с греческого — шестиногие). Они также используются для проверки различных биологических теорий о движении насекомых и управлении моторикой. Для передвижения эти гексаподы используют различные виды походки. К наиболее распространенным относятся:
- Альтернативная стойка: из шести возможных одновременно.
- Ползание: только одна нога остается на земле, создавая впечатление ползания.
Современные роботы от топовых производителей
Качество и надежность роботов во многом зависит от производителя. Существует несколько лучших компаний и моделей с доказанной эффективностью.
Kuka
Новый промышленный робот KR QUANTEC PA Arctic компании KUKA предназначен для работы в условиях экстремальных отрицательных температур без дополнительной защиты. Его разработчики ориентировались на пищевую промышленность, предлагая совместимые с морозильной камерой возможности, и именно этого они и добились. Робот способен выполнять различные манипуляции с замороженными продуктами.
- Диапазон температур -30°C — +5°C.
- Количество осей 5.
- Макс. нагрузка, кг 50.
- Макс. вылет 3195 мм.
- Положение для монтажа на полу.
- Грузоподъемность 240 / 180 / 120 кг.
- Система управления KR C4.
- Повторяемость ±0,06 мм.
- Класс защиты IP 65.
Universal Robots
Одним из роботов в линейке Universal Robots является робот armUR10. Он идеально подходит для сельскохозяйственного, фармацевтического и производственного оборудования. Его можно использовать для полировки деталей, литья, упаковки изделий, крепления болтов для сборки, склеивания, сварки и дозирования. Он удобен для работы с грузами и лабораторных приложений в экстремальных условиях.
Fanuc
Один из самых мощных промышленных роботов, FANUC M-2000iA/1200 идеально подходит для обработки материалов, транспортировки и укладки тяжелых грузов. Робот имеет большой ход, что позволяет ему обрабатывать большие заготовки. Она особенно популярна в машиностроении и кузнечном производстве.
GJS Ganker
Небольшой робот с металлическим корпусом, предназначенный для боевых действий. В бою Ганкер может атаковать мечами и лазерными пушками. Победа определяется встроенными датчиками со светодиодными индикаторами и системой подсчета очков.
Управление роботом осуществляется с мобильного устройства на базе iOS или Android через Wi-Fi соединение. Движения, комбинации атак и специальные приемы можно запрограммировать в приложении. Емкости аккумулятора должно хватить на 40 минут работы.
Ganker подходит как для детей школьного возраста, так и для взрослых любителей робототехники.
Syma K3
Робот-гуманоид, который танцует под музыку, поворачивает голову и передвигается с помощью дистанционного управления. Его основная цель — развлекать маленьких детей движениями и звуками. Емкости аккумулятора робота хватает примерно на час работы.
Полезны ли для человека современные роботы
Роботы выполняют широкий спектр задач, выполняя такие задания, как:
- обеспечение автоматизации производственных процессов;
- помощь по хозяйству;
- участие в космической и военной разведке, исследование районов, находящихся под водой или подверженных радиации;
- оказание помощи в обнаружении и тушении пожаров;
- проведение спасательных операций при обвалах, оползнях, крутых склонах;
- медицинские манипуляции, анализ истории болезни, диагностика;
- помощь в проведении научных исследований.
Современные андроиды с продвинутым ИИ все еще мало используются и выполняют в основном развлекательные функции. Однако они нашли и полезное применение — в качестве сиделок для пожилых людей или тех, кто ведет малоподвижный образ жизни.
Роботы-воспитатели могут помочь социализировать детей с аутизмом или нарушениями развития, которые не могут правильно воспринимать человеческие эмоции.
Роботы в культуре
Робот из фильма «День, когда Земля остановилась», который стал прототипом для многих роботов в научной фантастике
Роботы как культурный феномен появились в пьесе Карела Чапека «R.U.R.», где описывается сборочная линия, на которой роботы собирают сами себя. По мере развития технологий люди все больше воспринимали механических существ не только как игрушки. Литература отражала страхи человечества перед тем, что людей заменят их собственные творения. Фильмы «Метрополис» (1927), «Бегущий по лезвию» (1982) и «Терминатор» (1984) развили эти идеи. Мы видели, как роботы, наделенные искусственным интеллектом, становятся реальностью и взаимодействуют с людьми в фильмах Стивена Спилберга «Искусственный разум» (2001) и «Я, робот» (2004) режиссера Алекса Пройаса.
В научной фантастике мы знакомы с тремя законами робототехники, впервые сформулированными Айзеком Азимовым (при помощи Джона Кэмпбелла [56] ) в рассказе «Рондо» (1942):
В Японии стали популярны аниме-фильмы с участием роботов. Такие сериалы, как «Трансформеры», «Гундам», «Вольтрон», «Neon Genesis Evangelion» и «Gurren-Lagann», стали символами японской анимации. Во многом благодаря этому между 1980 и 1990 годами роботы стали частью национальной культуры Японии, а также частью стереотипов о ней[источник не указан 2589 дней].
Существует жанр видеоигр, напрямую связанный с роботами — мех-симуляторы. Наиболее известным представителем этого жанра является серия игр Mechwarrior. Такие игры, как Lost Planet , Shogo: Mobile Armor Division , Quake IV , Chrome , Unreal Tournament 3 , Battlefield 2142 , F.E.A.R. 2: Project Origin , Tekken , Mortal Kombat , можно управлять роботами. Другой пример видеоигры с роботами — Scrapland.
В браузере Mozilla Firefox, начиная с версии 3, есть специальная страница about:robots — виртуальное пасхальное яйцо с юмористическим посланием от роботов к людям.
Примеры использования роботов
Роботы широко используются в различных компаниях для выполнения разнообразных производственных задач. Можно привести несколько примеров:
- Упаковка и складирование. На больших складах с активной ротацией товаров эффективно используется робот-погрузчик Packaging World. При упаковке продуктов питания роботизированные системы Yasakawa хорошо зарекомендовали себя. Робототехника Роботы Tomorrow широко используются крупными компаниями Graphic Packaging, WestRock, Master Packaging и Malnove.
- Производство бумаги. Крепление этикеток, обертывание, упаковка и конвертирование предоставляются компаниями Control ENGINEering и Pulp & Paper Canada.
- Обработка древесины. Высококлассный робототехнический онлайн центр Willamette Valley Co. занимается покраской, обработкой и сортировкой изделий из древесины.
- Металлообработка. Внедрение роботов на предприятии Canadian Metalworking значительно повысило производительность. Роботы используются для обработки, транспортировки и хранения деталей, обслуживания станков и проведения проверок качества.
- Сталелитейное производство. Teesside Beam Mill Group использует роботов RobotWorx в своих сталеплавильных подразделениях. Они используются для автоматического производства различных стальных профилей.
Спрос на промышленных роботов растет с каждым годом. За крупными корпорациями следуют средние и малые компании. Затраты на приобретение оборудования быстро окупаются за счет повышения производительности и улучшения качества продукции.
Как будут развиваться роботы
Трудно представить, что роботы не смогут делать в ближайшие десятилетия. Уже созданы роботизированные мышцы, которые в 1000 раз сильнее человеческих и могут поднимать вес в 50 раз больше собственного. Дальнейшее развитие роботов потребует открытия новых материалов и свойств, а также достижений в области компьютерных технологий.
Программное обеспечение манипулятора со временем расширит возможности техники и датчиков. Например, роботизированная рука, захватывающая груз, сможет сообщить оператору его точный вес или размер, а новые компьютерные технологии смогут обеспечить более сложные траектории движения. Нейронные сети будут становиться более эффективными за счет повышения сложности их архитектуры и снижения энергопотребления. Мы продолжим наблюдать массовое внедрение облачных сервисов для машинного обучения, что позволит расширить двигательные действия роботов.
Резюмируем
- Устройство можно назвать роботом, если оно способно воспринимать и понимать окружающий мир и действовать в соответствии с ним.
- Роботы могут быть промышленными и сервисными.
- Промышленные роботы помогают автоматизировать производство, а сервисные роботы помогают людям выполнять сложные и рутинные задачи.
- Сервисные роботы могут быть личными и профессиональными.
- Персональные роботы используются для выполнения бытовых задач, и для каждой задачи необходима отдельная модель.
- Профессиональные роботы используются для решения бизнес-задач, и одна модель может быть запрограммирована на различные функциональные возможности.