Материал: 10176245_831175obrazovat

Глава 2 Основы робототехники в образовании

2.1 Введение в робототехнику

Робототехника - это наука, которая появилась в 60-х годах ХХ века, и в настоящее время представляет большой интерес для образовательного сообщества. В свое время эта наука была только делом экспертов, инженеров и техников, поскольку еще не было много знаний по этой теме или технологии, необходимых для использования ее возможностей. Сегодня технологические достижения в таких областях, как информатика, электроника и механика, делают робототехнику доступной для всех. Существуют даже комплекты, ориентированные исключительно на детей, которые позволяют создавать роботов с характеристиками аналогичными тем, которые были бы созданы в технологической лаборатории, но более простым способом и с образовательными целями.

Современное общество погружено в технологическую революцию. Изобретение первого транзистора в 1947 году послужило началом, а затем привело к кардинальным и радикальным изменениям в социальной, экономической и политической сферах мира. Робототехника, несмотря на то, что она является относительно новой наукой, становится важным двигателем технологического прогресса почти во всех областях (производство, наука, медицина, космическая промышленность и т. д.). И это создает большие перспективы на ближайшее время.

Идея создания человекоподобного робота развивалась на протяжении многих лет человеческого общества, от примитивных механизмов похожих на роботов прошлых веков до современных человекоподобных роботов. Появились автоматизированные инструменты для массового производства, которые привели к промышленной революции. На заре технологической революции и раньше – человек всегда пытался заменить человеческий труд на машинный.

Еще в IV веке до нашей эры греческий математик Архитас Таранто построил механическую птицу, которая работала на паровом двигателе и назвал ее "голубь". Инженер из Александрии Херон (1070 гг. нашей эры) создал множество автоматических устройств, кото-

41

рые можно было модифицировать, и описал машины, работающие под давлением воздуха, пара и воды. Су Сон, китайский ученый, возводил часовую башню в 1088 году с механическими фигурами, являющимися курантами часов.

Сотни лет назад изобретатели создавали автоматические устройства в качестве хобби, иногда для того, чтобы решить какие-либо проблемы или облегчить повседневную работу.

Аль-Джазари (1136-1206), мусульманский изобретатель и инже- нер-механик, разработал и построил серию автоматических машин, а в 1206 году - первых программируемых гуманоидных роботов. Они были представлены в виде музыкантов на лодке с механизмом программируемого барабана, в котором с помощью колышков, сталкивающихся с рычагами, приводились в действие ударные инструменты. Таким образом, можно было изменить ритмы и мелодии, которые играл барабанщик при перемещении колышков.

Новый этап своего развития робототехника начала с текстильной промышленности восемнадцатого века, когда Джозеф Джаккард изобрел в 1801 году программируемую с помощью перфокарт текстильную машину. В 1805 году Анри Майярде (Henri Maillardert) построил механическую куклу, в которой использовалась серия сменных (программируемых) «кулачков» для написания и рисования.

Эти механические изобретения являются отражением изобретательности и творчества человека, и они стали основой, которая позволила продолжать разрабатывать все более сложные машины, предназначенные для выполнения различных задач.

Были и другие механические изобретения во время промышленной революции, многие из которых были направлены на сектор текстильного производства. Открытие электричества и электромагнетизма привело к первому взрыву в эволюции этих изобретений. Однако современная робототехника началась с создания транзистора.

С тех пор удешевление и легкость получения материалов для производства роботов сделали возможным экспоненциальный рост в их создании. Компании, университеты, студенты, любители и любой другой человек в настоящее время в состоянии войти в этот мир.

42

Таблица 1. Хронология развития робототехники Дата Разработки

1206 Первый программируемый гуманоидный робот: роботизированная лодка музыкантов, Аль-Джазари

1800 Японские механические игрушки, которые подают чай, стреляют стрелами и красят. Игрушки Karakuri Hisashige, Tanaka

1801 J. Jaquard изобрел ткацкий станок-программируемую машину

1805 H. Maillardet построил механическую куклу, способную делать рисунки.

1939 На выставке world'S Fairs между 1939 и 1940 годами демонстри-

руется гуманоидный робот, Elektro Westinghouse Electric Corporation

1946 Американский изобретатель G. C Devol разработал устройство, способное записывать электрические сигналы магнитными средствами и воспроизводить их для привода механической машины. Также в этом году появляются первые компьютеры: J. Presper Eckert и John Maulchy построили ENAC в Университете Пенсильвании, а первая цифровая машина общего назначения разработана в Массачусетском технологическом институте

1951 Разработка робота с манипуляторами дистанционного управления для обработки радиоактивных материалов.

1952 Прототип машины с числовым программным управлением был продемонстрирован в Массачусетском технологическом институте после нескольких лет разработки. Язык программирования под названием APT (Automatilly Programmed Tooling) был впоследст-

вии разработан и опубликован в 1961 году.

1954 George Devol разрабатывает первого программируемого робота и вводит термин "универсальный автомат", который впоследствии сокращается до Unimation.

1956 Первый коммерческий робот компании Unimation, основанной Джорджем Деволом и Джозефом Энгельбергером.

1961 Производится первый промышленный робот Unimate для General Motors.

1964 Исследовательские лаборатории в области искусственного интеллекта открыты в Массачусетском технологическом институте, Стэнфордском Научно-исследовательском институте и Эдинбургском университете. Вскоре после этого японцы, которые ранее

43

Удивительные достижения, такие как robo Nao от Aldebaran Robotics (2004) или Big Dog от Boston Dynamics стали более распространенной реальностью, чем когда-либо.

Еще недавно слова "робототехника" или "робот", вызывали представление о некотором электронном приборе с механическими деталями и компьютерными технологиями, со странным и, возможно, смешным видом. Многие фильмы и игрушки используют это понятие

44

и демонстрируют футуристическую концепцию. В других более простых областях робот визуализируется как протез или рабочий инструмент, а в некоторых - даже как кулер.

Считается, что слово «робот» было придумано чешским драматургом Карелом Чапеком в 1920 году для одного из его произведений. Чешское слово robota, которое означает принудительный труд и традиционно понималось как рабочее время, было переведено на английский как «робот».

Слово робототехника, используемое для описания науки исследования роботов, было придумано позднее писателем-фантастом Айзеком Азимовым.

На протяжении многих лет робототехника развивалась и внедрялась во многие области науки, демонстрируя большой потенциал в новых областях. Сегодня это также важная часть повседневной жизни, настолько распространенная, что очень немногие понимают, что вокруг них, и что все начинают зависеть от него. Это стало таким обычным, что многим будет трудно идентифицировать всех роботов, с которыми они часто контактируют.

Одно из наиболее распространенных определений рассматривает роботов как механические устройства, способные выполнять задачи, которые выполняются или не могут выполняться людьми. Из этого определения, например, ясно, что машины, участвующие в конвейерной сборке, являются роботами. То есть интеллект не является требованием для машины или устройства, чтобы быть классифицированным как робот.

Но в соответствии с данным определением роботами являются и машины прошлых веков, построенные из дерева или железа, и интеллектуальные машины, которые появились в Японии, США и Европе в начале 90-х годов ХХ века. Последние получили перцептивные способности (в основном зрение, слух и осязание), более простые по сравнению с восприятием живыми существами, но позволяющие им взаимодействовать с окружающей средой.

В настоящее время широко используются коммерческие и промышленные роботы, которые выполняют задачи более точно или дешевле, чем люди. Они также используются для выполнения слишком

45