Обзор робототехники

Робототехника — отрасль механики, электротехники и информатики, занимающаяся проектированием, конструированием, эксплуатацией и применением роботов, а также компьютерных систем для их управления, получения сенсорной обратной связи и обработки информации. Данные технологии направлены на создание автоматизированных машин, способных заменять человека в опасных условиях или производственных процессах, а также обладающих сходством с человеком по внешности, поведению или когнитивным способностям. Многие современные роботы вдохновлены природой — это направление известно как биоинспирированная робототехника.

Термин «робот» был впервые представлен публике чешским писателем Карелом Чапеком в пьесе R.U.R. (Россумские универсальные роботы), опубликованной в 1920 году. Сам термин «робототехника» (англ. robotics) был введён Айзеком Азимовым в его научно-фантастическом рассказе «Лгун!» 1941 года[1].

Природа робототехники

Робототехнику можно охарактеризовать как:

Направления робототехники

  • Адаптивное управление — метод управления, при котором управляющее устройство должно подстраиваться к изменяющимся или изначально неопределённым параметрам системы.
  • Аэроробототехника — разработка беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), известных как дроны, которыми управляют либо автономно, либо с помощью оператора.
  • Андроидная наука — междисциплинарное исследование взаимодействия и когниции человека на основе создания максимально человекоподобных роботов (андроидов).
  • Антропоротехника — наука о разработке и исследовании роботов, обладающих полностью или частично человеческими чертами.
  • Искусственный интеллект — направление информатики, занимающееся созданием систем, обладающих интеллектуальными функциями.
  • Искусственные нейронные сети — математические модели, вдохновлённые биологическими нейронными сетями.
  • Беспилотный автомобиль — автономное транспортное средство, способное выполнять функции обычного автомобиля без водителя.
  • Автономная исследовательская робототехника
  • Байесовские сети
  • BEAM-робототехника — направление, использующее аналоговые схемы для создания простых мобильных роботов.
  • Поведенческая робототехника — использование модульных или поведенческих ИИ для построения сложного поведения машины.
  • Планирование пути в реальном времени — термин, используемый в робототехнике для обозначения методов планирования движения, способных адаптироваться к изменениям в окружающей среде в реальном времени.
  • Биоинспирированная робототехника — создание роботов, вдохновлённых принципами, структурой и поведением живых организмов.
  • Биомиметика — см. Бионика
  • Биоморфная робототехника — поддисциплина, фокусирующаяся на эмуляции механизмов, сенсорных систем и структур животных.
  • Бионика — применение принципов биологических систем при проектировании инженерных решений.
  • Биоробототехника — проектирование и создание роботов, имитирующих или моделирующих живые организмы.
  • Облачная робототехника — интеграция облачных вычислений, облачных хранилищ и интернет-технологий с робототехникой.
  • Когнитивная робототехника — развитие методов обработки информации на основе когнитивных процессов животных.
  • Кластеризация
  • Вычислительная нейронаука — исследование функций мозга с точки зрения информационных процессов в нервных структурах.
  • Управление роботами
  • Конференции и выставки по робототехнике
  • Интеллектуальный анализ данных
  • Степени свободы (механика) — число независимых параметров, определяющих конфигурацию механической системы.
  • Девелопментальная робототехника — развитие искусственного интеллекта у роботов на основе метафор детского развития.
  • Цифровое управление — управление техническими системами с помощью цифровых вычислителей.
  • Цифровая обработка изображений — использование компьютерных алгоритмов для анализа цифровых изображений.
  • Методы снижения размерности
  • Дистрибутивная робототехника
  • Электронная система стабилизации — повышение устойчивости транспортных средств за счёт компьютеризированного управления.
  • Эволюционные вычисления
  • Эволюционная робототехника — использование эволюционных алгоритмов для обучения контроллеров автономных роботов.
  • Расширенный фильтр Калмана
  • Гибкие Функции распределения
  • Обратная связь и регулирование
  • Взаимодействие человека и компьютера
  • Взаимодействие человека и робота
  • Интеллектуальные транспортные технологии
  • Кинематика роботов — изучение движения механизмов и роботов.
  • Лабораторная робототехника
  • Обучение роботов
  • Интерфейс непосредственной манипуляции — взаимодействие с компьютером, основанное на прямом управлении визуальными объектами.
  • Обучение на многообразиях
  • Микроробототехника — проектирование миниатюрных мобильных роботов (размер менее 1 мм).
  • Планирование движения (Motion planning) — декомпозиция задачи робота на последовательность движений.
  • Управление движением — организация согласованных и координированных движений технических систем.
  • Наноробототехника — создание машин со структурой в наноразмерном диапазоне (около 10⁻⁹ метров).
  • Пассивная динамика — динамическое поведение объектов при отсутствии энергии от внешнего источника.
  • Обучение по демонстрации — обучение робота новым заданиям путём прямой демонстрации человеком.
  • Квантовая робототехника — использование квантовых вычислений для решения роботехнических задач быстрее, чем на цифровых компьютерах[2].
  • Быстрое прототипирование — создание физических объектов на основе виртуальных моделей с помощью аддитивных технологий.
  • Обучение с подкреплением — направление машинного обучения для выбора действий максимизации суммарного вознаграждения.
  • Кинематика роботов — применение геометрии для изучения движения систем с несколькими степенями свободы.
  • Локомоция робота — методы перемещения роботов в пространстве.
  • Программирование роботов
  • Роботизированная картография — построение карт автономными роботами и локализация в пространстве.
  • Роботизированная хирургия — применение роботизированных систем в хирургических процедурах.
    • Роботизированная сердечная хирургия
  • Датчики — устройства, преобразующие физические величины в сигналы для обработки.
  • Одновременная локализация и построение карты (SLAM) — одновременное определение местоположения и построение карты.
  • Разработка программного обеспечения — системный и количественно обоснованный подход к созданию технических решений, включая программное обеспечение для роботов.
  • Космическая робототехника — создание автономных или полуавтономных роботов для работы в космосе.
  • Обработка речи — исследование свойств и методов обработки речевых сигналов.
  • Метод опорных векторов — алгоритмы машинного обучения для классификации и регрессии.
  • Роечная робототехника — координация коллективов простых роботов по аналогии с поведением социальных насекомых.
  • Телеприсутствие — технология, позволяющая дистанционно воздействовать на окружающую среду через роботов.
  • Вездесущая робототехника — объединение робототехники с вездесущими вычислениями, сенсорными сетями и амбие́нтным интеллектом.

Смежные дисциплины

Робототехника сочетает в себе элементы электроники, инженерии, механики, программного обеспечения и искусств. Проектирование и управление роботами требует знаний из различных сфер:

Смежные области

Роботы

Робот — машина, особенно программируемая компьютером, способная автоматически выполнять сложные последовательности действий. Робот может управляться внешним устройством либо быть автономным.

Виды роботов

Автономные роботы — роботы, не управляемые человеком:

  • Аэробот — робот, способный самостоятельно летать, в том числе на других планетах.
  • Андроид — гуманоидный робот по форме, напоминающий человека[3][4].
  • Автоматон — ранний механизм, воспроизводящий одни и те же действия многократно.
  • Аниматроника — робот, используемый в парках развлечений и на съёмках фильмов/телепередач.
  • Беспилотное транспортное средство — транспорт, оснащённый автопилотом.
  • Баллот — динамически-устойчивый мобильный робот, балансирующий на одном шаре.
  • Киборг — кибернетически усовершенствованный организм, сочетающий биологические и искусственные компоненты.
  • Робот для обезвреживания взрывных устройств — мобильный робот для выявления и нейтрализации взрывных устройств[5].
  • Гиноид — гуманоидный робот, выполненный в форме женщины.
  • Гексапод — шестиногий робот, использующий насекомоподобную локомоцию.
  • Промышленный робот — перепрограммируемый универсальный манипулятор для автоматизации производственных процессов[6].
  • Робот-насекомое — миниатюрный робот, повторяющий поведение насекомых[5].
  • Микробот — микроскопический робот, способный, например, проникать в организм человека для лечения заболеваний.
  • Военный робот — экзоскелет для усиления физических способностей солдата.
  • Мобильный робот — самоходный и автономный робот, перемещающийся по неограниченному маршруту[6].
  • Робот для музыкальных представлений — специально создан для исполнения музыкальных программ.
  • Нанобот — микробот в наноразмерном масштабе (порядка 10⁻⁹ м).
  • Робот-протез — программируемый манипулятор, заменяющий недостающую конечность[6].
  • Ровер — робот с колёсами для движения по поверхности других планет.
  • Сервисный робот — машины, расширяющие возможности человека[6].
  • Змееподобный робот — робот или его часть в форме щупальца (например, хобота), способная к гибким движениям с множеством степеней свободы.
  • Робот для хирургии — дистанционный манипулятор, применяемый в эндоскопических операциях.
  • Шагающий робот — робот, способный к передвижению посредством шагающих движений.

По способу передвижения

Мобильные роботы можно классифицировать по:

  • Среде передвижения:
    • Наземные или бытовые роботы — преимущественно колёсные или шаговые (двуногие/животноподобные/насекомообразные).
    • Летающие — обычно называются БПЛА.
    • Подводные роботы — чаще всего автономные подводные аппараты (АПА).
    • Полярные роботы — роботы, адаптированные для передвижения по льду и пересечённой поверхности с трещинами.
  • Техническим средствам перемещения:
    • Шагающий робот — человекоподобные или животноподобные ноги.
    • Гусеницы[7][8]
    • Колёсный робот

Компоненты и особенности конструкции робота

  • Привод — двигатель, преобразующий сигналы управления в механическое движение (обычно электромеханический, иногда пневмо- или гидропривод)[5][6].
  • Дельта-робот — механизм с трёхзвенной кинематикой для высокоскоростных манипуляций.
  • Источник питания — энергетическая основа для приводов робота[6].
  • Концевой исполнитель — инструмент или приспособление, устанавливаемое на манипулятор, например, захват, сварочная головка и др[6].
  • Прямой вывод — процесс адаптации поведения на основании поступающей информации[5].
  • Гаптическая технология — тактильная обратная связь от устройства или манипулятора.
  • Гексапод (платформа) — подвижная платформа на шести линейных приводах (применяется в тренажёрах и манипуляторах).
см. Платформа Стюарта
  • Гидропривод — управление механическими силами путём подачи жидкости под давлением, ср. пневматический привод.
  • Фильтр Калмана — математический метод оценки истинных величин на основе серии зашумлённых измерений.
  • Механизм Кланна — простая шарнирная система для шагающего робота.
  • Манипулятор — «рука робота», захват.
    • Параллельный манипулятор — манипулятор с несколькими кинематическими цепями, приводами и шарнирами в параллельной конструкции.
    • Дистанционный манипулятор — манипулятор под управлением человека, часто для работы с опасными веществами.
    • Последовательный манипулятор — манипулятор с последовательной цепью приводов (манипулятор-рука).
  • Мьютинг — автоматическое отключение защитных сенсоров на части рабочего цикла[6].
  • Пульт — портативное устройство для управления роботом в рабочей зоне[6].
  • Пневмопривод — движение создаётся за счёт сжатого газа.
  • Сервомотор — исполнительный двигатель, сохраняющий заданное положение по команде.
  • Сервомеханизм — автоматизированное устройство с обратной связью по ошибке.
  • Единая точка управления — свойство, при котором управление движениями робота возможно только с одного устройства[6].
  • Режим «медленное движение» — ограничение скорости движения для обеспечения безопасности обслуживающего персонала[6].
  • Шаговый двигатель — электродвигатель, совершающий дискретные повороты с высокой точностью.
  • Платформа Стюарта — платформа на шести приводах, именуемая также «гексапод».
  • Субсумпционная архитектура — модульная, нисходящая архитектура построения робототехники.
  • Режим обучения — режим управления, позволяющий вручную записывать траекторию движения робота[6].

Примеры конкретных роботов

  • Аура (спутник) — атмосферная автоматическая платформа NASA (2004)[5].
  • Обсерватория Чандра — рентгеновская орбитальная обсерватория NASA (1999)[5].
  • Джастин
  • Робонавт — проект NASA по созданию гуманоидных роботов для работы в космосе
  • Unimate — первый коммерческий промышленный робот (1961)
Австралия
  • GuRoo
  • UWA Telerobot
  • Boeing MQ-28 Ghost Bat
Великобритания
  • Black Knight
  • eSTAR
  • Freddy II
  • George
  • Robop
  • Shadow Hand
  • Silver Swan
  • Talisman UUV
  • Wheelbarrow
  • Ameca
Канада
  • ANAT AMI-100
  • ANATROLLER ARE-100
  • ANATROLLER ARI-100
  • ANATROLLER ARI-50
  • ANATROLLER Dusty Duct Destroyer
  • Canadarm2
  • Dextre
  • hitchBOT
Китай
  • FemiSapien
  • Meinü robot
  • RoboSapien
  • Robosapien v2
  • RS Media
  • Sanbot robot
  • Xianxingzhe
  • Xiaoyi (Robot)
Хорватия
Чехия
  • SyRoTek
Франция
  • Air-Cobot — коллаборативный мобильный робот для инспекции самолётов.
  • Digesting Duck
  • Jessiko
  • Nabaztag
  • Nao
Германия
  • BionicKangaroo — биомиметический робот фирмы Festo.
  • Care-Providing Robot FRIEND
  • LAURON
  • Marvin
Италия
  • iCub
  • IsaacRobot
  • WalkMan
  • Leonardo’s robot
Япония
Мексика
  • Don Cuco El Guapo
Нидерланды
  • Adelbrecht
  • Flame
  • Phobot
  • Senster
Новая Зеландия
  • The Trons
Португалия
  • RAPOSA
Катар
  • Robot jockey
Россия и СССР
Южная Корея
  • Albert Hubo
  • EveR-1
  • HUBO
  • MAHRU
  • Musa
Испания
  • AISoy1
  • Maggie
  • REEM
  • Tico
Швейцария
США
  • Albert One
  • Allen
  • ATHLETE
  • Atlas
  • Baxter
  • Ballbot
  • avbotz Baracuda XIV
  • Berkeley Lower Extremity Exoskeleton
  • BigDog
  • Boe-Bot
  • CISBOT
  • Coco
  • Cog
  • Crusher
  • Dragon Runner
  • EATR
  • Elektro
  • Entomopter
  • Haile
  • Hardiman
  • HERO
  • Johns Hopkins Beast
  • Kismet
  • Leonardo
  • LOPES
  • LORAX
  • Nomad 200
  • Nomad rover
  • Octobot (robot)
  • Opportunity rover
  • Programmable Universal Machine for Assembly
  • Push the Talking Trash Can
  • RB5X
  • Robonaut
  • Shakey the Robot
  • Sojourner
  • Spirit rover
  • Turtle
  • Unimate
  • Zoë
  • Pleo
Вьетнам
Международные программы

История робототехники

Будущее робототехники

Разработка робототехнических систем и инструментов

Принципы робототехники

  • Искусственный интеллект
  • Степени свободы (механика) — диапазон независимых движений робота по координатам и углам (x, y, z, а также крен, тангаж и рыскание)[5].
  • Эмерджентное поведение — сложное поведение, возникающее из взаимодействия простых правил.
  • Максимальная рабочая зона — объём пространства, в пределах которого все части робота и инструменты могут перемещаться[6].
  • Гуманоид
  • Робоэтика
  • Три закона робототехники — введены писателем Айзеком Азимовым, одни из первых этических рамок для роботов.
  • Конечная точка инструмента (TCP) — начало координатной системы инструмента[6].
  • Долина зловещести — гипотетическая точка, где поведение/внешность человекоподобного робота вызывает отторжение.

Компании, занимающиеся робототехникой

Организации в области робототехники

  • FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology) — организация, основанная Дином Кейменом для популяризации инженерных и технологических специальностей среди школьников; проводит различные соревнования по робототехнике.
  • IEEE Robotics and Automation Society
  • Robotics Institute
  • SRI International

Соревнования по робототехнике

  • Робототехническое соревнование
  • Премия Жоржа Жираля для докторов наук
  • National ElectroniX Olympiad
  • ABU Robocon
  • BEST Robotics
  • Botball
  • Кубок Франции по робототехнике
  • DARPA Grand Challenge — призовое соревнование по автономным транспортным средствам, финансируемое DARPA, Главное научно-исследовательское подразделение Министерства обороны США.
    • DARPA Grand Challenge (2004)
    • DARPA Grand Challenge (2005)
    • DARPA Grand Challenge (2007)
  • DARPA Robotics Challenge — конкурс DARPA (2012—2014) по разработке полуавтономных наземных роботов для выполнения сложных задач в опасных условиях[11]
    • Примеры заданий финала:
      1. Управление транспортным средством
      2. Перемещение по пересечённой местности
      3. Удаление препятствий с прохода
      4. Открытие двери и вход в здание
      5. Подъём по лестнице и прохождение по платформе
      6. Использование инструмента для пробития панели
      7. Отключение клапана рядом с повреждённой трубой
      8. Присоединение пожарного рукава и открытие клапана
    • Финалисты:
      1. SCHAFT
      2. IHMC Robotics
      3. Tartan Rescue
      4. MIT
      5. RoboSimian
      6. Team TRACLabs
      7. WRECS
      8. TROOPER
  • Defcon Robot Contest
  • Duke Annual Robo-Climb Competition
  • Eurobot
  • European Land-Robot Trial
  • FIRST Lego League Junior
  • FIRST Lego League
  • FIRST Robotics Competition
  • FIRST Tech Challenge
  • International Aerial Robotics Competition
  • Micromouse
  • RoboCup
  • Robofest
  • RoboGames
  • RoboSub
  • Student Robotics
  • UAV Outback Challenge
  • World Robot Olympiad

Влиятельные в области робототехники

  • Айзек Азимов — писатель, впервые использовавший термин «робототехника» и сформулировавший три закона робототехники.
  • Карел Чапек — чешский драматург, введший слово «робот» в своей пьесе R.U.R. (Россумские универсальные роботы).

Робототехника в массовой культуре

Радио

  • Marvin the Paranoid Android (англ. Douglas Adams)

Театр

  • Демон (англ. Karel Čapek) {R.U.R. (Россумские универсальные роботы)}
  • Гелена (Карел Чапек) {R.U.R. (Россумские универсальные роботы)}
  • Мариус (англ. Karel Čapek) {R.U.R. (Россумские универсальные роботы)}
  • Примус (Карел Чапек) {R.U.R. (Россумские универсальные роботы)}
  • Радиус (англ. Karel Čapek) {R.U.R. (Россумские универсальные роботы)}
  • Сулла (Карел Чапек) {R.U.R. (Россумские универсальные роботы)}

Балет

Аниме

Манга

Комиксы

Кино

  • Машиненменш (англ. Fritz Lang, Thea von Harbou, Brigitte Helm) {Metropolis}
  • C-3PO (англ. George Lucas, Anthony Daniels) {Star Wars}
  • ED-209 (англ. Paul Verhoeven, Craig Hayes, Phil Tippett) {RoboCop}
  • Fix-Its (Burton Weinstein, Robert Cooper, Tony Hudson) {*batteries not included}
  • Горт (англ. Robert Wise, Harry Bates, Edmund H. North, Lock Martin) {The Day the Earth Stood Still}
  • Johnny Five (англ. Tim Blaney, Syd Mead) {Short Circuit}
  • R2-D2 (англ. George Lucas, Kenny Baker, Ben Burtt) {Star Wars}
  • Robby the Robot (англ. Fred M. Wilcox, Robert Kinoshita, Frankie Darro, Marvin Miller) {Forbidden Planet}
  • Терминатор (англ. James Cameron, Gale Anne Hurd) {The Terminator}
  • WALL-E и EVE (англ. Andrew Stanton, Ben Burtt, Elissa Knight) {WALL-E}

Литература

  • Hadaly (англ. Auguste Villiers de l'Isle-Adam) {The Future Eve}
  • Машиненменш (англ. Thea von Harbou)
  • Олимпия (англ. E. T. A. Hoffmann) {Der Sandmann}
  • HAL 9000 (англ. Arthur C. Clarke)
  • Adam Link (англ. Eando Binder) {I, Robot}
  • Gnut (англ. Harry Bates) {Farewell to the Master}
  • Робби (англ. Isaac Asimov) {I, Robot}
  • The Steam Man of the Prairies (англ. Edward S. Ellis) {The Steam Man of the Prairies}
  • Тик-Ток (англ. L. Frank Baum) {Ozma of Oz}

Телевидение

Примечания

Литература

  • Joseph A. Angelo. Robotics: a reference guide to the new technology : [англ.]. — Libraries Unlimited, 2007. — P. 258–327. — ISBN 978-1-57356-337-6.
  • V. Daniel Hunt. Appendix A - Glossary // Industrial robotics handbook : [англ.]. — Industrial Press Inc., 1983. — ISBN 978-0-8311-1148-9.
  • Helena Domaine. Glossary // Robotics : [англ.]. — Lerner Publications, 2006. — ISBN 978-0-8225-2112-9.
  • Prateek Tandon. Quantum Robotics : [англ.]. — Morgan & Claypool Publishers, 2017. — ISBN 978-1627059138.

Ссылки

Категории