Mange af os har dog ingen idé om, hvordan de er lavet, hvad de er lavet af, hvilke problemer ingeniører står over for, og hvordan de kan overvindes. I denne artikel vil vi tage et detaljeret kig på, hvordan robotter er designet, og hvordan de fungerer. Rent faktisk basis niveau mennesker består af fem hovedkomponenter:
kropsstruktur;
muskelsystemet, der bevæger kroppen;
sansesystem, der modtager information om kroppen og miljø;
kilde til energi, der nærer muskler og sanseorganer;
hjernesystemet, der behandler information fra sanserne og giver instruktioner til musklerne.
Selvfølgelig har vi en række immaterielle egenskaber som intelligens og moral, men på et rent fysisk plan inkluderer listen ovenfor dette. Robotter er lavet af lignende komponenter. En almindelig robot har en bevægelig fysisk struktur, en elektrisk motor af en bestemt art, et system af sensorer (sensorer, sanseorganer), en strømforsyning og en computer "hjerne", der styrer alle disse elementer. Grundlæggende er robotter menneskeskabte versioner af dyrelivet. Det er maskiner, der kopierer menneskers og dyrs adfærd. Joseph Engelberger, en pioner inden for industrirobotik, bemærkede engang: "Jeg kan ikke definere en robot, men jeg kender en, når jeg ser en." Hvis du tænker på alle mulige maskiner, som folk kalder robotter, vil du indse, at det er umuligt at komme med en omfattende definition. Alle har deres egen idé om, hvad robotter er. Du kender sikkert disse robotter:
R2D2 og C-3PO: Smarte, talende robotter med distinkte personligheder fra Star Wars-filmene
AIBO fra Sony: en robothund, der lærer ved at interagere med mennesker
ASIMO fra Honda: en robot, der kan gå på to ben
Industrirobotter: automatiserede maskiner, der arbejder på samlebånd
Data: Næsten menneskelig android fra Star Trek
Sapper robotter
NASA Mars Rovers
HAL: indbygget computer fra Stanley Kubricks 2001: A Space Odyssey
MindStorm: populært robotsæt fra LEGO
Alt ovenstående kan kaldes robotter. En robot er generelt, hvad folk tænker på som en robot. De fleste robotikere (folk, der laver robotter) bruger en mere præcis definition. De påpeger, at robotter har en omprogrammerbar hjerne (computer), der bevæger kroppen. Ifølge denne definition er robotter anderledes end andre mobile maskiner som biler, fordi de har computer element. De fleste nye biler har en indbygget computer, men der er kun så meget, du kan tilføje til den. Du styrer de fleste elementer i bilen direkte vha mekaniske anordninger af forskellig art. Robotter er anderledes end almindelige computere af deres fysiske natur - almindelige computere har ikke en fysisk krop, de kan eksistere uden den.
Grundlæggende om robotter
Langt de fleste robotter har fællestræk. Først og fremmest har næsten alle robotter en krop i bevægelse. Nogle har kun motoriserede hjul, andre har snesevis af bevægelige segmenter, normalt lavet af metal eller plastik. Ligesom knoglerne i din krop er de enkelte segmenter forbundet med hinanden af led. Robottens hjul og roterende ledsegmenter aktiveres ved hjælp af forskellige typer aktuatorer. Nogle robotter bruger elektriske motorer og solenoider som aktuatorer (drev); noget brug hydraulisk system; nogle - et pneumatisk system (baseret på komprimerede gasser). Robotter kan bruge alle disse typer drev. Robotten har brug for en strømkilde til at betjene disse aktuatorer. De fleste robotter har enten et batteri eller er drevet af en stikkontakt. Hydrauliske robotter har brug for en pumpe for at skabe tryk i det hydrauliske system, mens pneumatiske robotter har brug for en luftkompressor eller cylindre. komprimeret luft. Alle drev er tilsluttet elektriske kredsløb. Kredsløbet driver direkte de elektriske motorer og solenoider, som aktiverer det hydrauliske system ved hjælp af elektriske ventiler. Ventiler leder komprimeret væske gennem maskinen. For at flytte et hydraulisk ben, for eksempel, skal robotoperatøren åbne en ventil, der fører fra en væskepumpe til en stempelcylinder monteret på benet. Væsken under tryk vil bevæge stemplet og skubbe benet fremad. For at bevæge deres lemmer i begge retninger bruger robotter stempler, der kan skubbes i begge retninger. Robottens computer styrer alt, der er forbundet til kredsløbet. For at flytte robotten aktiverer computeren alle de nødvendige motorer og ventiler. De fleste robotter kan omprogrammeres til at ændre deres adfærd ved blot at skrive nyt program til computeren. Ikke alle robotter har et sensorsystem, og kun få har evnen til at se, høre, lugte eller smage. Den mest almindelige evne hos en robot er evnen til at gå og observere dens bevægelser. Standarddesignet bruger hjul med slidser i robottens led. En LED på den ene side af hjulet skyder en lysstråle gennem en spalte for at oplyse en lyssensor på den anden side af hjulet. Når robotten bevæger et bestemt led, drejer det slidsede hjul. Mellemrummet deler lysstrålen, når hjulet roterer. Lyssensoren aflæser lysstrålens opførsel og sender dataene til computeren. Computeren kan fortælle præcis, hvordan et led roterer ind en bestemt model. Det fungerer efter samme princip computermus. Dette er det grundlæggende i robotteknologi. Robotikere kan kombinere disse elementer til uendeligt antal måder at skabe robotter af ubegrænset kompleksitet.
Robotmanipulator
Udtrykket "robot" kommer fra det tjekkiske ord "robota", som bogstaveligt betyder "tvangsarbejde". I princippet beskriver dette ord perfekt de fleste robotter. Oftest udfører robotter hårdt arbejde og arbejder monotont i produktionen. De løser også problemer, der er svære, farlige eller kedelige for folk. Den mest almindelige type robot er en robotarm. En typisk manipulator består af syv metalsegmenter forbundet med seks led. Computeren styrer robotten ved at rotere individuelle stepmotorer forbundet til hvert led (nogle større manipulatorer bruger hydraulik eller pneumatik). I modsætning til konventionelle motorer bevæger stepmotorer sig i præcise trin. Dette gør det muligt for robotten at bevæge sin arm meget præcist og gentage nøjagtig den samme bevægelse igen og igen. Robotten bruger bevægelsessensorer til at sikre, at den bevæger sig korrekt. Den seksledede industrirobot ligner en menneskelig hånd - den har udseende af en skulder, albue og håndled. Som regel er skulderen monteret på en stationær grundlæggende struktur, og ikke på en bevægelig krop. Denne type robot har seks frihedsgrader, hvilket betyder, at den kan dreje i seks forskellige retninger. Til sammenligning har den menneskelige hånd syv frihedsgrader. Din hånds opgave er at flytte fra sted til sted. Ligeledes er manipulatorens opgave at flytte endeeffektoren fra sted til sted. Du kan udstyre din robotarm med en række endeeffektorer designet til specifikke opgaver. En almindelig effektor er en forenklet version af en hånd, der kan gribe og bære forskellige genstande. Manipulatorer har ofte indbyggede tryksensorer, der fortæller computeren, hvor hårdt den skal gribe et bestemt objekt. Dette forhindrer robotten i at bryde alt, hvad den griber. Andre endeeffektorer omfatter blæselamper, boremaskiner og pulver- eller malingssprøjter. Industrirobotter er designet til at gøre de samme ting, i et kontrolleret miljø, igen og igen. Robotten kan for eksempel skrue hætter på tuber med tandpasta. For at lære robotten at gøre dette, beskriver programmøren bevægelsesrækkefølgen ved hjælp af en håndkontrol. Robotten registrerer rækkefølgen af bevægelser i hukommelsen og gør det igen og igen, hvornår Nyt produkt kommer ind på transportbåndet. De fleste industrirobotter arbejder på samlebånd og samler biler. Robotter gør dette mere effektivt end mennesker, fordi de er mere nøjagtige. De borer altid det samme sted, spænder boltene med samme kraft, uanset hvor mange timer de arbejder. Monteringsrobotter er også vigtige for computerindustrien. Det er meget vanskeligt nøjagtigt at samle en lille mikrochip ved hjælp af menneskelig kraft.
Mobile robotter
Manipulatorer er ret nemme at samle og programmere til dem, da de arbejder i et begrænset rum. Men tingene bliver lidt mere komplicerede, når man sender en robot ud i verden. Den første forhindring er at give robotten fungerende system bevægelse. Hvis robotten kun bevæger sig på jævnt underlag, vil hjulene eller skinnerne den bedste mulighed. Hjul eller spor kan også fungere på ujævnt underlag, hvis de er store nok. Men oftest tænker robotister på ben, da de er nemmere at tilpasse. At bygge robotter med ben hjælper også videnskabsmænd med at forstå naturlig bevægelse - nyttig øvelse for biologer. Typisk bevæger hydrauliske eller pneumatiske stempler robottens ben frem og tilbage. Stemplerne er fastgjort til forskellige segmenter af benene på samme måde, som muskler er knyttet til forskellige knogler. Men at få alle de stempler til at fungere ordentligt - vanskelig opgave. Da du var barn, forsøgte din hjerne at finde ud af, hvordan du præcist kunne bevæge dine muskler til at stå på to ben uden at falde. Ligeledes skal robotdesigneren bestemme den korrekte kombination af stempelbevægelser involveret i gang og programmere denne information ind i robottens computer. Mange mobile robotter er udstyret med et indbygget balancesystem (for eksempel et sæt gyroskoper), der fortæller computeren, hvornår den skal rette bevægelsen. Bipedalisme (at gå på to ben) er ret ustabilt, så det er svært at lære det til robotter. For at skabe en stabil robot-walker observerer designere ofte dyreverdenen, især insekter. De seksbenede insekter har en utrolig god balance og tilpasser sig en lang række miljøer. Nogle mobile robotter er fjernstyret - en person fortæller dem, hvad de skal gøre og hvornår. kan ske via ledning, radio el infrarøde signaler. Robotter med fjernbetjening kaldes ofte marionetrobotter, og de er nyttige til at arbejde i farlige eller svært tilgængelige miljøer - for eksempel på dybt vand eller inde i en vulkan. Nogle robotter er kun delvist fjernstyret. For eksempel kan en operatør sende en robot til bestemt sted, og robotten vil finde tilbage på egen hånd. Som du kan se, er robotter meget som os.
Robotter har mange anvendelsesmuligheder i dag. En af de farligste er bombebortskaffelse. I næsten et halvt århundrede har sapperrobotter reddet menneskeliv. De er blevet brugt til at deaktivere eksplosive enheder i hundredvis, hvis ikke tusindvis, af tilfælde.
Men at sige "robot sapper" er ikke helt korrekt. Oxford Dictionary siger: "En robot er en maskine, der automatisk kan udføre en kompleks sekvens af handlinger." Jernafbrydere tager ikke beslutninger og arbejder ikke selvstændigt. De kaldes bedre droner, da de fjernstyres af en sprængstoftekniker. I den britiske hær kaldes dette erhverv for "eksplosiv læge". En specialist undersøger på afstand sprængstof og om muligt deaktiverer den. Det kunne ikke kun være en bombe, men også en mine eller en ueksploderet granat.
Tidlige bombebortskaffelsesrobotter blev styret af omfangsrige kabler (Getty Images)
Et af de første sapperkøretøjer var Wheelbarrow Mark 1. Projektet blev foreslået af den britiske hærofficer Peter Miller. Hans idé var at bruge et elektrisk trolley-chassis til at transportere mistænkelige enheder til sikker afstand, hvor de kan detoneres.
Den første prototype manøvrerede ret dårligt. Militære ingeniører blev involveret og forbedrede snart mekanismen. En af de vigtige nyskabelser var evnen til at udsende en kraftig vandstrøm.
Hvorfor er der brug for vand? Sprængstofteknikere forsøger at deaktivere en eksplosiv enhed uden at få den til at detonere. En strøm af vand hjælper med at nå dette mål: specialister til bortskaffelse af robotbombe sprøjter præcist ledningerne og deaktiverer bomberne. Nogle enheder har yderligere beskyttelse, så kontakt med deres "internale" fører til detonation. Det er derfor, det er bedre at sende robotter til bomber, ikke mennesker.
Bombebortskaffelsesrobotter undersøger mistænkelige enheder uden at bringe personale i fare (Getty Images)
"Når operatøren bringer robotten til enheden, leder den efter, hvor den kan skyde en vandstråle," siger en britisk hærkilde til BBC. — Hvis robotten skyder og rammer målet, svigter wiren. En sprængstoftekniker kan komme og fastslå, at enheden er sikker. I moderne operationer undgås ofte store eksplosioner.”
Minerydningsrobotter styres af operatører på sikker afstand, styret af monitorer. Kameraer er installeret flere steder på enheden, herunder på den mekaniske "arm".
I første omgang blev stålsappere kontrolleret ved hjælp af reb. Fremskridtene står ikke stille, og kabler kom hurtigt i brug. Men de tillod ikke robotterne at gå langt og klyngede sig til forhindringer. Du står over for det samme problem, når du bruger en haveslange. I dag er de fleste bombebortskaffelsesrobotter fjernstyret. Dette øger rækkevidden betydeligt. Der er dog en fare for, at hackere vil oprette forbindelse til systemet, selv på trods af alle sikkerhedsprotokollerne.
I Irak blev bombebortskaffelsesrobotter brugt til at uskadeliggøre vejsidebomber (GettyImages)
Leder af Edinburgh Robotics Centre, professor Sethu Vijayakumar, forklarer: "Typisk vil operatøren miste visuel kontakt med minerobotten, og kablerne vil kun være i vejen. I sådanne tilfælde minder betjeningen af enheden om at betjene en drone med kort rækkevidde."
Interessant nok har designet af bombebortskaffelsesrobotter ikke ændret sig meget siden deres begyndelse. Den grundlæggende designidé er bevaret. Mekanismerne er blevet mindre og stærkere, men de betjenes stadig af kød- og blod-operatører. Hver enhed har en "hånd" til at manipulere en mistænkelig enhed.
Ingeniører prøvede mange chassismuligheder. Først var køretøjerne udstyret med spor, som tanks. I dag kan robotter prale af manøvredygtige traktorlignende spor, tre par hjul og mange andre kombinationer. Moderne sapper-robotter kan navigere i de sværeste områder. Nogle ved endda, hvordan man går op ad trapper.
Robot-sapperens "hånd" giver mere frihed handlinger. De fleste enheder er kompatible med en lang række instrumenter. Dette giver dig mulighed for at overvinde en række forskellige forhindringer. For eksempel, når den står over for pigtråd, kan en robot skære et hul i den.
I betragtning af at bombebortskaffelsesrobotter er designet til at arbejde i farlige miljøer, er de gjort usårbare over for forskellige påvirkninger.
"Meget af midlerne går til at gøre elektronik og sensorer robuste nok til at modstå de hårdeste forhold," siger Vijayakumar. "Selvfølgelig er det ikke det samme som i rummet, men det ligner."
Noget af de nyeste modeller Bombebortskaffelsesrobotter kan klatre op ad trapper (GettyImages)
Bombebortskaffelsesrobotter varierer i størrelse. Der er udviklinger, der passer ind i en rygsæk og kan smides ind i en bygning gennem et vindue, og der er apparater med størrelsen af en plæneklipper, bevæbnet med røntgensyn og eksplosive sensorer.
Kontrolsystemer har også udviklet sig. Tidligere var der behov for særlig træning for at betjene apparaterne. I dag er selv en controller velegnet til at manipulere en minerydningsrobot Spillekonsol: iRobot, firmaet, der gav verden Roomba robotstøvsugeren, demonstrerede denne evne for sin PackBot militærrobot.
I dag afprøves en masse knowhow på dette område. Der er prototyper, der kan hoppe over vægge (Sand Flea fra Boston Dynamics). Der er muligheder med to "arme", der kan kigge ind i bilens bagagerum. Mulighederne undersøges også ved hjælp af hele robothold, hvor hver enhed påtager sig en del af funktionerne.
Vijayakumar opsummerer: "Et af hovedmålene er at bruge robotter i farlige situationer. Robotter kan føres til sprængstof
Med begrebet internet og skole mener jeg ikke kun internettet, men også udvikling innovative teknologier. Så lad os sige fremtidens teknologier og den nuværende skole. Først og fremmest er det selvfølgelig robotter. Folk er meget passionerede omkring ideen om at puste liv ind i et andet væsen. Måske er det fordi robotter er fantastiske væsner. Denne idé er inspireret af tegnefilmen "City of Heroes", som fortæller historien om Young Hiro Hamada, en født opfinder og geni i at designe robotter. Sammen med sin ældre bror Tadashi bringer de de mest avancerede ideer ud i livet Tekniske Universitet fremtidens by San Fransokyo. Efter en række mystiske begivenheder befinder vennerne sig i centrum af en lumsk sammensværgelse. Desperat beslutter Hiro sig for at bruge den muntre og godmodige eksperimentelle robot Baymax og omprogrammerer den til at være usårbar. kampkøretøj. Og faktisk er Baymax en fantastisk robot, Baymax blev skabt til at tage sig af mennesker. Denne oppustelige robotsygeplejerske kan ved hjælp af en indbygget scanner måle kropstemperatur eller tryk, vurdere smerteniveauer og behandle næsten enhver lidelse. Designet af Tadashi, Baymax blev et reelt gennembrud inden for anvendt medicin, og for Hiro - hans bedste ven.
Jeg besluttede at lære så meget som muligt om robotter. Og det er hvad jeg fik.
Robot
— automatisk enhed skabt efter princippet om en levende organisme. Ved at handle i henhold til et forudprogrammeret program og modtage information om omverdenen fra sensorer (analoger af levende organismers sanseorganer), udfører robotten selvstændigt produktion og andre operationer, der normalt udføres af mennesker (eller dyr). I dette tilfælde kan robotten både kommunikere med operatøren (modtage kommandoer fra ham) og handle selvstændigt. Robotter har 3 love:
1 - en robot kan ikke gennem handling eller passivitet forårsage skade på en person.
2 - robotten er forpligtet til at udføre alle menneskelige kommandoer, undtagen dem, der er i modstrid med 1. lov.
3 - robotten er forpligtet til at beskytte sig selv i det omfang dette ikke er i modstrid med lov 1 og 2.
Før har jeg aldrig forstået, hvorfor folk beundrer dem så meget? Det gør et almindeligt stykke jern forskellige funktioner. Men efter at have beskæftiget sig med indre struktur robotter og de funktioner de kan udføre, det tror jeg ikke længere.
Der er 3 hovedtyper af robotter: mekaniske, biorobotter og nanorobotter. Jeg fandt 20 typer robotter (som kommer fra de vigtigste): apoteksrobot, android (humanoid robot), industrirobot, transportrobot, undervandsrobot, husholdningsrobot, kamprobot, zoobot, flyvende robot, medicinsk robot, mikrorobot, personlig robot, robot-kunstner, robotkunstner, robotlegetøj, robottjener, robotkirurg, robotrejseleder, social robot, ballbot.
Fælles for dem alle er, at de alle er menneskelige. Kort sagt, jo mere en robot ligner et levende væsen, jo bedre er den. Mange videnskabsmænd forsøger at skabe et levende væsen ud af en masse ledninger, jern, plastik og en computer. Hvert år kommer menneskeheden tættere på at nå dette mål. Den mest humanoide robot er en android (for eksempel Asim).
For at forstå, hvordan robotter er opbygget, foreslår jeg at sammenligne det med den menneskelige struktur.
Så en person består af:
- Kropsstrukturer;
- Muskelsystemer (som bevæger kroppen);
- Sansesystemer (som modtager information om kroppen og miljøet);
- Energikilde (som nærer muskler og sanseorganer);
- Hjernesystemet (som behandler information fra sanserne og giver instruktioner til musklerne);
Robotten består af:
- Bevægelig fysisk struktur;
- motor;
- System af sensorer (sanseorganer);
- Strømforsyning;
- Computerens "hjerne" (som styrer alle disse elementer);
Den bevægelige fysiske struktur af robotter er rejsesystem
.
Til at bevæge sig rundt på åbne områder bruges der oftest et hjul- eller bæltekøretøj. flyttemand(Warrior og PackBot er eksempler på sådanne robotter). Mindre almindeligt brugt gå systemer (BigDog og Asimo er eksempler på sådanne robotter). Til ujævne overflader skabes hybridstrukturer, der kombinerer hjul- eller bæltekørsel med kompleks kinematik af hjulbevægelser. Dette design blev brugt i måne-roveren.
Indendørs, på industrianlæg robotter bevæger sig med monorails
, Ved gulvspor
osv. For at bevæge sig langs skrå eller lodrette planer, gennem rør, bruges systemer svarende til "gående" strukturer, men med vakuum sugekopper
. Robotter er også kendt, der bruger principperne for bevægelse af levende organismer - slanger, orme, fisk, fugle, insekter og andre; derfor taler de om kravler, insektomorf(fra lat. Insecta'insekt') og andre typer robotter af bionisk oprindelse.
Robottens bevægelige fysiske struktur inkluderer også aktuatorer - disse er manipulatorer, ved hjælp af hvilke robotten kan påvirke genstandene omkring den. Desuden er de komplekse i deres struktur tekniske anordninger, analogt med levende organismer, er disse arme og ben på en robot.
Motorer
I øjeblikket almindeligt brugt motorer jævnstrøm
, forbrændingsmotorer
, stepmotorer
Og servoer
.
Der er udvikling af motorer, der ikke bruger motorer i deres design: for eksempel teknologien til at reducere materiale under påvirkning elektrisk strøm(eller felt), som giver dig mulighed for at opnå en mere nøjagtig overensstemmelse mellem robottens bevægelse og de naturlige jævne bevægelser af levende væsener.
System af sensorer (sanseorganer)
Anerkendelsessystemer er allerede i stand til at bestemme simple tredimensionelle objekter, deres orientering og sammensætning i rummet, og kan også færdiggøre de manglende dele ved hjælp af information fra deres database (for eksempel samle en Lego-konstruktør).
Matematisk grundlag
Ud over de allerede meget udbredte neurale netværksteknologier findes der selvlærende algoritmer til robottens interaktion med omgivende objekter i det virkelige liv. tredimensionel verden: Robothunden Aibo, styret af sådanne algoritmer, gennemgik de samme læringsstadier som en nyfødt baby, og lærte selvstændigt at koordinere bevægelserne af dens lemmer og interagere med omgivende genstande (rangler i en kravlegård). Dette giver endnu et eksempel på en matematisk forståelse af algoritmerne for arbejdet med højere nervøs aktivitet hos mennesker.
Navigation
Systemer til at konstruere en model af det omgivende rum ved hjælp af ultralyd eller scanning Laser stråle bruges i vid udstrækning i racerrobotbiler (som allerede med succes og uafhængigt passerer rigtige bybaner og veje i ujævnt terræn under hensyntagen til uventede forhindringer).
Udseende
I Japan stopper udviklingen af robotter, der har et udseende, der ved første øjekast ikke kan skelnes fra et menneske, ikke. Teknikken til at simulere følelser og ansigtsudtryk hos robotter er under udvikling.
I juni 2009 præsenterede forskere fra University of Tokyo menneskelig robot"KOBIAN", i stand til at udtrykke sine følelser - lykke, frygt, overraskelse, tristhed, vrede, afsky - gennem fagter og ansigtsudtryk. Robotten er i stand til at åbne og lukke øjnene, bevæge sine læber og øjenbryn og bruge sine arme og ben.
Sensorer
Sensorer er systemer teknisk vision, hørelse, berøring, afstandssensorer, locatorer. Enheder, der giver dig mulighed for at få information fra omverdenen.
kraftenhed robotter - en strømkilde designet til at forsyne robotknudepunkter med jævnstrøms elektrisk energi ved at konvertere spændingen til de nødvendige værdier.
Opladningsteknologi
Der er udviklet teknologier, der gør det muligt for robotter at genoplade sig selv ved at finde og forbinde til en stationær ladestation. I i øjeblikket Der udføres test i forskellige laboratorier forskellige systemer, der giver kontaktløs genopladning af batterier indendørs (for eksempel styret af en kraftig infrarød laser eller induktionsprincippet).
Computer hjerne
Kontrolsystem (computerhjerne)- dette er robottens hjerne, som skal modtage information fra sensorer og styre de udøvende organer.
Robotintelligens er systemets evne til at løse problemer formuleret i generel opfattelse
. Robotten klarer selv opgaven uden hjælp fra en operatør.
Men ikke alle computere ejer lignende system. Mange robotter styres af en (menneskelig) operatør. Hvordan radiostyret bil- ved hjælp af en speciel fjernbetjening. Robotten kan også styres ved hjælp af en computer. Operatøren sætter sig ved computeren, sender kommandoer gennem computeren til robotten, og robotten udfører den.
