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. Вам наверняка известны эти 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
У подавляющего большинства роботов действительно есть общие черты. Прежде всего, почти у всех роботов есть подвижное тело. Некоторые обладают только моторизованными колесами, у других есть десятки подвижных сегментов, как правило, из металла или пластика. Как кости в вашем теле, отдельные сегменты соединяются вместе с помощью суставов. 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
Термин «робот» пришел к нам от чешского слова «robota», что означает буквально «принудительный труд». В принципе, это слово отлично описывает большинство роботов. Чаще всего роботы делают тяжелую работу, монотонно трудятся на производстве. Также они решают задачи, которые сложны, опасны или скучны для людей. 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
Манипуляторы весьма просто собрать и написать для них программу, поскольку они работают в ограниченном пространстве. Но все становится немного сложнее, если вы отправляете робота в мир. 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. 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.
Роботы сегодня находят множество применений. Одно из самых опасных — обезвреживание бомб. Уже почти полвека роботы-саперы спасают человеческие жизни. Их использовали для деактивации взрывных устройств в сотнях, если не тысячах, случаев.
Впрочем, говорить «робот-сапер» не совсем верно. В Оксфордском словаре значится: «Робот — механизм, способный автоматически выполнять сложную последовательность действий». Железные саперы не принимают решений и не работают автономно. Их лучше называть дронами, так как ими дистанционно управляет взрывотехник. В британской армии эту профессию называют «взрывной доктор». Специалист на расстоянии исследует взрывное устройство и, по возможности, деактивирует его. Это может быть не только бомба, но также мина или неразорвавшийся снаряд.
Ранние роботы-саперы управлялись при помощи громоздких кабелей (Getty Images)
Одним из первых саперных аппаратов была модель Wheelbarrow Mark 1. Проект предложил офицер британской армии Питер Миллер. Его идея заключалась в использовании шасси электрической тележки, чтобы отвозить подозрительные устройства на безопасное расстояние, где они могут быть взорваны.
Первый прототип довольно плохо маневрировал. К делу подключились военные инженеры и скоро усовершенствовали механизм. Одним из важных нововведений стала возможность испускать мощную струю воды.
Зачем нужна вода? Взрывотехники стараются деактивировать взрывчатое устройство и при этом не вызвать его детонацию. Струя воды помогает достичь этой цели: роботы-саперы прицельно поливают провода и выводят бомбы из строя. Некоторые устройства имеют дополнительную защиту, так что контакт с их «внутренностями» приводит к детонации. Именно поэтому к бомбам лучше посылать роботов, а не людей.
Роботы-саперы обследуют подозрительные устройства, не подвергая опасности личный состав (Getty Images)
«Когда оператор подводит робота к устройству, он ищет, куда можно выстрелить водяной струей, — говорит источник Би-Би-Си в британской армии. — Если робот стреляет и попадает в цель, провод выходит из строя. Взрывотехник может подойти и установить, что устройство безопасно. В современных операциях чаще всего удается избежать больших взрывов».
Роботы-саперы управляются операторами на безопасном расстоянии, ориентируясь по мониторам. Камеры устанавливают в нескольких местах аппарата, в том числе на механической «руке».
Изначально стальными саперами управляли с помощью веревок. Прогресс не стоит на месте, и скоро в дело пошли кабели. Но они не позволяли роботам уезжать далеко и цеплялись за препятствия. С той же проблемой сталкиваешься, когда орудуешь садовым шлангом. Сегодня большинство роботов-саперов контролируется дистанционно. Рабочий диапазон при этом значительно увеличивается. Однако появляется опасность, что хакеры подключатся к системе, даже несмотря на все защитные протоколы.
В Ираке роботов-саперов использовали для обезвреживания придорожных бомб (GettyImages)
Глава Эдинбургского центра робототехники профессор Сету Виджайакумар объясняет: «Обычно оператор теряет визуальный контакт с роботом-сапером, и кабели только мешают. В таких случаях работа с аппаратом напоминает управление беспилотником с небольшим диапазоном».
Интересно, что дизайн роботов-саперов не сильно изменился с момента их создания. Основная конструкторская идея сохранилась. Механизмы стали меньше и прочнее, но ими по-прежнему управляют операторы из плоти и крови. У каждого аппарата есть «рука» для манипуляции с подозрительным устройством.
Инженеры перепробовали множество вариантов шасси. Сначала аппараты оснащали гусеницами, как у танков. Сегодня роботы могу похвастаться маневренными гусеницами наподобие тракторных, тремя парами колес и множеством других комбинаций. Современные роботы-саперы могут ездить по самым сложным участкам. Некоторые даже умеют взбираться по ступенькам лестницы.
«Рука» робота-сапера дает большую свободу действий. Большинство аппаратов совместимы с целым спектром инструментов. Это позволяет преодолевать самые разные препятствия. Например, столкнувшись с колючей проволокой, робот может прорезать в ней дыру.
Учитывая, что роботы-саперы предназначены для работы в опасных условиях, их делают неуязвимыми для различных воздействий.
«Значительная часть средств уходит на создание электроники и датчиков достаточно прочных, чтобы выдержать самые жесткие условия, — говорит Виджайакумар. — Конечно, это не так, как в космосе, но похоже».
Некоторые из новейших моделей роботов-саперов могут подниматься по лестницам (GettyImages)
Роботы-саперы различаются по своим размерам. Есть разработки, которые умещаются в ранец и могут быть заброшены в здание через окно, а есть аппараты с габаритами газонокосилки, вооруженные рентгеновским зрением и датчиками взрывчатки.
Эволюционировали и контрольные системы. Ранее требовалось проходить специальную подготовку, чтобы управлять аппаратами. Сегодня для манипулирования роботом-сапером годится даже контроллер игровой приставки: компания iRobot, подарившая миру робот-пылесос Roomba, демонстрировала такую возможность для своего военного робота PackBot.
На сегодняшний день тестируется множество ноу-хау в этой области. Есть прототипы, способные прыгать через стены (Sand Flea от Boston Dynamics). Есть варианты с двумя «руками», способные заглядывать в багажники автомобилей. Также прорабатываются варианты с использованием целых роботизированных команд, где каждое устройство берет на себя часть функций.
Виджайакумар резюмирует: «Одна из главных целей — использовать роботов в опасных ситуациях. Роботов можно подвести к взрывному
Под понятием интернет и школа я понимаю не только интернет, но и развивающиеся инновационные технологии. Так, скажем, технологии будущей и настоящей школы. В первую очередь это, конечно же, роботы. Люди очень увлечены идеей вдыхания жизни в другое существо. Возможно, все потому, что роботы - удивительные создания. На эту идею меня вдохновил мультфильм «Город героев», в котором рассказывается о Юном Хиро Хамада — прирожденном изобретателе и гении конструирования роботов. Вместе со старшим братом Тадаши они воплощают в жизнь самые передовые идеи в Техническом университете города будущего Сан-Франсокио. После серии загадочных событий друзья оказываются в центре коварного заговора. Отчаявшись, Хиро решает использовать веселого и добродушного экспериментального робота Бэймакса, перепрограммировав его в неуязвимую боевую машину. И ведь,вправду, Бэймакса - удивительный робот, Бэймакс был создан, чтобы заботиться о людях. Этот надувной робот-медбрат с помощью встроенного сканера может измерить температуру тела или давление, оценить уровень боли и вылечить практически любой недуг. Сконструированный Тадаши, Бэймакс стал настоящим прорывом в области прикладной медицины, а для Хиро — лучшим другом.
Я решила узнать как можно больше о роботах. И вот что у меня получилось.
Робот
— автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма. 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. У роботов существует 3 закона:
1 - робот не может действием или бездействием принести вред человеку.
2 - робот обязан выполнять все команда человека, кроме тех, что противоречат 1 закону.
3 - робот обязан охранять себя в той мере, в какой это не противоречит 1 и 2 законам.
Раньше я никогда не понимала, почему люди ими так восхищаются? Обычная железяка делает различные функции. Но, разобравшись с внутренним строением роботов и функциями, которые они могут выполнять, я больше так не думаю.
Существует 3 основных типа роботов: механические, биороботы и нанороботы. Я нашла 20 видов роботов (которые происходят от основных): аптечный робот, андроид (человекообразный робот), промышленный робот, транспортный робот, подводный робот, бытовой робот, боевой робот, зооробот, летающий робот, медицинский робот, микроробот, персональный робот, робот-артист, робот-художник, робот-игрушка, робот-официант, робот-хирург, робот-экскурсовод, социальный робот, шаробот.
Всех их объединяет то, что все они человекоподобные. Одним словом, чем больше робот похож на живое существо, тем он лучше. Многие ученые пытаются создать из кучи проводов, железа, пластика и компьютера - живое существо. С каждым годом человечество все ближе подходит к завершению этой цели. Самым человекообразным роботом является андроид (к примеру, Asim).
Чтобы разобраться, как устроены роботы, я предлагаю сравнить его с человеческим строением.
И так человек состоит из:
- Структуры тела;
- Системы мышц (которые приводят тело в движение);
- Системы органов чувств (которая получает информацию о теле и окружающей среде);
- Источника энергии (который питает мышцы и органы чувств);
- Мозговой системы (которая обрабатывает информацию от органов чувств и дающая указания мышцам);
Робот состоит из:
- Подвижной физической структуры;
- Двигателя;
- Системой сенсоров (органов чувств);
- Блока питания;
- Компьютерного «мозга» (который контролирует все эти элементы);
Подвижной физической структурой у роботов, является система передвижения
.
Для передвижения по открытой местности чаще всего используют колёсный или гусеничный движитель
(примерами подобных роботов могут служить Warrior и PackBot). Реже используются шагающие
системы (примерами подобных роботов могут служить BigDog и Asimo). Для неровных поверхностей создаются гибридные конструкции, сочетающие колёсный или гусеничный ход со сложной кинематикой движения колёс. Такая конструкция была применена в луноходе.
Внутри помещений, на промышленных объектах роботы передвигаются вдоль монорельсов
, по напольной колее
и т. д. Для перемещения по наклонным или вертикальным плоскостям, по трубам используются системы, аналогичные «шагающим» конструкциям, но с вакуумными присосками
. Также известны роботы, использующие принципы движения живых организмов — змей, червей, рыб, птиц, насекомых и других; соответственно, говорят о ползающих
, инсектоморфных
(от лат. Insecta
‘насекомое’) и других типах роботов бионического происхождения.
Так же в подвижную физическую структуру робота входят исполнительные органы - это манипуляторы, с помощью которых робот может воздействовать на окружающие его предметы. Причем по своей структуре это сложные технические устройства, по аналогии с живыми организмами - это руки и ноги робота.
Двигатели
В настоящее время обычно используются двигатели постоянного тока
, двигатели внутреннего сгорания
, шаговые электродвигатели
и сервоприводы
.
Существуют разработки двигателей, не использующих в своей конструкции моторов: например, технология сокращения материала под действием электрического тока (или поля), которая позволяет добиться более точного соответствия движения робота натуральным плавным движениям живых существ.
Система сенсоров (органов чувств)
Системы распознавания
уже способны определять простые трехмерные предметы, их ориентацию и композицию в пространстве, а также могут достраивать недостающие части, пользуясь информацией из своей базы данных (например, собирать конструктор Lego).
Математическая база
Помимо уже широко применяющихся нейросетевых технологий, существуют алгоритмы самообучения взаимодействию робота с окружающими предметами в реальном трёхмерном мире: робот-собака Aibo под управлением таких алгоритмов прошел те же стадии обучения, что и новорожденный младенец, самостоятельно научившись координировать движения своих конечностей и взаимодействовать с окружающими предметами (погремушками в детском манеже). Это дает ещё один пример математического понимания алгоритмов работы высшей нервной деятельности человека.
Навигация
Системы построения модели окружающего пространства по ультразвуку или сканированием лазерным лучом широко используются в гонках роботизированных автомобилей (которые уже успешно и самостоятельно проходят реальные городские трассы и дороги на пересечённой местности с учётом неожиданно возникающих препятствий).
Внешний вид
В Японии не прекращаются разработки роботов, имеющих внешний вид, на первый взгляд неотличимый от человеческого. Развивается техника имитации эмоций и мимики«лица» роботов.
В июне 2009 года ученые Токийского университета представили человекоподобного робота «KOBIAN», способного выражать свои эмоции — счастье, страх, удивление, грусть, гнев, отвращение — с помощью жестов и мимики. Робот способен открывать и закрывать глаза, двигать губами и бровями, использовать руки и ноги.
Датчики
Датчики - это системы технического зрения, слуха, осязания, датчики расстояний, локаторы. Устройства, которые позволяют получить информацию из окружающего мира.
Блок питания
роботов - источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов робота электрической энергией постоянного тока, путём преобразования напряжения до требуемых значений.
Технология подзарядки
Разработаны технологии, позволяющие роботам самостоятельно осуществлять подзарядку, находя и подсоединяясь к стационарной зарядной станции. В настоящий момент в разных лабораториях проходят испытания различных систем, обеспечивающих бесконтактную подзарядку аккумуляторов в помещениях (например, направленным мощным инфракрасным лазером или индукционным принципом).
Компьютерный мозг
Система управления (компьютерный мозг)
- это мозг робота, который должен принимать информацию от датчиков и управлять исполнительными органами.
Интеллектуальность робота - это способность системы решать задачи, сформулированные в общем виде
. Робот сам справляется с задачей, без помощи оператора.
Но не все компьютеры владеют подобной системой. Многими роботами управляет оператор (человек). Как радиоуправляемой машинкой - при помощи специального пульта для управления. Так же, робот может быть управляем с помощью компьютера. Оператор садится за компьютер, отправляет команды через компьютер к роботу, а робот выполняет ее.
