Основные принципы при создании роботов

Робототехника. Принципы классификации.

Робототехника — это достаточно молодая отрасль прикладных наук, которая занимается разработкой автоматизированных технических систем. Робототехника тесно связана с механикой, электроникой и программированием.

Само слово «робот» придумали ещё в 1920 году чешский писатель Карел Чапек и его брат Йозеф, впервые оно встретилось в их научно-фантастической пьесе «Россумские универсальные роботы», которая получила большой зрительский успех.

Там оно обозначало искусственно созданных людей, труд которых использовался вместо человеческого на тяжёлых и опасных производствах («robota» в переводе с чешского языка – каторга). Хоть в этом произведении роботы и изготавливались на фабриках по выращиванию органических тканей, само понятие впоследствии стало популярным именно в отношении механических устройств.

Роботы отличаются от простых механических автоматов. В отличие от автоматов робот не просто следует заранее вложенному в него алгоритму, а способен воспринимать внешние сигналы и в соответствии с ними адаптировать свои действия в изменяющейся ситуации.

Понятие «робототехника» впервые в своём рассказе «Лжец» использовал писатель-фантаст Айзек Азимов в 1941 году.

Уже давно прошли те времена, когда роботов можно было встретить только в фантастических фильмах. Сегодня роботы становятся частью обыденной жизни.

Робототехника, как отрасль наук, охватывает различные сферы, поэтому существует некая классификация, с которой будем знакомиться далее.

По отрасли применения робототехника может подразделяется на промышленную, бытовую и экстремальную.

Промышленная робототехника включает в себя:

  • производственную робототехнику (например, автосборочное производство);
  • строительную робототехнику;
  • транспортную робототехнику (например, авиационная, автомобильная робототехника).

Промышленные роботы уже активно используются на заводах и фабриках, при производстве игрушек, чайников, мотоциклов, конфет, а также в производстве действительно сложных изделий, например, автомобилей. Роботы могут без помощи человека варить металл, штамповать, собирать по частям готовые продукты, всё это происходит благодаря особым конструкциям и программам, которые определяют функционал каждого робота. Говоря иными, а именно научными словами, такие устройства предназначены для автоматизации производства — изготовления чего-либо без помощи человека.

Строительная робототехника, как это понятно из её названия, связана со сферой строительства. То есть работа идёт над разработкой роботов, которых можно будет использовать как при строительстве различных объектов, так и, что интересно, при их разрушении. Трудоёмкость обоих этих процессов высока, да и технологичность каждой операции процесса строительства должна быть на должном уровне. Поэтому использование роботов в этой сфере поможет соблюдать установленные технические стандарты и требования, а также может помочь максимально исключить ошибки, допускаемые из-за человеческого фактора.

Экстремальная робототехника включает в себя:

  • космическую;
  • подводную;
  • военную робототехнику.

К группе военных роботов относят всевозможные беспилотные разведчики, машины для минирования и разминирования местности. Был разработан даже настоящий робот-медик. Называется этот робот Bloodhound, а предназначен он для оказания помощи раненым, к которым невозможно приблизиться врачам из-за сильного огня со стороны противника. Bloodhound оснащён видеокамерами, радиостанцией с микрофоном и динамиками, а также стетоскопом. Все эти элементы робота позволяют медикам дистанционно управлять им, проводить первичный осмотр раненого и даже беседовать с ним. После постановки диагноза Bloodhound может остановить кровотечение (например, наложить повязку на рану) и сделать назначенный укол, который позволит раненому дождаться эвакуации. Благодаря таким роботам можно спасти огромное количество человеческих жизней.

В 2004 российские инженеры создали робота, способного обнаруживать и обезвреживать взрывные устройства. Такой робот способен проникать и доставлять в труднодоступные зоны средства наблюдения и разведки, а также осматривать подозрительные объекты и в случае необходимости осуществлять их транспортировку до места назначения или разминирование. Робот может работать индивидуально или в группе таких же машин.

Важно понимать, что на данный момент ещё нет универсальных роботов, которых можно было бы использовать для любой задачи. Инженеры-изобретатели разрабатывают и программируют роботов отдельно для каждой конкретной задачи. Ещё одной особенностью является то, что такая специальность, как инженер-изобретатель, чаще всего предполагает работу в команде, а не по одиночке. Инженеры-изобретатели — это специалисты высокого класса, освоившие свою профессию в высших образовательных учреждениях. Эта специальность развивается очень стремительно, как и всё, что связано с высшими технологиями. Специалисты данной профессии постоянно обмениваются опытом, посещают разнообразные конференции, что позволяет им быть в крусе новых разработок и держать «руку на пульсе». Кстати, некоторые инженерные разработки могут иметь и секретный статус. Как мы уже определили ранее, существует военная робототехника, а всё, что связано с военными разработками, очень серьёзно охраняется государством. Специалисты, занятые в этой сфере, уже сейчас высоко ценятся на рынке труда, а чем больше будет развиваться робототехника, тем больше будет спрос на таких специалистов.

По уровню применения робототехника подразделяется на игровую, прикладную, исследовательскую и обучающую.

Игровая робототехника может быть предназначена для детей и для взрослых. Игровая робототехника для детей направлена на выработку у них интереса к программированию и инженерным наукам. Игровая робототехника может быть полезна и для взрослых, так как её применение может способствовать выработке навыков поведения в типичных жизненных и опасных ситуациях.

В рамках обучающей робототехники используются робототехнические комплекты для детских, учебных и досуговых центров на базе Huna, Lego, Fishertechnik, Arduino. Например, компания LEGO выпустила первый робототехнический конструктор в рамках новой линейки конструкторов MINDSTORMS в 1998 году, открывая детям дверцу в волшебный мир роботов. Узнать подробнее об Arduino можно в статье «Ардуино для начинающих».

Для взрослых существуют разнообразные робототехнические тренажёры для пилотов, спортсменов и т. д. Такие тренажёры позволяют провести испытания и тренировки.

Целью прикладной робототехники является разработка роботов для решения производственных, военных, транспортных задач.

Исследовательская робототехника занимается поиском решений по созданию более совершенных роботов. Она решает задачи по созданию новых материалов для роботов, разработке принципов движения, снижению веса и увеличению прочности конструктивных элементов роботов, снижению энергозатрат при эксплуатации роботов и выработке навыков самообучения роботов.

Последние годы такой вид робототехники, как обучающая или образовательная робототехника, развивается очень стремительно. Волна открытия детских кружков, центров и школ, занимающихся робототехникой с детьми, охватила многие страны. Об этом свидетельствуют и развивающиеся движения соревновательной детской робототехники.

И дети, и их учителя принимают участия в различного рода соревнованиях по робототехнике. Выступают они как в личных, так и в командных номинациях. Также на соревнования обычно есть чёткие возрастные деления для участников. Лучшие команды представляют свои страны на серьёзных международных соревнованиях. Ежегодно проводится World Robotics Olympiad (всемирная олимпиада по робототехнике — WRO). Такой повышенный интерес к детской робототехнике объективно обусловлен многими причинами: недостаточным количеством инженерных кадров и одновременно стремительная автоматизация во многих отраслях промышленности, сельского хозяйства и других сферах человеческой деятельности. Всё большая часть населения начинает понимать, что будущее однозначно не будет таким, как настоящее, и профессиональная деятельность многих специальностей будет требовать более высокого уровня знания различных технических процессов, уже не будет считаться преимуществом такое понятие, как «уверенный пользователь ПК», это понятие будет уже как дважды два — четыре. Поэтому родители, обеспокоившись будущим своих детей, отдают их в такие технические секции, где дети могут научиться уверенно обращаться с техникой. Дети, изучавшие робототехнику, понимают, как устроены роботы, как ими управлять и так далее. Такие дети уже не будут бояться, что роботы захватят нашу планету. Такое техническое направление детского досуга пользуется спросом у родителей, и это уже норма, что ребёнок занимается робототехникой наряду с привычными спортивными секциями, творческими кружками или полюбившимися многим шахматами. Возможно робототехника появится и в школах, так как интерес к детской робототехнике появился уже на уровне Министерства образования. Считается, что такие уроки дадут возможность детям познакомиться с инженерными науками и, возможно, привлекут их к профессии инженера. Естественно, уроки робототехники не сделают инженера из каждого ребёнка, но дадут шанс каждому из детей узнать что-то интересное об этой специальности.

Занятия робототехникой для детей строятся обычно таким образом, что дети с использование конструкторов учатся создавать модели роботов, обычно сначала они собирают их по инструкции. После того, как освоены основные принципы моделирования, дети могут уже создавать модели и самостоятельно, без инструкций. Также на занятиях дети осваивают программирование моделей роботов. Программирование тоже начинается с написания простых команд и постепенно усложняется. Занятия робототехникой обычно предназначены для определённых возрастных групп и отличаются сложностью занятий. Но объединяющим принципом для занятий любой возрастной группы является большое количество практики. Робототехника для детей — это не теоретические знания. Нет, конечно, совсем без теории не обойтись, но каждое новое теоретическое знание на занятиях подкрепляется практикой. Так материал усваивается намного проще, и занятие проходит эффективнее. У самых младших групп игровой процесс может занимать 90 процентов времени всего занятия. Продолжительность занятий тоже может зависеть от возраста детей, так как всегда учитываются особенности развития детей в том или ином возрасте. Главным плюсом таких занятий является то, что они совмещают в себе игру и интеллектуальное развитие, дети посещают занятия робототехникой с большим удовольствием. Это редкий случай, когда дети знакомятся с наукой и учатся с интересом. Конечно, как и в других дисциплинах, многое зависит от учителя. Но чаще всего учителя робототехники интересуются самой робототехникой, порой даже больше самих детей, и тем самым вдохновляют и заряжают детей своими эмоциями. А когда учителя действительно любят свой предмет, то дети подхватывают эту волну и тянутся к новым знаниям.

Вместе с ростом популярности робототехники появилось понятие STEM-образование. Аббревиатура расшифровывается как: Science, Technology, Engineering, Math.

Что включает STEM-образование?

S – science (естественные науки);

T – technology (технология);

Е – engineering (инженерное искусство);

M – mathematics (математика).

Это направление тоже призвано выращивать из детей будущих инженеров и робототехников и характеризуется междисциплинарным подходом к обучению.

Уже сейчас при поддержке государства начинают открываться технопарки в разных городах России. Технопарки — это детские центры, которые объединяют в одном месте кружки по разным техническим направлениям. Постепенно таких технопарков будет становиться всё больше и больше, потому что государство ставит одной из приоритетных задач — рост количества квалифицированных инженерных кадров в стране. А чтобы привлечь внимание к профессии инженера, требуются серьёзные усилия, так почему бы не начинать знакомить с этой профессией детей таким интересным способом, как занятия робототехникой или посещение центров STEM-образования.

На странице использованы изображения из следующих источников:

Как устроены роботы?

Мы часто пишем о роботах. Их делают во всем мире. Иногда они совершенно не похожи на людей, иногда наоборот. Тем не менее многие из нас не имеют ни малейшего представления о том, как их делают, из чего, с какими проблемами сталкиваются инженеры и как их преодолеть. В этой статье мы подробно разберем, как устроены роботы и как они работают.

На самом базовом уровне люди состоят из пяти основных компонентов:

  • структура тела;
  • система мышц, которая движет телом;
  • система органов чувств, которая получает информацию о теле и окружающей среде;
  • источник энергии, питающий мышцы и органы чувств;
  • мозговая система, которая обрабатывает информацию от органов чувств и дающая указания мышцам.

Конечно, у нас есть ряд нематериальных атрибутов вроде интеллекта и морали, но на чисто физическом уровне список выше включает это.

Роботы делаются из аналогичных компонентов. Обычный робот обладает подвижной физической структурой, электродвигателем определенного рода, системой сенсоров (датчиков, органов чувств), блоком питания и компьютерным «мозгом», который контролирует все эти элементы. По существу, роботы — это техногенные версии животной жизни. Это машины, которые копируют поведение людей и животных.

Джозеф Энгельбергер, пионер промышленной робототехники, однажды заметил: «Я не могу дать определение роботу, но я точно узнаю его, когда увижу». Если вы задумаетесь обо всех возможных машинах, которые люди называют роботами, вы поймете, что невозможно придумать всеобъемлющее определение. У каждого есть свое представление о том, что представляют собой роботы.

  • R2D2 и C-3PO: умные говорящие роботы с ярко выраженной индивидуальностью из фильмов серии «Звездные войны»
  • AIBO от Sony: собака-робот, которая обучается в процессе взаимодействия с людьми
  • ASIMO от Honda: робот, который может ходить на двух ногах
  • Промышленные роботы: автоматизированные машины, работающие на сборочных конвейерах
  • Дейта: почти человекоподобный андроид из «Звездного пути»
  • Роботы-саперы
  • Марсоходы NASA
  • HAL: бортовой компьютер из «Космической Одиссеи 2001 года» Стэнли Кубрика
  • MindStorm: популярный роботизированный комплект от LEGO

Все вышеперечисленное можно назвать роботами. Роботом, как правило, называется то, что люди считают роботом. Большинство робототехников (людей, которые делают роботов) использует более точное определение. Они указывают, что роботы обладают перепрограммируемым мозгом (компьютером), который движет тело.

Согласно этому определению, роботы отличаются от других подвижных машин вроде автомобилей, поскольку у них есть компьютерный элемент. У большинства новых автомобилей есть бортовой компьютер, но в него можно внести не так много нового. Вы управляете большинством элементов в автомобиле непосредственно при помощи механических устройств разного рода. Роботы отличаются от обычных компьютеров по своей физической природе — у обычных компьютеров нет физического тела, они могут существовать и без него.

Основы роботов

Колеса робота и поворотные суставные сегменты активизируются при помощи приводов разного рода. Некоторые роботы используют электродвигатели и соленоиды в качестве актуаторов (приводов); некоторые используют гидравлическую систему; некоторые — пневматическую систему (на основе сжатых газов). Роботы могут использовать все эти типы приводов.

Робот нуждается в источнике питания, чтобы управлять этими приводами. Большинство роботов либо оснащены батареей, либо работают от розетки. Гидравлическим роботам нужен насос для создания давления в гидравлической системе, а пневматическим роботам нужен воздушный компрессор или баллоны со сжатым воздухом.

Все приводы подключаются к электрической цепи. Цепь напрямую питает электродвигатели и соленоиды, что активизирует гидравлическую систему при помощи электрических клапанов. Клапаны направляют сжатую жидкость через машину. Для перемещения гидравлической ноги, например, оператор робота должен открыть клапан, ведущий от жидкостного насоса к поршневому цилиндру, закрепленному на ноге. Жидкость под давлением будет двигать поршень, толкая ногу вперед. Чтобы двигать конечностями в обоих направлениях, роботы используют поршни, которые могут толкаться в обе стороны.

Компьютер робота управляет всем, что подключено к цепи. Чтобы передвигать робота, компьютер активирует все необходимые двигатели и клапаны. Большинство роботов можно перепрограммировать, чтобы изменить поведение — достаточно просто ввести новую программу в компьютер.

Не у всех роботов есть система сенсоров, и лишь некоторые обладают способностью видеть, слышать, чувствовать запах или вкус. Самая распространенная способность робота — способность ходить и наблюдать за своим перемещением. Стандартная конструкция использует колеса с щелью в суставах робота. Светодиод на одной стороне колеса пускает луч света через щель, чтобы подсветить датчик света на другой стороне колеса. Когда робот движет определенным суставом, колесо с щелью крутится. Щель разбивает луч света по мере вращения колеса. Световой датчик считывает поведение светового луча и передает данные на компьютер. Компьютер точно может сказать, как вращается сустав в определенной модели. По тому же принципу работает компьютерная мышь.

Это основы робототехники. Робототехники могут комбинировать эти элементы в бесконечное число способов создания роботов неограниченной сложности.

Роботизированный манипулятор

Наиболее распространенный вид робота — это роботизированный манипулятор. Типичный манипулятор состоит из семи металлических сегментов, соединенных шестью суставами. Компьютер управляет роботом, вращая отдельные шаговые двигатели, подключенные к каждому суставу (некоторые крупные манипуляторы используют гидравлику или пневматику). В отличие от обычных двигателей, шаговые двигатели двигаются точными шажками. Это позволяет роботу перемещать руку очень точно, в точности повторяя одно и то же движение снова и снова. Робот использует датчики движения, чтобы убедиться, что совершает движения правильно.

Промышленный робот с шестью суставами напоминает человеческую руку — у него есть подобия плечу, локтю и запястью. Как правило, плечо установлено на неподвижной базовой структуре, а не на подвижном теле. У такого типа робота есть шесть степеней свободы, то есть он может поворачиваться в шести разных направлениях. Для сравнения, человеческая рука имеет семь степеней свободы.

Задача вашей руки — перемещаться с места на место. Аналогичным образом, задача манипулятора — перемещать концевой эффектор с места на место. Вы можете оснастить манипулятор разными концевыми эффекторами, предназначенными для конкретных задач. Один из распространенных эффекторов — упрощенная версия руки, которая может хватать и переносить разные объекты. Манипуляторы часто обладают встроенными датчиками давления, которые предписывают компьютеру, с какой силой захватывать конкретный объект. Это позволяет роботу не ломать все, что он хватает. Другие конечные эффекторы включают паяльные лампы, дрели и распылители порошка или краски.

Промышленные роботы предназначены для того, чтобы делать одни и те же вещи, в контролируемой среде, снова и снова. Например, робот может закручивать колпачки на тюбиках с зубной пастой. Чтобы научить робота делать это, программист описывает порядок движения, используя ручной контроллер. Робот записывает последовательность движений в память и делает это снова и снова, когда новый продукт поступает на конвейер.

Большинство промышленных роботов работает на конвейерах, собирая автомобили. Роботы делают это более эффективно, чем люди, поскольку более точны. Они всегда сверлят в одном и том же месте, затягивают болты с одной и той же силой, независимо от того, сколько часов проработали. Сборочные роботы также важны для компьютерной отрасли. Весьма сложно точно собрать крошечный микрочип силами человека.

Мобильные роботы

Первое препятствие заключается в том, чтобы дать роботу рабочую систему передвижения. Если робот будет двигаться только по гладкой земле, колеса или гусеницы будут лучшим вариантом. Колеса или гусеницы также могут работать на грубой земле, если будут достаточно большими. Но чаще всего робототехники задумываются о ногах, поскольку их легче адаптировать. Строительство роботов с ногами также помогает ученым понимать естественное движение — полезное упражнение для биологов.

Как правило, гидравлические или пневматические поршни перемещают ноги робота вперед и назад. Поршни крепятся к разным сегментам ног так же, как мышцы крепятся к разным костям. Но заставить все эти поршни работать должным образом — сложная задача. Когда вы были ребенком, ваш мозг пытался выяснить, как нужно точно двигать мышцами, чтобы стоять на двух ногах и не падать. Аналогичным образом, конструктор робота должен определить правильную комбинацию поршневых движений, участвующих в ходьбе и запрограммировать эту информацию в компьютер робота. Многие мобильные роботы оснащены встроенной системой баланса (набором гироскопов, например), которая подсказывает компьютеру, когда нужно исправить движение.

Прямохождение (ходьба на двух ногах) — довольно нестабильно, поэтому ему сложно научить роботов. Чтобы создать стабильного робота-ходока, конструкторы часто наблюдают за миром животных, особенно насекомых. Шестиногие насекомые обладают невероятно хорошим балансом и адаптируются к широкому набору местностей.

Некоторые мобильные роботы управляются дистанционно — человек говорит им, что делать и когда. Дистанционное управление может осуществляться с помощью провода, радио или инфракрасных сигналов. Роботы с удаленным управлением часто называются кукольными роботами, и они полезны для работы в опасных или труднодоступных условиях — например, в глубокой воде или в жерле вулкана. Некоторые роботы управляются дистанционно лишь отчасти. Например, оператор может отправить робота в определенное место, а обратно робот уже сам найдет дорогу.

Как видите, роботы чертовски похожи на нас.

Основы робототехники

Роботехника – сравнительно новое и интенсивно развивающееся научное направление, вызванное к жизни необходимостью освоения новых сфер и областей деятельности человека, а также потребностью широкой автоматизации современного производства, направленной на резкое повышение его эффективности. Использование автоматических программируемых устройств – роботов – в исследовании космоса и океанских глубин, а с 60-х гг. нашего столетия и в производственной сфере, быстрый прогресс в области создания и использования роботов в последние годы обусловили необходимость интеграции научных знаний ряда смежных фундаментальных и технических дисциплин в едином научно-техническом направлении – робототехнике.

Идея создания роботов – механических устройств, своим внешним видом и действиями подобных людям или каким-либо живым существам, увлекала человечество с незапамятных времен. Даже в легендах и мифах человек стремился создать образ рукотворных существ, наделенных фантастической физической силой и ловкостью, способных летать, жить под землей и водой, действовать самостоятельно и в то же время беспрекословно подчиняться человеку и выполнять за него самую тяжелую и опасную работу. Еще в “Илиаде” Гомера (VI в. до н. э.) говорится о том, что хромоногий кузнец Гефест, бог огня и покровитель кузнечного ремесла, выковал из золота девушек, которые исполняли его поручения.

У современного человека эти “служанки” непременно ассоциируются с антропоморфными, т.е. созданными по образу и подобию человека, автоматическими универсальными устройствами – роботами.

Теория робототехники опирается на такие дисциплины, как электроника, механика, информатика, а также радиотехника и электротехника. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.

Сегодня человечество практически вплотную подошло к тому моменту, когда роботы будут использоваться во всех сферах жизнедеятельности. Поэтому курсы робототехники и компьютерного программирования необходимо вводить в образовательные учреждения.

Изучение робототехники позволяет решить следующие задачи, которые стоят перед информатикой как учебным предметом. А именно, рассмотрение линии алгоритмизация и программирование, исполнитель, основы логики и логические основы компьютера.

Также изучение робототехники возможно в курсе математики (реализация основных математических операций, конструирование роботов), технологии (конструирование роботов, как по стандартным сборкам, так и произвольно), физики (сборка деталей конструктора, необходимых для движения робота-шасси).

Классы роботов

Манипуляционный робот — автоматическая машина (стационарная или передвижная), состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и устройства программного управления, которая служит для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций. Такие роботы производятся в напольном, подвесном и портальном исполнениях. Получили наибольшее распространение в машиностроительных и приборостроительных отраслях.

Мобильный робот — автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колёсными, шагающими и гусеничными (существуют также ползающие, плавающие и летающие мобильные робототехнические системы.

Компоненты роботов

Приводы — это «мышцы» роботов. В настоящее время самыми популярными двигателями в приводах являются электрические, но применяются и другие, использующие химические вещества или сжатый воздух.

Двигатели постоянного тока : В настоящий момент большинство роботов используют электродвигатели, которые могут быть нескольких видов.

Шаговые электродвигатели: Как можно предположить из названия, шаговые электродвигатели не вращаются свободно, подобно двигателям постоянного тока. Они поворачиваются пошагово на определённый угол под управлением контроллера. Это позволяет обойтись без датчика положения, так как угол, на который был сделан поворот, заведомо известен контроллеру; поэтому такие двигатели часто используются в приводах многих роботов и станках с ЧПУ.

Пьезодвигатели: Современной альтернативой двигателям постоянного тока являются пьезодвигатели, также известные как ультразвуковые двигатели. Принцип их работы весьма оригинален: крошечные пьезоэлектри

ческие ножки, вибрирующие с частотой 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 и 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[источник не указан 987 дней]. Так как способ их работы схож с биологическими мышцами, их можно использовать для производства роботов с мышцами и скелетом, аналогичными мышцам и скелету животных.

Электроактивные полимеры : Электроактивные полимеры — это вид пластмасс, который изменяет форму в ответ на электрическую стимуляцию. Они могут быть сконструированы таким образом, что могут гнуться, растягиваться или сокращаться. Впрочем, в настоящее время нет ЭАП, пригодных для производства коммерческих роботов, так как все ныне существующие их образцы неэффективны или непрочны.

Эластичные нанотрубки: Это — многообещающая экспериментальная технология, находящаяся на ранней стадии разработки. Отсутствие дефектов в нанотрубках позволяет волокну эластично деформироваться на несколько процентов. Человеческий бицепс может быть заменён проводом из такого материала диаметром 8 мм. Подобные компактные «мышцы» могут помочь роботам в будущем обгонять и перепрыгивать человека.

Способы перемещения

Колёсные и гусеничные роботы

Другие методы перемещения:

  • Летающие роботы (в том числе БПЛА – беспилотные летательные аппараты).
  • Ползающие роботы.
  • Роботы, перемещающиеся по вертикальным поверхностям.
  • Плавающие роботы.

Системы управления

Под управлением роботом понимается решение комплекса задач, связанных с адаптацией робота к кругу решаемых им задач, программированием движений, синтезом системы управления и её программного обеспечения.

По типу управления робототехнические системы подразделяются на:

1.1. командные (кнопочное и рычажное управление отдельными звеньями робота);

1.2. копирующие (повтор движения человека, возможна реализация обратной связи, передающей прилагаемое усилие, экзоскелеты);

1.3. полуавтоматические (управление одним командным органом, например, рукояткой всей кинематической схемой робота);

2.1. программные (функционируют по заранее заданной программе, в основном предназначены для решения однообразных задач в неизменных условиях окружения);

2.2. адаптивные (решают типовые задачи, но адаптируются под условия функционирования);

2.3. интеллектуальные (наиболее развитые автоматические системы);

3.1. автоматизированные (возможно чередование автоматических и биотехнических режимов);

3.2. супервизорные (автоматические системы, в которых человек выполняет только целеуказательные функции);

3.3. 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).

Среди основных задач управления роботами выделяют такие:

  • планирование положений;
  • планирование движений;
  • планирование сил и моментов;
  • анализ динамической точности;
  • идентификация кинематических и динамических характеристик робота.

В развитии методов управления роботами огромное значение имеют достижения технической кибернетики и теории автоматического управления.

Подвиды современных роботов:

  • Промышленные роботы

  • Медицинские роботы

  • Бытовые роботы
  • Роботы для обеспечения безопасности
  • Боевые роботы

  • Роботы-учёные

К настоящему времени роботы внедрены во многие сферы деятельности человека и продолжают дополнять и иногда заменять людской труд как в опасных видах деятельности, так и в повседневной жизни.

Основные принципы при создании роботов

Дмитрий Васильев для начинающих робототехников. Существует много разных типов роботов, но каждый использует одни и те же фундаментальные элементы. Основные части каждого робота – это механика, электроника и программирование. Создатели должны определить цель роботизированного проекта и объединить компоненты из этих основных категорий, чтобы завершить сборку.

Начинающим робототехникам обычно не нужны сложные комплекты или большие суммы денег, чтобы сделать своего первого робота, так как простой автономный роботизированный проект может быть выполнен за небольшие средства. Новички должны выбрать проект, который не является чрезмерно амбициозным или продвинутым. Многие простые роботы предназначены для передвижения по комнате, в то время как другие запрограммированы на поиск солнечного света.

Простая цель позволяет сосредоточиться на одной конкретной цели для роботизированного проекта и её достижения.
Механика робота должна быть построена с учетом конкретной цели.

Роботизированная рама необходима и должна быть большой и достаточно прочной, чтобы поддерживать критические компоненты робота. Колеса должны выбираться на основе предполагаемой поверхности. Робот, который будет использоваться на открытом воздухе, должен иметь большие колеса с протектором, а колеса для других роботов обычно могут быть меньше и легче.

Также следует выбирать систему колес, которую легко контролировать. Например, робот с двумя колесами намного проще строить и контролировать, чем проект с четырьмя колесами. Двухколесные роботы не требуют рулевых механизмов, но могут управляться остановкой или реверсированием одного из колес.

Необходимый массив электронных деталей может показаться пугающим и сложным для любителей, работающих над созданием робота. Однако, как и в случае с оборудованием, робототехническая электроника не должна быть чрезмерно сложной, и простота часто является преимуществом. Минимальные электронные компоненты, необходимые для роботизированного проекта, включают в себя двигатели, батареи, датчики и микроконтроллер.

Двигатели для роботов почти всегда имеют тип постоянного тока (DC). Они должны быть связаны непосредственно с колесами или соединены с приводными валами с помощью зубчатых колес. У роботов с двумя колесами часто также есть два двигателя. Включение обоих двигателей приводит робот в движение, остановка левого или правого двигателя заставляет робота поворачиваться в этом направлении.

Батареи обычно используются для подачи питания на электронные компоненты. Робототехники, которые создают роботов, должны выбирать легкие батареи, но при этом обеспечивающие достаточную мощность. Чаще рекомендуются аккумуляторные батареи. Обычные щелочные батареи, например, находящиеся в фонарях, часто слишком тяжелы и дороги для постоянной замены.

Для большинства роботов требуется микроконтроллер. Это простые платы, который действует как мозг робота. Микроконтроллеры содержат программы или набор инструкций. Большинство программ микроконтроллеров можно легко обновить с помощью компьютера.

Обычно датчики должны обеспечивать взаимодействие робота с окружающей средой. Они связаны непосредственно с микроконтроллером. Роботостроители должны выбирать датчики, соответствующие конкретным целям проекта. Например, роботу, ищущему солнечный свет, может понадобиться фотодатчик для определения уровня освещенности. Более сложные роботизированные проекты часто используют ультразвуковые и инфракрасные датчики для определения расстояний между объектами и предотвращения столкновения с препятствиями, как на фото выше.

Источники:

http://hi-news.ru/robots/kak-ustroeny-roboty.html

http://neuronus.com/theory/robo/631-osnovy-robototekhniki.html

http://arduinoplus.ru/osnovnye-principy-pri-sozdanii-robotov/

http://alexgyver.ru/lessons/first-flash/

Ссылка на основную публикацию