Робототехника

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Робототе́хника (от робот и техника; англ. robotics) — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой интенсификации производства[1].

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

Этимология[править | править исходный текст]

Слово «робототехника» (в его английском варианте «robotics») было впервые использовано в печати Айзеком Азимовым в научно-фантастическом рассказе «Лжец», опубликованном в 1941 г.

В основу слова «робототехника» легло слово «робот», придуманное в 1920 г. чешским писателем Карелом Чапеком для своей научно-фантастической пьесы «Р. У. Р.» («Россумские универсальные роботы»), впервые поставленной в 1921 г. и пользовавшейся успехом у зрителей. В ней хозяин завода налаживает выпуск множества андроидов, которые сначала работают без отдыха, но потом восстают и губят своих создателей[2].

Впрочем, некоторые идеи, положенные позднее в основу робототехники, появились ещё в античную эпоху — задолго до введения перечисленных выше терминов. Так, в «Илиаде» Гомера говорится, что бог Гефест сделал из золота говорящих служанок, придав им разум (т. е. — на современном языке — искусственный интеллект) и силу[3]. Древнегреческому механику и инженеру Архиту Тарентскому приписывают создание механического голубя, способного летать (ок. 400 г. до н. э.)[4]. Множество подобных сведений содержится в книге «Робототехника: История и перспективы» И. М. Макарова и Ю. И. Топчеева, представляющей собой популярный и обстоятельный рассказ о роли, которую сыграли (и ещё сыграют) роботы в истории развития цивилизации.

Важнейшие классы роботов[править | править исходный текст]

Важнейшие классы роботов широкого назначения — манипуляционные и мобильные роботы.

Рука робота

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[5].

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, см. ниже)[6].

Компоненты роботов[править | править исходный текст]

Приводы[править | править исходный текст]

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

Нога робота, работающая на воздушных мышцах.
  • 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 пьезоэлектрические 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 798 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[7][8].
  • 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[править | править исходный текст]

Колёсные и гусеничные роботы[править | править исходный текст]

Наиболее распространёнными роботами данного класса являются[9][10] четырёхколёсные и гусеничные роботы. Создаются также роботы, имеющие другое число колёс — два или одно. Такого рода решения позволяют упростить конструкцию робота, а также придать роботу возможность работать в пространствах, где четырёхколёсная конструкция оказывается неработоспособна.

Сегвей в Музее роботов в Нагоя.

Двухколёсные роботы, как правило, для определения угла наклона корпуса робота и выработки подаваемого на приводы роботов соответствующего управляющего напряжения (с целью обеспечить удержание равновесия и выполнение необходимых перемещений) используют те или иные гироскопические устройства. Задача удержания равновесия двухколёсного робота связана с динамикой обратного маятника[11]. На данный момент, разработано множество подобных «балансирующих» устройств[12]. К таким устройствам можно отнести Сегвей, который может быть использован, как компонент робота; так например сегвей использован как транспортная платформа в разработанном НАСА роботе Робонавт[13].

Одноколёсные роботы во многом представляют собой развитие идей, связанных с двухколёсными роботами. Для перемещения в 2D пространстве в качестве единственного колеса может использоваться шар, приводимый во вращение несколькими приводами. Несколько разработок подобных роботов уже существуют. Примерами могут служить шаробот разработанный в университете Карнеги — Меллона, шаробот «BallIP», разработанный в университете Тохоку Гакуин (англ. Tohoku Gakuin University)[14], или шаробот Rezero[15], разработанный в Швейцарской высшей технической школе. Роботы такого типа имеют некоторые преимущества, связанные с их вытянутой формой, которые могут позволить им лучше интегрироваться в человеческое окружение, чем это возможно для роботов некоторых других типов[16].

Существует некоторое количество прототипов сферических роботов. Некоторые из них для организации перемещения используют вращение внутренней массы[17][18][19][20]. Роботов подобного типа называют англ. spherical orb robots, англ. orb bot[21] и англ.  ball bot[22][23].

Для перемещения по неровным поверхностям, траве и каменистой местности разрабатываются шестиколёсные роботы, которые имеют большее сцепление, по сравнению с четырёхколёсными. Ещё большее сцепление обеспечивают гусеницы. Многие современные боевые роботы, а также роботы, предназначенные для перемещения по грубым поверхностям разрабатываются как гусеничные. Вместе с тем, затруднено использование подобных роботов в помещениях, на гладких покрытиях и коврах. Примерами подобных роботов могут служить разработанный НАСА робот англ. Urban Robot («Urbie»)[24], разработанные компанией iRobot роботы Warrior и PackBot.

Шагающие роботы[править | править исходный текст]

Робот-андроид ASIMO, производство Honda.

Первые публикации, посвящённые теоретическим и практическим вопросам создания шагающих роботов, относятся к 1970 — 1980-м годам XX в.[25][26].

Перемещение робота с использованием «ног» представляет собой сложную задачу динамики. Уже создано некоторое количество роботов, перемещающихся на двух ногах, но эти роботы пока не могут достичь такого устойчивого движения, какое присуще человеку. Также создано множество механизмов, перемещающихся на более чем двух конечностях. Внимание к подобным конструкциям обусловлено тем, что они легче в проектировании[27][28]. Предлагаются также гибридные варианты (как, например, роботы из фильма «Я, робот», способные перемещаться на двух конечностях во время ходьбы и на четырёх конечностях во время бега).

Роботы, использующие две ноги, как правило, хорошо перемещаются по полу, а некоторые конструкции могут перемещаться по лестнице. Перемещение по пересечённой местности является сложной задачей для роботов такого типа. Существует ряд технологий, позволяющих перемещаться шагающим роботам:

  • ZMP-технология: ZMP (англ.) (англ. Zero Moment Point, «точка нулевого момента») — алгоритм, использующийся в роботах, подобных ASIMO компании Хонда. Бортовой компьютер управляет роботом таким образом, чтобы сумма всех внешних сил, действующих на робота, была направлена в сторону поверхности, по которой перемещается робот. Благодаря этому не создаётся крутящего момента, который мог бы стать причиной падения робота[29]. Подобный способ движения не характерен для человека, в чем можно убедиться сравнив манеру перемещения робота ASIMO и человека[30][31][32].
  • Прыгающие роботы: в 1980-х годах профессором Марком Рейбертом (англ. Marc Raibert из англ. «Leg Laboratory» Массачусетского технологического института был разработан робот, способный сохранять равновесие посредством прыжков, используя только одну ногу. Движения робота напоминают движения человека на тренажёре пого-стик[33]. Впоследствии алгоритм был расширен на механизмы, использующие две и четыре ноги. Подобные роботы продемонстрировали способности к бегу и способность выполнять сальто[34]. Роботы, перемещающие на четырёх конечностях, продемонстрировали бег, перемещение рысью, аллюром, скачками[35].
  • Адаптивные алгоритмы поддержания равновесия. В основном базируются на расчете отклонений мгновенного положения центра масс робота от статически устойчивого положения или некоей наперед заданной траектории его движения. В частности, подобную технологию использует шагающий робот-носильщик Big Dog. При движении этот робот поддерживает постоянным отклонение текущего положения центра масс от точки статической устойчивости, что влечет необходимость своеобразной постановки ног («коленки внутрь» или «тянитолкай»), а также создает проблемы с остановкой машины на одном месте и отработкой переходных режимов ходьбы. Адаптивный алгоритм поддержания устойчивости также может базироваться на сохранении постоянного направления вектора скорости центра масс системы, однако подобные методики оказываются эффективными только на достаточно высоких скоростях. Наибольший интерес для современной робототехники представляет разработка комбинированных методик поддержания устойчивости, сочетающих расчет кинематических характеристик системы с высокоэффективными методами вероятностного и эвристического анализа.

Другие методы перемещения[править | править исходный текст]

  • Летающие роботы. Большинство современных самолётов являются летающими роботами, управляемыми пилотами. Автопилот способен контролировать полёт на всех стадиях — включая взлёт и посадку[36]. К летающим роботам относятся также беспилотные летательные аппараты (БПЛА; важный их подкласс составляют крылатые ракеты). Подобные аппараты имеют, как правило, небольшой вес (за счёт отсутствия пилота) и могут выполнять опасные миссии; некоторые БПЛА способны вести огонь по команде оператора. Разрабатываются также БПЛА, способные вести огонь автоматически. Кроме метода движения, используемого самолётами, летающими роботами используются и другие методы движения — например, подобные тем, что используют пингвины, скаты, медузы; такой способ перемещения используют роботы Air Penguin[37][38], Air Ray[39] и Air Jelly[40] компании Festo, или используют методы полёта присущие насекомым, как, например, RoboBee[41].
Два змееподобных ползающих робота. Левый оснащён 64-мя приводами, правый — десятью.
  • Ползающие роботы. Существует ряд разработок роботов, перемещающихся подобно змеям, червям, слизням[42]. Предполагается, что подобный способ перемещения может придать им возможность перемещаться в узких пространствах; в частности, предполагается использовать подобных роботов для поиска людей под обломками рухнувших зданий[43]. Так же, разработаны змееподобные роботы, способные перемещаться в воде; примером подобной конструкции может служить японский робот ACM-R5[44][45].
  • Роботы, перемещающиеся по вертикальным поверхностям. При проектировании подобных роботов используются различные подходы. Первый подход — проектирование роботов, перемещающихся подобно человеку, взбирающемуся на стену, покрытую выступами. Примером подобной конструкции может служить разработанный в Стэнфордском университете робот Capuchin[46]. Другой подход — проектирование роботов, перемещающихся подобно гекконам. Примерами подобных роботов являются Wallbot[47] и Stickybot[48].
  • Плавающие роботы. Существует много разработок роботов перемещающихся в воде подражая движениям рыб. По некоторым подсчетам эффективность подобного движения может на 80 % превосходить эффективность движения с использованием гребного винта[49]. Кроме того, подобные конструкции производят меньше шума, а также отличаются повышенной манёвренностью. Это является причиной высокого интереса исследователей к роботам, движущимся подобно рыбам[50]. Примерами подобных роботов являются разработанный в Эссекском университете робот Robotic Fish[51] и робот Tuna разработанный Institute of Field Robotics  (англ.) для исследования и моделирования способа движения, характерного для тунца. Так же, существуют разработки плавающих роботов других конструкций[52]. Примерами являются роботы компании Festo: Aqua Ray имитирующий движения ската и Aqua Jelly, имитирующий движение медузы.

Системы управления[править | править исходный текст]

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[53].

По типу управления робототехнические системы подразделяются на:

  1. Биотехнические:
    • командные (кнопочное и рычажное управление отдельными звеньями робота);
    • копирующие (повтор движения человека, возможна реализация обратной связи, передающей прилагаемое усилие, экзоскелеты);
    • полуавтоматические (управление одним командным органом, например, рукояткой всей кинематической схемой робота);
  2. Автоматические:
    • программные (функционируют по заранее заданной программе, в основном предназначены для решения однообразных задач в неизменных условиях окружения);
    • адаптивные (решают типовые задачи, но адаптируются под условия функционирования);
    • интеллектуальные (наиболее развитые автоматические системы);
  3. Интерактивные:
    • автоматизированные (возможно чередование автоматических и биотехнических режимов);
    • супервизорные (автоматические системы, в которых человек выполняет только целеуказательные функции);
    • 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[54]:

  • 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.

Образование[править | править исходный текст]

Робототехнические комплексы также популярны в области образования как современные высокотехнологичные исследовательские инструменты в области теории автоматического управления и мехатроники. Их использование в различных учебных заведениях среднего и высшего профессионального образования позволяет реализовывать концепцию «обучение на проектах», положенную в основу такой крупной совместной образовательной программы США и Европейского союза, как ILERT. Применение возможностей робототехнических комплексов в инженерном образовании даёт возможность одновременной отработки профессиональных навыков сразу по нескольким смежным дисциплинам: механика, теория управления, схемотехника, программирование, теория информации. Востребованность комплексных знаний способствует развитию связей между исследовательскими коллективами. Кроме того, студенты уже в процессе профильной подготовки сталкиваются с необходимостью решать реальные практические задачи.

Существующие робототехнические комплексы для учебных лабораторий:

См. также[править | править исходный текст]

Типы роботов:

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Попов, Письменный, 1990, с. 3
  2. Макаров, Топчеев, 2003, с. 101
  3. Попов, Верещагин, Зенкевич, 1978, с. 11
  4. Боголюбов, 1983, с. 26
  5. Попов, Письменный, 1990, с. 6—7
  6. Попов, Письменный, 1990, с. 9
  7. Air Muscles from Image Company
  8. Air Muscles from Shadow Robot
  9. Охоцимский, Мартыненко, 2003
  10. Тягунов, 2007
  11. T.O.B.B. Mtoussaint.de. Проверено 27 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  12. nBot, a two wheel balancing robot. Geology.heroy.smu.edu. Проверено 27 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  13. ROBONAUT Activity Report. NASA (февраль 2004). Проверено 20 октября 2007. Архивировано из первоисточника 20 августа 2007.
  14. IEEE Spectrum: A Robot That Balances on a Ball. Spectrum.ieee.org. Проверено 27 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  15. Rezero – Focus Project Ballbot. ethz.ch. Проверено 11 декабря 2011. Архивировано из первоисточника 4 февраля 2012.
  16. Carnegie Mellon (2006-08-09). Carnegie Mellon Researchers Develop New Type of Mobile Robot That Balances and Moves on a Ball Instead of Legs or Wheels. Пресс-релиз. Проверено 2007-10-20.
  17. Spherical Robot Can Climb Over Obstacles. BotJunkie. Проверено 27 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  18. Rotundus. Rotundus.se. Проверено 27 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  19. OrbSwarm Gets A Brain. BotJunkie (11 июля 2007). Проверено 27 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  20. Rolling Orbital Bluetooth Operated Thing. BotJunkie. Проверено 27 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  21. Swarm. Orbswarm.com. Проверено 27 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  22. The Ball Bot : Johnnytronic@Sun. Blogs.sun.com. Проверено 27 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  23. Senior Design Projects | College of Engineering & Applied Science| University of Colorado at Boulder. Engineering.colorado.edu (30 апреля 2008). Проверено 27 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  24. JPL Robotics: System: Commercial Rovers
  25. Вукобратович, 1976
  26. Охоцимский, Голубев, 1984
  27. Multipod robots easy to construct
  28. AMRU-5 hexapod robot
  29. Achieving Stable Walking. Honda Worldwide. Проверено 22 октября 2007. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  30. Funny Walk. Pooter Geek (28 декабря 2004). Проверено 22 октября 2007. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  31. ASIMO's Pimp Shuffle. Popular Science (9 января 2007). Проверено 22 октября 2007. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  32. Vtec Forum: A drunk robot? thread
  33. 3D One-Leg Hopper (1983–1984). MIT Leg Laboratory. Проверено 22 октября 2007. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  34. 3D Biped (1989–1995). MIT Leg Laboratory. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  35. Quadruped (1984–1987). MIT Leg Laboratory. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  36. Testing the Limits. Boeing. Проверено 9 апреля 2008. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  37. Air Penguin — роботы пингвины на выставке в Ганновере
  38. Информация о Air Penguin на сайте компании Festo
  39. Air-Ray Ballonet, англ.
  40. Описание AirJelly на сайте компании Festo, англ.
  41. Ma, Kevin Y.; Chirarattananon, Pakpong; Fuller, Sawyer B.; Wood, Robert J. (May 2013). «Controlled Flight of a Biologically Inspired, Insect-Scale Robot». Science 340 (6132): 603-607. DOI:10.1126/science.1231806.
  42. Hirose, 1993
  43. Miller, Gavin Introduction. snakerobots.com. Проверено 22 октября 2007. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  44. ACM-R5
  45. Swimming snake robot (commentary in Japanese)
  46. Capuchin at YouTube
  47. Wallbot at YouTube
  48. Stanford University: Stickybot
  49. Sfakiotakis, et al. (1999-04). «Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion» (PDF) (IEEE Journal of Oceanic Engineering). Проверено 2007-10-24.
  50. Richard Mason. What is the market for robot fish?. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  51. Robotic fish powered by Gumstix PC and PIC. Human Centred Robotics Group at Essex University. Проверено 25 октября 2007. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  52. Witoon Juwarahawong. Fish Robot. Institute of Field Robotics. Проверено 25 октября 2007. Архивировано из первоисточника 4 ноября 2007.
  53. Зенкевич, Ющенко, 2004, с. 18
  54. Зенкевич, Ющенко, 2004, с. 16—18

Литература[править | править исходный текст]

  • Макаров И. М., Топчеев Ю. И.  Робототехника: История и перспективы. — М.: Наука; Изд-во МАИ, 2003. — 349 с. — (Информатика: неограниченные возможности и возможные ограничения). — ISBN 5-02-013159-8.
  • Боголюбов А. Н.  Математики. Механики. Биографический справочник. — Киев: Наукова думка, 1983. — 639 с.
  • Вукобратович М.  Шагающие роботы и антропоморфные механизмы. — М.: Мир, 1976. — 541 с.
  • Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л.  Манипуляционные роботы: динамика и алгоритмы. — М.: Наука, 1978. — 400 с.
  • Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С.  Системы управления манипуляционных роботов. — М.: Наука, 1978. — 416 с.
  • Охоцимский Д. Е., Голубев Ю. Ф.  Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата. — М.: Наука, 1984. — 310 с.
  • Козлов В. В., Макарычев В. П., Тимофеев А. В., Юревич Е. И.  Динамика управления роботами. — М.: Наука, 1984. — 336 с.
  • Фу К., Гонсалес Р., Ли К.  Робототехника / Пер. с англ. — М.: Мир, 1989. — 624 с. — ISBN 5-03-000805-5.
  • Попов Е. П., Письменный Г. В.  Основы робототехники: Введение в специальность. — М.: Высшая школа, 1990. — 224 с. — ISBN 5-06-001644-7.
  • Шахинпур, М.  Курс робототехники / Пер. с англ. — М.: Мир, 1990. — 527 с. — ISBN 5-03-001375-X.
  • Hirose S.  Biologically Inspired Robots: Snake-Like Locomotors and Manipulators. — Oxford: Oxford University Press, 1993. — 240 p.
  • Охоцимский Д. Е., Мартыненко Ю. Г.  Новые задачи динамики и управления движением мобильных колёсных роботов // Успехи механики. — 2003. — Т. 2. — № 1. — С. 3—47.
  • Зенкевич С. Л., Ющенко А. С.  Основы управления манипуляционными роботами. 2-е изд. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. — 480 с. — ISBN 5-7038-2567-9.
  • Тягунов О. А.  Математические модели и алгоритмы управления промышленных транспортных роботов // Информационно-измерительные и управляющие системы. — 2007. — Т. 5. — № 5. — С. 63—69.

Ссылки[править | править исходный текст]