робототехника

Билет№1.

1. Предпосылки развития мехатроники и области применения мехатроннных и робототехнических систем.

2. Интеллектуальный робот.

1. Формально робототехника и мехатроника объединены в соответствующие научное на­правления, но определяются по разным квалифика­ционным признакам. Робототехника определена по функциональному назначению, а мехатроника — по физическому составу. Многие компоненты средств робототехники мож­но отнести к мехатронным. В свою очередь мехатронные устройства реализуют робототехнические системы. Из этою сле­дует, что мехатроника должна иметь много общего с робототехникой и принципах построения и методах проектирования.

Мехатроника возникла в ре­зультате органического слияния электромеханики и микроэлектроники в виде прежде всего автоматических технических объектов и систем. Возникла благодаря наличию таких объектов нового типа, которые требуют системного подхода.

Предмет робототехники – создание и применение роботов, других средств робототехники и основанных на них технических систем и комплексов различного назначения. Робототехника возникла на основе кибернетики и механики. В кибернетике это связано с интеллектуальным управлением и идеями, заимствованными у живой природы, а в механике – с многостепенными механизмами типа манипуляторов.

Робототехника уходит корнями в древность, когда были предприняты первые попытки создания человекоподобных устройств, подвижных статуй, механических слуг и т. д. Статуи богов с подвижными частями тела появились в Древнем Египте, Вавилоне, Китае. «Илиада» Гомера – кузнец Гефест выковывает механических служанок. Аристотель – куклы марионетки.

Средние века – различного рода автоматы, основанные на использовании часовых механизмов, созданы часы с движущимися фигурами людей, ангелов и т.п.

17 в - появление первых подвижных человекоподобных механических фигур – андроидов (андроид алхимика Альберта Великого представлял собой куклу ростом с человека, которая, когда стучали в дверь, открывала и закрывала ее, кланяясь). Работы по созданию андроидов – большее развитие в 18 в. Созданы: андроиды-музыканты, рисовальщики («флейтист» - ростом с человека, подвижными пальцами исполнял 11 мелодий с помощью заложенной программы). Отечественные: 1820 – открыт «Храм очарований», обслуживаемый механическими слугами.

20 в – создание «механических» людей возрождается с развитием электротехники и электроники. 1932 – человекоподобный автомат «Альфа», который по командам, подаваемым голосом, садился и вставал, двигал руками и говорил. Аналогичные роботы создавались, управлялись по радио, могли ходить – в основном в рекламных целях такие устройства.=>современная робототехника появилась во второй пол. 20в.: появилась реальная потребность в универсальных манипуляционных машинах-автоматах и для их развития возникли необходимые научно-технические предпосылки.

Объективной причиной возникновения и развития современной робототехники явилась историческая потребность производства в гибкой автоматизации с устранением человека из непосредственного участия в машинном производстве. Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов, принято называть роботизированными. Роботизированные системы, в которых роботы выполняют основные технические операции, называются робототехническими.

Области применения: наибольшее распространение в промышленности и машиностроении. Такие роботы наз. промышленными роботами (ПР). Горнодобывающая промышленность, металлургия, нефтяная промышленность (обслуживание бурильных установок, монтаж ремонт), строительство (транспорт монтаж ремонт), легкая, пищевая промышленность. Также медицина (протезирование, хирургия), сфера обслуживания, исследование и освоение океана, работы в экстремальных условиях.

2.XXI в. — создание интеллектуальных роботов. Стали заменителями людей в их профес­сиональной деятельности. Интеллектуальный робот — это робот конкретного назначения, в основных функциональных системах которо­го используются методы искусственного интеллекта, что позволяет рас­ширить сферу применения робототехники практически на все области человеческой деятельности. Термин "искусственный (технический, машинный) интеллект" (ИИ) означает, что обладающая им техническая система способна вы­полнять функции, которые, если бы их выполнял человек, считались бы интеллектуальными, т. е. требовали бы от человека приложения его есте­ственного интеллекта. Искусственный интеллект имити­рует естественный только в узко специальном (профессиональном) отношении и никаких более широких аналогий с естественным интеллек­том не имеет. Последний неизмеримо шире, охватывая все сферы человеческой деятельности, вклю­чая социальную, а также эмоциональность и принципиально иную моти­вацию, свойственную только человеку. Первые их образцы уже начинают появляться на рынке.

Вторая принципиальная особенность естественного интеллекта— это наличие наряду с формализуемой символьной составляющей, реализуемой левым полушарием головного мозга, под­сознательной образной составляющей. Она ответственна за интуитивную мыслительную дея­тельность человека, определяет его творческие способно­сти. Эта непознанная сторона естественного интеллекта пока остается недоступной для воспроизведения в искусственном интеллекте, что ограничивает его потенциальные возмож­ности.

Методы ИИ можно разделить на формализуемые и интуитивные. Первые — это мате­матические методы, основанные на теории вероятности, математической логике, теории игр и лингвистике. Они полноценно воспроизводят "левополушарное" мышление человека, в ИИ играют важную, но не определяющую роль. Определяю­щими уровень искусственного интеллекта являются интуитивные методы, заимствован­ные из профессиональной человеческой практики. К ним относятся, пре­жде всего, основанные на знаниях (на "законсервированном" интеллекте человека) методы теории экспертных систем, ассоциативной памяти, нейросетевых структур.

В робототехнике искусственный интеллект требуется, прежде всего, для решения следующих задач:

□обработка сенсорной информации;

□формирование моделей внешней среды;

□принятие решений и планирование поведения;

□управление движением;

□создание интеллектуального интерфейса между человеком-оператором и роботом.

Функции интеллектуального робота:

1. Восприятие и распознавание образов окружающего мира

2. Общение с человеком

3. Планирование и перепланирование поведения

4. Навигация (управление целенаправленными действиями)

5. Управление приводами

6. Обучение (формирование модели окружающего мира)

7. Общение с другими роботами и оборудованием.

Примеры: В 1968 г. в СССР был создан телеуправляемый от ЭВМ подводный робот "Манта" с очув- ствленным захватным устройством, а в 1971 г. — следующий его вариант с техническим зрением и системой целеуказания на телевизионном экра­не.

В 1969 г. в США (Станфордский институт) в рамках работ по искусственному интеллекту был разработан экспери­ментальный макет подвижного робота "Шейки" с развитой системой сенсорного обеспечения, включая техническое зрение, обладавшего эле­ментами искусственного интеллекта, что позволило ему целенаправлен­но передвигаться в заранее неизвестной обстановке, самостоятельно принимая необходимые для этого решения.

В конце XX в - робот способен двигаться по лестнице и преодолевать другие препятствия, выполнять весьма сложные манипуляции и вести диалог с человеком. Робот предна­значен для домашних работ, может быть гидом, экскурсоводом и т. п. Вес — 43 кг, скорость ходьбы — до 1,6 км/час.

1. Билет №2

1. Преимущества и перспективы развития мехатронных и робототехнических устройств и систем.

2. Экстремальная робототехника(ЭР)

1.С самого начала в развитии робототехники определялись две цели-прикладная и фундаментальная. Прикладная - развитие современного производства, т.е. переход к комплексной гибкой автоматизиции, к гибким автоматизированным производствам. Здесь же развилась экстремальная робототехника, медицинская микроробототехника, биоробототехника, шагающие машины и др. Фундаментальная - экспериментальное изучение и воспроизведение феномена разумного поведения животных, отсюда направление в развитии «искусственного интеллекта»: исследования типа «глаз-рука» и других очувствленных мобильных объектов. Здесь цель воспроизведение процесса эволюции живой природы. Конечным научно-техническим результатом этих исследований должны стать принципы и методика самоусовершенствования интеллектуальных технических систем типа «робот», для которых не будут пределом интеллектуальные способности человека.

В последствии решение проблемаы «искусственного интеллекта» инициирует проблему создания «искусственной мышцы»- электрические, гидравлические, пневматические привода, то что уже создали в процессе изучения.

Сегодня перспективы робототехники целиком зависит от решения ранее перечисленных фундаментальных проблем. Генеральное направление дальнейшего развития робототехники - комплексная миниатюризация компонентов и интеллектуализация в виде распределенного интеллекта, пронизывающего все системы роботов от сенсорики до приводов и конструктивных материалов.

Планы: 1.узкоспециализированный профессиональный коллективный интеллект, как у людей (пока есть только личный, т.е. программное управление и адаптация).2.Искусственный разум, воспроизводящий наряду с интеллектом творческие способности(креативность)человека.

Области, где будут реализоваться достижения в решении проблем робототехники:

1. робототехника наземного и воздушного транспорта

2. био- и медицинская робототехника

3.космическая робототехника(освоение планет)

4.подводная робототехника(роботы-амфибии)

P.S.

Александр Иванович Галушкин, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель наук России:

«Я убежден в том, что нейросетевые технологии – это основа построения будущих систем управления роботами, т.е. мозга будущих роботов».

Теория нейронных сетей – это, по сути, то направление, которое связано с разработкой алгоритмов решения задач робототехники. ы видим современный мозг и нервную систему робота как такую распределенную вычислительную сеть нейрокомпьютеров, где есть центральный нейрокомпьютер, решающий основные, базовые задачи, о которых я сейчас скажу, и периферийные специализированные нейрокомпьютеры. Это наши старые разработки, монографии, посвященные описанию практически всех наших работ.

Именно теория нейронных сетей, нейроматематика, нейроуправление и нейрокомпьютеры – это основа для построения интегрированных систем управления современными и перспективными роботами.

2.Экстремальная робототехника(ЭР).

Одно из назначений робототехники - выполение различного рода работ в экстремальных внешних условиях либо опасных и вредных для человека, либо вообще полностью исключающих его присутствие. Соответствующий раздел робототехники получил наименование «экстремальная робототехника».

Под экстремальными условиями(ЭУ) понимаются как аварийные ситуации, включая стихийные бедствия, так и штатные экстремальные ситуации, определяемые технологией производства (в атомной энергетике, промышленности, химических и горнодобывающих отраслях, военном деле, освоении космоса и т.д.). ЭУ определяются, прежде всего, внешними условиями работы (радиация, температура, сильные электромагнитные поля давление и т.д.).

Основным типом техн. систем, требующихся для выполнения перечисленных операций, являются робототехнические системы (РТС), благодаря характерной для них многофункциональности и гибкости позволяющие оперативно выполнять различные технологические операции, нередко для выполнения отдельных типовых операций требуется довольно широкий список специальных технологических систем, с которыми должны взаимодействовать РТС. Примерами РТС являются строительные, погрузо-разгрузочные машины в специальном исполнении для работы в ЭУ.

Наиболее важными характеристиками РТС здесь являются способы управления, перемещения, энергопитания. Управление сейчас в основном со стороны человека-оператора и местного автоматического управления. Перемещение к месту работы может обеспечиваться спец.транспортным средствами(краны, вертолеты) или собственной системой передвижения. Энергопитание может быть автономным, кабельным или комбинированным.

По характеру операции, выполняемых РТС можно объединить в 2 группы: инспекционные и технологические. Первые(разведчики) снабжаются манипуляторами и другими исполнительными устройствами - для расчистки проходов, поиска/взятия проб/объектов. Вторые предназначены для выполнения различных технологических операций с помощью сменных рабочих органов, включая укрепленные на шасси сварочные аппараты, грейферы (разновидность грузозахвата для сыпучих грузов, часть оборудования экскаватора или крана.), бульдозерные отвалы(предназначен для очистки улиц, дорог, тротуаров и других участков от мусора, снега, песчаных наносов методом сгребания).

Ожидания от РТС работающих в ЭУ: создание атономных и телеуправляемых мобильных РТС с развитой сенсорикой, адаптивным и интеллектуальным управлением.

Билет №3.

1. Функциональная схема робота.

2. Манипуляторы с прямоугольной системой координат.

1.

В общем виде включает исполнительные системы – манипуляционную (один или несколько манипуляторов) и передвижения (транспортную), информационно-управляющую, сенсорную, дающую информацию о внешней среде и систему связи с оператором, а также с другими взаимодействующими с роботом машинами. Исполнительные системы состоят из механической системы и системы приводов. Механическая система манипулятора – это обычно кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев с угловым или поступательным перемещением, которая заканчивается каким-нибудь рабочим инструментом или захватным устройством.

2.

Манипуляторы, работающие в прямоугольной системе координат имеют рабочую зону в форме параллелепипеда. Здесь все пере­мещения только поступательные. Поэтому такая система координат наиболее удобна для выполнения прямолинейных движений. Кроме то­го, она максимально упрощает программирование робота, так как оно обычно выполняется именно в прямоугольной системе координат, и, следовательно, в этом случае не требуется пересчета программ из одной системы координат в другую. Имеет всего по 3 пере­носных степени подвижности.

Билет №4.

1. Термин "робот". Три закона робототехники.

2. Робототехника в непромышленных областях.

1. Робот - это машина автоматического действия, которая объединяет свойства машин рабочих и информационных, являясь, таким образом, принципиально новым видом машин. Могут быть основным технологическим оборудованием (сборка, сварка, окраска) так и вспомогательного – замена рабочих, занятых обслуживанием такого оборудования. Универсальность роботов помогает автоматизировать принципиально любые операции, выполняемые человеком.

Первый Закон: Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.

Второй Закон: Робот должен повиноваться командам человека, если эти команды не противоречат Первому Закону.

Третий Закон: Робот должен заботиться о своей безопасности, поскольку это не противоречит Первому и Второму законам.

Законы для роботов сформулировал Айзек Азимов в произведении "Три закона робототехники". В рассказах Азимова эти три закона заложены в «позитронный мозг» каждого робота. Он американский фантаст и популяризатор науки. Азимов отмечает, что действие Трёх Законов можно распространить на все инструменты, созданные человеком:

1. Инструмент должен быть безопасным для использования — например, у ножей имеются рукоятки.

2. Инструмент должен выполнять свои функции при условии, что он не представляет ни для кого никакой опасности.

3. Инструмент должен оставаться в целости и сохранности во время его использования, если только его уничтожение не продиктовано соображениями безопасности или если это не входит в его функцию.

2. Широкие возможности открывает робототехника в сельском хозяйстве. Особенности применения - в большой территориальной протяженно­сти, сезонности работ, сильной зависимо­сти от погодноклиматических условий, в непосредственном контакте с животными и растениями, имеющими большую раз­бросанность характеристик и существенные специфические требования к взаимодействию с ними. Одна из важных задач - создание роботов для вождения тракторов, комбайнов с высвобождением трактористов (заменять трактористов при выполнении работ особо опасных (внесения ядохимикатов и т. п.) или утомительных - вождение прореживателей строго по рядкам растений и т. п.). - позволит повысить производительность агрега­тов, сменность, ритмичность и качество работы, снизить расход топлива.

Одна из наиболее трудоемких отраслей с/х произ­водства— овощеводство и картофелеводство. Производительность тру­да на ряде операций ограничена физическими возможностями че­ловека. Например, для укладки рассады в высаживающий аппарат требуется несколько сажальщиц на каждой рассадочной машине, кото­рые должны работать в ритме примерно одна операция в секунду в условиях тряски, пыли, при различной погоде.

В теплицах применение мобильных роботов позволяет комплексно автоматизировать большой круг работ по подготовке почвы, высеву семян, опрыскиванию химикатами, сбору готовой продукции, ее сортировке и укладке в тару.

В животноводстве и птицеводстве требуются для выполнения следующих работ:

• основные технологические операции: дозированная раздача кормов, разбрасывание подстилки, уборка навоза, дезинфекция помещений, взвешивание животных;

• механизированное доение коров;

• сортировка яиц в неорганизованных потоках с по­следующей укладкой в тару.

Большие перспективы имеет робототехника в медицине, хирургии, протезировании, для реабилитации и обслуживания больных и инвалидов. Создаются все более совершенные протезы рук и ног, имеющие приводы, встроенные микропроцессорные устройства управления и био­логические обратные связи. Созданы искусственные скелеты с привода­ми - экзоскелетоны для парализованных людей. Сервис­ные роботы - для использования в домашнем хозяйстве, для уборки, на кухне, прислуживания за столом, охраны кварти­ры, выполнения работы швейцара. Имеют техническое зрение, обладают слухом, дистанционными и тактильными датчиками, могут вести диалог с человеком в объеме сотен фраз, снабжены системами ра­диоуправления и передвижения.

Билет №5.

1. Общая схема управления движением человека.

2. Манипуляторы с угловой системой координат

1.

Обобщенная функциональная схема систем управ­ления движениями тела человека, в которые входят пассивная часть — скелет, ее активная (движущая) часть — мышцы, чувствительные устрой­ства рецепторы и информационно-управляющая система — центральная нервная система (ЦНС). Скелет (его часть, которая участвует в дви­жении) представляет собой вместе с мышцами объект управления в виде подвижно соединенных костных звеньев, образующих с позиций механи­ки многосменные кинематические цепи, подобные манипуляторам роботов. Управление этим объектом осуществляет ЦНС на основе информа­ции, получаемой от рецепторов. Основное назначение этой системы управления— поддержание позы, ориентация (во внешней среде), перемещение тела в пространстве — локомоции и, наконец, манипуляции.

2 . - манипулятор с угловой системой координат

Рабочая зона

Манипулятор с угловой системой координат про­изводит только угловые перемещения, т. е. все его звенья представляют собой шарниры. Часто такие манипуляторы называют шарнир­ными и антропоморфными. Роботы с такого типа манипуляторами бла­годаря возможности последних складываться, не выступая практически за габариты основания робота, обладают наибольшей компактностью, хотя и наиболее сложны в управлении..

Имеет всего по 3 пере­носных степени подвижности.