XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Математика в робототехнике
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность:
В настоящее время робототехника - одна из самых быстроразвивающихся, перспективных и важных отраслей производства. Робототехника в настоящее время очень актуальна. Мне интересно это направление. Есть несколько видов робототехники: строительная, промышленная, бытовая, медицинская, авиационная и экстремальная (военная, космическая, подводная). В моем проекте я хочу рассказать о применении математики в робототехнике.
Цель:
Доказать неразрывную связь математики и робототехники. Показать, что без математики не существует робототехники.
Задачи:
Изучить, что такое робототехника и ее связь с математикой.
Изучить историю развития математики и робототехники.
Исследовать, как используется математика в робототехнике.
Показать перспективность робототехники.
Что такое математика и что такое робототехника?
Матема́тика — наука о структурах, порядке и отношениях, исторически сложившаяся на основе операций подсчёта, измерения и описания формы объектов.
Робототе́хника — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой развития производства.
Робототехника - научно-техническая дисциплина, изучающая теорию, методы расчета и конструирования роботов, а также проблемы комплексной автоматизации производства и научных исследований с применением роботов.
Робототехника - одно из перспективнейших направлений в сфере ИТ-технологий.
Само по себе роботостроение — увлекательное занятие. Вы своими руками создаете электронное устройство, наделенное интеллектом, пусть и искусственным, способным действовать самостоятельно и быть помощником человеку там, где это необходимо.
Робототехника находится в родстве с мехатроникой.
Мехатроника – это дисциплина, посвящённая созданию и эксплуатации машин и систем с программным управлением. Часто мехатроникой называют электромеханику и наоборот.
К мехатронике относятся заводские станки с программным управлением, беспилотные транспортные средства, современная офисная техника и пр. Иными словами, приборы и системы, предназначенные для выполнения какой-то конкретной задачи. Например, задача офисного принтера – печать документов.
История математики:
Возникновение арифметики и геометрии
Развитие математики началось с создания практических искусств счёта и измерения линий, поверхностей и объёмов. Понятие о натуральных числах формировалось постепенно. И счёт долгое время оставался вещественным — использовались пальцы, камешки, пометки и т. п. Позже появилась идея считать не только единицами, но и пакетами единиц, содержащими, например, 10 объектов. Для запоминания результатов счёта использовали зарубки, узелки и т. п. С изобретением письменности стали использовать буквы или особые значки для сокращённого изображения больших чисел.
Математические операции
Когда понятие числа утвердилось, следующей ступенью стали операции с числами. Для счёта нужно иметь математические модели таких событий, как объединение нескольких множеств в одно или наоборот.
Так появились операции сложения и вычитания. Умножение для натуральных чисел появилось в качестве, так сказать, пакетного сложения. Другое практическое действие — разделение на части — со временем превратилось в деление.
Физика и прикладная математика
Есть некоторые люди (чистые математики, например), которые стремятся оперировать математическими понятиями без привязки к реальному миру. Создатели роботов не относятся к такому типу людей. Познания в физике и прикладной математике важны в робототехнике, потому что реальный мир никогда не бывает таким точным, как математика. Возможность решить, когда результат расчета достаточно хорош, чтобы на самом деле работать – это ключевой навык для инженера-робототехника.
История робототехники:
На всех этапах своего развития человечество стремилось создать орудия, механизмы, машины облегчающие жизнь. История робототехники уходит в глубокую древность. Уже в те времена появились идеи создания технических средств, похожих на человека, и были предприняты первые попытки по их созданию. Так, например, статуи богов с подвижными частями тела появились еще в Древнем Египте, Вавилоне, Китае. До нас дошли книги Герона Александрийского, где описаны многие другие автоматы древности. В качестве источника энергии в них использовались вода, пар, гири. В 3 веке до н. э. римский поэт Клавдий упоминал об автомате, изготовленном Архимедом. Он имел форму стеклянного шара с изображением небесного свода, на котором воспроизводилось движение всех известных в то время небесных светил.
В средние века большой популярностью пользовались различного рода автоматы, основанные на использовании часовых механизмов. Были созданы всевозможные часы с движущимися фигурами людей, ангелов и т. п. К этому периоду относятся сведения о создании первых подвижных человекоподобных механических фигур – андроидов. Так, андроид алхимика Альберта Великого представлял собой куклу в рост человека, которая, когда стучали в дверь, открывала и закрывала ее, кланяясь при этом входящему.
Термин «робот» придумал в 1920 году писатель, научный фантаст Карел Чапек, происходит от чешского слова «robota», что означает «тяжелая монотонная работа» или «каторга».
Робот — это машина, которую можно обучить, т.е. подобно компьютеру запрограммировать (задать ему набор действий, которые он должен выполнять) делать разнообразные виды движений, реагировать на изменения в окружающем мире и выполнять множество видов работ и заданий.
Создание робота – это то, чем занимается робототехник. Точнее, инженер-робототехник. Он исходит из того, какие задачи робот будет решать, продумывает механику, электронную часть, программирует его действия. Такая работа – не для одиночки-изобретателя, инженеры-робототехники работают в команде.
Но робота нужно не только изобрести и разработать. Его нужно обслуживать: управлять работой, следить за «самочувствием» и ремонтировать. Этим также занимается робототехник, но специализирующийся на обслуживании.
Как используется математика в робототехнике:
Математика является основой всех точных наук (физики, информатики, и т.п.). Чтобы создать функционирующего робота нужно знать эти точные науки. А, следовательно, чтобы знать все эти науки, нужно знать математику в первую очередь. Так что вы никогда не найдёте робототехника не знающего математику.
Робототехника является частью современного мира, а математика - частью робототехники.
Робототехника в настоящее время одна из самых быстроразвивающихся, перспективных отраслей производства.
Образовательная робототехника — это мощный инструмент синтеза знаний, закладывающий прочные основы системного мышления, объединяющий классические подходы к изучению основ техники современного направления — информационное моделирование, программирование, информационно-коммуникативные технологии.
Основные навыки, необходимые для инженеров – робототехников.
Математика
В робототехнике имеется не так много основополагающих навыков. Одним из таких основных навыков является математика. Вам, вероятно, трудно будет добиться успеха в робототехнике без надлежащего знания, по крайней мере, алгебры, математического анализа и геометрии. Это связано с тем, что на базовом уровне робототехника опирается на способность понимать и оперировать абстрактными понятиями, часто представляемыми в виде функций или уравнений. Геометрия является особенно важной для понимания таких тем, как кинематика и технические чертежи.
В разных направлениях программирования используются разные разделы математики в качестве методов решения задач.
Математика в программировании
Во-первых, математика учит абстрактно мыслить, понимать задачу, ставить задачу, понимать разные действия и операции, анализировать возможные решения, решать задачи.
Во-вторых, потому что само программирование и все связанное с компьютерами работает за счет этой самой математики. Самые простые программы и вообще, вычислительная работа компьютера, работает и основывается на принципах математики, начиная с простейших математических операций и выражений и заканчивая сложными вычислениями.
аналитическая алгебра и геометрия
математическая логика
математический анализ
теория вероятности и математическая статистика
дискретная математика
линейная алгебра
Физика и прикладная математика
Есть некоторые люди (чистые математики, например), которые стремятся оперировать математическими понятиями без привязки к реальному миру. Создатели роботов не относятся к такому типу людей. Познания в физике и прикладной математике важны в робототехнике, потому что реальный мир никогда не бывает таким точным, как математика. Возможность решить, когда результат расчета достаточно хорош, чтобы на самом деле работать – это ключевой навык для инженера-робототехника.
Вывод: почему роботы выгодны для человека?
Важность профессии робототехника, связь с математикой.
Во первых, у роботов есть преимущество перед людьми: они не нуждаются в отдыхе, кислороде и других биологических потребностях.
Во вторых, роботы универсальны: они не боятся жары, холода, радиации, токсинов, всего того, что опасно, а иногда смертельно для человека. Поэтому они могут работать в экстремальных условиях, в том числе и в открытом космосе, ведь роботам, как я уже говорил, не нужен кислород. Так что роботы - это идеальные рабочие, которые могут работать везде.
Поэтому роботов можно использовать практически во всех областях. Они упрощают человеческий труд, освобождая время для саморазвития и отдыха. Именно поэтому я считаю, что робототехника очень перспективная отрасль.
Профессию робототехника можно назвать созидательной, потому что она создает и делает все во благо людей. Но чтобы овладеть этой непростой профессией, необходимы глубокие знания точных наук: математики, геометрии, физики и информатики.
В настоящее время развитие робототехники включено в программу «Развитие отрасли информационных технологий в Российской Федерации на 2014–2020 годы и на перспективу до 2025 года».
Список литературы:
1. Гололобов В.Н, С чего начинаются роботы?
2. Детская энциклопедия. Техника будущего. М: изд. Литера, 2007 г.
3. Иванов А.А, Основы робототехники.
4. Копосов Д.Г, Первый шаг в робототехнику. Практикум для 5-6 классов.
5. Макаров И. М, Топчеев Ю. И. Робототехника: История и перспективы. — М.: Наука; Изд-во МАИ, 2003.
6. Мамичев Д.И, Роботы своими руками. Игрушечная электроника.
7. Мацкевич В.В, Занимательная анатомия роботов.