9.1. Роботы в жизни человека

Определения и обозначения

Робот — автоматическое устройство, которое воспринимает информацию об окружающей среде, обрабатывает её и выполняет запрограммированные действия. Иначе говоря, робот не просто движется: он получает сведения, например о препятствии, и использует их при работе. Это определение помогает отличить робота от устройства, которое всегда повторяет одну и ту же операцию, не учитывая обстановку. Роботами могут быть устройства разной формы и назначения.

Робототехника — область науки и техники, связанная с созданием, программированием и применением роботов. Она объединяет работу над устройством робота и его программой. Чтобы робот мог решать задачу, нужно продумать, что он будет воспринимать и как действовать. Робототехника нужна, чтобы создавать и совершенствовать такие системы для разных сфер жизни.

Датчик — устройство робота, предназначенное для получения сведений о внешней среде и состоянии самого робота. Например, датчик может сообщить о приближении стены или о положении детали. Благодаря этим сведениям система управления может выбрать подходящую команду. Без датчиков робот не смог бы учитывать изменения, которые происходят вокруг него.

Исполнительный механизм — часть робота, которая преобразует команды управления в движение или другое действие. К исполнительным механизмам относятся, например, моторы, колёса и захваты. Они нужны, чтобы робот мог переместиться, поднять предмет или выполнить другую задачу. Датчик сообщает, что происходит, а исполнительный механизм помогает роботу действовать.

Как это устроено

В роботе есть датчики, устройство управления, исполнительные механизмы, источник питания и программное обеспечение. Эти части нужны вместе: датчики собирают сведения, управление выбирает действия, а механизмы выполняют их. Источник питания даёт энергию, без которой система не сможет работать. Программное обеспечение задаёт правила, по которым робот обрабатывает сведения и выбирает команды.

Работа робота обычно начинается с получения информации: датчики обнаруживают изменения вокруг или внутри устройства. Устройство управления обрабатывает эти сведения по программе и определяет, какое действие подходит в данной ситуации. Затем команда поступает к исполнительному механизму, который, например, поворачивает колесо или перемещает захват. Такой порядок нужен, чтобы действия робота зависели не только от заранее заданного времени, но и от условий.

От обычного автомата робот отличается тем, что может воспринимать обстановку и изменять действия в зависимости от полученной информации. Например, устройство, которое всегда двигается по одному маршруту и не замечает препятствий, просто выполняет заданный цикл. Если же система обнаруживает преграду и по программе останавливается или меняет направление, она учитывает сведения от датчиков. Поэтому важно смотреть не на название или внешний вид устройства, а на то, как оно работает.

Роботов применяют вместо человека, когда работа опасна, тяжела, однообразна или требует высокой точности. Машина может выполнять повторяющиеся движения на производстве, а исследовательский аппарат — работать там, куда человеку трудно или рискованно попасть. Это снижает опасность для людей и помогает выполнять задачи с нужной точностью. Роботы также могут долго повторять заданные действия без усталости, хотя им всё равно нужны энергия и техническое обслуживание.

Безопасность зависит от того, насколько правильно составлена программа и учтены возможные ситуации. Если робот не распознаёт человека или предмет, его движение может привести к травме или поломке. Поэтому систему проверяют, ограничивают опасные действия и предусматривают остановку при неполадке. Контроль человека нужен, чтобы заметить ситуацию, которую программа или датчики не умеют правильно обработать.

Применение роботов в различных сферах жизни

В таблице собраны примеры роботов и их пользы в разных областях. Сравнивая строки, можно увидеть, что назначение робота определяет его действия, а датчики и механизмы подбирают под задачу. Один и тот же принцип работы применяется и на заводе, и дома, но устройства устроены по-разному.

Разбор задач

Рассмотрим, как определить основные части робота-пылесоса. Нужно связать каждую часть с её функцией: получение сведений, обработка команд, выполнение действий или подача энергии. Такой разбор помогает понять, как конкретное устройство устроено как система. При этом некоторые модели могут иметь дополнительные датчики и функции.

1. Найдём датчики: они обнаруживают препятствия, край лестницы и другие изменения, если модель оснащена такими датчиками.
2. Устройство управления — электронная система, которая обрабатывает показания датчиков и программу уборки.
3. Исполнительные механизмы — моторы, колёса и щётки: они перемещают пылесос и собирают мусор.
4. Источник питания — аккумулятор, который обеспечивает энергией работу устройства.

Ответ: у робота-пылесоса есть датчики, устройство управления, исполнительные механизмы и аккумулятор. Чтобы проверить себя, спроси, какую роль играет каждая названная часть. Если элемент получает сведения, это датчик; если двигает устройство или его детали, это исполнительный механизм.

Теперь выясним, можно ли считать автоматические двери, светофор и робота-манипулятора роботами. Для каждого примера проверим, получает ли устройство сведения, управляет ли действиями по программе и выполняет ли их самостоятельно. Одного двигателя или автоматического включения недостаточно: важна способность учитывать информацию. У разных моделей устройство может отличаться, поэтому вывод зависит от их возможностей.

1. Автоматические двери получают сигнал от датчика движения или присутствия и открываются по заданным правилам.
2. Светофор обычно переключает сигналы по программе или сигналам системы управления, но чаще всего не воспринимает обстановку на дороге самостоятельно.
3. Робот-манипулятор выполняет программу, а датчики на нём могут сообщать о положении деталей или захвата.

Ответ: манипулятор можно считать роботом, если он получает информацию и использует её для выполнения действий. Автоматические двери могут обладать отдельными признаками робота, но простая модель лишь реагирует на сигнал и выполняет заданное открывание. Обычный светофор — автоматическое устройство, а не робот, если он не воспринимает дорожную обстановку и не меняет работу по таким сведениям.

Представим опасное помещение, например комнату с высокой температурой или вредными веществами. Человеку нельзя входить туда без защиты, поэтому нужно предложить робота, который сможет обследовать место и выполнить простую задачу. Сначала определим, какие сведения необходимы, затем подберём способы движения и действия. Конструкция и программа должны учитывать, что связь или датчики могут дать сбой.

1. Добавим датчики температуры и вредных веществ, а также датчик расстояния, чтобы обнаруживать препятствия.
2. Предусмотрим прочные колёса или гусеницы для движения и манипулятор, если нужно нажать кнопку или переместить предмет.
3. Зададим программу: двигаться по маршруту, передавать показания, обходить препятствия и остановиться при опасном значении или потере связи.

Ответ: для такого помещения подойдёт дистанционно контролируемый робот с датчиками, средствами передвижения и, если требуется, манипулятором. Программа должна предусматривать безопасную остановку, а человек — следить за его работой и получать данные. Конкретный набор деталей выбирают по задаче и условиям помещения.

Типичные ошибки

Ошибка — называть роботом любое устройство с электродвигателем. Её допускают, потому что мотор заметен и создаёт движение, но сам по себе он не означает, что устройство получает информацию и управляется по программе. Проверь, есть ли у системы датчики и меняются ли действия в зависимости от их показаний. Если устройство только повторяет движение по команде, одного мотора для определения робота недостаточно.

Некоторые думают, что робот обязательно должен быть похож на человека. Так кажется из-за фильмов и игрушек, где роботов часто изображают с руками и лицом. На деле форму выбирают для выполнения задачи: захвату нужна рука, а пылесосу удобнее быть низким и круглым. Проверь себя вопросом: выполняет ли устройство робототехнические функции, а не похож ли его корпус на человека.

Датчики иногда путают с исполнительными механизмами. Причина в том, что оба вида деталей находятся внутри одного устройства и участвуют в его работе. Но датчик получает информацию, а исполнительный механизм выполняет действие, например вращает колесо. Чтобы проверить ответ, определи направление работы детали: она сообщает о состоянии или меняет его?

Ещё одна ошибка — считать, что робот принимает решения полностью самостоятельно, без программы и правил. Это впечатление создаёт способность робота реагировать на изменения, однако такую реакцию задают программа и возможности датчиков. Сверь предполагаемое действие с тем, что устройство способно обнаружить и выполнить. Если нужных сведений или команды нет, робот не сможет надёжно решить задачу; поэтому необходимы также контроль человека и меры безопасности.

Связь с другими темами

Для понимания роботов пригодятся знания об устройстве компьютера, программах, алгоритмах и командах: устройство управления выполняет правила, заданные программой. В программировании робот рассматривается как исполнитель, который действует по алгоритму и имеет набор доступных команд. Позже эти знания помогут изучать робототехнические системы и автоматизацию — передачу повторяющихся действий технике. Они также связаны с искусственным интеллектом и безопасным взаимодействием человека с техникой.

Что запомнить

• Робот — программируемое устройство, способное воспринимать информацию и выполнять действия.
• Основные элементы робота — датчики, устройство управления, исполнительные механизмы, источник питания и программа.
• Датчики сообщают роботу сведения об окружающей среде.
• Исполнительные механизмы обеспечивают движение или другое воздействие.
• Роботы особенно полезны в опасной, тяжёлой, однообразной и высокоточной работе.
• Робот не действует вне заложенной программы и доступных ему способов восприятия и воздействия.
• При применении роботов необходимо учитывать безопасность человека.