Что такое робототехника: от теории к практике

Робототехника - это дисциплина на стыке инженерии, информатики и искусственного интеллекта. Она объединяет в себе элементы механики, электроники, информатики и других инженерных дисциплин, позволяя создавать автоматизированные устройства, которые могут выполнять разнообразные задачи.

Основная цель робототехники - разработка роботов, которые могут взаимодействовать с окружающей средой и выполнять определённые задачи без участия человека или с минимальным вмешательством. Это могут быть как полностью автономные системы, так и устройства, управляемые дистанционно.

Робототехника находит применение в самых разных областях, от промышленности и медицины до бытовых нужд и космических исследований. Робототехника плотно связана с мехатроникой - дисциплиной, которая посвящена созданию и эксплуатации электроприводов с управлением через ПО. Такие электроприводы состоят из узлов и создают сверхточные движения.

Наука опирается на электронику, механику, телемеханику, мехатронику, радиотехнику и электротехнику.

Результат работы инженеров - роботы, то есть автоматизированные устройства. Они выполняют работу вместо человека с помощью датчиков и программ. Иногда роботом управляет оператор, иногда машина действует автономно.

Внешний вид робота - второстепенная задача, так как их разрабатывают для решения конкретной задачи. Если, например, нужно, чтобы робот уничтожал сорняки лазером, он будет выглядеть как машина на колесах, которая ездит по полю. А если - чтобы обучал детей, то как мультяшный персонаж, который не может ходить, но имеет подвижную мимику.

Слева направо: робот-полольщик и ИИ-робот «Мокси»

Одна из ключевых особенностей роботов - это точное копирование движений животных и людей. Достигается через упомянутые выше электроприводы. По факту они являются мышцами роботов. За счет электроприводов роботы могут делать не только рутинную, опасную работу, но и точную - там, где человеку легко ошибиться.

За счет электроприводов роботы могут делать не только рутинную, опасную работу, но и точную - там, где человеку легко ошибиться.

История развития робототехники

Изначально робот появился как идея в мире фантастов в 50-х годах. Писатели представляли мир будущего, в котором машины существуют рядом с людьми и помогают им в разных сферах жизни.

Термин «робот» ввел чешский писатель Карел Чапек в пьесе «Россумские универсальные роботы», написанной в 1920 году. Чешское слово «robota» означает «принудительное рабство».

Первые роботы появились в промышленности, что ничуть не странно: автоматизация помогала быстро собирать изделия и выполнять монотонную работу. Первый робот-манипулятор был разработан Джорджем Деволом в 1954 году. Но это не помешало изобретателю оформить патент, открыть компанию Unimation и продать первого промышленного робота американской автомобильной корпорации General Motors.

Следующие, кто купил роботов Unimation, были автомобильные компании Chrysler и Ford. Робота Unimate использовали на литейном участке производства.

Советский Союз не отставал. Ближе к 40-м годам появились автоматические линии производства. Сначала для обработки деталей подшипников, а далее для создания тракторных поршней - причем автоматизировался весь процесс. В 1960-х годах изобрели устройство для укладки металлических листов и подводного робота «Манта» с чувствительным захватным устройством.

В 1969 году в СССР принялись за разработку промышленного робота «Универсал-50», после чего автоматизированные системы стали повсеместно появляться на крупных производствах. Так, робототехника захватила мир.

Робот Unimate

Роботов стали конструировать для всех сфер жизни человека. Лидеры по использованию роботов - промышленность и военные, но развиваются и другие сферы. Сами роботы тоже стали сложнее и совершеннее. Благодаря компьютерному зрению и искусственному интеллекту они могут различать предметы, анализировать речь людей и выполнять больше манипуляций.

Современные сферы применения роботов

Да в принципе везде, где есть монотонная, однообразная, либо опасная и сложная для человека работа. В военных целях роботов стали производить чуть ли не в первую очередь. Для сферы обслуживания выпускают роботов-официантов, нянь, консультантов, экскурсоводов, продавцов. Часто такие машины выглядят как люди, поэтому их называют андроидами.

Роботы-андроиды абсолютно автономны - то есть не управляются оператором, а обладают искусственным интеллектом: умеют анализировать информацию, накапливать опыт и становиться умнее. Их действия производит программа, которая сама выбирает, как роботу поступить в той или иной обстановке. Пример андроида - робот София с искусственным интеллектом.

Для производства создают особый тип роботов-манипуляторов, которые перемещают предметы, собирают механизмы, упаковывают грузы и выполняют другие операции. Например, в 2017 году российская компания Aripix Robotics создала робота-манипулятора Aripix A1.

В логистике активно используют роботов, причем для разных задач. Например, некоторые машины нужны, что перевозить грузы. Таких использует Amazon - американская компания электронной коммерции. Существуют также роботы-курьеры, например, для разноса еды или интернет-заказов. Такие есть у Яндекса.

Сельское хозяйство использует роботов, чтобы получать больше урожая и снижать стоимость продуктов. В отрасли используют беспилотников, чтобы орошать поля, «агрономов», задача которых - изучать состав почвы, сеять, собирать урожай, уничтожать сорняки, и роботов-животноводов для доения коров и кормления птиц.

Роботы точно знают, сколько воды, удобрения и света надо растениям. Отдельная категория роботов - роботизированные теплицы и целые фермы, например по разведению кузнечиков, которых употребляют в пищу. Они фактически полностью выращивают урожай без участия человека. Как, например, вертикальные фермы iFarm с ПО и дронами для управления процессами выращивания салатов, ягод и овощей.

В медицине используют роботов, которые ставят диагнозы, проводят операции и восстанавливают людям здоровье. Например, диагност IBM WATSON помогает врачам находить болезни. Отдельный тип роботов - роботы-пациенты, На них врачи учатся проводить операции, например ставить пломбы детям.

Робот-ребенок Pedia_Roid предназначен для стоматологов.

Роботы в медицине: будущее здравоохранения

Профессии в робототехнике

Роботехники, то есть разработчики роботов и роботизированных систем. На самом деле роботехники - это общее название. По факту инженеры занимаются разным: кто-то роботов собирает, кто-то программирует, кто-то чинит. На каждое действие нужен свой специалист, поэтому инженеры могут разделяться по специализациям.

Вот только некоторые из них:

• Инженер-конструктор. Занимается расчетами, например механической части на жесткость.
• Инженер-проектировщик. Создает чертежи и объёмные 3D-модели будущих роботов и их деталей.
• Сервисный инженер. Занимается диагностикой, монтажом роботов, чинит их по гарантии и обеспечивает техническую поддержку клиентов.
• Программист по роботехнике. Пишет программы, которые, по сути, и управляют роботом.
• Дизайнер инженерной графики. Придумывает внешний вид робота и пользовательские интерфейс, если робот, например, управляется через мобильное приложения.
• Инженер-испытатель.

Роботехники работают в автоконцернах, на авиационных предприятиях, в космической отрасли, инженерных компаниях, в различных стартапах.

Чтобы работать роботехником, придется получить высшее образование. Учиться можно в МГТУ им. Баумана, СколТехе, ИТМО, Политехе, Иннополисе, ЛЭТИ, РТУ МИРЭА, БГТУ «Военмех» им. Устинова, ВВА им. Выдают дипломы не только в вузах, но и в колледжах. Учиться надо четыре года. В колледжах готовят инженеров, которые смогут эксплуатировать и отслеживать роботов. Прийти в роботехнику могут программисты со знанием языков С, С++ и ассемблера. Именно на них пишут системные программы, которые управляют роботами и роботизированными системами.

Учиться можно по разным программам, а работать - по разным направлениям. Роботехники создают роботов для разных отраслей и сфер бизнеса.

Основные компоненты робота

Робот - это программируемое механической устройство, способное выполнять задачи и взаимодействовать с внешней средой без помощи со стороны человека.

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.

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.

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.

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 в промышленности и исследованиях

На сегодняшний день, роботы имеют массу применений. 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.

Роботы могут использоваться для выполнения сложных, опасных задач, а также задач, которые человек выполнить не в состоянии. 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.

Примеры роботов в космической отрасли

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.

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.

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. 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.

RMS использовалась для запуска и поиска спутников, а также оказалась бесценным помощником для астронавтов в процессе ремонта космического телескопа Хаббла. 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.

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. По конструкции робот напоминает человека.

Образовательная робототехника

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.

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.

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 в России и мире

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.

Роботов в России пока мало - всего 6 на 10 000 сотрудников, в то время как, например, в Германии 346 на то же количество человек. Но, что важно, роботехника этот не унылая работа с паяльником среди микросхем у станка, а разные возможности и направления. Специалисты - роботехники, могут заниматься дизайном, разрабатывать модели и прототипы или программировать готовых роботов. Выбор обширный, а зарплаты высокие.

Мы часто говорим, что за робототехникой будущее, но несмотря на развитость робототехнических технологий, вопросов остается очень много. На сколько робобудущее рядом или оно уже наступило, являются ли роботы угрозой для человека, куда приведут нас новые технологии и ИИ. На эти и другие вопросы попытаемся найти ответ в серии постов, посвященной робототехнике.

Promobot - разработчик и производитель робототехнических решений. Мы стремимся создавать многофункциональные продукты для бизнеса, образования, медицины и промышленности. Сегодня более 700 роботов работают в 45 странах мира: от США до Кувейта.

Классификация роботов по отраслям

Робототехнику принято классифицировать по отраслям. Существуют строительное, медицинское, бытовое, промышленное, авиационное, экстремальное направления. В отдельную категорию выделяют мобильную робототехнику. Этот раздел науки занимается решением задач по быстрой перенастройке роботизированных устройств под конкретные цели. Например, один и тот же робот может собирать готовые изделия, выполнять сварочные или лакокрасочные работы.

В области медицины робототехника активно развивается во многих направлениях. Автоматизированные системы также применяются для проведения диагностических процедур, реабилитации после операций и травм, дезинфекции помещений, доставки пациентам лекарств. Для пожилых людей и имеющих особенности здоровья разработаны интерактивные компаньоны.

С каждым годом в мире появляется всё больше умных устройств. Так, современные биопринтеры позволяют создавать сложные биологические структуры для пересадки: кожу, сосуды, хрящи, внутренние органы. Такие устройства получили название сервисных роботов. Большинство из них имеет интерактивный дисплей, отображающий дружелюбные эмоции, а также встроенный голосовой модуль.

Промышленная робототехника - это область науки, отвечающая за разработку и создание роботизированных устройств для использования на производстве с целью замены ручного труда на автоматический. Основная функция робототехники - упростить работу человека и сделать его жизнь комфортнее.

Функциональные возможности роботов

• Перемещение. Стационарные роботы должны иметь определённый охват действий. Самоходные - уметь перемещаться и сохранять устойчивость при движении.
• Ориентация в пространстве.
• Манипуляции.
• Коммуникация с человеком.
• Работа в связке с другими роботами.
• Обучение искусственного интеллекта.

Сфера робототехники стремительно растёт и развивается. Сейчас уже никого не удивишь игрушками с сервоприводом, автономными пылесосами и электронными консультантами в МФЦ. Гуманоидные роботы, раньше остававшиеся прерогативой писателей-фантастов, сейчас тоже стали привычной частью реальности. Данные устройства считаются наиболее перспективными и сложными среди всех существующих роботизированных платформ.

Развитие робототехники привело в том числе к появлению беспилотного транспорта. Роботизированные такси можно увидеть, например, в Сириусе, Иннополисе, Москве.

Несмотря на перспективность всеобщей роботизации, повсеместное внедрение высоких технологий пока невозможно. Этому препятствует высокая стоимость инноваций и отсутствие соответствующей правовой базы.

Промышленные роботы