- Роботехника
-
Робототе́хника (от робот и техника; англ. robotics) — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем (роботов). Термин введён писателем-фантастом Айзеком Азимовым в 1942 году (слово робот появилось ранее, в пьесе Карела Чапека «R.U.R.», 1920).
Робототехника требует большого запаса знаний в области электроники, механики, программного обеспечения и многих других дисциплин. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику. Интеллектуальный робот должен обладать способностью к самообучению и самоадаптации.
Содержание
Этимология
Слово «робототехника» было впервые использовано в печати Айзеком Азимовым в научно-фантастическом рассказе «Лжец», опубликованном в 1941 г. «Робототехника» базируется на слове «робот», придуманном в 1920 г. научным фантастом и Нобелевским лауреатом Карлом Чапеком для своей пьесы Р. У.Р. (Россумские Универсальные Роботы, чеш. Rossumovi univerzální roboti). Слово «робот» происходит от чешского слово «robota», означающего «крепостной труд» или, образно, «тяжелая работа». Однако, интерес к идеям, схожим с робототехникой, наблюдался еще до введения этого термина, в 8-7 вв до н. э. В «Илиаде» бог Гефест сделал говорящих служанок из золота. Архиту Тарентскому приписывают создание механического голубя в 400 г. до н. э. Роботы используются в промышленных, военных, прикладных и научно-исследовательских целях.
Компоненты роботов
Приводы
Нога робота, работающая на воздушных мышцах.Приводы — это «мышцы» роботов; части, которые преобразовывают потенциальную энергию в движение. В настоящее время самыми популярными приводами являются электродвигатели, но существуют и многие другие, некоторые из них работают от электричества, в то время как другие используют химические вещества или сжатый воздух.
- Двигатели: В настоящий момент большинство роботов используют электродвигатели, которые бывают нескольких видов. Двигатели постоянного тока, знакомые многим людям, быстро вращаются, когда через них проходит электрический ток. Если ток пустить в другом направлении, двигатели будут вращаться в обратную сторону.
- Шаговые электродвигатели: Как можно предположить из названия, шаговые электродвигатели не вращаются свободно, подобно двигателям постоянного тока. Они поворачиваются пошагово на определенный градус под управлением контроллера. Это позволяет проще ими управлять, так как контроллеру точно известно, на сколько был сделан поворот, без применения датчиков. По этой причине они используются на многих роботах и станках с ЧПУ.
- Пьезодвигатели: Современной альтернативой двигателям постоянного тока являются пьезодвигатели, также известные как ультразвуковые двигатели. Принцип их работы совершенно отличается: крошечные пьезоэлектрические ножки, вибрирующие со скоростью 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, а 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 животным.
- Электроактивные полимеры: Электроактивные полимеры — это сорт пластмасс, который изменяет форму в ответ на электрическую стимуляцию. Они могут быть сконструированы таким образом, что могут гнуться, растягиваться или сокращаться. Однако, в настоящее время нет ЭАП, пригодных для производства коммерческих роботов, так как все неэффективны или непрочны.
- Эластичные нанотрубки: Это многообещающая экспериментальная технология, находящаяся на ранней стадии разработки. Отсутствие дефектов в нанотрубках позволяет этому волокну эластично деформироваться на несколько процентов. Человеческий бицепс может быть заменен проводом из такого материала диаметром 8 мм. Такие компактные «мышцы» могут помочь роботам в будущем обгонять и перепрыгивать человека.
Манипулирование
Двигательный аппарат
Колесные роботы
Шагающие роботы
Другие способы движения
прыгающие роботы
Взаимодействие с людьми
Различают одномодальные и многомодальные интерфейсы взаимодействия. При реализации взаимодействия современных роботов с человеком большое значение имеют технологии распознавания образов и речи.
Контроль
По типу управления роботехнические системы подразделяются на: 1. Биотехнические: - командные (кнопочное и рычажное управление отдельными звеньями робота); - копирующие (повтор движения человека, возможна реализация обратной связи, передающей прилагаемое усилие, экзоскелеты); - полуавтоматические (управление одним командным органом, например, рукояткой всей кинематической схемой робота); 2. Автоматические: - программные (функционируют по заранее заданной программе, в основном предназначены для решения однообразных задач в неизменных условиях окружения); - адаптивные (решают типовые задачи, но адаптируются под условия функционирования); - интеллектуальные (наиболее развитые автоматические системы); 3. Интерактивные: - автоматизированные (возможно чередование автоматических и биотехнических режимов); - супервизорные (автоматические системы, в которых человек выполняет только целеуказательные функции); - диалоговые (робот участвует в диалоге с человеком по выбору стратегии поведения, при этом как правило робот оснащается экспертной системой, способной прогнозировать результаты манипуляций и дающей советы по выбору цели).
В развитии методов управления роботами огромное значение имеет развитие технической кибернетики и теории автоматического управления.
Динамика и кинематика
Образование
В области теории автоматического управления и мехатроники. Робототехнические комплексы также популярны в области образования как современные высокотехнологичные исследовательские инструменты. Их использование в различны учебных заведениях среднего и высшего профессионального образования позволяет реализовывать концепцию "обучение на проектах", положенную в основу такой крупной совместной образовательной программы США и Европейского союза, как ILERT. Применение возможностей робототехнических комплексов в инженерном образовании дает возможность одновременной отработки профессиональных навыков сразу по нескольким смежным дисциплинам: механика, теория управления, схемотехника, программирование, теория информации. Востребованность комплексных знаний способствует развитию связей между исследовательскими коллективами.Кроме того студенты уже в процессе профильной подготовки сталкиваются с необходимостью решать реальные практические задачи. Существующие работотехнические комплексы для учебных лабораторий: Mechatronics Control Kit, Festa Didactic, LEGO Mindstorms.
Источники
- Роботы в ближайшем будущем
- Д. Тодд - Шагающие машины: знакомство с роботами, у которых есть ноги - книга в формате
Российские интернет-проекты, посвященные робототехнике: [1] [2] [3] [4] [5]
- ИИ_НАНО Проект "Искусственный интеллект и нанотехнология в контексте Русской Идеи." Рассматриваются проблемы технологического прорывы, национальной безопасности и воспитания нового поколения инженеров. Имеется БД "Сотницы определений ИИ".
См. также
Wikimedia Foundation. 2010.
