Современное роботостроение – это индустрия с большим количеством научных, технических и исследовательских институтов. Роботы используются повсеместно: на заводах, в быту, в сфере развлечений.
Сегодня уже никого не удивить роботом-официантом, роботом-пылесосом или самообучающимся роботом-котом в качестве детской игрушки. И сделать простую машину можно уже в начальных классах школы.
Робот – техническое устройство с заложенными программами и датчиками. Датчики сообщают ему информацию о внешнем мире, а программы определяют его действия.
Робототехника – прикладная наука, которая развивает производство роботов и разрабатывает автоматизированные технические системы. Бывает промышленная, бытовая, медицинская, строительная, авиационная и экстремальная робототехника. Последняя включает в себя новейшие военные, космические и океанические разработки.
История робототехники
Люди с античных времен мечтали о создании механизмов, облегчающих жизнь человека. Но слово «робот» впервые прозвучало в 1921 году со сцены театра. Это была пьеса чешского драматурга Карела Чапека. И это лишь один из этапов развития робототехники.
- 1913 год – создана машина для решения логических задач.
- 1934 год – создана машина для покраски на конвейере.
- 1950-е года – разработан манипулятор (аналог кисти человека) для работы с радиоактивными элементами.
- 1963 год – создана механическая рука Rancho Arm.
- 1971 год – появился первый микропроцессор.
- 1980 год – на промышленный рынок вышли японские роботы, что спровоцировало подъём в роботостроении.
- 1992 год – прошли бои роботов.
- 2000 год – создан первый робот-пылесос.
- 2003 год – появился робот-игрушка QRIO с адаптивным поведением и словарным запасом в 60 000 слов.
- 2006 год – робот научился распознавать продукты по вкусу и рекомендовать рецепты блюд.
- 2009 год – 3D принтер воссоздает искусственную человеческую кожу.
- 2010 год – на рынок вышел робот для мойки окон.
- 2013 год – появился первый робот-астронавт на космической станции и были запущены гироскутеры.
- 2015 год – выпущена «умная» посуда для людей с болезнью Альцгеймера.
Сегодня робототехника развивается в нескольких направлениях, выпуская роботов на все случаи жизни.
Строение роботов
Разнообразие форм, моделей и функционала современных роботов огромно. Классифицировать их можно по основным узлам:
- приводам,
- способу перемещения,
- системе управления.
Комбинируя эти элементы в случайном порядке, можно собрать своего уникального робота.
Привод
Привод – сложное техническое устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. Тем самым приводит в движение какой-либо механизм. Распространённым вариантом привода является аналог мышц человека: электрическая энергия двигателя преобразуется в энергию движения – робот едет или двигает манипуляторами.
Приводы разделяют по типу двигателя.
- Электродвигатели постоянного тока.
- Шаговые электродвигатели. Подача тока идёт через определённые интервалы – шаги. Программа контролирует длину шага (интервал) и количество шагов определённым образом. Каждый шаг – это микродвижение механизма, например, поворот на угол в один градус.
- Ультразвуковые или пьезодвигатели преобразуют электрическую энергию в энергию вращения с очень высоким КПД (коэффициент полезного действия). Преимущество пьезомеханизмов – большая мощность при очень маленьких размерах.
- Пневматические двигатели или воздушные мышцы. Воздушные мышцы имитируют мышцы человека или животного. Когда в них поступает воздух под давлением, они сокращаются до 40% от своей длины.
- Электроактивные полимеры. Пластмасса, способная изменяться под действием тока. Электроактивные полимеры широко не используются из-за быстрого разрушения под действием электричества. Перспектива – поиск усовершенствованной формулы полимера.
- Эластичные нанотрубки – технология будущего на стадии разработки. Мышцы из нанотрубок имитируют человеческие, но смогут выдержать большие нагрузки.
Способ перемещения
Условно роботов делят на:
- стационарные манипуляторы,
- мобильные устройства.
Стационарные манипуляторы предназначены для сложных технических операций. Движение таких роботов ограничено необходимой для выполнения операций площадью и траекторией. У мобильных роботов таких ограничений нет.
Колёсные и гусеничные роботы
Самый просто вариант шасси имеет четыре колеса. Его очевидный недостаток – проходимость и угол поворота.
У двух и одноколёсных роботов такой проблемы нет, но возникает другая – устойчивость вертикальной конструкции на оси колеса. Робот на двух колёсах удерживает равновесие благодаря гироскопу и принципу обратного маятника. Одним из таких устройств является сигвей – самобалансирующееся транспортное средство.
Одноколёсный робот по принципу работы не отличается от двухколёсного. Но разработчики придумали использовать вместо колеса шар – это более устойчивая конструкция. Когда роботу требуется большая проходимость, количество колёс увеличивают до 6, а повысить сцепление с поверхностью позволяет гусеничный механизм. К колесным роботам относят и модель сферической формы, которая перемещается за счёт вращения внутренней массы.
Шагающие роботы
Механизм шагания, аналогичный человеческому, сложен для воссоздания. Уже существуют роботы, способные ходить на двух ногах, но они крайне неустойчивы. Чаще встречаются модели на четырёх конечностях или гибридные, способные ходить на двух ногах и бегать на четырёх. Есть роботы, которые умеют прыгать и даже делать сальто.
Альтернативные способы передвижения
- Змееподобные роботы – состоят из нескольких сегментов, каждый из которых оснащён собственным приводом.
- Летающие роботы – беспилотные самолёты, квадрокоптеры, и так далее.
- Роботы, способные подниматься по вертикальным поверхностям. На данный момент используют два принципа: скалолазание человека и липучки геккона.
- Плавающие роботы. Кроме конструкций на гребных винтах, есть модели, имитирующие движение рыб и других морских обитателей.
Системы управления
Ещё одна важная характеристика робототехнических систем – это способ управления. Есть несколько их видов.
Биотехнический
- Командный: механизмы приводятся в движение при помощи кнопок и рычагов.
- Копирующий – имитация движений тела человека, животного, рыбы, насекомого и так далее. На копирующем принципе работает экзоскелет – внешний каркас, который распределяет нагрузку на опорно-двигательный аппарат.
- Полуавтоматический – позволяет запустить систему одним рычагом или кнопкой.
Автоматический
- Программный – действует по заданной программе, решает ограниченное количество задач.
- Адаптивный – решает типовые задачи, но умеет адаптироваться под внешние условия.
- Интеллектуальный – решает задачи любой сложности.
Интерактивный
- Автоматизированный.
- Супервизорный – оператор контролирует процесс и корректирует его при необходимости.
- Диалоговый – робот анализирует команды человека и выдаёт адекватные реакции, исходя из установленной программы.
Робототехника в школе
Современные дети не удивляются телевизору, компьютеру и смартфону. А собрать своего первого робота можно уже в 6 лет при помощи конструктора Lego Education.
Что даёт конструирование роботов:
- развитие мелкой моторики, памяти и внимания, создание новых нейронных связей;
- развитие ответственности и дисциплины;
- развитие творческого мышления, воображения;
- умение работать в команде;
- развитие терпения и целеустремленности;
- принцип действия «от простого к сложному» поможет в будущем решать логические и жизненные задачи (навыки технического конструирования, освоение основ программирования и так далее).
Создание своего робота – творческий и увлекательный процесс, который пробуждает в ребёнке интерес к наукам: математике, логике, физике, информатике и инженерии. Задача родителей – правильно подобрать кружок для ребёнка, чтобы этот интерес не угас.
Как выбрать кружок
Курсы создания роботов есть при школах, в домах детского творчества и в частных организациях. На что следует обратить внимание при выборе кружка?
- Образовательная программа. Робототехника – прикладная наука. Чем больше практических занятий, тем интереснее будет ребёнку. Если теоретических занятий по математике и программированию больше, он заскучает и забросит занятия.
- Наличие элементов геймификации в программе: соревнования, гонки или бои роботов.
- Материальная база кружка. Хорошо, если в наличии есть наборы для конструирования роботов разных торговых марок.
- Качество и сложность конструкторов. Ребёнок мечтает создать своего робота с уникальным дизайном и определённым набором функций. Бюджетные конструкторы позволят собрать банку на колёсах, способную двигаться по заданной траектории. В более дорогих наборах есть голосовые чипы, разные лампочки и яркие детали.
- Оснащение. Наличие в кабинете слесарных станков или 3D принтера говорит о том, что некоторые детали для своего робота школьник сможет создать самостоятельно.
- Увлечённый педагог, который собирает оригинальных роботов, а не следует инструкции. Бонус: его интерес к инновациям.
Роботостроение продолжает развиваться. С каждым годом в ВУЗах и колледжах появляется всё больше инженерных направлений, связанных с конструированием роботов. Поэтому робототехника – перспективное направление в образовании ребёнка.
Фото: Shutterstock / FOTODOM
