Роботы и робототехника в 21 веке

Содержание 

1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Использование роботов и робототехники  в современном  мире

1. История создания роботов

     Роботы  – это механические помощники  человека, способные выполнять операции по заложенной в них программе  и реагировать на окружение. Трансгуманистическое значение робототехники состоит не только в том, что эта область связана с киборгизацией и искусственным интеллектом, но кроме того, – развитие роботов сможет значительно изменить образ жизни человека, хотя и не меняя при этом его самого.

     С момента своего появления полвека назад роботы прошли путь от примитивных механизмов до сложных, эффективных устройств, во многом превзойдя по своим возможностям человека. В ближайшие десятилетия всё более совершенные роботы станут незаменимыми помощниками людей и смогут взять на себя обеспечение большей части потребностей цивилизации.

     Первым  современным роботом стал Unimate, робот  с механической рукой, разработанный  для General Motors в 1961, выполнявший последовательность действий, записанную на магнитный  барабан.

     Активное  производство роботов началось в 1970-е годы. Прежде всего, они стали использоваться в производстве, для выполнения однообразных (и часто опасных) операций. Больше всего промышленных роботов используется в автомобильной промышленности, где они работают на штамповочных и сварочных участках, в покрасочных камерах, на сборке. Разумеется, роботы не могли сразу заменить людей в промышленности, но доля человеческого труда в производстве с тех пор неуклонно сокращается. Полностью автоматизированные фабрики, такие как фабрика IBM для сборки клавиатур в Техасе, называются "фабрики без освещения". Люди там уже не нужны: абсолютно всё производство, от момента выгрузки материалов и до получения готовой продукции у погрузочных ворот, полностью роботизировано и может работать круглосуточно и без выходных.

     Роботы  давно стали важной частью научной  фантастики. В 1921 году роботы стали  героями пьесы Карела Чапека «Р.У.Р. »¹ (Россумовские Универсальные Роботы). А через 20 лет Айзек Азимов сформулировал три закона робототехники, которые надолго определили наши представления о роботах: Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.  Робот должен подчиняться командам человека, если эти команды не противоречат первому закону.  Робот должен заботиться о своей безопасности, пока это не противоречит первому и второму закону. 

     Сегодня в мире используются миллионы роботов. Применение им нашлось практически  во всех сферах человеческой деятельности. Роботы управляют самолётами и поездами, спускаются в жерла вулканов и на дно океана, помогают в строительстве космической станции, в сборке автомобилей и производстве микрочипов, охраняют здания, используются военными для разведки и разминирования, помогают спасателям искать людей под завалами. Нет такой области, в которой человек не попытался создать себе автоматического помощника.

     На  производстве работают сотни тысяч  роботов, но гораздо больше их трудится за пределами фабричных цехов. Автономные роботы, обладающие свободой передвижения, включают в себя автономные летательные аппараты, существуют роботы-сапёры (Mini-Andros), роботы-газонокосилки (Robomower), роботы-курьеры (HelpMate), доставляющие лекарства и документы в некоторых больницах, и т. д.

          Особая категория – андроиды  или человекообразные роботы. Создать андроидов оказалось более сложным делом, чем ожидалось. Потребовались значительные достижения в области эффективных моторов, технологий машинного зрения и увеличение вычислительной мощности компьютеров, чтобы появились первые андроиды, способные передвигаться, ориентироваться в пространстве и что-то делать, такие как ASIMO и Qrio. Технологии машинного зрения позволяют роботам (пока ещё не очень хорошо) ориентироваться в пространстве, находить дорогу, распознавать предметы. Роботы могут узнавать людей по лицам и голосам. Технологии искусственного интеллекта позволяют роботам самостоятельно принимать решения и действовать автономно.

     Нет чёткой грани между роботами и  просто машинами. К роботам можно  отнести и автоматические поезда и беспилотные летательные аппараты. Существующие технологии (автопилоты) даже позволяют компьютерам осуществлять полёты пассажирских самолётов от взлёта и до посадки. Можно считать функционально близкими к роботам банкоматы и более совершенные киоски для выполнения различных финансовых операций – они эффективно заменяют работника-человека.

     Развлекательные роботы появились с выходом на рынок Aibo, робособаки от Sony.² Теперь многие игрушки наделяются зачатками интеллекта – процесс, который скоро приведёт к появлению действительно разумных игрушек вроде медвежонка из фильма AI. Роботы-тюлени и роботы-кошки повышают настроение пожилых людей в японских домах престарелых. Начинается использование роботов для обучения и развлечения детей в детских садах и школах США и Южной Кореи.

     В начале 2000-х роботы проникли в сферу  домашнего хозяйства (что было предсказано  футуристами в 60-е годы): газонокосилки, роботы пылесосы и мойщики пола. iRobot продала уже несколько миллионов  робопылесов Roomba. Поумнели и неподвижные  машины: стиральные, посудомоечные и т. п. Домашние роботы быстро входят в нашу жизнь. Скоро (примерно к 2015-2020 году) в среднем "умном" доме будет несколько интеллектуальных предметов бытовой техники и несколько автономных роботов.

     Всё больше производственных операций будет роботизироваться. Использование программируемого производства (custom manufacturing) потребует универсальных мобильных роботов, способных не только выполнять заранее заданный набор операций на рабочем месте, но и свободно передвигаться по производственным помещениям, переносить между рабочими местами компоненты и готовые изделия и гибко реагировать на изменения в производственном процессе. Скоро такие физически простые дела как работа аптекаря или библиотекаря в книгохранилище будут отданы роботам. 

     Большое количество почти полностью роботизированных фабрик и заводов начнёт появляться к 2020. К 2015 роботы начнут активно использовать в сельском хозяйстве. Специализированные роботы, помогающие человеку в тяжёлой  физической работе (но не полностью  автономные) появятся к 2015 году. Роботов на улицах наших городов мы увидим уже к 2011-2015 году. Это будут роботы-уборщики, роботы-погрузчики.

     Большая часть транспорта будет автоматизированной к 2020-2030 году. Сегодняшние автомобили значительно поумнеют: сперва они будут лишь помогать водителям выполнять некоторые операции (сложная парковка, контроль за безопасностью, движение по шоссе), но потом они возьмут на себя весь процесс вождения. Чуть раньше мобильные роботы появятся в транспортной отрасли (например, погрузочные) и горнодобывающей. Мы увидим полностью автоматизированные логистические терминалы.

      Роботы будут всё больше использоваться  в медицине. В некоторых областях  они уже могут работать более  эффективно, с большей точностью  и меньшей вероятностью ошибки, чем доктора люди. Скоро можно будет совместить робохирургов с технологиями диагностирования (экспертные системы уже давно используются для постановки диагнозов, анализа рентгеновских снимков и т. п.). В этой области робототехника соприкасается с телехирургией, удалёнными операциями, выполняемыми человеком по видеосвязи. К 2020 году значительная часть операций будет выполняться роботами, а первые микророботы начнут вести наблюдения над здоровьем людей внутри их тел.

     Появление роботов окажет огромное влияние на экономику. Физический труд человека станет ненужным во многих областях. Отношение людей к распространению роботов будет зависеть от политико-экономической системы. Например, международное исследование "Автоматизация и промышленные рабочие", проведённое в 15 странах с 1971 по 1979 годы, показало, что в капиталистических странах лишь 37% рабочих готовы активно поддерживать автоматизацию, а в социалистических 69% рабочих. Без активных действий, направленных на перестройку экономики и общества возможны негативные последствия. Но когда этот непростой процесс перехода будет завершён, наше общество преобразится. Практически весь физический труд будет автоматизирован. Большая часть управленческих работ низшего уровня будет выполняться компьютерными системами. Сверхдешёвый труд роботов сделает возможным увеличение расходов на переработку отходов, защиту окружающей среды, безопасность.

     Автоматизированные  фабрики сегодня развиваются  в сторону увеличения универсальности. Развитие производственных технологий уже к 2020-2030 годам приведёт к появлению самовоспроизводящихся систем, то есть машин, способным производить собственные копии. Первоначально это будут небольшие настольные фабрики. Это окончательно сделает роботов доступными для всех, поскольку каждая такая фабрика сможет из простых и доступных материалов создать несколько своих копий, стремительно увеличив производственные возможности человечества

     К 2015-2020 активно будут использоваться микророботы, размером в сантиметры и миллиметры. Они будут использоваться в медицине, в сельском хозяйстве (как умные сенсоры) и во многих других областях. А лет через 10 получат распространение первые нанороботы (наноботы). Нанороботы смогут выполнять строительство нужных структур из молекул и атомов, что позволит обойтись без специальной подготовки исходных материалов. Это значит, что даже отдельные нанороботы будут достаточно независимыми. 

     Нанороботы  произведут ещё большую революцию, чем роботы обычные, благодаря своей  универсальности и размерам. Так, нанороботы не будут нуждаться в каких-то особых материалах – для производства практически чего угодно они смогут использовать даже воду (состоящую из водорода и кислорода) и воздух (содержащий азот, кислород и углерод в углекислом газе). Нанороботы смогут легко создавать любые, самые сложные и совершенные материалы и продукты с абсолютной точностью. Разумеется, они смогут создавать и свои собственные копии, так что их всегда будет достаточно, чтобы выполнить любые задачи, которые поставит перед ними человек.

     Наномашины  смогут не только производить, но и чинить, в том числе и клетки человеческого организма. Именно медицинские нанороботы сделают человека не просто нестареющим и неболеющим, но и практически неуязвимым. Множество невидимых нанороботов в форме "конструктивного тумана" заполнят пространство у поверхности земли, готовые по первой мысленной команде человека мгновенно преобразоваться в любой предмет.

А через  какое-то время человечество может  принять решение о перестройке  всей нашей планеты в гигантскую наносистему. Внешне планета изменится мало, но каждая песчинка, каждая капля, каждая крупица материи будет состоять из множества нанороботов и нанокомпьютеров. 

2. Понятие «Робот»

     Общее представление о роботах сложилось  еще в глубокой древности и  нашло свое отражение в многочисленных легендах и преданиях. В наше время слово «робот» время от времени появляется то на страницах романов, то в сериалах комиксов и карикатур. Поэтому в подсознании каждого современного человека существует некий собственный образ, который ассоциируется с терминами «робот» и «робототехника». Стремительные темпы развития промышленной робототехники, впечатляющие успехи, достигнутые в этой области, вносят свои коррективы в интуитивные представления о роботах. Следовательно, вместе с прогрессом робототехники модифицируется и расширяется понятие «робот».

     Чтобы продемонстрировать, насколько трудно дать универсальное, удовлетворяющее  всех понятие «робот», приведем несколько  наиболее удачных попыток сформулировать сущность этого понятия, которые  были предприняты известными специалистами в области робототехники.

     Профессор Токийского университета доктор Сигэру Ватаата предлагал считать роботом  устройство, способное самостоятельно перемещаться в пространстве, справляться  с задачами анализа сцен и распознавания  образов, обладающее большим числом степеней подвижности, умеющее анализировать обстановку с помощью обратной связи, а также прогнозировать ситуации, опираясь на собственный опыт и доступную информацию. 

     Профессор Токийского технологического института  д-р Сэйко Мори считает, что некое устройство может быть названо роботом при условии, что оно обладает универсальностью, мобильностью, представляет собой одно физическое тело, работает автоматически, полностью подчиняется человеку, а также способно к элементарной интеллектуальной деятельности. При этом универсальность, мобильность, индивидуальность (одно тело) и автоматизм — все вместе являются неотъемлемыми признаками всех роботов без исключения.

     По  мнению профессора Университета Васэда д-ра Итиро Кадо, любой робот должен включать три структурных элемента: тех-нический «мозг», наделяющий робот сознанием, механические руки, позволяющие выполнять заданную работу, и механические ноги,' предоставляющие возможность передвигаться в любом направлении. Все три элемента должны быть объединены в одном физическом теле — корпусе, к которому присоединяются устройства дистанционного восприятия информации (технические системы, функционально эквивалентные органам зрения и слуха человека), устройства ближнего восприятия информации (датчики, аналогичные по своим функциям рецепторам кожи человека)' и некоторые другие устройства, позволяющие роботу получать информацию о внешнем мире, а также различные датчики специального назначения, которые дают роботу возможность контролировать свое внутреннее состояние и поддерживать равновесие.

     Согласно  определению профессора М. Шпрингера  из Университета Куин Мэри, некое устройство, чтобы называться роботом, должно обладать минимальным набором свойств  и возможностей, таких, как: ³

1. наличие  механической руки и захвата (кисти); 

2. умение  самостоятельно передвигаться и  самостоятельно управлять своими  действиями;

3. наличие  исполнительной системы и системы  управления, которые в совокупности  обеспечивают реализацию функций  1 и 2; 

4. наличие  компьютера, способного запоминать программы управления отработкой поступающих извне приказов, а также программ реализующих решения, которые принимает сам робот, исходя из набора некоторых заранее определенных альтернатив; 

5. наличие  устройств и датчиков, способных  определять касание роботом каких-либо внешних предметов, измерять степень гладкости поверхности, твердость материала, местоположение заданного предмета, его массу, теплопроводность, температуру, степень близости этого предмета, определять его форму и размеры, характерные внешние признаки, цвет, расстояние, запах, находить местоположение рук и ног робота, а также анализироватьзвуковые сигналы.  

      Специальный директор Японской ассоциации промышленных роботов Кандзи Комэмото в качестве определения промышленных роботов предложил следующее: «Промышленный робот — это механическое устройство, способное выполнять множество различных операций из числа тех, которые человек выполняет с помощью рук и ног». Он предложил называть интеллектуальными роботами также промышленные роботы, которые помимо всего прочего способны воспринимать и анализировать внешнюю и внутреннюю информацию, а также автономно работать в изменяющихся условиях.

     Доктор  Сэйтайро Одзаки из Научно-исследовательского центра проблем механики определил  робот как механическое устройство, способное организовать свою деятельность в соответствии с внешними обстоятельствами, которые он анализирует с помощью технических устройств, соответствующих по функциям органам чувств человека. 

     Каждое  из вышеприведенных определений  понятия «робот» справедливо и уместно в том или ином конкретном контексте. Тем не менее, если бы автор, набравшись смелости, присоединил к данному перечню еще одно, собственное определение понятия «робот», то оно звучало бы так: «Робот — это механическое устройство, способное при помощи своих органов чувств и разума выполнять какую-либо работу и имеющее внешнее и функциональное сходство с человеком или некоторыми другими живыми существами». Самая важная часть в приведенном определении робота — это «устройство, способное выполнять работу». Конечно, выполнять работу могут и другие устройства, например обыкновенный токарный станок, обрабатывающий заготовки. Чтобы разграничить роботы и более простое производственное оборудование, в определение включено дополнительное условие, требующее от робота наличия механизмов, внешне и функционально напоминающих руки и ноги человека (или животного). Такое сходство придает роботу сравнительно большую универсальность по отношению к виду выполняемой работы. В тоже время наличие органов чувств, способность к логическому анализу поступающей информации и умение принимать решения, а также умение передвигаться, хотя и необходимы роботу для успешного выполнения задания, тем не менее играют вспомогательную роль.

     Попробуем применить данное определение к современным промышленным роботам, которые работают по жесткой программе, постоянно повторяя одну и ту же заданную при обучении последовательность действий. При помощи органов чувств, роль которых в данном случае играют сенсоры — датчики углов между звеньями манипулятора, и разума, в качестве которого выступает система управления движением манипулятора, эти роботы способны выполнять работу по сварке или окраске изделий. Кроме того, манипулятор этих роботов отдаленно напоминает руку человека, а их системы управления обладают хотя и слабо развитыми, но все-таки присущими человеку интеллектуальными возможностями (ориентация и управление движением руки). Следовательно, в соответствии с данным определением современные промышленные роботы с программным управлением являются отличной иллюстрацией понятия «робот». Данное автором определение исключает принадлежность к классу роботов множества различных автоматических устройств специального назначения, которые иногда тоже называют роботами.

       Возьмем, к примеру, применяемый в банковском деле аппарат для автоматической сортировки и обмена банкнот и ассигнаций Для того чтобы аппарат мог выполнять свою работу, т. е. узнавать является ли рассматриваемый предмет подлинной банкнотой или нет, и определять ее значимость, он снабжен органами чувств (системой технического зрения) и разумом (системой принятия решений). Однако банковский аппарат ориентирован на выполнение всего лишь одного вида операций, он не имеет ни малейшего внешнего сходства ни с человеком, ни с каким-либо другим живым существом и, следовательно, не может быть назван роботом в полном смысле этого слова. В качестве еще одного примера иллюстрирующего высокую избирательность данного выше определения, рассмотрим применяемые в строительстве и в дорожных работах многофункциональные экскаваторы. Они имеют механизм, довольно похожий иа руку человека, умеют самостоятельно перемещаться и способны выполнять большое число различных работ — разрушать и отдирать асфальт, рыть землю, переносить вынутый грунт и даже вытягивать из-под земли кабели и тросы. И все-таки экскаватор не может быть назван роботом, поскольку он не имеет ни собственных органов чувств, ни собственного интеллекта. 

3. Типология роботов

     Многие  из уже существующих и разрабатывающихся в настоящее время роботов существенно различаются как по структуре, так и по функциональным возможностям. Различают три поколения роботов. Эта классификация основана на их структурных различиях и в то же время отражает хронологию развития робототехники.

     Первыми были созданы роботы, они названы роботами первого поколения. К ним относятся практически все известные в настоящее время промышленные роботы.  Роботы второго поколения, или очувствленные роботы. Например, система «глаз—рука». Отметим, что ранние представители этого поколения обладали довольно примитивными сенсорами, а их системы принятия решений реализовывали простые переключения «жестких» программ. В дальнейшем они значительно усложнились, однако наиболее совершенные роботы этого класса существуют пока лишь в лабораториях.

     Роботы  третьего поколения, или роботы с искусственным интеллектом, находятся в настоящее время в стадии разработки. Одной из основных проблем их создания является проблема знаний.

     В ряде случаев оказывается удобным  пользование не структурной, а функциональной классификацией, поскольку она указывает, что робот может делать и для чего применяться. Рассмотрим такую классификацию, используя понятие степени интеграции функций робота.

     Развитые, функционально завершенные системы, являющиеся компонентами роботов разного типа, могут быть разделены на пять основных групп:⁴

группа В — системы восприятия зрительной, слуховой, тактильной и других типов информации о внешнем мире;

группа М — системы воздействия на объекты внешнего мира — различные манипуляторы, толкатели и т. п.;

группа Т — системы, обеспечивающие перемещение робота (колесные, гусеничные, шагающие, плавающие, летающие платформы и аппараты);

группа П— системы целеполагания и планирования действий робота, системы решения задач;

группа Р — системы, обеспечивающие коммуникацию робота с, человеком-оператором и другими роботами на языках общения различных уровней, вплоть до естественного. 
 
 
 
 

2. Разновидности существующих роботов

2.1 Робот на ресепшн 
 

         Рост улыбчивого робота всего  1 метр. Передвигается он на колесах.  Он способен узнавать людей  и поддерживать беседу (его словарный  запас 10000 слов!) Специальность Wakamaru - без устали благодарить посетителей отеля, развлекать их песнями, чтобы они не скучали.⁵

2.2 Робот секретарша 

     На выставке робототехники IREX 2005 японская компания "IN THE SKY" представила  робота, который вполне может заменить секретаря, встречающего посетителей офиса. Робот по имени Sora оснащен камерой, микрофоном и спикером. Все посетители могут узнавать от робота всю необходимую им информацию, выбирая необходимые опции на его экране.

     Робот-секретарша может сканировать также визитные карточки, определяя, таким образом, кто перед ним находится. Затем он может указать посетителю, в какую сторону ему необходимо идти. Интересно, что эта информация может отображаться на экране, а кроме этого робот может указывать направление жестом руки. И с помощью робота можно проводить видеоконференции между сотрудниками офиса и ожидающими посетителями. 

2.3 Робот-бармен 

          Кроме того, по словам создателей, робот умело наливает пиво  из кеги в стакан. За всеми  его действиями следит обычный  ПК.

          Работать Mr Asahi может круглосуточно,  и на обслуживание одного клиента  робот-бармен тратит менее двух  минут, экономя таким образом в среднем 13 минут каждому посетителю. 

2.4 Робот-медсестра 

     В Германии ученые работают над созданием робота-медсестры. Первые роботы медсестры должны появиться в немецких больницах в 2010 году.

     Робот возьмет на себя мытье полов и  другую рутинную работу, так что  медсестры смогут все внимание уделять  пациентам. Кроме того, робот сможет сам измерить больному температуру. 

2.5 Робот АРМ-рестлер

      Профессором Института IRIS, Chul-Goo Kang и его коллегами был успешно разработан и показан первый в мире интеллектуальный робот арм-рестлер, на фестивале Future Tech Korea 2005. Робот арм-рестлер автоматически приспосабливает свою силу к силе противника, и даже определяет его отношение, волю и упорство.

Этот робот  даже умеет приветствовать подходящих к нему людей, говоря: “Привет!”, “Рад познакомиться”, и приглашать их померяться силой. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  используемых источников 

1. В.И.  Захарова и М.П. Васильева “Промышленные  роботы”

2. http://www.popmech.ru/article/2048-robot-na-resepshn/

3.http://gizmod.ru/2005/12/01/actroid--devushka-robot/

4.http://gizmod.ru/2008/07/04/v_japonii_prezentovali_robota-barmena/

5.http://www.micro-system.org/oliviya-robot-dlya-zony-resepshn.php