Робототехника: история. Основные задачи робототехники
Робот - это программируемое механической устройство, способное выполнять задачи и взаимодействовать с внешней средой без помощи со стороны человека. Робототехника - это научная и техническая база для проектирования, производства и применения роботов.
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». Слово «робототехника» было впервые применено известным автором научной фантастики Айзеком Азимовым в 1941 году.
Базовые компоненты робота
Компоненты робота: тело/рама, система управления, манипуляторы, и ходовая часть.
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. (Робонафт НАСА, представленный в предыдущем разделе, является исключением). Как правило, в проекте робота внимание уделяется функциональности, а не внешности.
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. То же самое происходит при вводе пользовательской команды.
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. В настоящем учебном курсе акцент делается на тему манипуляторов, особенно блок 6.
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. Роботы-гуманоиды оснащены ногами, тогда как ходовая часть практически всех остальных роботов реализована с помощью колес.
Возможности применения и примеры роботов
На сегодняшний день, роботы имеют массу применений. Области применения делятся на три основные категории:
- промышленные роботы;
- исследовательские роботы;
- образовательные роботы.
Промышленные роботы
В промышленности, для выполнения огромного количества работ необходимы высокая скорость и точность. В течение многих лет ответственность за выполнение подобных работ несли люди. С развитием технологий, использование роботов позволило ускорить и повысить точность многих производственных процессов. Это и упаковка, сборка, окраска и укладка на поддоны. Изначально, роботы выполняли только особые виды повторяющихся работ, где требовалось соблюдение простого заданного набора правил. Тем не менее, с развитием технологий промышленные роботы стали гораздо более подвижны, и теперь они способны принимать решения на основе сложного ответа от датчиков. Сегодня промышленные роботы часто оснащены системами технического зрения. К концу 2014 года международная робототехническая федерация прогнозировала объем применения промышленных роботов по всему миру свыше 1,3 миллиона единиц!
Роботы могут использоваться для выполнения сложных, опасных задач, а также задач, которые человек выполнить не в состоянии. Например, роботы способны обезвреживать бомбы, обслуживать ядерные реакторы, исследовать глубины океана и достигать самых дальних уголков космоса.
Исследовательские роботы
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. В целях изучения космического пространства и планет солнечной системы в НАСА на протяжении использовались космические аппараты, посадочные модули и вездеходы с функциями роботов.
Роботы Pathfinder и Sojourner
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. Pathfinder не только выполнил свою прямую задачу, но также вернулся на Землю с огромным количеством собранных данных и превысил свой проектный срок эксплуатации.
Вездеходы Spirit и Opportunity
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. За это время было собрано бесчисленное количество геологических данных о Марсе.
Роботизированная рука космического корабля
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. Система дистанционного манипулирования (RMS), или Канадарм (канадский дистанционный манипулятор), совершила свой первый выход в космос 13 ноября 1981 года.
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. Общая масса руки на поверхности Земли составляет 994 фунта.
RMS использовалась для запуска и поиска спутников, а также оказалась бесценным помощником для астронавтов в процессе ремонта космического телескопа Хаббла. Последняя миссия Канадарм в составе космического корабля стартовала в июле 2011 года и стала девяностой миссией этого робота.
Мобильные обслуживающие системы
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. MSS предназначена для обслуживания оборудования и приборов, установленных на международной космической станции, а также для оказания помощи при транспортировке продовольствия и оборудования в пределах станции.
Dextre
В рамках космической миссии STS-123 в 2008, космический корабль Endeavor осуществлял перевозку последней части гибкого манипулятора специального назначения Dextre.
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. Команда может наблюдать за работой с помощью четырех установленных камер.
По конструкции робот напоминает человека. Верхняя часть его тела может поворачиваться в талии, а плечи удерживают руки, расположенные с двух сторон.
Роботы 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. За счет этого открываются огромные возможности применения научных и математических основ.
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. В дополнение, робототехника предлагает наиболее доступное и подходяще для повторного использования оборудование.
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. Робототехника не только является уникальной и широкой базой для преподавания разнообразных технических дисциплин, но также областью техники, оказывающей значительное влияние на развитие современного общества.
Почему робототехника важна?
Как видно из раздела «Возможности применения и примеры роботов», 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. Комбинируя эти аспекты работы, учащиеся поднимают свои знания и возможности на новый уровень.
Робототехники олицетворяют собой сочетание противоположностей. Как специалисты, они искушены в тонкостях своей специализации. Как универсалы, они способны охватить проблему в целом в той степени, что позволяет имеющаяся обширная база знаний. Предлагаем вашему вниманию интересный материал на тему умений и навыков, которые необходимы настоящему робототехнику.
А кроме самого материала также комментарии одного из наших робо-экспертов, куратора екатеринбургского , Олега Евсегнеева.
Инженеры-робототехники, как правило, попадают в две категории специалистов: думающих (теоретиков) и делающих (практиков). Это означает, что робототехники должны отличаться хорошим сочетанием двух противоположных стилей работы. «Склонные к исследованиям» люди вообще любят решать проблемы, думая, читая и изучая. С другой стороны, специалисты-практики любят решать проблемы лишь «испачкав руки», можно так сказать.
В робототехнике нужен тонкий баланс между напряженными исследованиями и расслабленной паузой, то есть работа над реальной задачей. В представленный перечень попали 25 профессиональных умений, сгруппированных в 10 существенных для роботостроителей навыков.
1. Системное мышление
Один из менеджеров проекта однажды заметил, что многие, связанные с робототехникой люди, оказываются впоследствии менеджерами проектов или системными инженерами. В этом есть особый смысл, так как роботы являются очень сложными системами. Занимающийся роботами специалист должен быть хорошим механиком, электронщиком, электриком, программистом и даже обладать познаниями в психологии и когнитивной деятельности.
Хороший робототехник в состоянии понять и теоретически обосновать, как совместно и слаженно взаимодействуют все эти разнообразные системы. Если инженер-механик может вполне обоснованно сказать: «это не моя работа, тут нужен программист или электрик», то робототехник должен хорошо разбираться во всех этих дисциплинах.
Вообще, системное мышление является важным навыком для всех инженеров. Наш мир – одна большая сверхсложная система. Навыки системной инженерии помогают правильно понять, что и как связано в этом мире. Зная это, можно создавать эффективные системы управления реальным миром.
2. Мышление программиста
Программирование является довольно важным навыком для робототехника. При этом не имеет значения, занимаетесь ли вы низкоуровневыми системами управления (используя лишь MATLAB для проектирования контроллеров) или являетесь специалистом по информатике, проектирующим высокоуровневые когнитивные системы. Занимающиеся роботами инженеры могут быть привлечены к работе по программированию на любом уровне абстракции. Основное различие между обычным программированием и программированием роботов заключается в том, что робототехник взаимодействует с оборудованием, электроникой и беспорядком реального мира.
Сегодня используется более 1500 языков программирования. Несмотря на то, что вам явно не нужно будет учить их все, хороший робототехник обладает мышлением программиста. А они будут комфортно чувствовать себя при изучении любого нового языка, если вдруг это потребуется. И тут мы плавно переходим к следующему навыку.
Комментарий Олега Евсегнеева: Я бы добавил, что для создания современных роботов требуется знание языков низкого, высокого и даже сверхвысокого уровня. Микроконтроллеры должны работать очень быстро и эффективно. Чтобы этого достичь, нужно углубляться в архитектуру вычислительного устройства, знать особенности работы с памятью и низкоуровневыми протоколами. Сердцем робота может быть тяжелая операционная система, например, ROS. Здесь уже может понадобиться знание ООП, умение пользоваться серьезными пакетами машинного зрения, навигации и машинного обучения. Наконец, чтобы написать интерфейс робота в веб и связать его с сетью интернет, неплохо будет научиться скриптовым языкам, тому же python.
3. Способность к самобучению
О робототехнике невозможно знать все, всегда есть что-то неизвестное, что придется изучать, когда возникнет в том необходимость при реализации очередного проекта. Даже после получения высшего образования по специальности робототехника и нескольких лет работы в качестве аспиранта многие только начинают по-настоящему понимать азы робототехники.
Стремление к постоянному изучению чего-то нового является важной способностью на протяжении всей вашей карьеры. Поэтому использование эффективных лично для вас методов обучения и хорошее восприятие прочитанного помогут вам быстро и легко получать новые знания, когда в этом возникает необходимость.
Комментарий Олега Евсегнеева: Это ключевой навык в любом творческом деле. С помощью него можно получить другие навыки
4. Математика
В робототехнике имеется не так много основополагающих навыков. Одним из таких основных навыков является математика. Вам, вероятно, трудно будет добиться успеха в робототехнике без надлежащего знания, по крайней мере, алгебры, математического анализа и геометрии. Это связано с тем, что на базовом уровне робототехника опирается на способность понимать и оперировать абстрактными понятиями, часто представляемыми в виде функций или уравнений. Геометрия является особенно важной для понимания таких тем, как кинематика и технические чертежи (которых вам, вероятно, придется много сделать в течение карьеры, включая те, что будут выполнены на салфетке).
Комментарий Олега Евсегнеева: Поведение робота, его реакция на окружающие раздражители, способность учиться – это все математика. Простой пример. Современные беспилотники хорошо летают благодаря фильтру Калмана – мощному математическому инструменту для уточнения данных о положении робота в пространстве. Робот Asimo умеет различать предметы благодаря нейронным сетям. Даже робот-пылесос использует сложную математику, чтобы правильно построить маршрут по комнате.
5. Физика и прикладная математика
Есть некоторые люди (чистые математики, например), которые стремятся оперировать математическими понятиями без привязки к реальному миру. Создатели роботов не относятся к такому типу людей. Познания в физике и прикладной математике важны в робототехнике, потому что реальный мир никогда не бывает таким точным, как математика. Возможность решить, когда результат расчета достаточно хорош, чтобы на самом деле работать – это ключевой навык для инженера-робототехника. Что плавно подводит нас к следующему пункту.
Комментарий Олега Евсегнеева: Есть хороший пример – автоматические станции для полета на другие планеты. Знание физики позволяет настолько точно рассчитать траекторию их полета, что спустя годы и миллионы километров аппарат попадает в точно заданную позицию.
6. Анализ и выбор решения
Быть хорошим робототехником означает постоянно принимать инженерные решения. Что выбрать для программирования - ROS или другую систему? Сколько пальцев должен иметь проектируемый робот? Какие датчики выбрать для использования? Робототехника использует множество решений и среди них почти нет единственно верного.
Благодаря обширной базе знаний, используемой в робототехнике, вы могли бы найти для себя более выгодное решение определенных проблем, чем специалисты из более узких дисциплин. Анализ и принятие решений необходимы для того, чтобы извлечь максимальную пользу из вашего решения. Навыки аналитического мышления позволят вам анализировать проблему с различных точек зрения, в то время как навыки критического мышления помогут использовать логику и рассуждения, чтобы сбалансировать сильные и слабые стороны каждого решения.
Робототехник (Чешск. robot, от robota - подневольный труд и rob - раб) — специалист по разработке роботов и их обслуживанию. Профессия подходит тем, кого интересует физика, математика, черчение и информатика (см. выбор профессии по интересу к школьным предметам).
Особенности профессии
Робототехника (роботехника) - это прикладная научная отрасль, посвященная созданию роботов и автоматизированных технических систем. Такие системы также называют робототехническими системами (РТС). Ещё одно название - роботостроение. Так называют процесс создания роботов, по аналогии с машиностроением. Роботы особенно нужны там, где человеку работать слишком тяжело или опасно, и там, где каждое действие должно выполняться с нечеловеческой точностью. Например, робот может взять пробы грунта на Марсе, обезвредить взрывное устройство или провести точную сборку прибора.
Конечно, для каждого вида работы нужен специальный робот. Роботов-универсалов пока не существует. Всю робототехнику можно разделить на промышленную, строительную, авиационную, космическую, подводную, военную. Кроме этого существуют роботы-помощники, роботы для игр и т.д.
Робот может работать по заранее разработанной программе либо под управлением оператора. Роботов с самостоятельным мышлением и мотивацией, со своим эмоциональным миром и мировоззрением пока тоже нет. Оно и к лучшему.
Робототехника находится в родстве с мехатроникой.
Мехатроника - это дисциплина, посвящённая созданию и эксплуатации машин и систем с программным управлением. Часто мехатроникой называют электромеханику и наоборот.
К мехатронике относятся заводские станки с программным управлением, беспилотные транспортные средства, современная офисная техника и пр. Иными словами, приборы и системы, предназначенные для выполнения какой-то конкретной задачи. Например, задача офисного принтера - печать документов.
А что такое робот по своей сути?
Как видно из самого названия, робот изначально представлялся как подобие человека. Но прагматизм берёт верх. И чаще всего роботу отводится роль технического приспособления, для которого внешность не имеет большого значения. По крайней мере, промышленные роботы на людей совсем не похожи.
Однако у роботов есть признак, который объединяет их со всеми живыми существами - движение. И способ движения порой довольно чётко копирует то, что встречается в природе. Например, робот может летать, подобно стрекозе, бегать по стене, словно ящерица, ходить по земле, словно человек и пр.
(См. ролик внизу страницы.)
С другой стороны, некоторые роботы специально рассчитаны на душевный отклик людей. Например, роботы-собаки скрашивают жизнь людям, у которых нет времени на настоящую собаку. А плюшевые «младенцы» облегчают депрессию.
Не за горами то время, когда среди прочей бытовой техники у нас появятся роботы, помогающие по хозяйству. Лично я предпочла бы слугу в виде улыбчивого пластикового кокона на колёсах. Но кому-то наверняка захочется, чтобы их роботы-мажордомы были как настоящие люди. В этом направлении уже сделаны потрясающие успехи.
Создание робота - это то, чем занимается робототехник . Точнее, инженер-робототехник . Он исходит из того, какие задачи робот будет решать, продумывает механику, электронную часть, программирует его действия. Такая работа - не для одиночки-изобретателя, инженеры-робототехники работают в команде.
Но робота нужно не только изобрести и разработать. Его нужно обслуживать: управлять работой, следить за «самочувствием» и ремонтировать. Этим также занимается робототехник, но специализирующийся на обслуживании.
В основе современной робототехники находятся механика, электроника и программирование. Но, как подсказывают фантасты, со временем для изготовления роботов будут широко использовать био- и нанотехнологи. В результате получится киборг, т.е. кибернетический организм - что-то среднее между живым человеком и роботом. Чтобы не слишком радоваться по этому поводу, можно посмотреть фильм «Терминатор», любую его часть.
Начало истории роботов
Слово «робот» придумал Карел Чапек в 1920 г. и использовал его в своей пьесе «R.U.R.» («Россумские Универсальные Роботы»). Позже, в 1941 г., Айзек Азимов использовал слово «робототехника» в научно-фантастическом рассказе «Лжец».
Но видимо, одним из первых робототехников в истории человечества можно считать арабского изобретателя Аль-Джазари, жившего в XII веке. Остались свидетельства, что он создал механических музыкантов, которые развлекали публику, играя на арфе, флейте и бубнах. Леонардо да Винчи, живший в XV-XVI веках, оставил после себя чертежи механического рыцаря, способного двигать руками и ногами, открывать забрало своего шлема. Но эти выдающиеся изобретатели вряд ли могли представить, каких вершин достигнут технологии через несколько столетий.
Обучение на Робототехника
Чтобы стать робототехником, нужно получить высшее образование по направлению «мехатроника и робототехника». В частности, к этому направлению относится специальность «роботы и робототехнические системы». Высшее образование даёт квалификацию «инженер».
На этом курсе можно получить профессию специалиста по мехатронике и робототехнике за 3 месяца и 10 000 руб.
— Одна из самых доступных цен в России;
— Диплом о профессиональной переподготовке установленного образца;
— Обучение в полностью дистанционном формате;
— Сертификат соответствия профстандарту стоимостью 10 000 руб. в подарок!;
— Крупнейшее образовательное учреждение дополнительного проф. образования в России.
Рабочее место
Робототехники работают в конструкторских бюро авиации и космонавтики. Например, в НПО им. С.А.Лавочкина. В научно-исследовательских центрах разной направленности (космос, медицина, нефтедобыча и пр.). В компаниях, специализирующихся на роботостроении.
Оплата труда
Важные качества
Профессия робототехник предполагает интерес к точным наукам и инженерному делу, аналитический склад ума, хорошо структурированное мышление в сочетании с богатым воображением.
Знания и навыки
По существу, робототехник - это универсальный специалист: инженер, программист, кибернетик в одном лице. Ему необходимо знание механики, программирования, теории автоматического управления, теории проектирования автоматических систем. Очень важны навыки конструирования, умение работать руками, например, пользоваться паяльником.
Изобретение относится к устройству, защищающему тело от удара, вызванного столкновением с препятствием во время перемещения устройства по поверхности. Устройство (1, 21), содержащее, по меньшей мере, тело (2, 22) и амортизатор (6), который подвижно прикреплен к телу таким образом, чтобы защищать тело от удара, вызванного столкновением с препятствием во время перемещения устройства по поверхности, в котором амортизатор (6) прикреплен к телу (2, 22) посредством, по меньшей мере, одной пружины (9, 25), продолжающейся в направлении, которое, по меньшей мере, в основном перпендикулярно направлению, в котором амортизатор является подвижным относительно тела, отличающееся тем, что пружина (9, 25) является предварительно натянутой спиральной пружиной, работающей на растяжение, при этом пружина (9, 25) имеет относительно большую жесткость при силах ниже заданного значения и относительно малую жесткость при силах выше заданного значения. Кроме того, выполнен робот-пылесос, содержащий такое устройство.
Система пылесоса-робота может быть использована для уборки пыли и посторонних материалов с пола, окон или газовых вентилей в доме и обеспечивает возможность точного определения пылесосом-роботом местоположения внешнего зарядного устройства, даже если оно находится за пределами зоны, в которой верхняя видеокамера может обнаружить опознавательные метки расположения, а способ стыковки позволяет пылесосу-роботу точно пристыковаться к внешнему зарядному устройству. Система пылесоса-робота содержит внешнее зарядное устройство с выводом питания, подключенным к сети питания общего пользования, опознавательную метку зарядного устройства, нанесенную на внешнее зарядное устройство, пылесос-робот с датчиком опознавательной метки, который обнаруживает опознавательную метку зарядного устройства, и с подзаряжаемой аккумуляторной батарей. Пылесос-робот выполнен с возможностью автоматической пристыковки к выводу питания для подзарядки подзаряжаемой аккумуляторной батареи. Система имеет блок управления выводом питания, смонтированный в составе внешнего зарядного устройства, для подачи питания только во время подзарядки пылесоса-робота и содержащий элемент крепления вывода питания, упругий элемент, подсоединенный одним концом к элементу крепления вывода питания, и подсоединенный другим концом к выводу питания для упругого крепления вывода питания, и микропереключатель, смонтированный между выводом питания и элементом крепления вывода питания и срабатывающий в соответствии с изменением положения вывода питания. Согласно способу стыковки пылесоса-робота с внешним зарядным устройством осуществляют отодвигание пылесоса-робота из положения подключения к внешнему зарядному устройству после получения сигнала к началу работы, при этом пылесос-робот после обнаружения первой опознавательной метки местоположения при посредстве верхней видеокамеры в процессе движения сохраняет в памяти, в качестве данных о точке входа, потолочное изображение, на котором впервые обнаружена первая опознавательная метка местоположения. Пылесосом-роботом выполняют назначенное задание, после ввода командного сигнала на подзарядку пылесос-робот возвращают в точку входа на основании данных текущего местоположения и сохраненных данных о точке входа, при этом данные текущего местоположения вычисляют по снятым верхней видеокамерой потолочным изображениям. Внешнее зарядное устройство обнаруживают посредством обнаружения опознавательной метки зарядного устройства с использованием датчика на корпусе пылесоса-робота, который подключают своим вводом подзарядки к выводу питания внешнего зарядного устройства. Подзаряжаемую аккумуляторную батарею подзаряжают от внешнего источника питания через ввод подзарядки.
Предложенное изобретение относится к автоматическим системам уборки помещений с парковочным модулем. Предложена автоматическая система уборки помещения, содержащая робот-пылесос, зарядную станцию, систему управления, а также парковочный модуль для робота-пылесоса. Парковочный модуль содержит корпус, обеспечивающий размещение в нем робота-пылесоса и зарядной станции, фронтальную крышку с управляемым приводным механизмом, обеспечивающим открытие и закрытие указанной фронтальной крышки по команде от системы управления. Наличие указанного парковочного модуля и его конструктивное выполнение обеспечивают улучшение эргономики автоматической системы уборки помещений, экономию внутреннего пространства помещения с сохранением дизайна помещения, а также исключение нежелательного контакта детей и домашних животных со сложной дорогостоящей роботизированной техникой.
Способ предназначен для зарядки робота-пылесоса, осуществляющего уборку очищаемой поверхности при самостоятельном перемещении по ней. Способ включает перемещение робота-пылесоса пользователем вплотную к зарядному устройству для его зарядки вручную, распознавание состояния соединения между зарядными клеммами зарядного устройства и контактными клеммами робота-пылесоса, подтверждение, находится ли робот-пылесос на заданном расстоянии от зарядного устройства, если зарядные клеммы и контактные клеммы разъединены друг с другом. Указанное подтверждение осуществляют по истечении заданного времени после получения подтверждения того, что зарядные и контактные клеммы разъединены друг с другом, путем обнаружения сигнала близкого расстояния, переданного от зарядного устройства, и подтверждения нахождения робота-пылесоса перед зарядным устройством, когда сигнал близкого расстояния обнаружен. Далее предусмотрено выполнение режима автоматической зарядки, при котором робот-пылесос автоматически перемещается и стыкуется с зарядным устройством для электрической зарядки, если робот-пылесос находится на заданном расстоянии от зарядного устройства. Технический результат состоит в обеспечении возможности выявления неправильного соединения между контактными и зарядными клеммами и предотвращении неправильной установки робота-пылесоса относительно зарядного устройства при зарядке робота-пылесоса вручную.
Робот-пылесос и система робота-пылесоса могут быть использованы для очистки различных поверхностей и способны эффективно выполнять заданный объем работы путем более точной идентификации текущего положения робота-пылесоса. Робот-пылесос содержит привод, предназначенный для приведения в движение множества колес, камеру, расположенную в корпусе, и управляющее устройство для идентификации положения привода путем использования информации о положении, полученной из идентификационной метки на потолке рабочей зоны, которая сфотографирована камерой, и для управления приводом путем использования информации об идентифицированном положении с возможностью обеспечения соответствия заданной операции чистки. Идентификационная метка имеет множество частей, указывающих направление, которые образованы за одно целое с ней. Части, указывающие направление, образованы в азимутальном направлении от заранее заданной центральной точки идентификационной метки и имеют разную длину. В варианте выполнения робот-пылесос содержит корпус, всасывающее устройство, множество колес, привод, соединенный с колесами, датчик для обнаружения препятствий, расположенный на корпусе, датчик для определения длины перемещения, расположенный на корпусе, камеру, выполненную с возможностью фотографирования идентификационной метки, образованной на потолке зоны, подлежащей чистке, управляющее устройство, сконфигурированное с возможностью выдачи сигнала приводу и идентификации положения робота-пылесоса на основе сравнения текущей фотографии идентификационной метки и хранящейся в памяти фотографии идентификационной метки. Система робота-пылесоса включает в себя робот-пылесос, содержащий привод для приведения в движение множества колес и верхнюю камеру, расположенную в корпусе для фотографирования верхнего изображения, простирающегося перпендикулярно направлению движения робота-пылесоса, и устройство дистанционного управления, имеющее беспроводную связь с роботом-пылесосом для идентификации текущего положения робота-пылесоса путем использования изображения идентификационной метки, образованной на потолке рабочей зоны, которая сфотографирована верхней камерой. Идентификационная метка имеет множество частей, указывающих направление, которые образованы за одно целое с ней. Части, указывающие направление, образованы в азимутальном направлении от заранее заданной центральной точки идентификационной метки и имеют различные длины. Устройство дистанционного управления выполнено с возможностью управления направлением рабочего перемещения робота-пылесоса и выполнения заданной операции чистки на основе идентифицированного текущего положения робота-пылесоса.
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.
Навстречу ему золотые служанки вмиг подбегали, Подобные девам живым, у которых Разум в груди заключен и голос, и сила, Которых самым различным трудам обучали Бессмертные боги...
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
Шагающие 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. Биотехнические :
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. Автоматические :
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. Интерактивные :
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.
