Что такое робототехника: определение, области применения и перспективы

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.

Робототехника - дисциплина на стыке инженерии, информатики и искусственного интеллекта. В современном мире слово “робот” вызывает у нас массу ассоциаций: от машин, способных производить сложные операции на крупных производствах и привычных роботов-помощников до выдуманных дроидов из научно-фантастических фильмов. Но что на самом деле означает это слово, и какова ее роль в современном мире?

Остановимся на определении Международной федерации робототехники (International Federation of Robotics, далее - IFR): «Робот - это рабочий механизм, программируемый по нескольким осям с некоторой степенью автономности и способный передвигаться в пределах определенной среды, выполняя поставленные задачи».

Устройство можно назвать роботом при условии одновременного соблюдения 3-х условий: робот обладает способностью воспринимать окружающий мир, интерпретировать сигналы, получаемые извне и воздействовать на физический мир. В 21 веке роботы способны автономно передвигаться, поддерживать диалог, брать на себя рутинные, сложные и опасные задачи, но так было не всегда. Путь к современной робототехнике начался еще в древние времена. В 20 веке начали появляться первые серьезные исследования и разработки в области робототехники. Этот период стал знаковым для развития роботов, поскольку инженеры и ученые стали активно исследовать возможности создания машин, способных автономно выполнять различные задачи.

Робототехника - это наука, занимающаяся разработкой, проектированием и эксплуатацией роботов. 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 охватывает широкий спектр технологий, включая мехатронику, программирование, искусственный интеллект и сенсорные системы. Механическая часть робота включает в себя актуаторы, моторы и приводы, которые обеспечивают движение и взаимодействие с физическими объектами. Кроме того, робототехника активно используется для решения сложных и опасных задач, таких как исследование космоса, работы в условиях радиации или спасательные операции. В этих случаях роботы выполняют функции, которые слишком опасны или трудны для человека.

Благодаря достижениям в области робототехники, роботы становятся всё более интеллектуальными, автономными и универсальными, что позволяет им успешно работать в самых различных условиях. Таким образом, робототехника - это не просто наука о создании машин, а целая область, которая формирует будущее автоматизации и взаимодействия человека с технологиями.

Слово «робот» было впервые использовано чешским драматургом Карлом Чапеком в 1921. В его произведении «Универсальные роботы Россума» речь шла о классе рабов, искусственно созданных человекоподобных слуг, сражающихся за свою свободу. Чешское слово «robota» означает «принудительное рабство».

Основные компоненты роботов

Для того, чтобы понять, как работает робот, необходимо рассмотреть его основные компоненты:

• 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.

Области применения робототехники

Робототехника находит применение в самых разных областях, от промышленности и медицины до бытовых нужд и космических исследований.

• Промышленность.
• Медицина.
• Образование.
• Космическая отрасль.
• Сельское хозяйство.

Во всех этих и многих других сферах сейчас активно используются достижения робототехники. Практически в каждом доме есть робот-пылесос или умная колонка, на производствах - автоматизированные технологические линии, в операционных - высокоточные хирургические системы.

Появились беспилотные автомобили, гуманоидные устройства, многочисленные секции по программированию для детей. И всё это благодаря стремительному развитию науки и техники. Сочетание возможностей искусственного интеллекта с современными техническими разработками позволяет конструировать сложные устройства с управлением через ПО (программное обеспечение).

Роботы оснащаются камерами, датчиками, лидарами, тепловизорами, манипуляторами, системами распознавания голоса, другими модулями. В зависимости от заложенной в машину программы техника способна работать в автономном режиме либо под контролем оператора. Используя алгоритмы машинного обучения, разработчики могут научить роботов успешно решать даже сложные задачи, в том числе недоступные для человека.

Классификация робототехники 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.

• Строительная робототехника
• Медицинская робототехника
• Бытовая робототехника
• Промышленная робототехника
• Авиационная робототехника
• Экстремальная робототехника
• Мобильная робототехника

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

Современные роботы обладают широким спектром функциональных возможностей:

• 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.

Тренды в робототехнике на 2024 год

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.

Робототехника в образовании

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.

Примеры применения роботов

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.

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.

Как видно, 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.