Робототехника в университете: разработка роботов для космоса

ться в XVII веке. Именно в это время появилось множество разработок и решений, которые стали настоящей революцией в области роботизированной техники. Например:

• Леонардо да Винчи собрал и, скорее всего, сам спроектировал механического рыцаря, сделал выдвижного льва, который показывал флаг Франции;
• Иван Петрович Кулибин создал часы в форме яйца (при этом было использовано порядка 450 элементов робототехники);
• Пьер Жаке-Дро разработал пишущего мальчика из 6000 деталей.

Законы робототехники

Их разработал в 1965 году Айзек Азимов. Это 3 правила робототехники, на которых основывается её работа:

• робот не может нанести вред человеку;
• робот выполняет все приказы человека, кроме тех, которые противоречат первому закону;
• робот заботится о своей безопасности.

Что такое робототехника: направления, виды

Робототехника – прикладная наука, которая занимается разработкой автоматизированных технических систем. Она существует в тесной связке с несколькими дисциплинами: электротехникой, механикой, радиотехникой, информатикой и электроникой. 
Евгений Дудоров выделяет несколько её подразделений:

• Промышленная робототехника. Сфера её применения – производство. Назначение промышленного робота – автоматизация манипуляций, выполняемых в разных промышленных компаниях. Сегодня такие машины активнее всего используются Японии. Среди ключевых отраслей, где они нашли самую широкую сферу применения: машиностроение, автомобилестроение, пищевая индустрия. Также промышленные роботы используются на железных дорогах для обслуживания подвижного состава.
• Сервисная робототехника. Назначение робототехники такого типа – выполнение какой-то типовой работы вместо человека. 

Робототехника в России: развитие и перспективы

В России сегодня существует около 6 роботов на 10 000 населения. Если сравнивать с мировыми показателями, это значение небольшое (во многих странах на 10 тыс. населения приходятся порядка 120 роботов). Промышленная робототехника в РФ требует создания новых технологий и решений для её более активного развития. А что касается сервисной робототехники, с ней дело обстоит в разы лучше. Сегодня Россия занимает в этой области на рынке робототехники второе место по разработкам. Сервисные роботы в основном применяются в маркетинговых целях.
Отдельную нишу занимают медицинские роботы, которые активно развиваются и в перспективе имеют большое будущее. Речь идет о роботах-хирургах, роботах для протезирования, ассистирования, реабилитации, медицинского обследования, содействия медицинскому персоналу, дезинфекции и пр.
Отдельного внимания заслуживают антропоморфные роботы, созданные по образу и подобию человека. Они делятся на роботы-андроиды (имеют очень высокую степень сходства с человеком) и роботы-гуманоиды (чем-то схожи с человеком, в основном это касается функционала). Их созданием сегодня занимаются около 200 компаний во всём мире. Например, в России пользуется популярностью робот Федор, “ключевой задачей которого была автономная работа в копирующем костюме, то есть когда мы через костюм подключаемся к роботу и можем им управлять”. Спикер акцентирует на том, что в России активно развивается робототехника. Здесь регулярно создаются новые решения, например, разрабатывается новый  робот «Система антропоморфная робототехническая».

Робототехника и космос

Сегодня роботизированная техника используется в космосе для выполнения нескольких важных функций:

• изменение функций человека на околоземной орбите;
• обеспечение возможности полётов человека на Луну;
• применение технических решений, позволяющих человеку осваивать Марс.

Спикер говорит:

Роботы несут огромный вклад в развитие космонавтики, ведь у роботов куда больше возможностей, чем у человека для создания инфраструктуры в условиях космоса.

Если робототехника и дальше будет развиваться в данном направлении, у людей появится возможность управлять роботами в космосе и проводить разные экспериментальные исследования.

В дополнение к теме

Основные компоненты робототехники

Робототехника – один из разделов прикладной науки, занимающийся вопросами производства, проектирования и применения роботов (автоматизированных технических систем). Роботы способны выполнять разные задачи без участия человека, что способствует расширению сферы их применения. Их действие осуществляется по такому принципу:

• человек создает определенную программу, в соответствии с которой планируется  выполнение поставленных задач;
• робот получает информацию о внешнем мире, анализирует и систематизирует ее;
• выполняет по установленному алгоритму производственные и другие операции;
• может действовать автономно либо посредством управления оператором.

Робототехника делится на несколько видов: манипуляторная и мобильная. К первой относятся устройства, которые имеют несколько степеней подвижности и работают посредством ПО. Вторая же более подвижна и может управляться управляемыми приводами. Большинство роботов конструкционно состоят из:

• внутреннего контроллера (это операционная система или “мозг”, который имеет необходимую для выполнения определенных задач информацию);
• источника энергии (некоторые устройства работают посредством использования батарей, а некоторые – через фотоэлементы, преобразующие солнечный свет в энергию);
• контроллеров и датчиков, которые позволяют управлять роботом дистанционно;
• сенсорами света и звука, благодаря которым роботизированные устройства распознают световое излучение, звуковые волны, разные предметы;
• датчиками давления, имитирующими осязание.

Также роботы оснащены приводами, выступающими в виде “мышечной массы” (ими могут быть электрические приводы, а также использующие сжатый воздух, химические вещества и пр.).  Среди основных компонентов  robotics могут быть:

• Двигатели постоянного тока и шаговые электродвигатели. Они не вращаются свободно, а поворачиваются поэтапно под управлением контроллера. Благодаря им можно не использовать датчик положения.
• Пьезодвигатели (или ультразвуковые).  Среди преимуществ таких устройств выделяют высокую мощность и скорость, которые не соизмеряются с размерами,  высокое нанометрическое разрешение и пр.
• Воздушные мышцы. Они накачиваются воздухом и сокращаются на 40% от собственной длины.
• Электроактивные полимеры. Это разновидность пластмассы, изменяющая форму за счет электрической стимуляции. Может сокращаться, растягиваться и гнуться. Благодаря таким мышцам у робота получается обгонять и опережать человека.

Направления в робототехнике

Развитие робототехники происходит за счет взаимодействия нескольких направлений:

• машиностроение (изучение физических составляющих робота (его “тела”), сопротивления материалов,  механики, физического дизайна и вопросами приведения робота в действие);
• электротехника (особенности организации “нервной системы” робота, программирование и внедрение теории управления);
• информатика (роботы управляются с помощью информационных технологий, поэтому без искусственного интеллекта, обработки естественного языка и навигации не обойтись).

Области применения робототехники

В наше время роботизированные технологии и робототехника используется в разных сферах:

• Промышленность. На современном рынке существует много промышленных роботов, которые используются во время выполнения производственных задач. Например, были созданы манипуляторы, упрощающие процедуру загрузки и разгрузки станков, программируемые контроллеры и пр. Роботы способны выполнять разные производственные операции 24/7, что помогает повысить эффективность бизнеса.
• Медицина. С помощью роботизированных систем создаются хирургические роботы и другие технологии, которые позволяют выполнять высокоэффективные операции и другие процедуры под управлением компьютера. Например, одной из самых известных разработок является робот Da Vinci, с помощью которого можно выполнять лапароскопические операции. Им пользуются в разных странах мира, и он во всех случаях демонстрирует потрясающие результаты. 
• Дом и быт. Каждый год создаются инновационные устройства, облегчающие выполнение домашних работ. Одним из самых популярных является робот-пылесос, который способен самостоятельно, без чьей-либо помощи, поддерживать чистоту в помещении, выявлять загрязненные участки и пр.
• Военная сфера. В последнее время создается большое количество боевых роботов, которые могут заменять человека при выполнении разных военных операций. Например, они используются во время разведки, разминирования и пр.
• Беспилотники.  Эта роботизированная летательная техника применяется для выполнения разных задач: отслеживание определенных участков, поисковые работы и пр. Компании создают устройства, которые могут функционировать в водной и воздушной среде, управляться дистанционно.
• Исследовательская сфера. Одно из главных мировых достижений в этой области – роботы-ученые. Они способны проводить исследовательские работы (например, применяются при исследовании вентиляционных шахт Пирамиды Хеопса) и даже совершать научные открытия.
• Транспортная сфера. Создание электрокаров, колесных или гусеничных движителей, шагающих систем, гибридных конструкций, сочетающих гусеничный и колесных ход, – все это обязано развитию робототехники. Подобный транспорт играет не последнюю роль в формировании экономики страны, в частности РФ, так как повышает возможности производственной сферы. Сюда же стоит отнести системы построения модели окружающего пространства посредством сканирования лазерным лучом или ультразвука (применяются во время гонок и позволяют определять препятствия, ориентироваться и грамотно маневрировать по пересеченной местности).
• Математика. Существуют алгоритмы самообучения взаимодействия роботизированной техники вместе с окружающими предметами. Например, была создана собака-робот, которая с помощью применения математических алгоритмов прошла обучение, такое же как и обычный человек, научилась самостоятельно двигаться, управлять своими конечностями и выполнять разные действия.
• Внешний вид. Многие страны работают над созданием роботов, которые имеют внешний вид (рост, телосложение, волосы, лицо и пр.), идентичный человеку. Они развивают технику имитации мимики и эмоций и уже представили миру робота, который может показывать страх, удивление, грусть, счастье и пр. Перспектива данного направления большая, ведь в будущем с помощью таких роботов можно роботизировать многие сферы и минимизировать участие в них человека.

Зачем робототехника детям

Специалисты утверждают, что знакомство ребенка с робототехникой должно начинаться с 6 лет. Научно доказано, что курсы, посвященные проблеме создания и развития “робосферы”, помогают детям развивать:

• дисциплину и ответственность;
• усидчивость;
• умение работать в команде;
• творческое мышление, внимательность;
• способность ориентироваться в пространстве;
• мелкую и крупную моторику, память.

Также, занимаясь конструированием роботов, ребенок:

• учится действовать поэтапно, выполняя работы от простого к сложному;
• знакомится с азами в области математики и компьютерных технологий;
• получает базовые знания английского (так как многие инструкции и элементы предоставляются на этом языке);
• получает хорошую подготовительную базу для изучения прикладных наук в будущем.

Подобные курсы и кружки организовываются по всей России. Например, можно найти много образовательных центров в Москве. Стоимость обучения зависит от количества уроков, особенностей преподавания теоретических и практических основ. В них ребенок может:

• узнать всю необходимую информацию о роботизированной технике;
• осваивает основы программирования, электротехники, математики, инженерии, механики, которые не входят в рамки школьных образовательных программ;
• научиться не только конструировать и собирать роботов из готовых деталей, но и проектировать собственные разработке;
• посмотреть на практике, как роботы могут взаимодействовать с разными сферами.

Пока бесплатных школ, работающих в этом направлении, немного, но правительство работает над тем, чтобы организовать и бесплатное обучение.