Робототехника. Принципы классификации.

Робототехника — это достаточно молодая отрасль прикладных наук, которая занимается разработкой автоматизированных технических систем. Робототехника тесно связана с механикой, электроникой и программированием.

Само слово «робот» придумали ещё в 1920 году чешский писатель Карел Чапек и его брат Йозеф, впервые оно встретилось в их научно-фантастической пьесе «Россумские универсальные роботы», которая получила большой зрительский успех.

Там оно обозначало искусственно созданных людей, труд которых использовался вместо человеческого на тяжёлых и опасных производствах («robota» в переводе с чешского языка – каторга). Хоть в этом произведении роботы и изготавливались на фабриках по выращиванию органических тканей, само понятие впоследствии стало популярным именно в отношении механических устройств.

Роботы отличаются от простых механических автоматов. В отличие от автоматов робот не просто следует заранее вложенному в него алгоритму, а способен воспринимать внешние сигналы и в соответствии с ними адаптировать свои действия в изменяющейся ситуации.

Понятие «робототехника» впервые в своём рассказе «Лжец» использовал писатель-фантаст Айзек Азимов в 1941 году.

Уже давно прошли те времена, когда роботов можно было встретить только в фантастических фильмах. Сегодня роботы становятся частью обыденной жизни.

Робототехника, как отрасль наук, охватывает различные сферы, поэтому существует некая классификация, с которой будем знакомиться далее.

По отрасли применения робототехника может подразделяется на промышленную, бытовую и экстремальную.

Промышленная робототехника включает в себя:

• производственную робототехнику (например, автосборочное производство);
• строительную робототехнику;
• транспортную робототехнику (например, авиационная, автомобильная робототехника).

Промышленные роботы уже активно используются на заводах и фабриках, при производстве игрушек, чайников, мотоциклов, конфет, а также в производстве действительно сложных изделий, например, автомобилей. Роботы могут без помощи человека варить металл, штамповать, собирать по частям готовые продукты, всё это происходит благодаря особым конструкциям и программам, которые определяют функционал каждого робота. Говоря иными, а именно научными словами, такие устройства предназначены для автоматизации производства — изготовления чего-либо без помощи человека.

Строительная робототехника, как это понятно из её названия, связана со сферой строительства. То есть работа идёт над разработкой роботов, которых можно будет использовать как при строительстве различных объектов, так и, что интересно, при их разрушении. Трудоёмкость обоих этих процессов высока, да и технологичность каждой операции процесса строительства должна быть на должном уровне. Поэтому использование роботов в этой сфере поможет соблюдать установленные технические стандарты и требования, а также может помочь максимально исключить ошибки, допускаемые из-за человеческого фактора.

Экстремальная робототехника включает в себя:

• космическую;
• подводную;
• военную робототехнику.

К группе военных роботов относят всевозможные беспилотные разведчики, машины для минирования и разминирования местности. Был разработан даже настоящий робот-медик. Называется этот робот Bloodhound, а предназначен он для оказания помощи раненым, к которым невозможно приблизиться врачам из-за сильного огня со стороны противника. Bloodhound оснащён видеокамерами, радиостанцией с микрофоном и динамиками, а также стетоскопом. Все эти элементы робота позволяют медикам дистанционно управлять им, проводить первичный осмотр раненого и даже беседовать с ним. После постановки диагноза Bloodhound может остановить кровотечение (например, наложить повязку на рану) и сделать назначенный укол, который позволит раненому дождаться эвакуации. Благодаря таким роботам можно спасти огромное количество человеческих жизней.

В 2004 российские инженеры создали робота, способного обнаруживать и обезвреживать взрывные устройства. Такой робот способен проникать и доставлять в труднодоступные зоны средства наблюдения и разведки, а также осматривать подозрительные объекты и в случае необходимости осуществлять их транспортировку до места назначения или разминирование. Робот может работать индивидуально или в группе таких же машин.

Важно понимать, что на данный момент ещё нет универсальных роботов, которых можно было бы использовать для любой задачи. Инженеры-изобретатели разрабатывают и программируют роботов отдельно для каждой конкретной задачи. Ещё одной особенностью является то, что такая специальность, как инженер-изобретатель, чаще всего предполагает работу в команде, а не по одиночке. Инженеры-изобретатели — это специалисты высокого класса, освоившие свою профессию в высших образовательных учреждениях. Эта специальность развивается очень стремительно, как и всё, что связано с высшими технологиями. Специалисты данной профессии постоянно обмениваются опытом, посещают разнообразные конференции, что позволяет им быть в крусе новых разработок и держать «руку на пульсе». Кстати, некоторые инженерные разработки могут иметь и секретный статус. Как мы уже определили ранее, существует военная робототехника, а всё, что связано с военными разработками, очень серьёзно охраняется государством. Специалисты, занятые в этой сфере, уже сейчас высоко ценятся на рынке труда, а чем больше будет развиваться робототехника, тем больше будет спрос на таких специалистов.

По уровню применения робототехника подразделяется на игровую, прикладную, исследовательскую и обучающую.

Игровая робототехника может быть предназначена для детей и для взрослых. Игровая робототехника для детей направлена на выработку у них интереса к программированию и инженерным наукам. Игровая робототехника может быть полезна и для взрослых, так как её применение может способствовать выработке навыков поведения в типичных жизненных и опасных ситуациях.

В рамках обучающей робототехники используются робототехнические комплекты для детских, учебных и досуговых центров на базе Huna, Lego, Fishertechnik, Arduino. Например, компания LEGO выпустила первый робототехнический конструктор в рамках новой линейки конструкторов MINDSTORMS в 1998 году, открывая детям дверцу в волшебный мир роботов. Узнать подробнее об Arduino можно в статье «Ардуино для начинающих».

Для взрослых существуют разнообразные робототехнические тренажёры для пилотов, спортсменов и т. д. Такие тренажёры позволяют провести испытания и тренировки.

Целью прикладной робототехники является разработка роботов для решения производственных, военных, транспортных задач.

Исследовательская робототехника занимается поиском решений по созданию более совершенных роботов. Она решает задачи по созданию новых материалов для роботов, разработке принципов движения, снижению веса и увеличению прочности конструктивных элементов роботов, снижению энергозатрат при эксплуатации роботов и выработке навыков самообучения роботов.

Последние годы такой вид робототехники, как обучающая или образовательная робототехника, развивается очень стремительно. Волна открытия детских кружков, центров и школ, занимающихся робототехникой с детьми, охватила многие страны. Об этом свидетельствуют и развивающиеся движения соревновательной детской робототехники.

И дети, и их учителя принимают участия в различного рода соревнованиях по робототехнике. Выступают они как в личных, так и в командных номинациях. Также на соревнования обычно есть чёткие возрастные деления для участников. Лучшие команды представляют свои страны на серьёзных международных соревнованиях. Ежегодно проводится World Robotics Olympiad (всемирная олимпиада по робототехнике — WRO). Такой повышенный интерес к детской робототехнике объективно обусловлен многими причинами: недостаточным количеством инженерных кадров и одновременно стремительная автоматизация во многих отраслях промышленности, сельского хозяйства и других сферах человеческой деятельности. Всё большая часть населения начинает понимать, что будущее однозначно не будет таким, как настоящее, и профессиональная деятельность многих специальностей будет требовать более высокого уровня знания различных технических процессов, уже не будет считаться преимуществом такое понятие, как «уверенный пользователь ПК», это понятие будет уже как дважды два — четыре. Поэтому родители, обеспокоившись будущим своих детей, отдают их в такие технические секции, где дети могут научиться уверенно обращаться с техникой. Дети, изучавшие робототехнику, понимают, как устроены роботы, как ими управлять и так далее. Такие дети уже не будут бояться, что роботы захватят нашу планету. Такое техническое направление детского досуга пользуется спросом у родителей, и это уже норма, что ребёнок занимается робототехникой наряду с привычными спортивными секциями, творческими кружками или полюбившимися многим шахматами. Возможно робототехника появится и в школах, так как интерес к детской робототехнике появился уже на уровне Министерства образования. Считается, что такие уроки дадут возможность детям познакомиться с инженерными науками и, возможно, привлекут их к профессии инженера. Естественно, уроки робототехники не сделают инженера из каждого ребёнка, но дадут шанс каждому из детей узнать что-то интересное об этой специальности.

Занятия робототехникой для детей строятся обычно таким образом, что дети с использование конструкторов учатся создавать модели роботов, обычно сначала они собирают их по инструкции. После того, как освоены основные принципы моделирования, дети могут уже создавать модели и самостоятельно, без инструкций. Также на занятиях дети осваивают программирование моделей роботов. Программирование тоже начинается с написания простых команд и постепенно усложняется. Занятия робототехникой обычно предназначены для определённых возрастных групп и отличаются сложностью занятий. Но объединяющим принципом для занятий любой возрастной группы является большое количество практики. Робототехника для детей — это не теоретические знания. Нет, конечно, совсем без теории не обойтись, но каждое новое теоретическое знание на занятиях подкрепляется практикой. Так материал усваивается намного проще, и занятие проходит эффективнее. У самых младших групп игровой процесс может занимать 90 процентов времени всего занятия. Продолжительность занятий тоже может зависеть от возраста детей, так как всегда учитываются особенности развития детей в том или ином возрасте. Главным плюсом таких занятий является то, что они совмещают в себе игру и интеллектуальное развитие, дети посещают занятия робототехникой с большим удовольствием. Это редкий случай, когда дети знакомятся с наукой и учатся с интересом. Конечно, как и в других дисциплинах, многое зависит от учителя. Но чаще всего учителя робототехники интересуются самой робототехникой, порой даже больше самих детей, и тем самым вдохновляют и заряжают детей своими эмоциями. А когда учителя действительно любят свой предмет, то дети подхватывают эту волну и тянутся к новым знаниям.

Вместе с ростом популярности робототехники появилось понятие STEM-образование. Аббревиатура расшифровывается как: Science, Technology, Engineering, Math.

Что включает STEM-образование?

S - science (естественные науки);

T - technology (технология);

Е - engineering (инженерное искусство);

M - mathematics (математика).

Это направление тоже призвано выращивать из детей будущих инженеров и робототехников и характеризуется междисциплинарным подходом к обучению.

Уже сейчас при поддержке государства начинают открываться технопарки в разных городах России. Технопарки — это детские центры, которые объединяют в одном месте кружки по разным техническим направлениям. Постепенно таких технопарков будет становиться всё больше и больше, потому что государство ставит одной из приоритетных задач — рост количества квалифицированных инженерных кадров в стране. А чтобы привлечь внимание к профессии инженера, требуются серьёзные усилия, так почему бы не начинать знакомить с этой профессией детей таким интересным способом, как занятия робототехникой или посещение центров STEM-образования.

На странице использованы изображения из следующих источников:

1. https://roboconstructor.ru/products/mindstorms-ev3-45544
2. //www.robots-toys.ru/collection/kategoriya-828
3. //fischertechnik.ru/computing/540586-bt-smart
4. https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-smd-rev3