Однако для того, чтобы ученик научился применять компьютер как инструмент для получения знаний и мог связать теоретические и практические основы информатики в учебной и внеучебной деятельности, необходимо начинать с организации пропедевтической работы по информатике.

Методические основы обучения информатике на пропедевтическом уровне отражены в работах А.В. Горячева, Н.В. Макаровой, Н.В. Матвеевой, Л.Л. Босовой и др.

Одной из возможных форм организации пропедевтической работы по информатике может являться кружковая работа по робототехнике. Методические разработки по робототехнике и Lego-конструированию отражены в работах [6-11]. Программы предлагаемых курсов можно разделить на два типа:

1)                 Программы для начальной школы с использованием конструкторов Lego Education WE DO.

В ходе таких занятий предполагается решать следующие задачи:

-          Ознакомление с основными принципами механики и Lego-конструированием;

-          Ознакомление с основами программирования в компьютерной среде моделирования LEGO Robolab 2.5.4;

-          Развитие умения работать по предложенным инструкциям;

-          Развитие умения самостоятельно решать поставленные задачи;

-          Развитие умения довести решение задачи до работающей модели;

-          Развитие умения излагать мысли в четкой логической последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем логических рассуждений.

-          Развитие умения работать над проектом в команде, эффективно распределять обязанности.

-          Подготовка к соревнованиям по Лего-конструированию.

Курс считается вводным в программирование и Lego-конструирование. Возможности конструкторов Lego Education WE DO ограниченны, поэтому продолжительность курса составляет 1 год и подразумевает занятия по 1 часу в неделю.

2)                 Программы для средней и старшей школы с использованием конструкторов LEGO MINDSTORMS NXT и EV3.

Д.Г.Копосов является автором курса и соответствующего учебно-методического комплекса «Первый шаг в робототехнику» [1]. В состав УМК входят практикум и рабочая тетрадь.

Практикум является частью учебно-методического комплекта для средней школы, в который также входит рабочая тетрадь для 5-6 классов. Цель практикума – дать школьникам современное представление о прикладной науке, занимающейся разработкой автоматизированных технических систем, – робототехнике. Его можно использовать как для занятий в классе, так и для самостоятельной подготовки.

Учебные занятия с использованием данного практикума способствуют развитию конструкторских, инженерных и общенаучных навыков, помогают по-другому посмотреть на вопросы, связанные с изучением естественных наук, информационных технологий и математики, обеспечивают вовлечение учащихся в научно-техническое творчество.

Практикум содержит описание актуальных социальных, научных и технических задач и проблем, решение которых еще предстоит найти будущим поколениям, и позволяет учащимся почувствовать себя исследователями, конструкторами и изобретателями технических устройств. Данная программа рассчитана на применение конструкторов LEGO MINDSTORMS NXT.

Существует также авторская рабочая программа учебного курса LEGO MINDSTORMS Education EV3 И.В. Котеговой [2]. Данная программа предполагает обучение решению задач конструкторского характера, а также обучение программированию, моделированию при использовании на уроках конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3 и программного обеспечения LEGO MINDSTORMS EV3 EDU. В данный момент курс проходит апробацию.

На сегодняшний день в сети интернет и методической литературе много различных разработок по робототехнике. Но найти качественную программу кружка по робототехнике с использованием модели конструктора LEGO MINDSTORMS EV3 не удалось.

Поэтому мы разработали авторскую рабочую программу по робототехнике с использованием конструкторов LEGO MINDSTORMS EV3.

Пояснительная записка

Актуальность кружковой работы заключается в том, что она направлена на формирование творческой личности, умеющей креативно, нестандартно мыслить. Технологические наборы LEGO MINDSTORMS EV3 ориентированы на изучение основных физических принципов и базовых технических решений, лежащих в основе всех современных конструкций и устройств.

Данная программа предполагает решение инженерных и конструкторских задач, а также обучение объектно-ориентированному программированию и моделированию с использование конструкторов LEGO MINDSTORMS EV3 и программного обеспечения LEGO MINDSTORMS EV3 EDU. Использование конструкторов LEGO MINDSTORMS EV3 позволяют решать не только типовые задачи, но и нестандартные ситуации, исследовать датчики и поведение роботов, вести собственные наблюдения. Кроме того, работа в команде способствует формированию умения взаимодействовать с соучениками, формулировать, анализировать, критически оценивать, отстаивать свои идеи. При дальнейшем освоении LEGO EV3 становится возможным выполнение серьезных проектов, развитие самостоятельного технического творчества, участие в соревнованиях по робототехнике.

Цель курса – научить использовать средства информационных технологий для решения конструкторских и межпредметных задач, способствовать успешной адаптации при переходе от пропедевтического курса информатики к базовому.

Задачи:

-     Знакомство со средой программирования LEGO MINDSTORMS EV3, базовым и ресурсными наборами;

-     Усвоение основ объектно-ориентированного программирования;

-     Составление простых и сложных алгоритмов;

-     Использование и программирование датчиков для исследования окружающей среды и выполнения поставленных задач;

-     Проектирование и разработка собственных программ для решения стандартных и нестандартных задач;

-     Создание собственных проектов, которые могут быть полезными в реальной жизни;

-     Формирование умения работать в группе.

Планируемые результаты освоения программы по робототехнике

Личностные результаты:

-     Формирование способностей обучающихся к саморазвитию, самообразованию и самоконтролю на основе мотивации к робототехнической и учебной деятельности;

-     Формирование современного мировоззрения соответствующего современному развитию общества и науки;

-     Формирование коммуникативной и ИКТ-компетентности для успешной социализации и самореализации в обществе.

Метапредметные результаты:

-     Умение ставить и реализовывать поставленные цели;

-     Умение самостоятельно планировать свою деятельность;

-     Умение выполнять и правильно оценивать результаты собственной деятельности;

-     Умение создавать, разрабатывать и реализовывать схемы, планы и модели для решения поставленных задач;

-     Умение устанавливать причинно-следственные связи и логически мыслить.

Предметные результаты:

-     Овладение простыми методами и формами обработки и анализа данных;

-     Формирование ИКТ- компетентности и информационной культуры;

-     Формирование умения автоматизировать и решать поставленные задачи, используя компьютер и технические устройства как инструмент.

Также программа обладает профориентационной направленностью. В ходе обучения по данной программе обучающийся сможет определить свои склонности к инженерно-техническому конструированию и моделированию, которые помогут в дальнейшем самоопределении.

Учебно-тематический план курса

Материально-техническое обеспечение

1. Компьютер (процессор 2 ГГц или более мощный, оперативная память Гб и более, 2 ГБ свободного места на жестком диске, 1 свободный USB порт)

2. Операционная система (Windows XP (32 бит), Vista (32/64 бит), за исключением StartedEdition, все с последними пакетами обновлений, MacOS X 10.6, 10.7 и 10.8 (только Intel) – с последними пакетами обновлений);

3. Базовый набор LEGO MINDSTORMS EV3 45544;

4. Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS EV3 EDU;

5. Проектор;

6. Боксы для хранения собранных и разобранных конструкций;

В наше время широкое применение нашли электрические и пневматические приводы для роботов. Как бы совершенны не были данные механизмы, человеческие мышцы превосходят их по быстроте действия, а также удельной мощности. Поэтому традиционные способы совершения работы механическими приводами нельзя считать совершенными. Для замены известных решений приводящих устройств, более совершенными механизмами приводов, повторяющих характеристики органических мышц было выдвинут ряд нетривиальных решений [2].

В данной статье рассмотрены новые открытия и решения в области «искусственных мышц», используемых для произведения механической работы. Целью данной работы является, анализ основных из известных искусственных аналогов мышц, а также перспективы их развития.

Основным ограничением функциональности органических мышц является необходимость в постоянном подведении новых химических компонентов и износ материала во времени. Клетки живой материи обладают возможностью постоянного обновления, потребляя химические компоненты как для самого обновления, так и непосредственно для совершения механического движения. В механике робототехнической системы такую реализацию обеспечить сложно.

Несомненно, крайне малое значение инерционности обеспечивает перспективу в развитии искусственных мышц как приводов робототехнических систем и комплексов. Полимеры являются основным материалом для изготовления искусственных мышц на современном этапе развития науки и техники. Они обладают большим запасом цикличности и не требуют жестких условий по нагреву материала для перехода из одного фазового состояния в другое и завершения одного цикла работы, как это требовалось в ранних экспериментах с материалами обладающих памятью формы (речь идет о никель-титановых сплавах, в частности NITINOL – NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Первопроходцем в развитии полимеров как материала для искусственных мышц является доктор Йозеф Бар-Коэн из лаборатории реактивного движения NASA, который создал электроактивные полимеры (ЭАП). Он создал два типа искусственных мышц [1]:

1. Полимерная лента, которая содержит в себе углерод, кислород и фтор. Меняя распределение зарядов на поверхностном слое ленты посредством пропускания электрического тока можно добиться изгибания ленты. Меняя конфигурацию полимерных лент возможно практически неограниченно изменять сложность и вариабильность механических перемещений.

2. Пластины ЭАП выполненные в виде свернутых в трубочки. Осуществление полезной работы производится путём сжатия и растяжения трубочки с деформацией эластичной сердцевины под действием электрического тока.  .

Первый тип мускул нашёл применение в манипуляторе верхней конечности компании из США Environmental Robots Incorporated. Он содержал две пластины выполняющих роль привода, собранных из полимерных лент. Второй тип искусственных мышц NASA внедряет в перспективные модели планетоходов.

Компанией Artificial Muscle, были разработаны приводы в основе которых лежали полимеры – EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). Развитие вышеуказанных технологий может привести к созданию “искусственных мышц” превосходящие по характеристикам органические мышцы. На данном этапе развития максимальным развиваемым усилием однослойной полимерной искусственная мышцы на основе технологии EPAM является усилие равное 0,5 ньютона. Путём комбинирования слоёв полимера, можно получить исполнительные механизмы, развивающие усилие в несколько десятков раз большее по сравнению с одной полимерной лентой. На данном этапе развития, подобные устройства находят применения в механизмах фокусировки современных оптических систем заменяя собой шаговые электродвигатели. Продукт Artificial Muscle обладает высоким уровнем быстродействия и ресурсом работы, позволяя совершить до 17 тысяч циклов сжатия-растяжения в секунду изменяя свою длину в 3,8 раза [3,4].

Выполнив анализ перспективных разработок в области перспективных видов полимерных приводов, можно сделать вывод, что данная область науки «шагнула» далеко вперед, и в скором времени человечество ждет обширное внедрение данных технологий в области робототехники и протезирования.

Обучающий манипулятор сможет заинтересовать детей процессом обучения. Дети больше не будут отвлекаться на посторонние предметы, всё их внимание будет обращено на «крутого» робота, который преподает им азы знаний. Таким образом знания будут откладываться в памяти лучше. У детей появиться интерес к учебе.

Целью данной работы является создание обучающего манипулятора, повторяющего движения руки человека. На манипуляторе имеется захват, способный фиксировать обычные предметы, вроде ручки или карандаша. 

Манипулятор разработан на основе человеческой руки, что помогает ему полностью повторять движения человека, тем самым имитируя способность рисовать и писать. Основа манипулятора закрепляется на твердом теле (стол, передвижная подставка, доска). Сам манипулятор состоит из 3-х подвижных звеньев [1, 2]. Как рука человека, манипулятор включает в себя плечо, локоть и кисть-захват. В качестве двигателей используются сервоприводы, которые обеспечивают наибольший угол поворота для звеньев манипулятора.

На манипуляторе имеется датчик касания для обеспечения контакта с рукой ребенка, пульсометр для считывания пульса ребенка и датчик болевых ощущений. В случае возникновения сильного дискомфорта, трения или высокого давления в мышцах ребенка, манипулятор прекращает работу.

Манипулятор запрограммирован на правильное написание букв, слов и цифр, а также на рисование правильных фигур [3]. В программе манипулятора имеется несколько уровней сложности. На первом уровне манипулятор обучает написанию первоначальных элементов письма. На следующем уровне ребенка обучают написанию букв. Далее – слова и предложения.

При работе с ребенком манипулятор корректирует движение его руки, делая при этом траекторию настолько близкой к правильной, насколько это возможно.

Данный манипулятор также можно применять в школе. С его помощью можно писать буквы и цифры на доске, помогая работе учителя.

Обучение детей будет согласованно с репетитором детей дошкольного и школьного возраста, а также с учителями начальных классов.

Групповое управление может быть централизованным и децентрализованным [1]. И тот и другой подход имеют как преимущества, так и недостатки. Преимуществами централизованного управления являются простота и экономия ресурсов. Мощными вычислительными ресурсами может обладать только одно центральное устройство, которое принимает решения за все остальные устройства группы. Это позволяет остальные устройства сделать более простыми, менее энергозатратными для процессов обработки информации, следовательно, больше энергии потратить она операции по перемещению устройства (сделать их более мобильными).

Одной из задач группового управления является задача сбора мобильных устройств в «одной точке». Понятно, что на практике несколько устройств не могут находиться в одной точке плоскости, поэтому задача формулируется для сбора устройств внутри некоторого круга заданного радиуса, достаточного для размещения всех устройств без соприкосновений. Рассматривается проблема, когда группа устройств находится в следующих условиях:

–            есть одно выделенное центральное устройство;

–            каждое устройство имеет идентификатор;

–            не задана ни какая система координат, отсутствует карта территории;

–            устройства могут измерять расстояния до других устройств, например, с помощью технологии Wi-Fi [2];

–            результаты измерений представляют собой только величину расстояния, и не содержат информацию о направлении, в котором находится одно устройство относительно другого;

–            устройства могут передавать результаты измерений другим устройствам и центральному устройству, например, с использованием технологии Wi-Fi;

–            центральное устройство передает каждому устройству команду движения.

Для решения задачи была разработана стратегия управления устройствами. Ключевым элементом этой стратегии является выбор «точки» сбора. Так как система координат не задана, и каждое устройство действует в своей собственной системе координат, то сообщить устройству его координаты и координаты места сбора не представляется возможным. Поэтому координаты точки сбора для каждого устройства должны быть определены в рамках собственной системы координат каждого устройства. В качестве «точки» сбора выбирается круг вокруг одно из устройств, которое находится ближе ко всем устройствам. Это устройство делается неподвижным, т.е. центральное устройство передает ему команду «остановиться». Назовем это устройство «зафиксированным». Одно неподвижное устройство позволяет остальным устройствам сформировать свою собственную систему координат, рассчитать координаты неподвижного устройства в этой системе координат и сформировать траекторию движения в направлении неподвижного устройства. Для этого необходимо сделать три измерения расстояния до неподвижного устройства из трех различных точек. В простейшем случае эти точки должны образовывать равнобедренный прямоугольный треугольник. Тогда катеты треугольника будут определять направления осей системы координат устройства. Таким образом, центральное устройство на первом этапе направляет каждому устройству кроме «зафиксированного» команды выполнить измерение расстояния до «зафиксированного» устройства; переместиться в любом направлении на некоторое заданное расстояние и сделать второе измерение; повернуть налево на 90 градусов, переместиться на равное расстояние и сделать третье измерение. После этих действий центральное устройство получает от каждого устройства три измерения и рассчитывает координаты «зафиксированного» устройства в системе координат каждого устройства, определяемой направлениями перемещений устройств для проведения трех измерений (метод трилатерации). Предполагается, что в момент первого измерения каждое устройство находилось в точке с координатами (1, 0), в момент второго измерения – (0, 0), в момент третьего измерения – (0, 1) и направлено сейчас в сторону возрастания значений оси ординат в своей собственной системе координат. На основании этих данных центральное устройство рассчитывает координаты вектора перемещения для каждого устройства и формирует команды поворота на необходимый угол и движения вперед до достижения «зафиксированного» устройства.

Этот алгоритм дает решение и позволяет достичь «зафиксированного» устройства за минимально короткое время по прямолинейной траектории только в идеальных условиях при высокой точности измерений. На практике при использовании технологии Wi-Fi для определения расстояния до устройства точность измерений не будет хорошей. В результате координаты «зафиксированного» устройства будут определены приблизительно, направления движения так же будет определено приблизительно. Поэтому прямолинейное движение по рассчитанному направлению может не привести  устройство к заданной цели. Следовательно, стратегия движения устройств должна включать постоянные поправки в случае ухудшения ситуации. Под ухудшением ситуации будем понимать увеличение расстояния до «зафиксированного» устройства или слабое уменьшение расстояния до «зафиксированного» устройства, где под «слабым» подразумевается меньшее по сравнению с расчетным. В такой ситуации устройство должно изменить вектор своего перемещения. Изменение вектора перемещения может быть как под положительным, так и под отрицательным углом. К сожалению, знак не может быть определен по расстоянию, поэтому единственным способом определить направление изменения вектора перемещения является опытный путь. Устройство изменяет вектор перемещения в одном из направлений, и если это не приводит к положительному результату, то направление изменения вектора перемещения меняется на противоположное.

Предложенная стратегия централизованного управления группой мобильных устройств, рассредоточенных на плоскости, для решения задачи сбора устройств в «одной точке» была апробирована с использованием имитационного моделирования.

Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012–2016 гг.

Для того чтобы роботы могли выполнять свою работу они должны получать команды. Существует несколько основных способов управления робототехникой — это проводное управление, беспроводное управление и автономная работа.

Одной из простых систем управления является проводное управление [1]. Управление происходит как с помощью платформы с тумблерами, так и с помощью кнопки, джойстика, пульта которые соединяются с устройством при помощи кабеля. Как известно на устройствах с подобным управлением не ставят искусственный интеллект или сложно-программируемые системы.

Рис.1. Управление роботом проводным способом

Также к такому виду управления можно отнести компьютерное проводное управление или же управление посредством Ethernet.

Помимо проводных систем управления существуют и системы беспроводного управления. Такие системы имеют большую разновидность,  и они имеют больше различных возможностей, чем при использовании предыдущего типа управления.

К таким системам относят: инфракрасный сигнал, управление по радиоканалу, Bluetooth и Wi-Fi. Из данных систем самой простой является управление с помощью инфракрасного сигнала, так же она считается устаревшей. Для управления роботом используется пульт с инфракрасным излучателем, а на робота устанавливается ИК-датчик, который подключается к микроконтроллеру для передачи сигналов [2].

Рис.2. Дистанционное управление роботом

Наиболее часто встречается система управления при помощи радиоканала. Для гарантированной передачи данных между устройствами применяются различные протоколы передачи информации. Одним из таких является протокол ZigBee.

ZigBee — высокоуровневый протокол беспроводной связи, который применяется массово при автоматизации промышленного оборудования, в системах автоматизации зданий и жилых помещений, в медицинском и телекоммуникационном оборудовании.

Самым популярным способом управления является управление с помощью Bluetooth. Несмотря на ограниченный радиус действия, Bluetooth пользуется большим спросом у людей, увлекающихся робототехникой.

Более сложной системой является управление по Wi-Fi. Радиус действия значительно больше все остальных беспроводных систем. Да и управлять роботом можно находясь на достаточно приличном расстоянии.

Высшим уровнем в управлении робототехникой является автономное управление – это когда устройство способно самостоятельно без вмешательства человека продумывать и передвигаться по запланированному маршруту. Такой способ возможен благодаря запрограммированному микроконтроллеру. Данный вариант управления широко применяется как в астрономии, так и для домашнего применения (роботы-пылесосы [3], роботы для мойки окон, роботы для бассейна, роботы-газонокосилки и т.д.).

Рис.3. Робот-пылесос

Стремление людей упросить себе жизнь толкает на создание  новых роботов и роботизированной техники. Это, в свою очередь, заставляет усовершенствовать комплексы систем управления. Все больше используется беспроводное и автономное управление. Эти системы упрощают обращение с роботизированной техникой.

Идея создания робота появлялась на протяжении всего времени существования человеческой цивилизации, от роботов прошлого до современных человекоподобных роботов и автоматизированных инструментов для производства, которые привели к промышленной революции. Несмотря на то, что доподлинно неизвестно, сколько типов роботов было предложено в прошлом, ясно, что человечество всегда мечтало об автоматизированных машинах.

Слово «робот» было придумано чешским драматургом для одного из его произведений. А автор, имя которого было Айзек Азимов сделал эту идею еще популярнее, благодаря научной фантастике. С развитием компьютеров в 1950-х годах роботы стали сложнее. Unimate, первый промышленный робот, был создан в 1962 году для выполнения повторяющихся задач. Стэндфордский институт представил миру робота Шеки, первого автоматического мобильного робота, способного рассуждать над своими действиями. Игрушки роботы появились в 1980-х годах. После этого инновации сделали роботов более комплексными, что привело к созданию AIBO, Lego Mindstorms и Furby.

Что представляет себе человек, когда слышит слово «робот»? Катится ли он как R2D2 (из фильма «Звездные войны») или ходит на двух ногах как C3P0? Имеет ли он человеческое лицо или механическое? Работает ли он по принципу вакуума или подбирает объекты клешней? Так как существует большое количество областей применения робототехники, то разумно предположить, что существует много вариаций роботов. Чтобы узнать, как же эти сложные интеллектуальные машины устроены нужно внимательно рассмотреть их с инженерной и физической точки зрения.

Помимо фантастических фильмов, роботы существуют и в повседневной жизни: в автомобилях, в магазинах, на фабриках и т.д. Роботы применяются в промышленности уже долгое время, благодаря их возможности продолжать работать в окружении, в котором человек не может находиться без опасности для жизни.

В последнее время исследователи пытаются создать все более разумных и самостоятельных роботов для различных целей. ASIMO компании Honda является ярким примером такого типа роботов. Человек является самым разумным существом в мире благодаря его способности получать информацию с помощью органов чувств: зрение, обоняние, осязание, вкус, слух. Исследователи пытаются имитировать человеческие возможности, создавая человекоподобных роботов с органами чувств.

Основная структура роботов достаточно схожа со строением человека. Как люди чувствуют? Например, человек видит что-то, то есть нервный импульс от глаз передается в мозг, который обрабатывает эту информацию. Искусственное воспроизведение этих чувств стало возможным благодаря сенсорам. Сенсоры – это преобразователи, которые фиксируют физические изменения окружающей среды и конвертируют их в электрические импульсы. Эти аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналогово-цифровых преобразователей. Компьютер робота работает по тому же принципу, что и человеческий мозг.

Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор — это популярный метод управления роботом. Смысл его состоит в том, чтобы заставить приводы робота работать в соответствии с программой. Датчик на приводе, обычно это сенсор, определяет изменения. Программой определяется финальный результат, которого необходимо достичь, и привод осуществляет движение до достижения результата. Другие сенсоры сканируют среду, обеспечивая более корректную работу робота.

Среди различных компонентов приводы наиболее важны для автоматизации робота. Они конвертируют энергию в движение. Обычно это электрические моторы, но могут применяться и гидравлические или пневматические системы. Шаговые двигатели вращаются с высокой точностью и управляются контроллерами. Ультразвуковые моторы используют часто вибрирующий пьезокерамический элемент для создания движения. С помощью сжатого воздуха воздушные мышцы работают точно так же, как и мышцы человека, сокращаясь и расслабляясь.

Роботы могут быть созданы из различных материалов и управляться разными способами. Они могут быть сделаны из тяжелого и прочного метала или из облегченного пластика. Хирургические роботы и роботизированные манипуляторы имеют несложные вращающиеся суставы. Они управляются гидравлическими и электрическими моторами наряду с продольными соединениями, приводимыми в движение вращающимися винтами. Некоторые мобильные роботы имеют колеса, которые могут вращаться в различных плоскостях, в то время как другие роботы ходят по разным типам покрытий на нескольких ногах. Можно встретить роботов с сенсорными механизмами, такими как камеры, играющими роль глаз и датчиками прикосновения для определения препятствий.

От популярных дроидов в фильмах «Звездные войны» до роботов, созданных для фильмов «Терминатор», «Робокоп», «Матрица», «Я – робот», люди всегда были очарованы роботами. И если раньше люди были просто очарованы образом, то сейчас роботы существуют на самом деле. Разные типы роботов получили свое реальное воплощение.

Промышленные роботы становятся все популярнее с каждым днем из-за их повышенной продуктивности по сравнению с людьми. Эти роботы используются для решения различных промышленных задач. Работа, которая требует скорости, надежности, повторяемости и точности, может быть легко решена роботом. За последние 30 лет роботы выполняли работу на автоматических линиях производства в автомобильной индустрии. Каркас автомобиля продвигается по конвейеру и с помощью роботов происходит его дальнейшая сборка, покраска, монтаж деталей. Также промышленные роботы занимаются упаковкой и сортировкой вещей, дозированием жидкостей или сыпучих материалов, применяются в лабораториях и других отраслях.

Мобильные роботы используются для транспортировки материалов в местах таких, как контейнерные порты, больницы, складские помещения. Эти роботы могут выполнять неповторяющиеся и непоследовательные задания в сложной обстановке. Следовательно, они также могут называться умными роботами.

Идея о роботах, выполняющих сельскохозяйственные работы может показаться вышедшей из фантастических книг, но много роботов сейчас находятся на этапе экспериментирования и используется для вспахивания полей, сбора урожая и уборки. Также существуют управляемые роботы, использующиеся в местах, опасных или недоступных для людей. Например, они применяются для работы с радиоактивными материалами, в исследовании космоса и управляются человеком с расстояния. Некоторые из таких роботов также используются в хирургии. Роботы для личного использования также набирают популярность из-за развития искусственного интеллекта.

Робототехника постоянно развивается, роботы начинают использоваться все в более широких сферах, благодаря постоянному улучшению технологий: как увеличение срока жизни аккумуляторов, износостойкости деталей, облегчение конструкции робота, развитие искусственного интеллекта, расширение функционала. В будущем роботы будут еще более развитыми, и, возможно, это позволит полностью автоматизировать некоторые сферы жизни человека.

Было проведено моделирование маршрутизации тележки, на которой установлены два датчика смещения. Один датчик был размещен по центру переднего борта тележки, второй – по центру заднего борта (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема тележки с установленными впереди и сзади датчиками смещения

Датчик смещения позволяет определить, на какое расстояние по двум осям произошло смещение за единичный промежуток времени. Для установленных на тележку  датчиков смещения известны их координаты в системе координат, связанной с тележкой. Начало координат в этой системе совпадает с центром тележки (рис. 1). Зная начальные координаты тележки в неподвижной системе координат, датчик смещения позволяет построить траекторию движения объекта в неподвижной системе координат и тем самым определить текущие координаты объекта в неподвижной системе координат. Это возможно только при отсутствии вращения связанной системы координат относительно неподвижной, т. е. в случае, если тележка не делает ни каких поворотов, что в общем случае не так. Для учета поворотов связанной системы координат относительно неподвижной на тележке установлены два датчика смещения. Смещение датчиков относительно друг друга позволяет определить, на какой угол повернулась связанная система координат относительно неподвижной.

Для моделирования движения и управления тележкой была использована игра Garry’s mod, движок которой позволяет моделировать неподвижные и двигающиеся объекты c учетом физики реального мира (рис. 2).

Рисунок 2 – Снимок модели тележки в Garry’s mod

 Для моделирования внешней среды была использована карта территории GM_BigCity с заданной системой координат. В этой системе координат был сформирован маршрут, по которому должна пройти тележка. Маршрут представлял собой ломаную линию, вершины которой (повороты) были заданы объектами WayPoint из библиотеки WireMod, размещенными на карте, т.е. имели известные координаты.

Также в среде моделирования была построена модель тележки с двумя датчиками смещения. В качестве датчиков смещения были использованы объекты GPS и Chip-Expression2 (программируемый чип), работа которых была реализована с помощью программного кода на языке Expression2. Для движения тележки были использованы 6 объектов, называемых Thruster. Два объекта использовались для движения тележки вперед, четыре – для поворота тележки. Для управления двигателями в соответствии с результатами измерений датчиков смещения на тележке был размещен еще один объект Chip-Expression2, в котором был реализован алгоритм следования тележки по маршруту.

Для моделирования работы реального процессора был написан генератор прерываний, с периодом, равным 0,15 секунды.

Идея алгоритма маршрутизации заключается в следующем. На основе координат цели движения – очередной вершины ломаной маршрута и координат центра тележки строится вектор прямолинейного движения к цели. Если вектор направления тележки достаточно сильно отклоняется от вектора направления движения, то тележка выполняет поворот в соответствующем направлении. Если отклонение вектора небольшое, то тележка продолжает прямолинейное движение. Поворот тележки осуществляется по показаниям датчиков смещения. Блок-схема алгоритма перемещения тележки по маршруту представлена на рис. 4. На рис. 3 представлены обозначения, используемые в алгоритме. Одна итерация цикла алгоритма соответствует одному периоду генератора прерываний.

Рисунок 3 – Движение тележки к вершине 2: вектор А – вектор направления тележки, вектор В – вектор направления движения

 Код был реализован на специальном языке программирования Expression2 для Garry’s mod. В алгоритме для проверки первого условия было использовано значение α=5,7°, а для второго условия – значение w=10.

При выборе значения α следует руководствоваться следующими рассуждениями. Значение α должно быть небольшим, но больше чем угол поворота тележки за один период генератора прерываний. Это необходимо, чтобы избежать колебаний платформы на одном месте. Значение α должно быть таким, что хорда дуги, образованной двумя единичными векторами, угол между которыми равен α, меньше w. Это позволит избежать движения платформы вокруг вершины маршрута.

Значение w не должно быть меньше шага h.

Рисунок 4 – Алгоритм следования по маршруту

В результате моделирования были визуализированы траектории движения датчиков смещения (рис. 5).

Рисунок 5 – Снимок траектории перемещения датчиков тележки в Garry’s mod (синяя линия – задний датчик, красная линия – передний датчик)

Результаты моделирования показали возможность использования игровых движков для моделирования поведения датчиков и процессов управления физическими устройствами, что позволяет разнообразить процесс обучения, включая в него элементы развлекательного характера.

В дальнейшем планируется реализация физического устройства с датчиками смещения для апробации разработанных алгоритмов в реальном мире.

Для перехода к новым технологиям необходима система подготовки кадров для инновационной экономики (школьник – рабочий – дипломированный специалист) на современных подходах и мотивации.

В настоящее время происходит масштабная роботизация различных сфер человеческой жизни: машиностроения, медицины, космической промышленности и т.д. Промышленные роботы стали неотъемлемой частью многих сфер производства.

Образовательная робототехника сегодня набирает популярность в школах и кружках дополнительного образования. Ученики вовлечены в образовательный процесс благодаря созданию моделей – роботов, проектированию и программированию робототехнических устройств и участвуют в робототехнических соревнованиях, конкурсах, олимпиадах, конференциях.

Образовательная робототехника — часть инженерно-технического образования. Сейчас необходимо активно начинать популяризацию профессии инженера уже начиная со школы. Детям нужны образцы для подражания в области инженерной деятельности. Робототехника развивает учеников в режиме опережающего развития, опираясь на информатику, математику, технологию, физику, химию. Робототехника предполагает развитие учебно-познавательной компетентности обучающихся.

Образовательная робототехника — это учебная среда, основанная на использовании роботов для преподавательских целей. В ней учащиеся вовлечены и мотивированы самостоятельным моделированием и конструированием моделей (объектов, имеющих схожие или полностью идентичные реальным объектам характеристики). Эти модели создаются с использованием различных материалов и контролируются компьютерной программной системой, именуемой прототипом или симуляцией.

В опросе, проведенном среди 11-13-летних, было выяснено, что дети скорее предпочтут убраться в комнате, съесть суп, сходить к стоматологу, вынести мусор, чем сделать математику. Как это видимое отсутствие мотивации к изучению математики влияет на успеваемость? К сожалению, отсутствие мотивации негативно влияет на производительность в математических, научных, технологических и инженерных (STEM) областях; областях, жизненно важных для национальной глобальной конкурентоспособности, инноваций, экономического роста и продуктивности.

С этой целью увеличивается спрос на STEM-связанное образование и курсы для работников от технического до докторского уровня образования. STEM образование и курсы могут на выходе увеличить средний потенциал работников на 26%. К 2019 приблизительно 92% традиционных STEM профессий будут требовать некоторые формы дополнительного образования включая определенные уровни специфических промышленных сертификаций. Далее, некоторые отчеты предполагают, что даже работники не STEM профессий будут нуждаться в получении некоторых основных STEM компетенций чтобы соответствовать глобальным требованиям и выжить в современном технологичном обществе.

Обучение при помощи образовательной робототехники позволяет учащимся задуматься о технологиях. В процессе моделирования, конструирования, программирования и документирования автономных роботов, ученики не только учатся тому, как работают технологии, но и значимым и увлекательным способом применяют знания и умения, полученные в школе. Образовательная робототехника богата возможностями в интеграции не только в областях науки, технологии, инженерии и математики (STEM), но и во многих других областях, в том числе и грамотности, общественных науках, танцах, музыке и искусстве, позволяя ученикам находить способы работать совместно, чтобы развить их навыки сотрудничества и самовыражения, навыки решения проблем, критического и инновационного мышления.

Образовательная робототехника — это инструмент обучения, улучшающий ученический опыт через практическое изучение. И самое важное, образовательная робототехника предоставляет веселую и интересную среду обучения из-за ее практического характера и интеграции технологий. Привлекательная среда обучения мотивирует обучаться независимо от навыков и знаний, необходимых для выполнения поставленных целей для завершения заинтересовавшего их проекта.

Как преподаватель может заинтересовать учеников в изучении предметов, которые требуют наличие навыков в области науки, технологии, инженерии и математики (STEM)? Образовательная робототехника предлагает уникальную альтернативу традиционным методам обучения.

Интерес к использованию роботов для обучения учеников младших классов появился в первой половине 80-х гг. с началом использования программ, разработанных с помощью технологий, доступных на тот момент. Но он оставался невостребованным какое-то время из-за ограниченного доступа к связанным с ним технологиям, дороговизны, отсутствия исследований и необходимости проведения большого числа тестирований, что мешало обширному использованию роботов для преподавательских целей. Но времена поменялись. За прошедшее десятилетие с приходом технологических инноваций, школьники сейчас полностью аккультурированы к использованию технологий благодаря аудиоплеерам, смартфонам, планшетам, интернету и виртуальным мирам, созданным играми, в которые они играют. У учеников есть мотивация к использованию этих устройств, которые в свою очередь могут добавить новое измерение повседневному преподаванию.

Маленькие дети – настоящие инженеры. Они создают крепости, башни из кубиков, замки из песка, и разбирают свои игрушки, чтобы узнать, что внутри. И также в этом возрасте, дети в какой-то мере знакомы с конструкторами. Еще до достижения детсадовского возраста каждый ребенок уже играл с конструктором, или по крайней мере знает, что это такое. Используя эту ассоциацию можно вовлечь детей в процесс обучения.

Выбор важной и интересной для детей темы для проектирования является большой мотивацией к обучению. Например, дети на уроке узнали о цветах. Они создали небольшой сад и их задача – защитить его от вредителей. Учителем предлагается решить эту проблему, используя робототехнические наборы.

Каждому ребенку назначается его роль в проекте на основе его знаний и стиля обучения: разработчик, проектировщик, программист, фотограф, и т.д. Дети исследуют процесс проектирования при помощи следующих шагов, для решения проблемы: постановка проблемы, мозговой штурм для решения проблемы, выбор рабочей идеи, проектирование решения, создание решения, используя робототехнические наборы, программирование модели, документация процесса, и демонстрация получившегося проекта.

В процессе работы над проектом ученики узнают о физике, разработке и технологиях, развивают навыки работы в команде и коммуникативные способности посредством совместной работы над проблемой и экспериментирования с различными идеями.

Дети учатся работать совместно, и начинают быстро понимать важность каждого члена команды. Например, разработчик ничего не может создать без проектировщика, так как он не знает особенностей проектирования, а программист не может работать без разработчика, так как без готовой модели ему будет нечего программировать.

Дети не знакомые с конструкторами тоже должны создать проект на основе простых механизмов. Им предоставляется простор действий для того, чтобы помочь им учиться, играя с деталями конструктора. Также можно принести им недоработанные или сделанные некорректно модели и дать им возможность исправить их. Цель состоит в том, чтобы не давать детям пример для копирования, но предоставить им некоторое руководство о том, как сделать модель, что позволит им включиться в работу с остальной группой. Это действительно хорошо работает, и дети начинали методом проб и ошибок исправляют модель и учатся программировать ее. Они могут использовать различные стратегии для достижения конечного результата.

Конспектирование проекта также важно для детей. Оно помогает им систематизировать полученную информацию и лучше ее запомнить. Также оно помогает отслеживать их успехи в работе.

Учащиеся развивают технологическую беглость при использовании компьютеров, цифровых фотоаппаратов и прочих устройств, которые они могут использовать при разработке. Они учатся программировать и узнают базовые технические понятия, которые требуются для корректного моделирования. Развивая технологическую беглость, они самовыражаются различными способами посредством моделирования, записи, фотографировании и обсуждения их проекта. И самое главное они развивают самооценку и уверенность в себе как ученики.

Вышеописанное демонстрирует, что образовательная робототехника — это мощный инструмент, который может быть использован для обучения.

1. Дети формируют свои знания благодаря процессу моделирования значимых для них проектов и воплощению их собственных идей, используя самостоятельно разработанные алгоритмы;
2. Дети учатся благодаря одновременной работе в виртуальном (программирование) и реальном мире (создание модели);
3. Дети сталкиваются с когнитивными конфликтами через сравнение условий и результатов в процессе программирования и тестирования модели;
4. Дети учатся благодаря отражению и воспроизведению их собственных знаний, обсуждению их наблюдений;
5. Дети учатся благодаря беседам, основанным на совместной работе, обсуждениям, аргументациям

Робототехника – универсальный инструмент для образования. Она хорошо подходит как для дополнительного образования, так и для внеурочной деятельности. Также она является неплохим вариантом для преподавания ее как предмета школьной программы, так как она полностью соответствует требованиям ФГОС. Обучаться робототехнике можно начиная с любого возраста.

Причем использование робототехнического оборудования – это обучение, игра и творчество одновременно, что гарантирует увлеченность и заинтересованность, а также развитие ребенка в процессе обучения.

Образовательная робототехника дает возможность на ранних шагах выявить технические наклонности учащихся и развивать их в этом направлении. В настоящее время существует большое количество различных робототехнических наборов, удовлетворяющих любым требованиям. Каждый из наборов имеет свои особенности. Это и количество, и тип деталей в наборе, и различные среды программирования, имитирующие или поддерживающие известные языки.

Специальность «Мехатроника и робототехника» включила в себя две самостоятельные специальности, в результате этого сформировалась насыщенная программа, не оставляющая времени для общетеоретических дисциплин. Так, например, среди основных предметов общетехнических совсем немного: инженерная и компьютерная графика, теория математического управления. Больше часов в учебном плане отдается таким профессиональным дисциплинам как: электронные устройства мехатронных и робототехнических систем, детали мехатронных модулей, микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике и т.д.

По определенным причинам (новшества, популярность, заинтересованность) многие предметы данной специальности базируются в основном на английском языке. Давайте рассмотрим это на примере «даташит» (транслитерированное data sheet, дословно переводится как «лист данных»; своего рода руководство, всё техническое описание компонента). Для конкретики  обратимся к «даташиту» радио модуля nRF24L01+, помимо множества непонятных схем и других инженерных самовыражений мы может обнаружить много, очень много текста на английском. О чем он нам говорит? В этом тексте можно найти все самое важное и необходимое: последовательность подключения к основной плате, состав компонента, технические характеристики и т.д. – одним словом, «даташит» – это своего рода мантра специалиста по электронным системам. Конечно, есть русифицированные данные и программы, но они пользуются меньшей популярностью. На это есть определенные причины.

Во-первых, официальных переводов «даташит» нет, а если и есть, то найти их очень трудно. И это вполне логично – каждый день выпускаются процессоры, программаторы и прочее оборудование, и составить под каждую малейшую часть информацию на прочих языках помимо английского очень сложно.

Во-вторых, перевод может быть неполным. Например, не получилось у какого-нибудь радиолюбителя перевести одну главу руководства пользователя, не заинтересовала какая-либо функция элемента, а также и по другим причинам. Перевести же отдельную часть «даташит» вызывает определенные трудности.

В-третьих, русификация со всей вероятностью может быть составлена неправильно. Согласитесь, правильно изъясняться на техническом русском – непросто, что уж говорить о техническом английском, который ко всему прочему должен быть понят однозначно, ведь речь идет о переводе официальной информации.

Таким образом, можно с уверенностью сказать, современная электроника и специалист в этой сфере без английского не может обходиться.

Теперь углубимся в программирование. Какие языки программирования популярны в наше время? Java, php, C++, C# и прочие. Но все они сводятся к одному – английскому. Рассмотрим небольшой пример программы, написанной на базе языка C (си) для управления светодиодом на платформе микроконтроллера Arduino UNO R3.

void setup()

^{

pinMode(13, OUTPUT);

}

void loop()

{

digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(13, LOW); delay(1000);

^}

А теперь попробуем дать примерный перевод того, что имеем.

установка()

^{

обнаружитьПин( 13 ,ВЫВОД);

^}

цикл()

^{

цифровыеДанные( 13 ,ВЫСОКОЕ); отложить(1000); цифровыеДанные( 13 ,НИЗКОЕ); отложить(1000);

^}

Попробуем преобразовать машинный русифицированный «код» на человеческий язык.

«Даем команду микроконтроллеру обнаружить подключение к 13-ому выводу некого устройства. Заводим цикл, состоящий из подачи и отключения напряжения на данном выводе через каждые 1000 миллисекунд».

Сейчас, опираясь на всё вышесказанное, необходимо прийти к выводу о том, что такой процесс как программирование, включает в себя перевод упрощенных команд с русского на английский. Трудности заключаются в том, чтобы знать тематические определения, например, pin (вывод, контакт) в приведенном примере.

Также хотелось бы рассмотреть механику с лингвистической точки зрения.

Обратимся ко всем известному Ньютону, а вернее к его второму закону, записанному в упрощенном варианте, а именно

F = т- а,

где F – сила, действующая на тело; m – масса этого самого тела; a – ускорение рассматриваемого тела.

Тайна о том, что все вышеописанные члены уравнения – это не рандомные буквы, а аббревиатуры определенных обозначений, открывается далеко не каждому, поэтому разберем словесно, что данная формула обозначает.

«Force is equal to mass multiplied by acceleration »

«Сила равна массе, умноженной на ускорение»

То есть изначально вся механика, а, следовательно, и начало инженерии были оформлены на английском языке. Конечно, утверждать, что русские ученые были хуже английских или любых других – нельзя, скорее всего, такая номенклатура сложилась определенным образом для удобства обмена информации между научными деятелями.

Сейчас подошло время основного вывода из всей статьи. Так как мехатроника и робототехника – это области, объединяющие механику, электронику и программирование, то настоящее и будущее таких направлений лежит в руках людей, уверенно владеющих английским языком.

Шина EtherCAT в свою очередь обладает уникальным функциональным принципом аппаратной обработки пакета Ethernet без промежуточной буферизации, позволяя использовать полосу пропускания 100Мбит/с. Что позволяет получить время цикла шины в диапазоне микросекунд, а не миллисекунд – характерных для большинства промышленных шин.

EtherCAT — это довольно молодой стандарт промышленной сети, относимый к семейству Industrial Ethernet и технологиям, используемым для распределенного управления в режиме реального времени. Шина EtherCAT была разработана компанией Beckhoff, целью которой было использование технологии Ethernet для автоматизации приложений, которые требуют частого обновления времени с низким дрожанием связи и низкими затратами на аппаратное обеспечение.

В сети EtherCAT один един­ственный Ethernet-кадр включает как входные и, так и выходные данные многих устройств. Фактическое использование полосы пропускания достигает от 90% и более. Возможности дуплексной связи 100BaseTX используются полном объеме, обеспечивая скорость передачи данных более 100 Мбит/с. Система EtherCAT значительно быстрее не только всех традиционных промышленных шин, но и является самой быстрой среди промышленных решений, базирующихся на Ethernet.

Так как внутренняя топология EtherCAT является кольцевой за счёт использования полнодуплексного Ethernet в качестве нижнего уровня — каждая посланная дейтаграмма будет проходить через все подключённые устройства в определённом порядке. Контроллеры ведомых устройств EtherCAT закрывают открытый порт автоматически и возвращают Ethernet фрейм, если клиентские (downstream) устройства не обнаружены. В связи с этой особенностью EtherCAT поддерживает почти любые физические топологии, такие как линия, дерево или звезда.

Ведущие EtherCAT-устройства могут быть как физическим контроллером, так и могут быть эмулированы программно с использованием стандартного оборудования Ethernet. В ведомых EtherCAT-устройствах не нужны мощные микроконтроллеры так как в них встроены контроллеры на основе БИС, которые обеспечивают обработку пакета и все ключевые временные параметры.

Функции диагностики позволяют точно локализовать ошибки и снизить затраты времени на поиск и устранение неисправностей, а отсутствие необходимости в настройке сети позволяет снизить трудозатраты на инженерно-конструкторские работы

Разработка системы управления робототехническими комплексами на базе шины EtherCAT позволяет существенно повысить скорость обработки и передачи данных между функциональными узлами робота, а также позволит использовать операционные системы реального времени. Возможность применения любой топологии сети позволяет повысить надежность и работоспособность системы управления, так, например, при использовании топологии – кольцо, можно получить доступ к любому ведомому EtherCAT-устройству даже при обрыве линии между двумя соседними устройствами EtherCAT или при выходе из строя одного из узлов.

В связи с очевидными преимуществами шины EtherCAT, ее применение в робототехнических комплексах позволит существенно повысить надежность работы системы управления, увеличить скорость передачи и обработки данных, а также снизить финансовые затраты на обслуживание и настройку систем.

Эволюция представлений о путях развития робототехники, ее целях и задачах весьма схожа с тем, что наблюдается в такой области, как искусственный интеллект. Создание роботов – машин, способных действовать как человек, является общей главной целью этих наук.

После впечатляющих успехов, достигнутых во второй половине двадцатого века при успешном внедрении промышленных роботов в процесс автоматизированного производства, в настоящее время можно говорить о переносе центра научных исследований в область создания автономных роботов. Здесь следует упомянуть космических роботов для изучения поверхности небесных тел Солнечной системы, роботов для подводных исследований.

В ходе борьбы с терроризмом возникла острая необходимость в роботах, предназначенных для разминирования подозрительных предметов в местах скопления людей. Необходимы также «умные» роботы, которые могут без помощи оператора тушить пожары, самостоятельно передвигаться по заранее неизвестной пересеченной местности, выполнять спасательные операции во время стихийных бедствий, технологических аварий и т.п.

Робот  — автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма, предназначенное для осуществления производственных и других операций, которое действует по заранее заложенной программе и получает информацию о внешнем мире от датчиков (аналогов органов чувств живых организмов). Робот может самостоятельно осуществлять производственные и иные операции, обычно выполняемые человеком.  При этом робот может, как иметь связь с оператором (получать от него команды), так и действовать автономно [2].Таким образом роботы выполняют важную функцию, а именно, трудную и опасную работу вместо человека.

Сведения о первом практическом применении прообразов современных роботов — механических людей с автоматическим управлением — относятся к эллинистической эпохе [3]. На маяке, сооруженном на острове Фарос, были установлены четыре позолоченные женские фигуры. Днём они горели в лучах солнца, а ночью ярко освещались, так что всегда были хорошо видны издалека. Эти статуи через определённые промежутки времени отбивали склянки, поворачивались, а в ночное время они издавали трубные звуки, предупреждая мореплавателей о близости берега.

Прообразами роботов были также механические фигуры, созданные арабским учёным и изобретателем Аль-Джазари (1136—1206). Так, он создал лодку с четырьмя механическими музыкантами, которые играли на бубнах, арфе и флейте[3].

Великий итальянский ученый, анатом, естествоиспытатель, художник и архитектор Леонардо да Винчи (1452-1519) создал несколько так называемых манекенов, способных выполнять запрограммированные действия. В его коллекции нашлось место механическим птице и льву способному ходить, подниматься на задние лапы и даже преподнести букет лилий королю Франции. Однако, самым интересным экспонатом стал созданный в 1495 году механический манекен в форме вооруженного рыцаря, получивший название «Робот Леонардо» [4].

Наиболее знаменитыми роботами стала женщина, играющая на лютне, созданная Джианелло Ториано в 1540 году, и созданный ребенок Пьера Жаке Дро и представленный в 1772 году. В 1801 году был предложен для применения автоматизированный ткацкий стан узорчатых текстильных материалов, способный к программированию при помощи перфокарт, сходными с картами, применявшимися для программирования ЭВМ в 1960-70-х годах. Автором данного устройства стал французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар (1752-1834), а стан получил название «Машина Жаккара», которая производила удивительное впечатление [5].

В настоящее время подавляющее большинство работ в области создания моделей поведения, использование методов искусственного интеллекта для управления различными объектами имеют в основном теоретический, абстрактный характер. Причиной этому является кажущаяся трудоемкость и дороговизна проектов, работающих с реальными техническими устройствами.

Так, в 2009 году был представлен Робот Риба в Японии. Главное его назначение — это с помощью своих длинных и сильных рук укачивать больных и пожилых людей. Это отличный помощник в клиниках, так как он может переносить пациентов с места на место, или же перекладывать из коляски в кровать. В нейрохирургии одним из первых использованных роботов стал PUMA 560. В1992 году при протезировании суставов в ортопедии стали применять робота RoboDoc.

Боевой робот (военный робот) — устройство автоматики, заменяющее военнослужащих в боевых условиях для сохранения человеческой жизни или для работы в обстановках, несовместимых со способностями человека, при выполнении  военных целей: разведывательная операция, боевые операции, разминирование и т. п. Военными роботами считаются не только автоматические устройства с антропоморфическим действием, которые в некоторой своей части или целиком замещают человека, но и функционирующие в воздушной и водной среде.

Бытовой робот — машина, предназначенная с целью содействия человеку в ежедневной жизни. На данный момент популяризация бытовых роботов невелика, тем не менее футурологи представляют обширное их распространение в ближайшем будущем. В 2007 году Билл Гейтс опубликовал статью «Робот в каждом доме» о значительном потенциале роботов (включая домашних или бытовых роботов) для социума.

В перспективе можно ожидать появления многофункциональных, многоцелевых роботов, способных осуществлять разнообразные типы работы: уборку, приготовление пищи, уход за пожилыми людьми или за маленькими детьми.

Forbes и многие другие, пользующийся популярностью СМИ, уже поэтапно вводят ботов, а вернее — эти самые пресловутые алгоритмы для своевременного формирования экономических сводок, итогов спортивных игр или сведения о погоде. Narrative Science представляет алгоритмы, умеющие создавать журналистские статьи [6].

Роботы, конечно, могут быть задействованы не только на Земле, но также выполнять какую-либо работу и в космосе. Космонавтов-людей роботы, конечно, полностью не заменят, но осуществить вспомогательную работу на станции вполне могут. Это позволит сберечь время для более значимой работы.

Робот изначально представлялся как подобие человека. Но прагматизм берёт верх. И, чаще всего, роботу отводится роль технического приспособления, для которого внешность не имеет значения. По крайней мере, промышленные роботы на людей совсем не похожи, но свою работу они выполняют лучше человека.

Однако у роботов есть признак, который объединяет их со всеми живыми существами – движение. И способ движения порой довольно чётко копирует то, что встречается в природе.

Для того, чтобы узнать отношение людей к роботам был проведен соцопрос среди населения, представленным различными категориями и социальными группами людей, в котором были заданы вопросы: «Нужны ли в нашей жизни роботы? Роботы заменяют человека или помогают ему? Как вы представляете робота своей мечты?» Количество опрошенных составило 280 человек.

На первый вопрос 70% опрошенных ответили «Да», 30% ответили «Нет».

На второй вопрос 90% опрошенных ответили «Помогают», 10% ответили «Заменяют».

По статистке третьего вопроса самыми востребованными являются роботы помощники по дому, военные роботы и роботы врачи.

Таким образом, можно сделать вывод, что и идея создания роботов не остановилась на месте, а только лишь развивалась с годами и продолжает преуспевать в современном мире и, безусловно, является перспективным направлением в науке. Роботы  являются незаменимыми помощниками в жизни людей, так как они уже используются во всех сферах деятельности (в быту, военные роботы, в космосе). Нельзя утверждать, что роботы заменяют человека, однако они делают жизнь людей более безопасной, то есть создаются на благо человека. Следует так же указать, что жизнь роботов невозможна без помощи человека, так как любая машина нуждается в обслуживании и сам робот в настоящее время не сможет себе этого обеспечить.

Трёхмерная или 3D графика – раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), призванных обеспечить пространственно-временную непрерывность получаемых изображений. Процесс создания трёхмерной модели включает в себя три основных этапа:

Моделирование – создание модели из ничего, используя геометрические фигуры, задание размеров, текстур и установки освещения.

Рендеринг (рус. «визуализация») -  придание модели приятный глазу вид: закругление углов, отображение света и текстур.

Вывод модели. Печать или на монитор.

Передовые технологии не стоят на месте, ученые изобретают новинки техники, к ним и относятся 3D-мониторы и 3D-принтеры. 3D-экран или 3D-монитор – экран, который создает иллюзию объемного изображения. Чаще всего подобные мониторы требуют дополнительных программ или специальной техники. 3D-принтер – это принтеры для создания объемных объектов по заданной модели. 3D модели создают в специальных программах. Самые популярны из них – это 3DS Max, Maya, Newtek Lightwave, SoftImage XSI и так далее. Подобные программы могут идти в комплекте с принтером, то есть диск с программой, или же устанавливаться отдельно. Часто компании, которые производят 3D принтеры, создают собственное приложение для создания и печати модели [3]. Это вызвано тем, что не все программы могут хорошо работать с данной моделью.

Так чем 3D принтеры могут помочь в таких отраслях науки, как машиностроение и робототехника?

Первое и самое очевидное – это создание прототипных моделей для тестирования. Ведь на их создание человек может потратить недели или, даже, месяцы. А c 3D принтером все будет готово за несколько часов и не потребует больших затрат в плане материалов. Поэтому, если что-то пойдет не по плану, производитель не понесет больших потерь, как в финансовом плане, так и в плане затраченного времени. Использование 3D-печати на этапе разработки или в технологическом процессе позволяет создавать изделия более высокого качества дешевле и быстрее [2].

Второй пункт тоже довольно очевиден – это изготовление уникальных по геометрии деталей, которые практически невозможно создать традиционными способами. То, что еще вчера казалось фантастикой, сегодня вы можете создать всего за несколько часов на 3D принтере.

Устранение «человеческого фактора», снижение рисков и ошибок. Изделие, созданное с помощью 3D-принтера, на 99% повторяет CAD-модель. Но нельзя забывать, что у любой техники бывают сбои. Хотя производители стараются снизить эту проблему у 3D принтеров к минимуму. Будем надеяться, что в скором времени все устройства будут работать без возможности сбоев [4].

Улучшение параметров готовых изделий: снижение веса, повышение точности и прочности. Продукция 3D-принтеров обладает рядом преимуществ в свойствах. Пластик один из самых легких материалов, но при этом обладает довольно хорошей прочностью и пластичностью.

Возможность управлять физико-механическими свойствами деталей путем смешивания различных материалов (например, сплавов различных металлов).

Благодаря 3D принтеру внедрение в повседневную жизнь человека роботов становится не такой невообразимой задачей. Ведь теперь каждый обладатель определенных знаний в сфере программирования и заветного 3D принтера может создать собственного робота-помощника [5]. Игрушки-роботы уже давно представлены на рынке потребительских товаров – среди наиболее популярных моделей, например, Sony Aibo, которую перевыпустили после 11-летнего перерыва. Приобрести игрушку сейчас можно за 1800 долларов – однако у любителей 3D-печати и робототехники есть и другой вариант, они могут изготовить собственного механического питомца. Именно так поступил программист из США, который создал робокота при помощи своего 3D принтера.

Разработка автономных систем на факультетах компьютерной технологии и автоматики технических вузов сопровождается изучением моральных дилемм, связанных с программированием «этических алгоритмов». Ученые и студенты анализируют сценарии, в которых машина должна выбрать меньшее из двух зол в условиях неопределенности. Архитектура таких систем должна предусматривать наличие механизмов экстренной остановки и прозрачность логики принятия решений для внешнего аудита. Это необходимо для обеспечения подотчетности и возможности корректировки поведения роботов в реальном времени. Инновации в военной робототехнике должны служить в первую очередь целям обороны и минимизации человеческих потерь.

Этическая экспертиза должна сопровождать все этапы жизненного цикла разработки — от проектирования архитектуры до полевых испытаний и боевого дежурства. Многие эксперты призывают к полному запрету «роботов-убийц», утверждая, что право лишать человека жизни не может быть передано набору математических формул. В то же время сторонники технологий подчеркивают, что роботы не подвержены эмоциям, страху и усталости, что потенциально может снизить количество инцидентов, вызванных человеческим фактором. Поиск баланса между военной эффективностью и гуманитарными ценностями остается главной задачей для разработчиков нового поколения.

Интеграция систем искусственного интеллекта в командные структуры требует создания новых моделей взаимодействия «человек-машина», основанных на взаимном доверии и четком распределении ролей. Обучение операторов управлению автономными роями требует высокой психологической устойчивости и понимания алгоритмических ограничений. Технологический прогресс опережает развитие законодательной базы, что создает правовой вакуум в вопросах применения автономного оружия. Глобальное сообщество должно стремиться к созданию единых стандартов, исключающих бесконтрольную гонку вооружений в сфере робототехники. Будущее безопасности человечества зависит от нашей способности вовремя установить этические границы для искусственного разума.

Рациональное использование данных при обучении систем идентификации целей должно исключать любую возможность дискриминации по расовому или этническому признаку. Качество обучающих выборок напрямую влияет на этическую корректность действий автономных систем в реальных условиях. Постоянный мониторинг и аудит алгоритмов позволяют выявлять скрытые ошибки в логике поведения боевых роботов. Создание безопасной и предсказуемой робототехники является приоритетным направлением для ведущих лабораторий мира. Мы работаем над тем, чтобы технологии служили защите мира, а не эскалации насилия.

Применение автономных систем в поисково-спасательных операциях и при разминировании территорий демонстрирует положительный потенциал робототехники. Здесь этические аспекты связаны с надежностью выполнения миссии и защитой жизни самих спасателей. Обучение моделей для работы в условиях завалов и высокого радиационного фона требует уникальных архитектурных решений. Использование роботов в гуманитарных целях повышает общественное одобрение технологий искусственного интеллекта. Важно четко разделять гражданские и военные сферы применения автономных алгоритмов.

Экологические последствия масштабного производства и использования боевых роботов также должны учитываться в рамках этического анализа. Утилизация поврежденной техники и электронных компонентов требует разработки специфических протоколов безопасности. Переход к более долговечным и ремонтопригодным конструкциям снижает нагрузку на окружающую среду. «Зеленая» робототехника становится важным трендом, объединяющим заботу о безопасности и экологии. Ответственность перед будущими поколениями включает в себя сохранение пригодной для жизни планеты.

Прозрачность процессов разработки и международное сотрудничество в области контроля над вооружениями являются залогом предотвращения глобальных катастроф. Обмен опытом между учеными и юристами позволяет создавать более совершенные механизмы сдерживания. Архитектура безопасности будущего будет строиться на сочетании технических инноваций и незыблемых моральных принципов. Понимание этических рисков позволяет минимизировать негативные последствия внедрения новых технологий. Мы стремимся к созданию мира, где робототехника служит исключительно на благо человечества.

Демократизация технологий и возможность создания дешевых автономных систем негосударственными субъектами создают новые вызовы для глобальной безопасности. Контроль за распространением критических компонентов и алгоритмов становится важнейшей задачей правоохранительных органов. Обучение систем защиты от несанкционированного использования автономного оружия требует постоянного совершенствования методов кибербезопасности. Каждая инновация должна проходить проверку на устойчивость к взлому и перехвату управления. Защищенность систем является необходимым условием их этичного применения.

Включение курсов по профессиональной этике в программы подготовки инженеров на факультетах автоматики способствует формированию ответственного подхода к творчеству. Студенты должны осознавать долгосрочные последствия своих разработок для судеб миллионов людей. Взаимодействие образования, религии и философии в изучении искусственного интеллекта обогащает научный дискурс. Это позволяет вырабатывать более глубокие и взвешенные решения в области проектирования разумных машин. Этика становится компасом в мире высоких технологий.

Системный подход к изучению автономных систем включает в себя междисциплинарный анализ социальных сдвигов, вызванных автоматизацией войны. Изменение роли солдата на поле боя требует переосмысления понятий мужества, чести и воинского долга. Психологическая нагрузка на операторов, принимающих дистанционные решения, остается крайне высокой и требует специальной поддержки. Исследования в области нейроэтики помогают понять механизмы взаимодействия человеческого сознания с машинным разумом. Мы находимся в начале пути к созданию гармоничного симбиоза человека и робота.

Постоянное совершенствование алгоритмов верификации кода позволяет гарантировать соответствие действий системы заданным этическим параметрам. Математические методы доказательства корректности программ становятся обязательным элементом разработки автономных систем. Это исключает возможность случайного выхода робота за рамки разрешенного поведения. Обучение моделей самоконтролю и анализу собственных действий повышает общую надежность комплекса. Доверие к технологиям базируется на их предсказуемости и прозрачности.

Адаптация существующих норм права вооруженных конфликтов к новым технологическим реалиям требует времени и коллективных усилий всех государств. Международные комитеты активно работают над созданием юридических определений «автономии» и «критических функций» оружия. Процесс согласования интересов различных стран является сложным, но необходимым для поддержания глобальной стабильности. Каждый шаг в сторону международной стандартизации снижает риск случайных столкновений. Сохранение человеческого достоинства в эпоху автоматизации — наш главный приоритет.

Разработка систем подавления и нейтрализации враждебных автономных систем должна вестись с соблюдением принципа пропорциональности. Оборона от роботов требует создания таких же быстрых и эффективных алгоритмов противодействия. Обучение систем радиоэлектронной борьбы и перехвата целей позволяет минимизировать ущерб инфраструктуре. Инновации в сфере безопасности способствуют укреплению мира и предотвращению агрессии. Мы верим, что разумное использование технологий сделает войны менее кровопролитными или полностью исключит их из жизни общества.

Рациональное распределение ресурсов на научные исследования в области гуманной робототехники принесет плоды в виде новых гражданских технологий. Многие военные разработки со временем находят применение в медицине, транспорте и быту. Архитектурная гибкость моделей позволяет легко переносить накопленный опыт из одной сферы в другую. Обучение нейросетей решать мирные задачи способствует общему процветанию и технологическому прогрессу. Мы поддерживаем открытость знаний и свободный обмен научными идеями.

 Заключение

В заключение стоит отметить, что этика использования автономных систем — это не ограничение прогресса, а условие его выживания. Технологии должны развиваться в русле общечеловеческих ценностей и уважения к правам личности. Мы продолжаем углублять наши знания о методах контроля за искусственным интеллектом для обеспечения безопасного будущего. Коллективная мудрость ученых и политиков позволит нам пройти этот сложный этап цифровой трансформации. Каждое техническое решение должно проходить проверку на человечность.