Роботы: виды, функции и сферы применения
Они пылесосят квартиры, помогают на заводах, исследуют Марс и даже ассистируют хирургам. В статье рассказали, что такое робот, как он устроен, как развивалась робототехника и что нас ждет в будущем.
Содержание:
Что такое робот?
Робот — автоматическое устройство, запрограммированное выполнять конкретные задачи. Оно оснащено датчиками для восприятия среды и механизмами для воздействия на нее. Главная цель работа — выполнять работу за человека, особенно если она рутинная, опасная или требует высокой точности.
Когда люди слышат термин «робот», у них часто возникает образ интеллектуального устройства, напоминающего человека. На самом деле, подавляющее большинство роботов совершенно не имеют человеческой формы. Физическое тело человека не оптимально для выполнения многих задач. К примеру, мы медленно передвигаемся, не обладаем способностью к полету и плохо адаптируемся к резким изменениям температуры. Поэтому инженеры разрабатывают конструкции роботов с целью, чтобы они могли успешно выполнять те задания, которые либо совершенно недоступны для человека, либо требуют значительных временных затрат.
Эволюция робототехники: от идеи к реальности
Античность и Средневековье. Автоматизированные устройства имеют свои корни в Древней Греции. Там были созданы механические фигуры, которые могли самостоятельно наливать вино, как только в их руку помещали стакан. Основной принцип работы этого механизма заключался в использовании рычага: вес наполненного стакана заставлял кувшин наклониться, что и позволяло вину свободно вытекать.
Это можно считать одним из первых примеров механических роботов.
В эпоху Средневековья эксперименты не прекратились. Изобретатели по всему континенту занимались созданием движущихся фигур людей и животных. В числе таких новаторов находился итальянский гений Леонардо да Винчи. К примеру, он разработал механического рыцаря, способного не только передвигаться, но и приседать, а также самостоятельно открывать забрало своего шлема.
Изобретения античных греков и работы Леонардо да Винчи не совсем соответствуют современному понятию робота. Скорее, эти творения можно считать механическими куклами, которые функционировали благодаря сложным механизмам. Их возможности были довольно ограниченными, и они не обладали способностью анализировать окружающую среду для принятия собственных решений.
XX век: рождение современного робота. Современные роботы, напоминающие те, что мы знаем сегодня, начали появляться лишь в XX веке. В 1948 году американский специалист в области кибернетики и нейрофизиологии Уильям Грей Уолтер создал роботизированные черепахи, использовав для этого аналоговые детали. Эти устройства имели возможность самостоятельно передвигаться, реагируя на световые сигналы.
Устройства Грея получили название «аналоговые» благодаря использованию в своей конструкции компонентов аналогового типа, таких как фоторезисторы, конденсаторы и транзисторы. В отличие от них, современные роботы применяют цифровые сигналы и микроконтроллеры.
В рамках одного из экспериментов исследователь разместил роботизированную черепаху перед зеркалом, и она начала трястись. Это поведение стало следствием воздействия отраженного света, который ее сенсоры «зафиксировали» в зеркальной поверхности. Со стороны могло показаться, что робот испытывает радость от встречи с собственным отражением.
В 1978 году инженер из США Виктор Шейнман, представляющий компанию Unimation, продемонстрировал первого в мире цифрового робота. Этот робот-манипулятор, названный PUMA (Программируемая Универсальная Машина для Сборки), нашел свое применение в промышленности, в частности, для подъема раскаленных металлических деталей с литейного оборудования.
Наше время. В Японии в 1970-х годах были созданы первые человекоподобные роботы. Инженеры из Университета Васэда представили WABOT-1 — антропоморфного робота, способного передвигаться на двух ногах, переносить различные предметы, вести беседу на японском языке и определять расстояние до окружающих объектов. По мнению разработчиков, уровень интеллекта этого устройства можно было сравнить с умственными способностями полуторагодовалого малыша.
Через десятилетие после своего предшественника разработчики представили обновленную модель робота — WABOT-2. Эта версия обладала способностью считывать музыкальные ноты с листа и исполнять их на фортепиано. Кроме того, робот умел аккомпанировать певцам, осуществляя анализ окружающих звуков.
Виды и применения роботов
Бытовые. Роботы-пылесосы, газонокосилки, мойщики окон. Облегчают повседневные задачи. Сейчас компании занимаются созданием более продвинутых домашних роботов. К примеру, стартап Moley разрабатывает повара-робота, обладающего двумя руками, напоминающими человеческие. Это позволяет ему манипулировать посудой и ингредиентами, а также хранить в своей памяти разнообразные рецепты. В настоящее время такие устройства стоят несколько сотен тысяч долларов, что делает их доступными лишь для элитных ресторанов и отелей.
Промышленные. Роботы-манипуляторы на конвейерах (сварка, окраска, сборка). Обеспечивают высокую скорость и точность, например, роботы Fanuc. Ее технологии применяют мировые гиганты: Apple, BMW, Boeing, Coca-Cola, Volkswagen, Toyota и многие другие известные производители.
В линейке продукции компании Fanuc представлены программируемые манипуляторы, сварочные роботы, малярные роботы, роботизированные системы с числовым программным управлением, а также универсальные роботы с различными насадками для выполнения разнообразных задач. Особенностью оборудования Fanuc является их способность работать с большей скоростью и точностью, чем человек.
Исследовательские. Работают в недоступных или опасных средах. Яркий пример — марсоход Curiosity , который изучает почву и климат Марса. Марсоход Curiosity является одним из самых известных исследовательских роботов и можно сказать, что он функционирует как полноценная химическая лаборатория на колесах. Энергия для его работы вырабатывается с помощью радиоизотопного термоэлектрического генератора, который преобразует энергию, выделяющуюся при естественном распаде изотопа плутония-238. Однако стоит отметить, что у этого устройства есть значительный недостаток — его скорость передвижения довольно низка. На ровных участках его максимальная скорость достигает лишь 144 метра в час.
Транспортные. Беспилотные автомобили и роботакси (разработки Waymo, Tesla Cybercab). Их цель — автономная перевозка пассажиров. Переход на систему беспилотного управления окажется более экономичным решением по сравнению с приобретением машин, разработанных исключительно для работы в качестве роботакси.
Медицинские. Роботы-хирурги, повышающие точность операций, и роботы для реабилитации пациентов. Среди самых известных медицинских роботов выделяется хирургический робот Da Vinci, разработанный американской компанией Intuitive Surgical. Этот робот применяется в ходе сложных хирургических вмешательств, где каждый миллиметр разреза может оказать значительное влияние на выживаемость пациента.
У Da Vinci четыре манипуляторные руки, а также камера, микроскоп и 3D-сканер, вместе с пространством для хирурга, который контролирует все устройства. Этот робот не выполняет хирургические вмешательства без помощи квалифицированного специалиста.
Сервисные и курьерские. Роботы-доставщики (например, у Яндекса или Starship Technologies), которые привозят еду и товары.
Военные и спасательные. Выполняют разведку, разминирование, эвакуацию раненых. Шеститонный робот-сапер под названием «Уран-6» стал одним из самых известных военных устройств. Его основная задача — минимизировать риски для саперов, очищая минные поля от взрывчатых устройств. «Уран-6» не только прошел испытания в реальных боевых условиях, но и активно коммерциализируется на международной арене вооружений.
Андроиды (человекоподобные). Пока в основном в разработке. Наиболее интенсивно разработкой гуманоидных роботов занимается компания Tesla. Их андроид по имени Optimus имеет массу 73 килограмма и способен двигаться со скоростью до 4 километров в час. Максимальная грузоподъемность этого робота составляет 20 килограммов.
Эти андроиды смогут выполнять домашние задачи, ухаживать за приусадебными участками и переносить тяжелые предметы.
Социальные и развлекательные. Аниматроники в парках Disney, роботы-компаньоны.
Программные роботы. Чат-боты и нейросети, не имеющие физического тела, но выполняющие задачи по обработке информации и общению.
Как устроен робот: ключевые компоненты
Любой робот, даже простой пылесос, состоит из четырех основных систем:
- Механическая часть. «Тело», моторы, колеса, манипуляторы — все, что обеспечивает движение.
- Сенсорная система. «Органы чувств» — камеры, лидары, сонары, гироскопы, собирающие данные об окружающем мире.
- Управляющая электроника. «Мозг» на базе микроконтроллера (например, Arduino или Raspberry Pi), который обрабатывает данные с датчиков и отдает команды моторам.
- Программное обеспечение. «Сознание» — алгоритмы и код (часто на C++ или Python), определяющие поведение робота. Часто используется ROS (Robot Operating System).
Будущее робототехники
Будущее связано с развитием в нескольких направлениях:
- Повышение автономности. Роботы научатся лучше принимать решения в нестандартных ситуациях.
- Гуманизация и взаимодействие. Улучшение взаимодействия с людьми, развитие социальных навыков у андроидов.
- Миниатюризация и доступность. Снижение стоимости и создание более компактных моделей для массового использования.
- Решение этических проблем. Необходимость регулирования вопросов безопасности, приватности и влияния роботов на рынок труда.
Специалист по программированию микроконтроллеров
Вы овладеете навыками программирования для устройств, контролирующих роботов, дронов и разнообразную электронную технику. Это откроет для вас двери в одну из наиболее многообещающих областей в сфере информационных технологий.
Узнать подробнее
