Что такое робот? Основы робототехники Колёсные и гусеничные роботы.

Более двух тысяч лет назад Герон Александрийский создал водяной автомат «Поющая птица» и ряд систем подвижных фигур для античных храмов . В 270 году древнегреческий изобретатель Ктесибий изобрёл особые водяные часы, получившие название клепсидра (или «крадущие время»), которые своим хитроумным устройством вызвали значительный интерес современников . В 1500 году великий Леонардо да Винчи разработал механический аппарат в виде льва, который должен был открывать герб Франции при въезде короля в город. В XVIII веке швейцарским часовщиком П. Жаке-Дрозом была создана механическая кукла «Писец», которая могла быть запрограммирована с помощью кулачковых барабанов на написание текстовых сообщений, содержащих до 40 букв. В 1801 году французский коммерсант Жозеф Жаккар представил передовую по тем временам конструкцию ткацкого станка, который можно было «программировать» с помощью специальных карт с отверстиями для воспроизведения на вытканных полотнах повторяющихся декоративных узоров. В начале XIX века эта идея была позаимствована английским математиком Чарлзом Бэббиджем для создания одной из первых автоматических вычислительных машин . Примерно к 30-м годам XX века появились андроиды , реализующие элементарные движения и способные произносить по команде человека простейшие фразы. Одной из первых таких разработок стала конструкция американского инженера Д. Уэксли, созданная для Всемирной выставки в Нью-Йорке в 1927 году .

В 50-х годах XX века появились механические манипуляторы для работы с радиоактивными материалами. Они были способны копировать движения рук оператора, который находился в безопасном месте. К 1960-му году были проведены разработки дистанционно управляемых колёсных платформ с манипулятором, телекамерой и микрофоном для обследования и сбора проб в зонах повышенной радиоактивности .

Широкое внедрение промышленных станков с числовым программным управлением стало стимулом для создания программируемых манипуляторов, используемых для погрузки и разгрузки станочных систем. В 1954 году американским инженером Д. Деволом был запатентован метод управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт , как следствие в 1956 году совместно с Д. Энгельбергером им была создана первая в мире промышленная компания «Юнимейшн» (англ. Unimation от Universal Automation ) по производству промышленной робототехники. В 1962 году вышли в свет первые в США промышленные роботы «Версатран» и «Юнимейт», причём некоторые из них функционируют до сих пор, преодолев порог в 100 тысяч часов рабочего ресурса. Если в этих ранних системах соотношение затрат на электронику и механику составляло 75 % к 25 %, то в настоящее время оно изменилось на противоположное. При этом, конечная стоимость электроники продолжает неуклонно снижаться. Появление в 1970-х годах недорогих микропроцессорных систем управления, которые заменили специализированные блоки управления роботов на программируемые контроллеры способствовало снижению стоимости роботов примерно в три раза. Это послужило стимулом для их массового распространения по всем отраслям промышленного производства .

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

Можно использовать несколько подходов к классификации роботов - например, по сфере применения, по назначению, по способу передвижения, и пр. По сфере основного применения можно выделить промышленных роботов, исследовательских роботов, роботов, используемых в обучении, специальных роботов.

Важнейшие классы роботов широкого назначения - манипуляционные и мобильные роботы.

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 .

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) .

Компоненты роботов

Приводы

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

Колёсные и гусеничные роботы

Наиболее распространёнными роботами данного класса являются четырёхколёсные и гусеничные роботы . Создаются также роботы, имеющие другое число колёс; в этом случае нередко удаётся упростить конструкцию робота, а также придать ему возможность работать в пространствах, где четырёхколёсная конструкция оказывается неработоспособной.

Двухколёсные роботы, как правило, используют для определения угла наклона корпуса робота и выработки подаваемого на приводы роботов соответствующего управляющего напряжения (с целью обеспечить удержание равновесия и выполнение необходимых перемещений) те или иные гироскопические устройства . Задача удержания равновесия двухколёсного робота связана с динамикой обратного маятника . Разработано множество подобных «балансирующих» устройств . 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 .

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 ) , или шаробот Rezero , 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 .

Существует некоторое количество прототипов сферических роботов. Некоторые из них для организации перемещения используют вращение внутренней массы . Роботов подобного типа называют англ. spherical orb robots , англ. orb bot и англ. ball bot .

В ряде конструкций мобильных колёсных роботов используются роликонесущие колёса типа «omnidirectional» («всенаправленные колёса »); такие роботы отличаются повышенной манёвренностью .

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 таких роботов могут служить разработанный НАСА робот англ. Urban Robot («Urbie») , разработанные компанией iRobot роботы Warrior и PackBot .

Шагающие роботы

Первые публикации, посвящённые теоретическим и практическим вопросам создания шагающих роботов , относятся к 1970-1980-м годам .

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 . 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:

• Сервопривод + гидромеханический привод - ранняя технология конструирования шагающих роботов, реализованная в ряде моделей экспериментальных роботов изготовленных компанией General Electric в 1960-е гг. Первым воплощённым в металле по указанной технологии проектом GE и, по всей вероятности, первым в мире шагающим роботом военного назначения стал «четвероногий транспортёр» Walking Truck (машина имеет роботизированные конечности, управление осуществляется человеком, находящимся непосредственно в кабине).

• Адаптивные алгоритмы поддержания равновесия. В основном базируются на расчёте 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 влечёт необходимость своеобразной постановки ног («коленки внутрь» или «тянитолкай»), а также создаёт 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 расчёт кинематических характеристик системы с высокоэффективными методами вероятностного и эвристического анализа .

Другие методы перемещения

Два змееподобных ползающих робота. Левый оснащён 64 приводами, правый - десятью

Системы управления

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 .

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 :

• 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 .

Области применения

Среднее число роботов в мире в 2017 г. составляет 69 на 10 000 работников. Наибольшее число роботов в Южной Корее - 531 на 10 000 работников, Сингапуре - 398, Японии - 305, Германии - 301 .

Образование

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.

Популярные робототехнические комплексы для учебных лабораторий:

Существуют и другие. Центр педагогического мастерства Москвы сравнил наиболее популярные платформы и робототехнические конструкторы .

Профессия Мобильный робототехник входит в список ТОП-50 самых востребованных профессий по версии Минтруда РФ

Прогнозируется, что объем продаж роботов для образования и науки в 2016-2019 гг. составит 8 млн единиц .

Промышленность

На производстве роботы успешно используются уже на протяжении десятилетий. Роботы успешно заменяют человека при выполнении рутинных, энергоемких, опасных операций. Роботы не устают, им не нужны паузы на отдых, вода и пища. Роботы не требуют повышения заработной платы и не являются членами профсоюзов.

Как правило, промышленные роботы не обладают искусственным интеллектом. Типичным является повторение одних и тех же перемещений манипулятора по жесткой программе.

Большие успехи достигнуты, например, в применении роботов на конвейерах автомобильных заводов. Уже существуют планы предприятий автомобильной промышленности, где все процессы сборки автомобилей и транспортировки полуфабрикатов будут осуществляться роботами, а люди будут только их контролировать

В атомной и химической промышленности роботы широко используются при работах в радиоактивных и химически опасных для человека средах.

Создан робот для автоматизированной диагностики состояния ЛЭП , состоящий из беспилотного вертолёта и устройства для посадки и движения по грозозащитному тросу .

В промышленности всех стран мира в 2016 году использовалось 1,8 млн штук роботов, прогнозируется, что к 2020 году их число превысит 3,5 млн штук.

Прогнозируется, что объем продаж роботов в 2016-2019 гг. для применения в логистике, строительстве и сносе составит 177 тыс. единиц .

Сельское хозяйство

В сельском хозяйстве находят применение первые роботы, осуществляющие автоматизированный уход за сельскохозяйственными культурами . Испытываются первые роботизированные парники по выращиванию овощей .

Прогнозируется, что объем продаж роботов в 2016-2019 гг. для применения в сельском хозяйстве составит 34 тыс. единиц .

Медицина

В медицине робототехника находит применение в виде различных экзоскелетов , помогающих людям с нарушениями функции опорно-двигательного аппарата . Разрабатываются миниатюрные роботы для вживления в организм человека в медицинских целях: кардиостимуляторы, датчики информации и т. д.

В России разработан первый роботический хирургический комплекс для выполнения операций в урологии .

Прогнозируется, что объем продаж роботов в 2016-2019 гг. для применения в медицине составит 8 тыс. единиц .

Космонавтика

Роботы-манипуляторы применяются в космических летательных аппаратах. Например, в космическом аппарате наблюдения Орлец , присутствовал так называемый капсульный автомат, загружающий малогабаритные спускаемые капсулы отснятой плёнкой. Планетоходы, такие, как луноход и марсоход , могут рассматриваться как интереснейшие примеры мобильных роботов.

Спорт

Первый чемпионат мира по футболу среди роботов прошёл в Японии в 1996 году (см. RoboCup).

Транспорт

По прогнозам, выпуск полностью автоматизированных легковых автомобилей с автопилотом в 2025 году составит 600 тыс. шт.

Военное дело

Уже разработаны первые полностью автономные роботы для военного применения. Начались международные переговоры о их запрещении .

Пожарная безопасность

Пожарные роботы (роботизированные установки) активно применяются в пожаротушении. Робот способен самостоятельно без помощи человека обнаружить очаг возгорания, рассчитать координаты, направить огнетущащее средство в центр возгорания. Как правило, данные роботы устанавливаются на взрывоопасных объектах [ ] .

Социальные последствия роботизации

Отмечается, что часовая оплата ручного труда в развитых странах возрастает примерно на 10-15 % в год, а затраты на эксплуатацию робототехнических устройств увеличиваются на 2-3 %. При этом, уровень почасовой оплаты американского рабочего превысил стоимость часа работы робота примерно в середине 70-х годов XX века. Как следствие, замена человека на рабочем месте роботом начинает приносить чистую прибыль примерно через 2,5-3 года .

Роботизация производства уменьшает конкурентное преимущество экономик с дешёвой рабочей силой и вызывает перемещение квалифицированной рабочей силы из производства в сферу услуг. В перспективе массовые профессии (водители, продавцы) будут роботизированы . В России может быть заменено до половины рабочих мест .

Увеличение числа используемых в промышленности США роботов на одну штуку в период с 1990 по 2007 год приводило к ликвидации шести рабочих мест у людей. Каждый новый робот на тысячу рабочих мест понижает среднюю зарплату по экономике США в среднем на половину процента .

См. также

Примечания

1. Политехнический терминологический толковый словарь / Составление: В. Бутаков, И. Фаградянц. - М.: Polyglossum, 2014.
2. Традиционный перевод на русский в произведениях А. Азимова.
3. , с. 3.
4. , с. 1.
5. , с. 101.
6. , с. 11.
7. , с. 26.
8. В. Л. Конюх. История робототехники // Основы робототехники. - Ростов-на-Дону : «Феникс», 2008. - С. 21. - 281 с. - ISBN 978-5-222-12575-5 .
9. Wesley L. Stone. The History of Robotics // Robotics and automation handbook / Thomas R. Kurfess. - Boca Raton, London, New York, Washington, D.C.: CRC PRESS, 2005. - ISBN 0-8493-1804-1 .
10. , с. 6-7.
11. , с. 9.
12. Air Muscles from Image Company
13. Air Muscles from Shadow Robot (неопр.) (недоступная ссылка) Архивировано 27 сентября 2007 года.
14. T.O.B.B (неопр.) . Mtoussaint.de. Дата обращения 27 ноября 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
15. nBot, a two wheel balancing robot (неопр.) . Geology.heroy.smu.edu. Дата обращения 27 ноября 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
16. ROBONAUT Activity Report (неопр.) . NASA (февраль 2004). Дата обращения 20 октября 2007. Архивировано 20 августа 2007 года.
17. IEEE Spectrum: A Robot That Balances on a Ball (неопр.) . Spectrum.ieee.org. Дата обращения 27 ноября 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
18. Rezero – Focus Project Ballbot (неопр.) . ethz.ch. Дата обращения 11 декабря 2011. Архивировано 4 февраля 2012 года.
19. 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 .
20. Spherical Robot Can Climb Over Obstacles (неопр.) Архивировано 24 августа 2011 года.
21. Rotundus (неопр.) . Rotundus.se. Дата обращения 27 ноября 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
22. OrbSwarm Gets A Brain (неопр.) . BotJunkie (11 июля 2007). Дата обращения 27 ноября 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
23. Rolling Orbital Bluetooth Operated Thing (неопр.) . BotJunkie. Дата обращения 27 ноября 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
24. Swarm (неопр.) . Orbswarm.com. Дата обращения 27 ноября 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
25. The Ball Bot: (неопр.) (недоступная ссылка) . Blogs.sun.com. Дата обращения 27 ноября 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
26. Senior Design Projects | College of Engineering & Applied Science| University of Colorado at Boulder (неопр.) (недоступная ссылка) . Engineering.colorado.edu (30 апреля 2008). Дата обращения 27 ноября 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
27. Мартыненко Ю. Г. , Формальский А. М. О движении мобильного робота с роликонесущими колёсами // Известия РАН. Теория и системы управления. - 2007. - № 6 . - С. 142-149 .
28. Андреев А. С., Перегудова О. А. Об управлении движением колёсного мобильного робота // Прикладная математика и механика . - 2015. - Т. 79, № 4 . - С. 451-462 .
29. JPL Robotics: System: Commercial Rovers
30. Multipod robots easy to construct
31. AMRU-5 hexapod robot
32. Achieving Stable Walking (неопр.) . Honda Worldwide. Дата обращения 22 октября 2007. Архивировано 24 августа 2011 года.
33. Funny Walk (неопр.) . Pooter Geek (28 декабря 2004). Дата обращения 22 октября 2007. Архивировано 24 августа 2011 года.
34. ASIMO"s Pimp Shuffle (неопр.) . Popular Science (9 января 2007). Дата обращения 22 октября 2007. Архивировано 24 августа 2011 года.
35. Vtec Forum: A drunk robot? thread
36. 3D One-Leg Hopper (1983–1984) (неопр.) . MIT Leg Laboratory. Дата обращения 22 октября 2007. Архивировано 24 августа 2011 года.
37. 3D Biped (1989–1995) (неопр.) Архивировано 24 августа 2011 года.
38. Quadruped (1984–1987) (неопр.) . MIT Leg Laboratory. Дата обращения 26 марта 2011. Архивировано 24 августа 2011 года.
39. Testing the Limits (неопр.) . Boeing. Дата обращения 9 апреля 2008. Архивировано 24 августа 2011 года.
40. Air Penguin - роботы пингвины на выставке в Ганновере
41. Информация о Air Penguin на сайте компании Festo
42. Air-Ray Ballonet, англ.
43. Описание AirJelly на сайте компании Festo, англ.
44. Ma, Kevin Y.; Chirarattananon, Pakpong; Fuller, Sawyer B.; Wood, Robert J. Controlled Flight of a Biologically Inspired, Insect-Scale Robot (англ.) // Science: journal. - 2013. - May (vol. 340 , no. 6132 ). - P. 603-607 . - DOI :10.1126/science.1231806 .
45. Черноусько Ф. Л. Волнообразные движения многозвенника по горизонтальной плоскости // Прикладная математика и механика . - 2000. - Т. 64, вып. 4 . - С. 518-531 .
46. Князьков M. M., Башкиров С. А. Плоское передвижение многозвенного робота по поверхности с сухим трением // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2004. - № 3 . - С. 28-32 .
47. Осадченко Н. В. , Абдельрахман А. М. З. Компьютерное моделирование движения мобильного ползающего робота // Вестник МЭИ. - 2008. - № 5 . - С. 131-136 .
48. Miller, Gavin. Introduction (неопр.) . snakerobots.com. Дата обращения 22 октября 2007. Архивировано 24 августа 2011 года.
49. ACM-R5 (неопр.) (недоступная ссылка) . Дата обращения 10 апреля 2011. Архивировано 11 октября 2011 года.
50. Swimming snake robot (commentary in Japanese)
51. Capuchin at YouTube
52. Градецкий В. Г., Вешников В. Б., Калиниченко С. В., Кравчук Л. Н. Управляемое движение мобильных роботов по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям. - М. : Наука , 2001. - 360 с.
53. Wallbot at YouTube
54. Stanford University: Stickybot
55. Sfakiotakis, et al. Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion (англ.) : journal. - IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1999. - April. Архивировано 26 сентября 2007 года.

Слово «робототехника» слышали все много раз. Но что это такое по сути?

По-английски оно звучит чуть покороче – robotics — но смысл совсем не меняется.

Робототехника – это наука создания технических систем с автоматизацией. Это значит, что робототехника, по сути есть синтез программирования управляющего софта, механики (это слово пришло из греческого – μηχανική (правда, красиво смотрится?=) ) - искусство построения машин) и электроники, так как роботы – всё же пока ещё электронные механизмы.

Космические аппараты, сервис-роботы, военные механизмы, производственные машины — роботов сейчас такое количество, что вряд ли кто возьмётся сходу перечислить все их виды (но немножко ). Робототехника же занимается обеспечением развития всех этих многочисленных направлений.

Так, например, для создания самого простого необходимо:

• наличие двигателя (как минимум – для движения ног),
• наличие систем поддержания равновесия (гироскопы, датчики определения положения, ультразвуковые датчики для определения препятствий),
• системы управления (может быть основана как на автономной программе, оперирующей данными с сенсоров, так и на внешнем пульте управления).

Датчики, двигатели, программа управления, интерфейс связи с оператором…
То есть даже для простого андроида нужна работа специалистов многих специальностей. Сегодня роботов уже столько, что ни у кого не возникает тезисов о том, что робототехника — наука только для будущего. А необходимость максимально эффективно разрабатывать новые решения и определили выделение робототехники в отдельную науку.

Роботехника - сравнительно новое и интенсивно развивающееся научное направление, вызванное к жизни необходимостью освоения новых сфер и областей деятельности человека, а также потребностью широкой автоматизации современного производства, направленной на резкое повышение его эффективности. Использование автоматических программируемых устройств - роботов - в исследовании космоса и океанских глубин, а с 60-х гг. нашего столетия и в производственной сфере, быстрый прогресс в области создания и использования роботов в последние годы обусловили необходимость интеграции научных знаний ряда смежных фундаментальных и технических дисциплин в едином научно-техническом направлении - робототехнике .

Идея создания роботов - механических устройств, своим внешним видом и действиями подобных людям или каким-либо живым существам, увлекала человечество с незапамятных времен. Даже в легендах и мифах человек стремился создать образ рукотворных существ, наделенных фантастической физической силой и ловкостью, способных летать, жить под землей и водой, действовать самостоятельно и в то же время беспрекословно подчиняться человеку и выполнять за него самую тяжелую и опасную работу. Еще в "Илиаде" Гомера (VI в. до н. э.) говорится о том, что хромоногий кузнец Гефест, бог огня и покровитель кузнечного ремесла, выковал из золота девушек, которые исполняли его поручения.

Навстречу ему золотые служанки вмиг подбегали, Подобные девам живым, у которых Разум в груди заключен и голос, и сила, Которых самым различным трудам обучали Бессмертные боги...

У современного человека эти "служанки" непременно ассоциируются с антропоморфными, т.е. созданными по образу и подобию человека, автоматическими универсальными устройствами - роботами.

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

Сегодня человечество практически вплотную подошло к тому моменту, когда роботы будут использоваться во всех сферах жизнедеятельности. Поэтому курсы робототехники и компьютерного программирования необходимо вводить в образовательные учреждения.

Изучение робототехники позволяет решить следующие задачи, которые стоят перед информатикой как учебным предметом. А именно, рассмотрение линии алгоритмизация и программирование, исполнитель, основы логики и логические основы компьютера.

Также изучение робототехники возможно в курсе математики (реализация основных математических операций, конструирование роботов), технологии (конструирование роботов, как по стандартным сборкам, так и произвольно), физики (сборка деталей конструктора, необходимых для движения робота-шасси).

Классы роботов

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.

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.

Компоненты роботов

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

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 пьезоэлектри

ческие 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 987 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.

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

Колёсные и гусеничные роботы

Шагающие роботы

Другие методы перемещения:

• Летающие роботы (в том числе БПЛА – беспилотные летательные аппараты).
• Ползающие роботы.
• Роботы, перемещающиеся по вертикальным поверхностям.
• Плавающие роботы.

Системы управления

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.

По типу управления робототехнические системы подразделяются на:

1. Биотехнические :

1.1. командные (кнопочное и рычажное управление отдельными звеньями робота);

1.2. копирующие (повтор движения человека, возможна реализация обратной связи, передающей прилагаемое усилие, экзоскелеты);

1.3. полуавтоматические (управление одним командным органом, например, рукояткой всей кинематической схемой робота);

2. Автоматические :

2.1. программные (функционируют по заранее заданной программе, в основном предназначены для решения однообразных задач в неизменных условиях окружения);

2.2. адаптивные (решают типовые задачи, но адаптируются под условия функционирования);

2.3. интеллектуальные (наиболее развитые автоматические системы);

3. Интерактивные :

3.1. автоматизированные (возможно чередование автоматических и биотехнических режимов);

3.2. супервизорные (автоматические системы, в которых человек выполняет только целеуказательные функции);

3.3. 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:

• 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.

Подвиды современных роботов:

• Промышленные роботы

• Медицинские роботы

• Бытовые роботы
• Роботы для обеспечения безопасности
• Боевые роботы

• Роботы-учёные

К настоящему времени роботы внедрены во многие сферы деятельности человека и продолжают дополнять и иногда заменять людской труд как в опасных видах деятельности, так и в повседневной жизни.