Роботехніка — порівняно новий і інтенсивно розвиваємий науковий напрямок, викликаний до життя необхідністю освоєння нових сфер і галузей діяльності людини, а також потребою широкої автоматизації сучасного виробництва, спрямованої на різке підвищення його ефективності. Використання автоматичних програмованих пристроїв — роботів — у дослідженні космосу і океанських глибин, а з 60-х рр. нашого століття і у виробничій сфері, швидкий прогрес у галузі створення і використання роботів в останні роки зумовили необхідність інтеграції наукових знань ряду суміжних фундаментальних і технічних дисциплін у єдиному науково-технічному напрямі — робототехніці.
Ідея створення роботів — механічних пристроїв, своїм зовнішнім виглядом і діями подібних людям або яким-небудь живим істотам, захоплювала людство з незапам’ятних часів. Навіть у легендах і міфах людина прагнула створити образ рукотворних істот, наділених фантастичною фізичною силою і спритністю, здатних літати, жити під землею і водою, діяти самостійно і в той же час беззаперечно підкорятися людині і виконувати за нього найважчу і небезпечну роботу. Ще в «Іліаді» Гомера (VI ст. До н. Е.) Говориться про те, що кульгавий коваль Гефест, бог вогню і покровитель ковальського ремесла, викував із золота дівчат, які виконували його доручення.
… Назустріч йому золоті служниці вмить підбігали,
Подібні дівам живим, у яких
Розум в грудях укладений і голос, і сила,
Яких самим різним працям навчали
Безсмертні боги …
У сучасної людини ці «служниці» неодмінно асоціюються з антропоморфними, тобто створеними за образом і подобою людини, автоматичними універсальними пристроями — роботами.
Робототехніка спирається на такі дисципліни, як електроніка, механіка, інформатика, а також радіотехніка та електротехніка. Виділяють будівельну, промислову, побутову, авіаційну та екстремальну (військову, космічну, підводну) робототехніку.
Сьогодні людство практично впритул підійшло до того моменту, коли роботи будуть використовуватися у всіх сферах життєдіяльності. Тому курси робототехніки та комп’ютерного програмування необхідно вводити в освітні установи.
Вивчення робототехніки дозволяє вирішити наступні завдання, які стоять перед інформатикою як навчальним предметом. А саме, алгоритмізація та програмування, основи логіки і логічні основи комп’ютера.
Також вивчення робототехніки можливо в курсі математики (реалізація основних математичних операцій, конструювання роботів), технології (конструювання роботів, як за стандартнми збіроками, так і довільно), фізики (складання деталей конструктора, необхідних для руху робота-шасі).
Класи роботів
Маніпуляційний робот — автоматична машина (стаціонарна або пересувна), що складається з виконавчого пристрою у вигляді маніпулятора, що має кілька ступенів рухливості, і пристрої програмного управління, яка служить для виконання у виробничому процесі рухових і керуючих функцій. Такі роботи виробляються в підлоговому, підвісному і портальному виконаннях. Набули найбільшого поширення в машинобудівних і приладобудівних галузях.
Мобільний робот — автоматична машина, в якій є рухоме шасі з автоматично керованими приводами. Такі роботи можуть бути колісними, крокуючими і гусеничними (існують також плазуючі, плаваючі і літаючі мобільні робототехнічні системи.
Компоненти роботів
Приводи — це «м’язи» роботів. В даний час найпопулярнішими двигунами в приводах є електричні, але застосовуються й інші, що використовують хімічні речовини або стиснене повітря.
Двигуни постійного струму: На даний момент більшість роботів використовують електродвигуни, які можуть бути декількох видів.
Крокові електродвигуни: Як можна припустити з назви, крокові електродвигуни не обертається вільно, подібно двигунів постійного струму. Вони повертаються покроково на певний кут під управлінням контролера. Це дозволяє обійтися без датчика положення, оскільки кут, на який був зроблений поворот, наперед відомий контролеру; тому такі двигуни часто використовуються в приводах багатьох роботів і верстатах з ЧПУ.
Пьезодвигунів: Сучасною альтернативою двигунам постійного струму є пьезодвигуни, також відомі як ультразвукові двигуни. Принцип їх роботи досить оригінальний: крихітні пьезоелектричні
ніжки, вібруючі з частотою більше 1000 разів на секунду, змушують мотор рухатися по колу або по прямій. Перевагами подібних двигунів є висока нанометрична точність, швидкість і потужність, несумірна з їх розмірами. Пьезодвигуни вже доступні на комерційній основі і також застосовуються на деяких роботах.
Повітряні м’язи: Повітряні м’язи — простий, але потужний пристрій для забезпечення сили тяги. При накачуванні стисненим повітрям м’язи здатні скорочуватися до 40% від своєї довжини. Причиною такої поведінки є плетіння, видиме з зовнішнього боку, яке змушує м’язи бути або довгими і тонкими, або короткими і товстими. Так як спосіб їх роботи схожий з біологічними м’язами, їх можна використовувати для виробництва роботів з м’язами і скелетом, аналогічними м’язам і скелету тварин.
Електроактивні полімери: електроактивні полімери — це вид пластмас, який змінює форму у відповідь на електричну стимуляцію. Вони можуть бути сконструйовані таким чином, що можуть гнутися, розтягуватися або скорочуватися. Втім, в даний час немає ЕАП, придатних для виробництва комерційних роботів, так як всі нині існуючі їх зразки неефективні або неміцні.
Еластичні нанотрубки: Це — багатообіцяюча експериментальна технологія, яка перебуває на ранній стадії розробки. Відсутність дефектів в нанотрубках дозволяє волокну еластично деформуватися на кілька відсотків. Людський біцепс може бути замінений проводом з такого матеріалу діаметром 8 мм. Подібні компактні «м’язи» можуть допомогти роботам в майбутньому обігнати і перестрибнути людину.
Способи переміщення
Колісні та гусеничні роботи
Крокуючі роботи
Інші методи переміщення:
Літаючі роботи (у тому числі БПЛА — безпілотні літальні апарати).Повзаючі роботи.Роботи, що переміщаються по вертикальних поверхнях.Плаваючі роботи.Системи управління
Під управлінням роботом розуміється рішення комплексу завдань, пов’язаних з адаптацією робота до кола розв’язуваних ним завдань, програмуванням рухів, синтезом системи управління та її програмного забезпечення.
За типом управління робототехнічні системи поділяються на:
1. Біотехнічні :
1.1. командні (кнопкове і важільне управління окремими ланками робота);
1.2. копіюють (повтор рухи людини, можлива реалізація зворотного зв’язку, що передає додається зусилля, екзоскелети);
1.3. напівавтоматичні (управління одним командним органом, наприклад, рукояткою всією кінематичною схемою робота);
2. Автоматичні :
2.1. програмні (функціонують за заздалегідь заданою програмою, в основному призначені для вирішення одноманітних завдань в незмінних умовах оточення);
2.2. адаптивні (вирішують типові завдання, але адаптуються під умови функціонування);
2.3. інтелектуальні (найбільш розвинені автоматичні системи);
3. Інтерактивні :
3.1. автоматизовані (можливо чергування автоматичних і біотехнічних режимів);
3.2. супервізорні (автоматичні системи, в яких людина виконує тільки цілевказувальні функції);
3.3. діалогові (робот бере участь у діалозі з людиною за вибором стратегії поведінки, при цьому як правило робот оснащується експертною системою, здатною прогнозувати результати маніпуляцій і дає поради щодо вибору мети).
Серед основних завдань управління роботами виділяють такі:
планування положень;планування рухів;планування сил і моментів;аналіз динамічної точності;ідентифікація кінематичних і динамічних характеристик робота.
У розвитку методів керування роботами величезне значення мають досягнення технічної кібернетики та теорії автоматичного управління.
Підвиди сучасних роботів:Промислові роботи
Медичні роботи
Побутові роботиРоботи для забезпечення безпекиБойові роботи
Роботи-вчені
До теперішнього часу роботи впроваджені в багато сфер діяльності людини і продовжують доповнювати і іноді заміняти людську працю як в небезпечних видах діяльності, так і в повсякденному житті.