Роботы: что это такое и какими они бывают

Роботы для нейронауки

Как может использовать роботов нейронаука? Когда мы изготовляем модель биологической системы, мы начинаем лучше понимать, по каким принципам она работает. Поэтому создание механических и компьютерных моделей управления движениями нервной системой человека приближает нас к пониманию нервных функций и биомеханики.

А наиболее перспективное направление использования роботов в современной нейронауке — это проектирование нейроинтерфейсов, систем для управления внешними устройствами с помощью сигналов мозга. Нейроинтерфейсы необходимы для разработки нейропротезов (например, искуственной руки для людей, лишившихся конечности) и экзоскелетов — внешних каркасов тела человека для увеличения его силы или восстановления утраченной двигательной способности.

Один из первых полноценных нейропротезов конечностей, созданный в Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса, управляется при помощи электрических импульсов мозга

(Фото: youtube.com)

Робот может взаимодействовать с нервной системой через интерфейс в двух направлениях: нервная система может подавать командный сигнал роботу, в робот от своих сенсоров может подавать человеку сенсорную информацию, вызывая реальные ощущения — за счет стимуляции нервов, нервных окончаний кожи, или самой сенсорной коры мозга. Такие механизмы обратной связи позволяют восстановить чувствительность конечности, если она была утрачена. Они также необходимы для более точных движений роботизированной конечностью, так как именно на основе сенсорной информации от рук и ног мы корректируем движения.

Фото: Dan Hixson / University of Utah College of Engineering

Здесь возникает интересный вопрос — следует ли нам управлять через нейроинтерфейс всеми степенями свободы робота, то есть насколько конкретные команды мы должны ему посылать. Например, можно «приказать» роботизированной руке взять бутылку воды, а конкретные операции — опустить руку, повернуть ее, разжать и сжать пальцы — она совершит сама. Этот подход называется совмещенным контролем — через нейроинтерфейс мы даем простые команды, а специальный контроллер внутри робота выбирает наилучшую стратегию для реализации. Либо можно создать такой механизм, который не поймет команды «взять бутылку»: ему нужно посылать информацию о конкретных, детализированных движениях.

Не вижу результата!

Для каждого амбициозного родителя сразу важен результат. Зачем же тогда водить ребёнка в кружок и платить за это бешеные деньги, если спустя энное количество времени понимаешь, что измерить пользу от занятий не удаётся.

Изучение робототехники – это как раз тот случай, когда трудно измерить результат сразу, так как он расплывается по навыкам и умениям. Чтобы понимать, что «стало лучше», нужно всё, чему научили, сложить в комплекс. А это не за неделю-месяц. Так, если вы не входите в число терпеливых родителей, вам туда не надо: останутся одни негодования от «зря потраченных денег».

Цель занятий робототехники – не вырастить технического гения (хотя это тоже получается!) и не удовлетворить родительские амбиции (он в 8 лет конструирует электромобиль!), а научить по максимуму пользоваться навыками и мышлением.

Так, кто-то приходит в кружок с боязнью всё делать не по инструкции, а спустя время расширяет планки самостоятельности. Заметно это сразу? Конечно, нет! У некоторых не получается работать в команде, но через несколько занятий ребёнок вполне сносно приспосабливается делать всё сообща.

Увидите вы это изменение дома после первого занятия? Навряд ли! Вообще, специалисты обещают первые заметные перемены в поведении детей после полугодичных регулярных занятий.

Быть робототехником – значит, владеть набором знаний в области электроники и электротехники, информатики и физики, радио- и телемеханики,  а также прочих иных, с ними тесно связанных. Потому у занимающихся в таких кружках есть преимущество: они могут рассчитывать на поступление в один из престижных технических ВУЗов страны.

Стоит ли говорить о том, что профессия робототехника становится всё более востребованной, и такие узкие специалисты вполне могут рассчитывать в ближайшем будущем на прилично оплачиваемую, а главное – интересную работу, сделав её смыслом жизни.

И не забывайте подписываться на новости блога, чтобы не пропустить новые инстересные статьи!

Успехов вам!

ШколаЛа:)

Будущее робототехники

В России робототехника совершила большой прорыв с 2018 года. Рынок растет и в ближайшие 3–4 года будет делать это безудержно. Например, в 2019 году в нас вложились IMPACT Capital. За 2 года их доля выросла в 11 раз, как и наша выручка, которая достигла 30 млн рублей в месяц. Роботы станут внедряться везде, вытеснять людей, повышать производительность и качество продуктов, снижать травматизм

Большое внимание будет уделено беспилотникам военного назначения, будет активно развиваться рынок беспилотных автомобилей. Сейчас многие крупные компании — Google, Amazon, «Яндекс» и другие — инвестируют в это

Индустрия 4.0

«Яндекс» опубликовал уникальный датасет для обучения беспилотников

Сегодня Россия еще не готова к высокому уровню роботизации, потому что большинство руководителей предприятий — выходцы из СССР. Эти люди помнят, что первые роботы были дорогие, неэффективные и опасные. Надо менять мнение об этих стереотипах.

В ближайшие 3–5 лет мы увидим огромное количество внедрений роботов на российских предприятиях, будут появляться серьезные компании. И с софтом случится аналогичная история. По уровню софта Россия способна составить конкуренцию Европе. С железом труднее, поскольку у нас слабая материально-техническая база, не развиты цепочки поставок, нет компонентного производства. Россия сможет конкурировать в производстве простейших роботов или робокомплектов, но в их составе будут применяться европейские комплектующие. Чтобы составлять конкуренцию европейским компаниям, отечественным нужно работать над эффективностью, клиентским сервисом, слышать заказчика, понимать, что ему нужно, и выдавать лучший продукт.

Торс

В самой защищенной и просторной части робота устанавливают электронные платы системы управления и автономные источники питания.

Во время выполнения миссии роботом управляет компьютер — набор микросхем, предназначенный для получения, накопления информации, ее обработки и отправления сигналов к исполняющим механизмам, работающих при помощи двигателей (). Прогресс компьютерной техники позволяет устанавливать в андроиды все более совершенные системы анализа, способные использовать несколько наиболее продвинутых технологий:

Поставить задачу перед андроидом можно программным способом, т.е. путем внесения перечня команд в ЦПУ, либо вербально, произнеся набор слов для начала выполнения задачи. Отдельные модели андроидов способны реагировать на жесты рук, изменение местоположения человека.

Система управления роботом очень напоминает построение нервной системы человека в зависимости от его развития:

В первом случае в памяти машины записаны команды, которые ЦПУ (центральный процессор) подает к исполнительным механизмам для выполнения определенных операций. Например, перемещение робота, изменение положения манипулятора и т.п. по команде оператора. Одна из самых дешевых и простых в изготовлении моделей.

При передвижении андроида из точки А к точке Б вмешательство оператора необходимо в случаях, когда набор алгоритмов (заранее записанных в память действий) не предусматривает преодоление сложных препятствий (к примеру).

Более продвинутый интеллект, получив информацию от системы датчиков, видеокамер, самостоятельно оценивает обстановку и выбирает наиболее оптимальное решение самостоятельно.

(Рисунок 2. Двигатель постоянного тока)

Основным источником энергии для современных роботов-андроидов является электричество. Источник питания может быть:

В первом случае машина не привязана к энергоресурсу, способна выполнять задачи на любом удалении от зарядной станции. Из недостатков — увеличенный вес робота, малое время работы. Кабельное снабжение электроэнергией имеет свои плюсы: меньший вес андроида, возможность использования большего числа узлов, датчиков, механизмов, неограниченное время работы.

Основные обязанности

В основные рабочие обязанности инженера входит:

Моделирование и подбор материалов для робототехнических систем. Хороший специалист должен отлично разбираться в сопромате, физике и составлении моделей для будущего робота.

Программирование и наладка роботов в лаборатории или на производстве. Кроме того, чтобы сконструировать робота, в него нужно «вдохнуть жизнь». Делается это с помощью программирования, которое учит робота тому, для чего он создан.

Контроль монтажа оборудования, приемка и ввод в эксплуатацию. Конечно, в лаборатории или на производстве инженер-робототехник трудится не в одиночку. Ему помогает большая команда, в которой у каждого есть свои задачи. Инженер должен проследить за тем, чтобы каждый выполнял свою работу качественно, так как от этого зависит конечный результат.

Разработка систем предупредительных мер для техники

Инженеру также важно предусмотреть различные исходы событий и разработать для них те или иные системы мер.

Организация работ по ремонту и обслуживанию оборудования, контроль выполнения. Отслеживание качества оборудования тоже входит в обязанности инженера

Без качественного оборудования невозможен хороший результат.

• Контроль расхода на складе запасных частей.
• Обучение персонала. Здесь принцип похож на контроль качества работы оборудования: правильно обученный персонал гарантировано обеспечит качественный результат.
• Ведение отчетности и рабочей документации. К сожалению, от бумажной волокиты не избавиться нигде. Документация — это тоже часть рабочего процесса, отслеживание качества и эффективности работы производства.

На что еще обратить внимание

На фоне крупных поставщиков и производителей робототехнического учебного оборудования иногда легко не заметить локальных игроков, которые предоставляют новые яркие и зачастую прорывные идеи и продукты. Говоря о небольших компаниях и брендах, следует выделить несколько интересных решений. 

Одно из них – развивающий комплекс «Небо в кармане» на базе ЖУЖА NANO от ООО «Байт-Самара» (Россия). Комплекс предназначен для освоения основ дроностроения и авиамоделирования детьми 10+. Продукт дает возможность ознакомиться с приемами SCRATCH-программирования полетов и модификации аппаратов посредством 3D-печати. Для старшего возраста возможно программирование в среде Python, знакомство с машинным зрением и программами телеуправления дроном. В составе комплекса имеются поурочные материалы и учебники в формате GITbook.

Еще один интересный конструктор отечественного производителя – учебный набор квадрокоптера от ООО «Коптер Экспресс Технологии». Программирование осуществляется в среде Scratch, Python и С++ кодированием с использованием системы Linux. Комплект был специально разработан для выполнения тестового задания компетенции «Эксплуатация БАС» по стандартам WorldSkills Россия.

Посмотрим набор для сборки коптера «Геоскан Пионер» от ООО «ПЛАЗ» (Россия). Это коробочное решение, которое включает модули управления беспилотными аппаратами, программирования автономного полета, обработки данных аэрофотосъемки, построения трехмерных моделей объектов и решения прикладных задач. В состав комплекта входят методические пособия, разработанные практикующими специалистами.

Завершим наш обзор необычным роботом  российского производителя ООО «ТехноСтандарт». Это подводный робот-конструктор «Океаника КИТ». Конструктор включает набор деталей для сборки полнофункционального телеуправляемого подводного аппарата с бортовым компьютером, комплект инструкций, необходимое программное обеспечение, полноценный учебный план для дошкольной, начальной и средней школы по программе «Подводная робототехника и экология морской воды», а также раздаточный материал для учащихся и набор тестов для проверки знаний, основанный на программном решении генерации тестов-квизов.

Материал подготовлен редакцией портала ActivityEdu, не является рекламой. Все сведения, включенные в настоящий материал, получены из открытых источников или предоставлены производителями / поставщиками оборудования по запросу редакции. Поставщики и производители оборудования расположены в алфавитном порядке.

Искусственный мышцы: самозалечивающиеся, гидравлически усиленные приводы

В попытке найти способ обеспечить силой мягкую робототехнику, в прошлом году ученые из Колорадского университета разработали серию крайне недорогих искусственных мышц, способных поднимать в 200 раз больше собственного веса и даже самоизлечиваться.

Эти устройства основаны на мешочках, заполненных жидкостью, которая заставляет их сокращаться с силой и скоростью скелетных мышц при подаче напряжения. Наиболее перспективным для применения в робототехнике является так называемый Peano-HASEL, который представляет несколько прямоугольных пакетов, соединенных последовательно, которые сжимаются линейно, как настоящие мышцы.

Основные компоненты робототехники

Корпус большинства роботов состоит из отдельных подвижных и неподвижных частей. Вот основные из них:

Внутренний контроллер. Каждый робот оснащен контроллером — компьютерной операционной системой. Контроллер — это мозг любого робота. Он содержит всю необходимую информацию для выполнения задач и указаний.

Источник энергии. Роботам необходим источник энергии. Одни работают от батарей. Другие оснащены фотоэлементами, которые преобразуют солнечный свет в энергию. Механические роботы заводятся с помощью пружинного механизма.

Дистанционное управление. Роботы, которые работают на других планетах, такие как марсоход, оборудованы внутренними контроллерами, но ими также можно управлять с Земли.

Сенсоры света и звука. С их помощью робот может распознавать свет, исходящий от объектов, определять звуковые волны. Эта функция помогает либо обходить различные предметы, либо идти к ним навстречу. Также в корпус робота может быть встроено устройство распознавания голоса, с помощью которого человек отдает машине устные приказы.

Датчики давления. Некоторые роботы оборудованы датчиками давления, которые имитируют осязание. У этих сенсоров два назначения: они сообщают роботу о том, что он ударился о какой-нибудь предмет и должен сменить направление движения, а также позволяют правильно захватить и поднять объект.

Приводы — это «мышцы» роботов. В настоящее время самыми популярными двигателями в приводах являются электрические, но применяются и другие, использующие химические вещества или сжатый воздух. Перечислим все основные варианты приводов для робототехники: 

• 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 определенный угол под управлением контроллера. Это позволяет обойтись без датчика положения, так как контроллеру точно известно, на сколько был сделан поворот. В связи с этим они 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 совершенно отличается: 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. 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. Однако, в настоящее время нет ЭАП, пригодных для производства коммерческих роботов, так как все неэффективны или непрочны.
• Эластичные нанотрубки: Это многообещающая экспериментальная технология, находящаяся на ранней стадии разработки. Отсутствие дефектов в нанотрубках позволяет этому волокну эластично деформироваться на несколько процентов. Человеческий бицепс может быть заменен проводом из такого материала диаметром 8 мм. Такие компактные «мышцы» могут помочь роботам в будущем обгонять и перепрыгивать человека.

Для чего ребенку робототехника?

Для начала необходимо уточнить, что отдельного предмета Робототехника в школьной программе, а тем более в программе детского сада, не существует. Эта тематика затрагивается в основном в рамках дополнительного образования, а также на уроках технологии и информатики. Кроме того, практически в каждом городе России существует множество кружков, секций и центров робототехники, как сетевых, охватывающих практически всю страну, так и местных.

Робототехника так привлекательна для педагогов и тренеров, в первую очередь потому, что позволяет охватить очень большой пласт знаний и компетенций, показать ребенку их взаимосвязь, развить принципиально новые навыки. Среди них и критическое мышление, и творческий подход к решению задач, а также работа в команде, креативность, адаптация, кодирование, различные коммуникативные навыки, а также – ответственность, умение систематизировать собственные действия, развитие пространственного восприятия и отношений между объектами и субъектами. Кроме того, конструируя, собирая, программируя робота, ребенку требуются самые различные знания из математики, информатики, физики, инженерии, а иногда даже химии и биологии.

Создание робота в формате образовательной робототехники должно приводить не просто к появлению движущейся машинки или предмета, выполняющего заданный алгоритм действий, а к реализации проекта с заранее запланированным результатом посредством робота. То есть построить прибор, который будет поливать цветы в теплице в зависимости от влажности почвы, конечно, возможно и это тоже будет результат, но намного более значимым проектом станет конструирование подобной теплицы и оснащение ее необходимыми приборами и датчиками, позволяющими получить лучший урожай.

Для создания подобного оборудования ребенку потребуется не просто расставить датчики и подвести привод, но разобраться с особенностями почвы, требованиями к освещенности для различных растений, вегетативным циклами и множеством других вопросов, напрямую с конструированием робота не связанными.

Именно поэтому робототехника считается важным элементом STEAM-образования – модели обучения, предназначенной для совместного изучения естественных наук, математики и технологий, и в которой практика имеет приоритетное значение над теорией. 

Также важно заметить, что робототехника неразрывно связана с программированием, а в жизни программирование может быть слишком сложным и утомительным для ребенка, если изучать его с помощью «традиционного» абстрактного метода. Но в случае робототехники ученик имеет возможность управлять физическим роботом и сразу видит, что идет не так, на практике узнает предел возможностей технологий, понимает, что роботы могут и не могут делать

Кроме всего вышесказанного, робототехника позволяет развить так называемое вычислительное мышление. Проектируя и создавая роботов, мы учимся абстрагироваться от концепций, разделять большую проблему на мелкие части и предлагать решения, которые могут быть представлены в виде последовательности инструкций и алгоритмов.

Какие компоненты для роботов производятся в РФ

Помимо производства роботов, российские разработчики участвуют в изготовлении деталей и компонентов для них. В их числе:

• приводы;
• камеры, датчики и другие технологии распознавания изображений и компьютерного зрения;
• системы управления;
• комплексы связи и навигации;
• электротехнические и электромеханические детали;
• «руки» и «пальцы» для роботов из алюминия и полиуретанов;
• двигатели;
• редукторы;
• контактные устройства;
• накопители и источники энергии;
• энкодеры;
• акселерометры;
• токосъемники;
• конденсаторы.

Производят компоненты компании BM Power, Luka, «АВИ-Солюшнс», «Презент», Oriense Tech, Smart Engines, «Амперка», «Мивар», «Томская Электронная Компания», «РОББО», «Сервосила» и другие.

Помимо создания механических компонентов, российские специалисты в области робототехники занимаются разработкой программного обеспечения и искусственного интеллекта для роботов в сотрудничестве с зарубежными коллегами.

Так заменят роботы учителей или нет?

Точно не заменят, на этом сходятся и учёные, и педагоги, и даже создатели роботов тоже так считают.

«Роботы — они не устают, помнят весь материал, у них нет предвзятого отношения к ученикам, они просто выполняют сценарии. Но у них нет креативности и сознания, поэтому они не могут быть наставниками для учеников. Роботы являются всего лишь инструментом для воспроизведения контента, а что-то добавить от себя или душевно поделиться информацией не смогут», — прокомментировал Олег Кивокурцев.

Дуглас и Линн Ньютоны полагают, что в будущем учителям, возможно, и правда придётся сосуществовать с роботами. Тогда людям, конечно, нужно будет перестроиться. Причём схожие идеи и безо всяких роботов появляются у российских специалистов в сфере образования уже сейчас.

Эксперты отмечают, что, когда многие профессиональные сферы будут автоматизированы, педагоги сконцентрируются на развитии софт-скиллов учеников — в частности, креативности и критического мышления. Для этого самим учителям может потребоваться дополнительное обучение.

Кстати, российские педагоги, согласно результатам совместного исследования «Зарплата.ру» и РИА Новости, проведённого в июне 2021 года, уверены в своей востребованности и роботов не боятся. При этом каждый пятый россиянин опасается, что его рабочее место будет автоматизировано, а два процента опрошенных пугает потенциальное восстание машин.

Есть и ещё один аргумент в пользу того, что полностью заменить педагогов роботам не удастся. Ведь кто-то должен будет учить их: готовить образовательные программы, адаптировать и модернизировать их, загружать, следить за правильностью действий машины. В Московском городском педагогическом университете этим, кстати, уже занимаются.

А убедиться в том, что роботы совсем не страшные, предлагаем с помощью очень милого создания, которое помогает развить навыки общения детям с особенностями развития. Это робот любит хорошую музыку и отлично под неё танцует.

Что происходит сейчас

В отчете «World Robotics 2020 Industrial Robots» от IFR отмечено, что за 2020 год количество работающих на заводах роботов в мире выросло на 12% — до 2,7 млн. А за пять предыдущих лет, с 2014 по 2019 год, уровень роботизации в промышленности увеличился почти на 85%. Пандемия должна поднять этот показатель еще сильнее. Компании, процессы в которых хоть немного были роботизированы, продолжали работать в 2020 году без перерывов, а потому вышли победителями.

Сейчас роботизация бизнес-процессов включена в стратегию повышения эффективности для большинства (64%) компаний, как следует из отчета Deloitte. По оценкам респондентов, роботизация:

• увеличит скорость выполнения задач;
• автоматизирует монотонные процессы;
• снизит затраты;
• снизит риски и ошибки при выполнении задач.

Согласно тому же отчету Deloitte, наиболее активно роботизацию проводят банки и финансовые институты, энергетика и добывающая промышленность. Среди стран выделяются Китай, Япония и США — это показывает исследование IFR.

Наиболее перспективное и развитое направление сегодня — индустрия автомобилестроения. Потому что там конвейерное производство, миллиардные тиражи, полная унификация, серийное производство и одно и то же изделие. Например, кузов одного и того же образца. Кроме этого, на взлете находятся пищевое производство, фармацевтическая индустрия. По другим отраслям роботизация слабее, поскольку там нет серийного производства, однако новые решения позволяют постепенно эффективно внедрять роботов и туда.

Среди самых интересных кейсов — «Яндекс», который уже выкатывает беспилотные автомобили по Москве, мы можем их встретить повсеместно. В Казани в Иннополисе автомобили «Яндекса» ездят без человека. По всему миру уже летают дроны. Более прикладное значение имеет промышленная и складская робототехника. На складах, например, «Декатлона», Amazon и Ozon всегда действуют армии погрузчиков, которые передвигаются по цехам, мешают друг другу, могут причинить вред людям. Сейчас они активно заменяются роботами и в мире, и в России. По моему мнению, по итогам 2021 года компании, которые занимаются роботизированной складской логистикой, покажут ощутимый рост.

Индустрия 4.0

Каких роботов выпускают в России? Часть 1: роботы на производстве

Низкоуровневые и высокоуровневые языки программирования

Сейчас используют несколько сотен языков программирования, которые можно разделить на две большие группы: низкого уровня и высокого.

Языки низкого уровня появились в начале 50-х гг. XX века, с их помощью программировать стало легче, чем на машинном коде. Используются они и сегодня и просто незаменимы в тех случаях, когда робот должен подчиняться строгому контролю. Но при работе с ними есть сложность. Для одного и того же действия, выполняемого роботами разной конструкции, нужно писать отдельную программу. Захват для роботоруки и робота-экскаватора будет выглядеть по-разному. 

С языками высокого уровня – более развитыми и удобными для человека – такой проблемы нет. Особенности конструкции роботов не играют значимой роли, и одну и ту же команду выполнит любой из них. Но программы на таких языках весят гораздо больше, поэтому их пишут только для устройств с большим объемом памяти.

Учить сотни языков программирования не нужно, можно освоить несколько распространенных. Особенно это удается, когда придумываешь нового робота

Мы подобрали пять языков, которые в тренде у робототехников.