XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Роботы и их роль в нашей жизни
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Тема роботов и робототехники очень интересна. Они встречаются в нашей жизни с раннего детства. Мне, как и многим моим друзьям интересны передачи, фильмы и мультфильмы про роботов, начиная от игрушек и героев фильмов до роботов, которые окружают нас. Мы видим, что роботы разнообразны и важны во всех сферах жизни человека. Сейчас можно смело сказать, что они наши помощники. Роботы уже стали частью нашей повседневной жизни, мы просто можем даже не знать этого и не замечать. Считаю, что каждому человеку важно и нужно знать историю создания роботов, знать, как развивается робототехника, где она применяется.
В своей работе я выдвинул гипотезу, что можно самому создать робота – помощника, который сможет выполнять некоторые полезные функции.
Цель моей работы – изучение современного мира роботов и робототехники. В работе были поставлены следующие задачи:
- изучить историю роботов, их роль в жизни человека;
- познакомиться с конструкцией роботов;
- рассмотреть виды роботов, их возможности;
- самостоятельно разработать небольшого робота и собрать его.
Методы исследования:
- анализ литературы и интернет источников;
- образовательный опыт;
- эксперимент.
-
История роботов и робототехники.
Ро́бот (чешское robot, от robota — подневольный труд или rob —раб) — автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма. Действуя по заранее заложенной программе и получая информацию о внешнем мире от датчиков (аналогов органов чувств живых организмов), робот самостоятельно осуществляет различные операции, выполняемые человеком. При этом робот может иметь связь с оператором (получать от него команды), так и действовать автономно.
Несмотря на то, что робототехника относительно молодое направление, упоминания о первых роботах относятся еще ко временам Древней Греции. В 5 веке до н. э. математик и механик Архит Тарентский разработал автоматический летательный аппарат с деревянным корпусом и крыльями, который имитировал полёт голубя. Автомат работал на паровой тяге.
Позднее эллинский математик Филон Византийский в 3 веке до н. э. придумал механическую служанку, которая наполняла чашу вином, смешивая его с водой. Машина была величиной с человека, с сосудом для вина в одной руке и бокалом в другой.
Первое задокументированное схематичное изображение человекоподобного робота было создано итальянским ученым Леонардо Да Винчи в 1495 году. В схемах был изображен каркас робота, который был запрограммирован выполнять человеческие движения (Рисунки 1, 2).
Рисунок 1. Рисунок 2.
Термины «робот» и «робототехника» появились гораздо позднее. Чешский писатель Карел Чапек (Рисунок 3.) придумал термин «робот» и впервые использовал его в своей пьесе R.U.R. («Универсальные роботы Россума») в 1921 году. А слово «робототехника» ввел в обращение американский ученый-биохимик и писатель-фантаст Айзек Азимов (Рисунок 4). Он же сформулировал три основных закона робототехники, которые активно используется до настоящего времени:
- Робот не способен причинить вред человеку, либо допустить своим бездействием, чтобы человеку был нанесен вред.
- Робот должен выполнять команды человека, если они не противоречат первому закону.
- Робот должен обеспечивать свою безопасность до тех пор, пока это не противоречит первому и второму закону.
Рисунок 3. Рисунок 4.
Отцом современной робототехники принято считать американского инженера Джозефа Энгельбергера, вместе с изобретателем Джорджем Деволом они в 1959 году представили миру промышленного робота Unimate #001 (Рисунок 5). В 1962 году в США стартовало производство промышленных роботов - вышли в свет первые американские промышленные роботы «Версатран» и «Юнимейт».
Рисунок 5.
Первый в мире андроид появился в 1957-м году и выглядел необычно. Это был 2,5-метровый робот с пультом управления (Рисунок 6). Андроид по имени «Cygan» («Сайган», или «Цыган») рекламировали как «универсального робота», предполагая использовать, например, в экспериментах с ядовитыми и взрывчатыми веществами или в качестве помощника по дому.
Рисунок 6.
В СССР первые промышленные роботы были созданы под руководством профессоров П. Н. Белянина (робот УМ-1) и Б. Н. Сурнина (робот «Универсал-50») в 1971 году.
-
Современная робототехника.
Типы современных роботов.
Современные роботы в 20 и 21 веке используются практически по всех сферах жизни. Они помогают человеку в работе и в быту. Какие-то роботы выполняют опасные для человека функции, другие – освобождают людей от рутинной работы.
На сегодняшний день можно разделить роботов на типы в зависимости от направления использования.
Промышленные роботы.
С появлением в мире промышленности станков с программным управлением возникла необходимость программируемых роботов для разнообразных операций при работе со станками. С 1970-х годов внедрение роботов позволило значительно продвинуть промышленность во всем мире. Роботы выполняют сложные производственные операции по 24 часа в сутки. Выпускаемая роботами продукция имеет высокое качество. Роботы не болеют, не нуждаются в обеденном перерыве и отдыхе. Роботы не бастуют, не требуют повышения заработной платы и пенсии. Также роботы не подвержены воздействиям окружающей среды, опасных для жизни человека.
Медицинские роботы.
Особенно активно используют роботов в медицине. Ещё в 1985 году робот Unimation Puma 200 был использован для размещения хирургической иглы при выполнении обследования головного мозга, проводившегося под управлением компьютера.
В 1992 году в Лондоне робот ProBot впервые осуществил операцию на предстательной железе, положив начало практической роботизированной хирургии. В 2000 году начался серийный выпуск роботов, предназначенных для лапароскопических операций.
Бытовые роботы.
Одним из первых примеров удачной массовой промышленной реализации бытовых роботов стала механическая собачка AIBO корпорации Sony (Рисунок 7).
Рисунок 7.
В сентябре 2005 года в свободную продажу поступили первые человекообразные роботы «Вакамару» производства фирмы Mitsubishi. Робот был способен узнавать лица, понимать некоторые фразы, давать справки, выполнять некоторые секретарские функции, следить за помещением (Рисунок 8).
Рисунок 8.
В начале XXI века получили популярность роботы-уборщики, представляющие собой по сути автоматические пылесосы, способные самостоятельно прибраться в квартире и вернуться на место для подзарядки без участия человека.
Для обеспечения безопасности роботы стали применяться широко и полицией, органами государственной безопасности, аварийно-спасательными службами, силами ведомственной и вневедомственной охраны. При тушении пожаров применяют роботизированные установки пожаротушения.
Боевые роботы.
Боевым роботом называют автоматическое устройство, заменяющее человека в боевых ситуациях, в военных целях: разведка, боевые действия, разминирование и т. п. Боевые роботы могут частично или полностью заменять человека в воздушной и водной среде. Некоторые модели имеют возможность выполнять ряд задач даже без вмешательства оператора.
Роботы-учёные.
К роботам-учёным можно отнести роботов, с помощью которых исследовались вентиляционные шахты Большой Пирамиды Хеопса и были открыты так называемые «дверки Гантенбринка» и «ниши Хеопса».
Роботы-учителя.
Один из первых образцов робота-учителя был разработан в 2016 году молодыми учеными Томского политехнического университета. С помощью мобиробота учащиеся лицея при вузе смогут получать теоретические и практические знания по математике, физике, химии и информатике начиная с осени того же года.
Другие виды роботов.
В июне 2009 года ученые Токийского университета представили человекоподобного робота «KOBIAN», способного имитировать эмоции человека — счастье, страх, удивление, грусть, гнев, отвращение — с помощью жестов и мимики. Робот способен открывать и закрывать глаза, двигать губами и бровями, использовать руки и ноги (Рисунок 9).
Рисунок 9.
Робот Теспиан был создан в 2005 году в Великобритании (Рисунок 10). Это интерактивный робот-андроид, любящий и умеющий общаться с людьми. Теспиан – один из наиболее «продвинутых» человекоподобных роботов на данный момент. Он полностью интерактивен и способен почти разумно реагировать на то, что происходит вокруг. В мире всего 77 Теспианов. Он способен петь, читать стихи, делать презентации и рассказывать истории, общаться на разных языках и проявлять эмоции, он узнает людей, умеет повторять их движения, определять пол и настроение собеседника.
Рисунок 10.
Робот NAO - это автономный программируемый человекоподобный робот, разработанный во Франции в 2012 году (Рисунок 11). Робот NAO нашел применение в более чем 200 образовательных учреждениях по всему миру. Он применяется для исследований в области робототехники и помогает учащимся в освоении компьютерных и когнитивных наук, математики и физики, а также в области взаимодействия робота и человека. Этот человекоподобный робот высотой всего в 58 см был разработан как дружелюбный домашний компаньон. Он движется, признает, слышит и говорит с людьми, а также умеет выполнять разнообразные просьбы.
Рисунок 11.
Нежный ПАРО попал в книгу рекордов Гиннеса, как самое эффективное средство от депрессии и болезней (Рисунок 12). Он любит ласку и отвечает взаимностью, когда вы его гладите, щекочите и играете с ним. Паро — терапевтический робот в виде детёныша гренландского тюленя, предназначенный для оказания успокаивающего эффекта и вызывания положительной эмоциональной реакции у пациентов больниц и домов престарелых. Робот имеет тактильные сенсоры и реагирует на ласку, виляя хвостом, открывает и закрывает глаза. Он также реагирует на звуки и может отзываться на имя.
Рисунок 12.
Корейский робот Силбот может играть в различные игры на развитие памяти на шахматной доске, танцевать, общаться, распознавать эмоции, повторять движения человека, запоминает предпочтения и может быть сиделкой для детей, стариков и больных (Рисунок 13).
Рисунок 13.
Робот София- самый совершенный робот с искусственным интеллектом (Рисунок 14). Робот София была создана в 2015 году, родом она из Гонконга. При создании ее лица был использован образ британской актрисы и фотомодели Одри Хэпберн. Мимика у Софии очень выразительна. С помощью механических мышц лица робот умеет воспроизвести 62 разных эмоции. Для сходства с человеком голова покрыта патентованной силиконовой кожей, в зрачках установлены видеокамеры. София способна наладить не только визуальный, но и речевой контакт. Для взаимодействия с человеком используются глаза со встроенными камерами, которыми он смотрит на собеседника. Это создает эффект зрительного контакта.
Рисунок 14.
-
Создание робота – художника.
При написании теоретической части своей работы я получил возможность поближе познакомиться с разными разновидностями роботов и понять некоторые принципы их работы. Уже два года как я занимаюсь в кружке робототехники, и мы учимся собирать различных маленьких и пока простых роботов.
Мы с родителями решили попробовать создать свой вариант робота. Пока, конечно, мне не хватает знаний и навыков, чтобы создать робота в полном понимании этого слова, и я буду к этому стремиться.
Для своей работы я использовал электронный набор Lego Wedo 2 (Рисунки 1, 2). Данный набор предназначен для занятий робототехникой. Он содержит как детали обычного конструктора Lego, так и ряд электронных механизмов, которые можно использовать для того, чтобы привести собранное изделие в движение. Работая с данным набором, я могу не только собрать робота, но и на компьютере при помощи специальной программы запрограммировать для своего робота выполнение определенных функций (Рисунки 3, 4).
На данном этапе я смог создать две модели, которые выполняют функцию рисования.
В первую модель можно разместить бумагу и любой предмет, которым будет рисоваться сам рисунок (ручка, карандаш, фломастер и т.п.) (Рисунки 5-7). Для данной модели использованы следующие детали:
- кирпичики разного размера;
- балки разного размера;
- пластины разного размера;
- оси: ось трехмодульная (серая), ось шестимодульная (черная);
- колеса: коническое зубчатое колесо 20 зубьев (бежевое), двойное коническое зубчатое колесо 12 зубьев (черное), двойное коническое зубчатое колесо 20 зубьев (черное);
- электронные компоненты: СмартХаб, средний мотор;
- другие элементы: ступицы, ремни,
Вторая модель моего мини-робота может быть использована для рисования на яйце (Рисунки 8-10). Для второй модели были использованы следующие детали:
- кирпичики разного размера;
- балки разного размера;
- пластины разного размера;
- ось шестимодульная (черная);
- колеса: зубчатое колесо 24 зуба (темно-серое); колеса для автомобиля; зубчатое колесо 8 зубьев (темно-серое);
- электронные компоненты: СмартХаб, средний мотор.
Работа моих роботов продемонстрирована на видео.
Заключение.
В своем проекте я хотел показать, что изготовление робота очень интересный, увлекательный и познавательный процесс, который требует много знаний и умений в разных направлениях. Моя работа над своими роботами помогла мне во многом:
- способствовала развитию инженерного мышления, навыков конструирования, программирования;
- была направлена на развитие изобретательности и креативного мышления;
- помогла в работе над мелкой моторикой рук.
Моя гипотеза подтвердилась – можно создать роботов - помощников своими руками.
Работая над своим проектом, я понял, что роботы всегда будут очень нужны и полезны людям. В будущем роботы еще больше упростят нашу жизнь и позволят сделать ее комфортнее, в чем-то мы даже стали зависить от роботов. Конечно, надеяться полностью на роботов нельзя, они наши помощники, но роботы – это творение человека. Человек в любом случае останется важнее и главнее в нашем мире.
Список литературы
-
История развития робототехники. https://store.robi.team/tpost/n86xc16hi1-istoriya-razvitiya-robototehniki
-
Краткая история робототехники. https://rusrobot.ru/press-center/articles/kratkaya-istoriya-robototekhniki/
-
Развитие современной робототехники. https://tainy.net/53508-razvitie-sovremennoj-robototexniki.html
-
Роботы от А до Я. http://www.joho.ru/medicina.htm
-
Робототехника. Что такое робот? https://www.prorobot.ru/12/robot-it-is.php
Приложение
-
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
Рисунок 7
Рисунок 8
Рисунок 9
Рисунок 10