Робототехника

Электромеханическая рука

Робототе́хника — отрасль техники и технологий, занимающаяся проектированием, разработкой и применением роботов. Роботы, оборудованные искусственным интеллектом, являются механическими устройствами способными выполнить разнообразные задачи — от автоматизации производства до выполнения сложных операций и предоставления поддержки людям в повседневной жизни. В современном обществе робототехника играет всё более значительную роль, оказывая значительное воздействие на различные сферы жизни.

Основные понятия и термины робототехники

Робототехника представляет собой разностороннюю сферу, охватывающую различные аспекты инженерии, электроники, программирования и механики, и она играет важную роль в современном мире. Основные концепции и термины в области робототехники.

Робот

Робот — это устройство, механическое или виртуальное, способное выполнять различные задачи или действия с минимальным или полным отсутствием контроля человека. Роботы могут применяться для широкого спектра задач, начиная от автоматизации производства и завершая выполнением опасных операций и содействием в бытовых обязанностях.

Искусственный интеллект(ИИ)

Это раздел компьютерных наук, который занимается созданием систем, способных имитировать интеллектуальное поведение и решать задачи, обычно требующие участия человека. Искусственный интеллект является важным элементом многих современных систем робототехники.

Датчики

Это устройства, предназначенные для преобразования физических параметров окружающей среды в электрические сигналы. В робототехнике датчики используются для сбора информации об окружающей среде, определения положения и обнаружения препятствий.

Актуаторы

Это устройства, применяемые для управления движением и действиями робота. Они могут быть электрическими, гидравлическими или пневматическими, используются для осуществления различных операций, таких как движение конечностей, захват объектов и выполнение сложных манипуляций.

Микроконтроллёры

Это компактные вычислительные устройства, часто применяемые в робототехнике для управления датчиками, актуаторами и другими устройствами. Они являются компактным и эффективным средством управления роботом.

Программирование

Это процесс создания инструкций, которые должен выполнять робот. Программирование роботов может включать различные языки программирования, такие как C++, Python, Java, а также специализированные инструменты для разработки робототехнических приложений.

История отрасли

Создание первых роботов относится к древним временам. История роботов в Древнем Египте и Греции наполнена драмой и загадками. До нас дошли лишь отдельные изолированные фрагменты этого периода. Тем не менее, именно из этого наследия выросли современные модели роботов.

Робот, построенный учениками средней школы Роберта О. Гибсона для сезона соревнований по робототехнике

История развития области робототехники находит своё начало с античных времён, с Аристотеля и Архимеда (V век до н. э.). Только в XX веке (в 1920 году) появилось понятие «робот» и его определения, благодаря чешскому писателю Карелу Чапеку (в пьесе «Rossumovi univerzální roboti»). В сюжете этой театральной постановки изобретатель создавал искусственного человека, способного выполнять тяжёлую и опасную работу на различных производствах. Важно различать развитие робототехники от простых механизмов. Основное отличие заключается в гибридном взаимодействии всех компонентов. Робот воспринимает внешние сигналы и в соответствии с ними устанавливает последовательность действий. Простое автоматическое устройство функционирует по заранее заданному алгоритму, что представляет собой существенное различие. Прогресс робототехники от первых примитивных моделей проявлялся в развитии способности к восприятию окружающей среды с использованием сенсоров.

Ранние представления о роботах

Краткая история робототехники ассоциируется в общественном сознании с достижениями прошлого столетия. Расцвет цифровых технологий способствовал созданию удивительных устройств во второй половине XX века. В литературе это отразилось особенно ярко, примерами могут служить такие произведения как:

• «Терминатор», «Трансформеры» — Айзек Азимов.
• «Голова профессора Доуэля» — Александра Беляева.
• «Аэлита» — Алексей Толстой.

и многие другие. Появление нового облика будущего, способного изменять мир, всегда привлекало внимание художников, мыслителей и предпринимателей. История создания роботов тесно связана с развитием механики. В древних Греции, Египте и Китае появились автоматические устройства, способные выполнять различные задачи. Например, известно, что Филон Византийский создал женщину-слугу, способную наливать вино из кувшина. Информация об устройстве этой «дамы» до нас не дошла, однако разработка подобного изделия была серьёзным достижением. Древнегреческий изобретатель Архит Тарентский оказал значительное влияние на развитие робототехники, сконструировав в V веке до н. э. механическую птицу, которая запускалась в воздух с помощью катапульты.

В Александрии, на знаменитом маяке Фаросе (который простоял более семи веков), были установлены статуи женщин. Они были уникальны тем, что указывали направление ветров и движение планет. С точки зрения робототехники, эти сакральные фигуры послужили важным стимулом для развития и могут считаться первыми роботами. Появление талантливого изобретателя Герона Александрийского было настоящим даром для человечества. Его изобретения — первый программируемый автомат и паровая машина. Принцип функционирования автомата был подобен работе перфокарт, на которых сохраняется информация.

В Сиракузах, на острове Сицилия, жил Архимед, известный своими сложными на те времена изобретениями. Боевой дрон был изобретён им. Кратко говоря, на стене крепости устанавливался рычаг («коготь»), который захватывал и переворачивал вражеские корабли.

Вклад науки и технологий в развитие робототехники

История робототехники тесно переплетается с эволюцией древних цивилизаций, таких как Китай, Египет, Месопотамия, Греция, Рим, Византия. Научные достижения и технические разработки тех времён уже достигли значительного уровня. Например, около двадцати веков до нашей эры в Древнем Египте создавались статуи, которые могли поднимать руки в храмах, указывая на наследников фараона во время религиозных церемоний. Важно отметить, что великий китайский философ Лао-Цзы описывал движущегося механического «человека» при дворе императора, который можно считать первым роботом. Развитие робототехники и появление новых моделей роботов в те времена было весьма активным. Древняя Греция считается колыбелью этого явления, где античные инженеры придумали множество инновационных разработок.

Появление первых двигателей и механизмов, таких как гидравлические, пневматические и паровые, стало возможным благодаря гениальности древних изобретателей. Даже краткое знакомство с этими достижениями подтолкнуло их к созданию более совершенных моделей.

Важные моменты в истории робототехники

Происхождение и развитие робототехники тесно связаны с эпохой Возрождения. С отступлением от церковного диктата появился интерес к работам античных инженеров и учёных, на чьём творчестве основана европейская цивилизация.

Значительный вклад в развитие робототехники внёс великий мастер XVIII века Жак де Вокансон, который провёл юность в школе ордена Иезуитов. Он усовершенствовал и создал новые пружинные и маятниковые механизмы, использующие гири и маятники для передачи движения. Это взаимодействие стало качественным прорывом в развитии и эволюции роботов. Следует упомянуть французского ткача Жозефа Мари Жаккарда, который в 1808 году придумал первые перфорированные карты. Это стало отправной точкой для появления первых автоматизированных линий, впервые в истории в промышленном масштабе возникло программирование. Без таких основ робототехника не могла бы развиваться.

В разных странах появлялись разнообразные механизмы, которые изначально рассматривались как игрушки, но пользовались большой популярностью. Изобретатели стремились к миниатюризации моделей, развивая механические игрушки-автоматы в Европе до начала XX века. Робототехника достигла определённого уровня совершенства в этом направлении, хотя ограниченными были блоки питания, такие как заводные пружины с недолговечным энергопотенциалом, достаточным только для игрушек, часов и прочего. Осознание потенциала робототехники заключалось не только в создании кукол и солдатиков для детей, а также в использовании радиопередатчиков и электрических двигателей. В 1902 году изобретение Николы Теслы радиоуправляемой лодки стало предвестником современных морских дронов.

Множество компаний и индивидуальных разработчиков стремились к созданию подобной техники, а электричество стало мощным драйвером для инновационных механизмов. Уже в 1920-е годы появились около тридцати машин, которые можно отнести к роботам. С каждым годом они становились всё более распространёнными. Электричество стало ключевым инструментом для передачи информации на расстоянии.

Современное состояние робототехники

После Второй мировой войны началось активное развитие технологий, связанных с созданием роботов. Знаковым событием стало появление первого промышленного робота в области атомной энергетики в 1948 году благодаря корпорации General Electric из США. Через восемь лет история развития роботов взяла новый оборот, когда Джордж Деволл из США основал компанию Unimation, которая стала первой, запустившей промышленное производство серийных роботов. Создание таких роботов вызвало широкий резонанс в мире и стало новым этапом в истории робототехники. Через десять лет после этого в промышленных развитых странах несколько десятков компаний начали выпускать робототехнические устройства. Продолжалось стремительное развитие технологий, а в области создания первых «умных» механизмов, лидерство досталось Японии.

Важнейшие типы роботов

Существует распространённое разделение робототехники на различные типы в зависимости от сферы их применения. Для этого используется классификация:

1. Промышленные роботы: предназначены для автоматизации производственных процессов. Обычно это различные виды манипуляторов. Например, в Новосибирске был создан робот, способный сортировать бытовые отходы.
2. Сервисные роботы: задача таких роботов состоит в замене или дополнении человека в выполнении типовых рабочих задач в области обслуживания. Например, компания OrionStar выпустила робота-баристу под названием Robotic Coffee Master, который способен делать кофе на уровне квалифицированного бариста.

Другими словами, промышленные роботы применяются в производственных помещениях, в то время как сервисные роботы работают за их пределами.

Области применения

Бытовая

Различные виды роботов интегрировались в повседневную жизнь человека. Пылесосы, газонокосилки, массажные устройства, автоматические чистильщики бассейнов и окон делают наш быт более удобным и приятным. Очень популярны стали системы «умный дом», которые управляют всеми процессами, начиная от кондиционирования и отведения воды, заканчивая затемнением окон и закипанием чайника.

Образование

Роботы широко используются в детских садах и школах для обучения. Интерактивные игры и логоробот «Пчёлка» (Bee Bot) помогают детям освоить основы наук, такие как чтение, письмо, математика, алгоритмизация и программирование. С помощью робототехнических модулей учителя проводят демонстрацию экспериментов, учат управлять промышленными механизмами и объясняют, как работают и программированы роботы. Уроки и факультативы по робототехнике способствуют заинтересованности детей в инженерном деле. В образовательной среде используются различные типы роботов: обучающие пособия, помощники учителей, тьюторы, оказывающие помощь детям с психическими и физическими особенностями развития, а также компаньоны.

Промышленность

Робототехника на производственных предприятиях охватывает широкий спектр областей: роботы применяются для сборки автомобилей и различных механизмов, выполнения сварочных работ, лазерной резки, окрашивания, упаковки деталей и других процессов. Они также участвуют в горнодобывающей промышленности, в том числе при добыче газа и других полезных ископаемых. Использование роботов способствует повышению точности операций, увеличению производительности и снижению риска травм.

Медицина

Лечение людей является одной из самых передовых областей, где применяется робототехника. Роботизированная хирургия активно развивается, позволяя проводить операции практически без участия человека. Люди, потерявшие конечности, могут вести нормальную жизнь благодаря бионическим протезам, которые управляются с помощью нервной системы. Технологии кибернетики играют важную роль в восстановлении зрения: роботы выполняют точные операции, а врачи имплантируют кибернетические сетчатки.

Космонавтика

Робот-геолог и химик

Робототехника имеет широкие возможности в космосе. Исследовательские роботы собирают образцы грунта, исследуют территории, недоступные для человека, и выполняют техническое обслуживание космических станций.

Транспорт

Беспилотные транспортные средства, такие как автомобили, поезда и самолёты, уже стали частью нашей реальности. Автономные автомобили и микроавтобусы перевозят людей по торговым центрам, принимают участие в экскурсионных поездках, грузоперевозках, а также используются как общественный транспорт в городах. Беспилотные поезда работают на линиях метро и междугородних маршрутах. Беспилотные летательные аппараты используются для перевозки пассажиров в качестве аэротакси и применяются в военных целях.