Что такое робототехника? Классификация, история и области применения роботов

Робототехника — отдел прикладной науки, который занимается проектированием, производством и применением автоматизированных технических систем — роботов. Робот — это программируемое механическое устройство, способное действовать без помощи человека.

Действуя по заранее заложенной программе и получая информацию о внешнем мире от датчиков (аналогов органов чувств живых организмов), робот самостоятельно осуществляет производственные и иные операции, обычно выполняемые человеком либо животными. При этом робот может как и иметь связь с оператором (получать от него команды), так и действовать автономно.

 

 Роботы бывают манипуляционными и мобильными:

  • За исполнение действий манипуляционного робота отвечает манипулятор с несколькими степенями подвижности и устройство программного обеспечения. Манипуляционные роботы получили большое распространение в машиностроительных и приборостроительных отраслях.
  • Мобильный робот более подвижен, чем манипуляционный, поскольку у него есть движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами — «мышцами» роботов.

Классификация мобильной робототехники по типу перемещения

Современные роботы, созданные на базе самых последних достижений науки и техники, применяются во всех сферах человеческой деятельности. Внешний вид и конструкция современных роботов могут быть весьма разнообразными.

Робототехника может перемещаться по любой поверхности, в воде и в воздухе. Так, по типу передвижения роботы бывают:

  • Колесные и гусеничные(наиболее распространенный вид роботов);
  • Шагающие;
  • Летающие— автопилоты и беспилотные летательные аппараты;
  • Ползающие— передвигаются по принципу змей и червей и применяются для поиска людей под обломками рухнувших зданий;
  • Плавающие— перемещаются в воде, подражая движениям рыб, и тем самым становятся бесшумными и очень маневренными;
  • Передвигающиеся по вертикальным поверхностям— действуют по принципу человека, взбираясь на стену с помощью выступов, или же с помощью специальных присосок.

Лидерами в производстве роботов на данный момент являются компании FANUC (Япония), KUKA (Германия) и ABB (Швеция, Швейцария).

Пример устройства робота — элементы и конструкция

Каждый робот состоит из следующих базовых компонентов:

  • Рама или тело робота;
  • Блок управления;
  • Манипуляторы;
  • Ходовая часть.

Современная робототехника строится на знаниях из области программирования, механики, мехатроники, электротехники, электроники и автоматического управления.

Для освоения робототехники на базовом уровне достаточно школьных знаний по математике и физике. Без понимания физики движения и принципов работы механизмов и электродвигателей сложно собрать функционирующего робота.

Затем идут информатика и проектирование. Так как программирование необходимо в робототехнике не меньше математики, важно разбираться в компьютерных науках и информационных системах. Проектирование поможет создавать удобные продукты. Но знания из других инженерных дисциплин тоже будут полезны.

Основные направления в изучении робототехнике:

  • Машиностроение изучаетфизические составляющие робота — его «тело». Подтемы — механика и сопротивление материалов. Большинство курсов в этом направлении ориентированы на физический дизайн и приведение робота в действие.
  • Электротехника и электроника или «нервная система» занимаютсяэлектрическими системами внутри робота, встроенными системами, низкоуровневым программированием и теорией управления. Обычно это автоматизация, которая строится вокруг контроля робота.
  • Информатика— многие специалисты пришли в робототехнику благодаря увлечению компьютерными науками. Инженеры этого направления концентрируются на программном обеспечении робота и высокоуровневом программировании. Среди тем — искусственный интеллект, навигация, техническое зрение, обработка естественного языка и так далее.

История развития робототехники за последние 100 лет

Краткая история становления и развития робототехники с указанием самых значимых событий и разработок:

  • 1913 год.Создание Чарльзом Маколи машины, находящей решения логических проблем.
  • 1921 год. Первое упоминание слова «робот» (robota с чешского) в пьесе «R.U.R.» Пьеса была написана Карелом Чапеком в 1920 году («R.U.R» с чеш.яз. Rossumovi univerzalna roboti, «Россумские универсальные роботы»). 25 января 1921 года состоялся премьерный показ пьесы.
  • 1934 год.Создание индустриального конвейерного робота для покраски поверхностей.
  • 1946 год. Презентация механизма управления машинами посредствам магнитного записывающего устройства.
  • 1950-е года.Активная разработка механических манипуляторов, которые копировали движение человеческих рук для внедрения на радиоактивные производства.
  • 1963 год. На выставке в Калифорнии представлена искусственная рука Rancho Arm, сопоставимая с человеческой.
  • 1971 год.Изобретение первого в мире микропроцессора.
  • 1980 год.Сильнейший скачок роста рынка робототехники, произошедший благодаря коммерческой реализации японских роботов, производимых на базе высоких технологий.
  • 1992 год. К Марку Торпу, в ходе разработки робота-пылесоса, приходит мысль организовать бои роботов.
  • 2000 год.Компания Electrolux в эфире телеканала BBC представила робот-пылесос Trilobite, который самостоятельно передвигался по помещению и собирал пыль.
  • 2001 год.Изобретение гибкого дисплея FOLED, в котором был использован гибкий пластик (или металлическая пластина) в качестве подложки.
  • 2002 годОзнаменовался началом эры планшетов, у истоков которой стоял Microsoft Tablet PC – первый планшетный компьютер.
  • 2003 год. В свет выходит QRIO. Детский робот, в котором заложена основа адаптивного поведения, может держать равновесие, стоя на одной ноге, использует в речи более 60 000 слов и танцует.
  • 2003 год. Через 4 года после изобретения робота-пылесоса Trilobite, компания Electrolux выпускает второе поколение этой модели. Усовершенствования коснулись не только дизайна, но и функционала: он «научился» объезжать препятствия, «знал» когда нужно возвращаться к зарядному устройству, при этом уровень шума был значительно снижен.
  • 2004 год. Марк Тилден создает первую коммерчески успешную игрушку робота Robosapien.
  • 2005 год. Военная робототехника прославилась изобретением PackBot с системой REDOWL. Противоснайперская программа различала звук выстрела среди всех остальных и точно определяла координаты стрелявшего. Затем, производилось наведение лазерного прицела на цель.
  • 2006 год.Лаборатория NEC System Technologies представила робота-дегустатора. Помимо возможности распознать продукт, он давал советы по сочетанию закусок и напитков менее чем за полминуты.
  • 2007 год. Испытания тестового робота-милиционера Р-БОТ 001, проводимые МВД России в городе Пермь.
  • 2008 год.В Европейском совете ядерных исследований разработали проект Большого адронного коллайдера, предназначенного для изучения продуктов соударений на высокой скорости протонов и тяжёлых ионов.
  • 2009 год.Создание первого биологического 3D-принтера, способного на микроуровне воссоздавать архитектуру ткани организма.
  • 2010 год.Корейская фирма Ilshim Global презентует первого в мире робота для мойки окон Windoro, который самостоятельно определяет размер поверхности и выстраивает маршрут.
  • 2011 год.Доставлен на МКС робот НАСА Робонавт-2.
  • 2011 год.Компания Inventist под началом Шейна Чена патентует первое моноколесо Solowheel, отличающееся от более ранних аналогов отсутствием сиденья и наличием системы гироскопов. Новшества позволили наладить массовое производство устройства.
  • 2012 год.Военные научные разработки в области взрывчатых веществ привели к открытию самой мощной на сегодняшний день взрывчатки — гексанитрогексаазаизовюцитан.
  • 2013 год.На Международную Космическую Станцию прибывает робот-астронавт японского производства.
  • 2013 год.Запатентовано первое двухколёсное самобалансировочное средство передвижения – гироскутер.
  • 2014 год.Беспроводная электроэнергия. Первые удачные испытания катушки, генерирующей электрическое поле. Это изобретение позволяет в радиусе 2,5 метров заряжать электронные устройства, освобождая их от розетки и проводов.
  • 2015 год. Настоящим переворотом в электрическом автомобилестроении стала презентация внедорожника Tesla Model X, который  способен без подзарядки преодолеть 402 км. А разгон до 100 км/ч осуществляется за 3 секунды.
  • 2016 год.Исследования в области медицины, направленные на помощь людям, страдающим когнитивными расстройствами, привели к появлению коллекции посуды Eatwell Assistive Tableware. Она разработана с учётом всех особенностей приёма пищи людей с болезнью Альцгеймера.
  • С 2017 года.Основное направление робототехники – это прогресс искусственного интеллекта. Главная цель разработок – приучение ИИ к саморазвитию, мгновенному приспосабливанию к изменяющимся факторам внешней среды и поиск оптимального решения поставленных задач.