Digitable/Определение роботизированных систем, классификация и применение

Created Sun, 01 May 2022 22:23:06 +0300 Modified Mon, 01 Jun 2026 00:45:26 +0000
2754 Words

Определение роботизированных систем, классификация и применение

Содержание

  • Что такое роботы, их классификация
    • История создания
    • Основные принципы и законы робототехники
    • Классификация роботов
  • Роботы в образовании
    • Робот-преподаватель
    • Робот-компаньон
  • Создние робота для образования
    • Технические требования
    • Преимущества и недостатки
    • Выбор инструментов
  • Заключение
  • Список литературы

Введение

С развитием современных технологий робототехника занимает все больше места на производстве и в повседневной жизни. Со временем роботизированные системы придут в образование и другие отрасли. В данной работе приведена общая информация о робототехнике, ее истории и актуальности в образовании. Первый раздел посвящен базовым понятиям и историческим элементам. В нем рассмотрены основные принципы робототехники и классификация роботов. Во втором разделе описаны некоторые классы роботов, применимых в образовании. Заключительный третий раздел целиком посвящен идее создания роботизированной системы для образования, затрагивания постановку задачи, выбор инструментов и рассматривая преимущества и недостатки.

Что такое роботы, их классификация

1.1 История создания

Одной из молодых отраслей прикладных наук является робототехника. Главная ее цель – это автоматизация технических систем. Благодаря научно-фантастической пьесе «Россумские универсальные роботы» братьев Чапек в начале 20 в. появилось слово «робот», которое в переводе с чешского языка означает каторга или подневольный труд. В этом произведении данный термин использовался в качестве искусственно созданных людей. Они работали на тяжёлых и опасных производствах.

Позже понятие «робот» стало достаточно популярным среди механических устройств, даже несмотря на то, что в пьесе их производили на фабриках органических тканей. Раньше роботов воспринимали как нечто необычное и фантастическое. Однако те времена давно прошли, что привело к тому, что роботы стали неотъемлемой частью нашей жизни. В отличие от простых механических автоматов, роботы могут не следовать заложенному алгоритму, а адаптироваться к изменяющимся ситуациям, воспринимая внешние сигналы.

Робототехника опирается на такие дисциплины, как электроника, механика, кибернетика, телемеханика, мехатроника, информатика, а также радиотехника и электротехника. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, медицинскую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.

Некоторые идеи, положенные позднее в основу робототехники, появились ещё в античную эпоху — задолго до введения перечисленных выше терминов. Найдены остатки движущихся статуй, изготовленных в I веке до нашей эры. В «Илиаде» Гомера говорится, что бог Гефест сделал из золота говорящих служанок, придав им разум (то есть — на современном языке — искусственный интеллект) и силу.

Рассмотрим известные решения робототехники на пути к текущей современности.

Некоторые идеи робототехники появились еще в античности. Например, древнегреческий механик Архит Тарентском изобрел механического летающего голубя. А всем известный Леонардо да Винчи сконструировал механического льва, который при въезде короля мог бы показывать герб Франции. Также интересным изобретением 18 в. была механическая кукла «Писец», созданная часовщиком П. Жаке-Дрозом. Она должна была быть запрограммирована на написание текста до 40 букв. К началу 20 в. начинают появляться андроиды, способные реализовывать простейшие движения и произносить короткие фразы.

Широкое внедрение промышленных станков с числовым программным управлением стало стимулом для создания программируемых манипуляторов, используемых для погрузки и разгрузки станочных систем. В 1954 году американским инженером Д. Деволом был запатентован метод управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт, как следствие в 1956 году совместно с Д. Энгельбергером им была создана первая в мире промышленная компания «Юнимейшн» (англ. Unimation от Universal Automation) по производству промышленной робототехники. 1 В 1962 году вышли в свет первые в США промышленные роботы «Версатран» и «Юнимейт», причём некоторые из них функционируют до сих пор, преодолев порог в 100 тысяч часов рабочего ресурса. Если в этих ранних системах соотношение затрат на электронику и механику составляло 75 % к 25 %, то в настоящее время оно изменилось на противоположное. При этом конечная стоимость электроники продолжает неуклонно снижаться. Появление в 1970-х годах недорогих микропроцессорных систем управления, которые заменили специализированные блоки управления роботов на программируемые контроллеры, способствовало снижению стоимости роботов примерно в три раза. Это послужило стимулом для их массового распространения по всем отраслям промышленного производства. Множество подобных сведений содержится в книге «Робототехника: История и перспективы» И. М. Макарова и Ю. И. Топчеева, представляющей собой популярный и обстоятельный рассказ о роли, которую сыграли (и ещё сыграют) роботы в истории развития цивилизации.

1.2 Основные принципы и законы робототехники

В отличии от жёстко структурированного рабочего пространства лаборатории, производственного помещения (участка, цеха) или испытательного полигона, реальная среда, в которой будут функционировать роботы, характеризуется высоким уровнем динамической неопределенности. Во-первых, это может быть вызвано специфическими особенностями самой среды, которые можно интерпретировать как внешние возмущения (ветер, волны, подводные течения, неровности ландшафта и т.д.). С другой стороны, неопределенности могут быть связаны с активными объектами, представляющими для робота цели или, наоборот, подвижные препятствия. Отдельного внимания в этом контексте заслуживают приложения, в которых робот выступает ассистентом для человека при перемещении, сборке или обработке. Кроме того, необходимость адаптации алгоритмов управления может возникнуть при непредвиденном изменении состояния самого робота, например, при выходе из строя отдельных технологических узлов. Роботы взаимодействуют с человеком, а в ряде приложений, таких как социальная и реабилитационная робототехника, это взаимодействие крайне важно.

В области робототехники в последнее время все чаще наблюдается интересная тенденция: прототипами для создания роботов становится насекомые и микроорганизмы. Инженеры изучают особенности строения тела тараканов, чтобы создать супергибкие машины, способные пробираться сквозь очень мелкие щели и разыскивать выживших под завалами. В научной фантастике существует три закона роботехники — обязательные правила поведения для роботов, впервые сформулированные Айзеком Азимовым в рассказе «Хоровод» (1942).

Если эти принципы в идеале реализовать в современных роботах, то бояться восстания машин не стоит. Известно, что превосходство роботов над человеческим организмом ограничено лишь неуязвимостью первых к некоторым критическим для нас факторам (например, радиация). Однако над совершенствованием искусственного интеллекта люди бьются с огромным упорством не просто так: безошибочно гуманоиды способны выполнять только 700 одновременно загруженных команд. Но как научить робота отличать маленького ребенка от объекта, похожего на него размерами и характеристиками, который подлежит уничтожению?

В июне 2019 г. лидерами стран Группы двадцати была принята Осакская декларация (необязательная к исполнению юридически), в которой глубоко проработана проблема развития и внедрения технологии искусственного интеллекта (ИИ). Согласно данному документу, страны Группы двадцати, учитывая имеющийся опыт применения ИИ, выражают намерение сформировать благоприятные условия для разработки, исследования и применения «человеко-ориентированного искусственного интеллекта» (human-centered AI). Поддержанные организацией принципы представляют собой инструкцию по минимизации негативных последствий использования искусственного интеллекта. Так, общепринятыми принципами развития искусственного интеллекта были признаны:

  1. Содействие инклюзивному росту, устойчивому развитию и благополучию
  2. Приоритетность человеческих ценностей и справедливости, защита прав и свобод человека
  3. Прозрачность и объяснимость (обеспечение доступа к общей информации о механизмах функционирования искусственного интеллекта)
  4. Надежность, безопасность и стабильность
  5. Подотчетность (лица или организации, разрабатывающие или внедряющие искусственный интеллект, должны придерживаться перечисленных принципов и нести ответственность за свою деятельность)

1.3 Классификация роботов

Классификации роботов зависит, в первую очередь от категоризации, например, по сфере применения, по назначению, по способу передвижения, и пр. По сфере основного применения выделяют промышленных роботов, исследовательских роботов, роботов, используемых в обучении, специальных роботов. Важнейшие классы роботов широкого назначения — манипуляционные и мобильные роботы.

  1. Манипуляционный робот — автоматическая машина (стационарная или передвижная), состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и устройства программного управления, которая служит для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций. Такие роботы производятся в напольном, подвесном и портальном исполнениях. Получили наибольшее распространение в машиностроительных и приборостроительных отраслях. \

  2. Мобильный робот — автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колёсными, шагающими и гусеничными (существуют также ползающие, плавающие и летающие мобильные робототехнические системы).

Роботы в образовании 2

Робот-преподаватель

Высокие технологии открыли новую нишу дистанционного обучения в образовательной системе. Существует предположение, что в будущем традиционных учителей заменят учителя–роботы, а сама профессия преподавателя исчезнет из-за ненадобности. Достаточное количество обязанностей учителей перешло к роботизированным системам. К примеру, поиск информации к занятию. Учитель делает это исключительно через интернет. Следовательно, часть профессиональной нагрузки уже легла на роботы-поисковики, что привело к тому, что преподаватели уже практически не пользуются бумажными носителями, а используют только интернет–ресурсы и накопители данных. Точно также дело обстоит и с проверкой тестовых работ, в большинстве случаев это делает не человек, а компьютерная система, исправляя ошибки и не допуская погрешности базирующихся на человеческих факторах, таких как усталость, недомогание и т. д. Не стоит обходить стороной социальные проблемы, которые способна решить робототехника, среди них личная неприязнь к ученику. Здесь, при выставлении оценки, не будет играть роль человеческий фактор и отношение к студенту у преподавателя. Следовательно, оценка студента полностью базируется на соответствие знаний заложенной в систему проверке. Однако, немаловажным способом обучения является подражание и индивидуальный подход, а не только возможность в короткое время получить доступ к любой информации. С другой стороны, возможности сети Интернет и робототехники позволяют использовать в обучении аудио и видео форматы, а также презентации и прочее, что позволяет полностью отказаться от привязанности к локации или времени проведения занятий.

Робот-компаньон

Социальные роботы, или роботы-компаньоны, являются одной из развивающихся сфер, цель которой заключается в оптимизации отраслей социума путём их автоматизации. Роботов-компаньонов можно разделить на несколько видов, в соответствие с поставленной перед ними задачей. К примеру, роботы-няни, в чьи обязанности входит наблюдение за детьми, малоподвижными пациентами или пожилыми людьми. Основные функции таких роботов — реакция на команды или поведение подопечного, а также передача сигналов оператору в случае возникновения ситуаций, требующих участия человека. Другой вид роботов-компаньонов — роботы-питомцы, которые призваны составить компанию человеку, чтобы скрасить его пребывание в одиночестве. Роботы-питомцы могут реагировать на команды человека, играть, искать предметы, воспроизводить музыку и др. Они также запрограммированы на определённые самостоятельные действия, такие как подключение к зарядному устройству при низком уровне заряда или отключение при низком уровне освещённости. Главная задача разработчиков подобных роботов — создать устройство, которое сумеет вызвать привязанность, симпатию у человека и способно поддерживать контакт со своим хозяином. Для программирования роботов-компаньонов инженеры используют модели поведения животных или людей.

Создание робота для образования

3.1 Технические требования

Однозначно не стоит путать роботов с компьютерными программами. Даже искусственный интеллект сам по себе - еще не робот. Роботы имеют материальную оболочку и физически взаимодействуют с окружающим миром, выполняя в нём определённые задачи. Международный стандарт ISO 8373:2012 3 «Роботы и роботизированные устройства» определяет робота как приводной механизм, программируемый по двум и более осям, который имеет некоторую степень автономности, движется внутри своей рабочей среды и выполняет предназначенные ему задачи. Основываясь на международном стандарте, мы можем составить минимальные технические требования.

С большей вероятностью будет верным тот факт, что роботу в сфере образования достаточно находиться в одном помещении, либо располагаться в границах одной образовательной организации. Отсутствие в необходимости перемещения - ключевое отличие подобной системы, так как она одновременно существует на экранах при входе, в мобильных и переносных устройствах, сети Интернет (либо локальной сети) и так далее. Тем самым обеспечивается мгновенная обработка информации за счёт получения доступа к данным в децентрализованной сети.

Также с инженерной точки зрения, такому роботу не требуется особо прочный корпус и возможность взаимодействия с тяжелыми объектами. Опционально такая система может обладать некоторым количеством простых манипуляторов, возможно, даже телескопических. При необходимости для ориентации в пространстве необходимо будет установить лидар или систему стереозрения (для построения трехмерной модели пространства и для получения информации о цвете и яркости объекта на пути следования, о его геометрической форме, о препятствиях на пути и о расстоянии до них). Также дополнительно потребуются камера для распознавания объектов и людей, микрофон для записи звука и динамик.

Форма робота может быть потенциально любой. К примеру, для работы с детьми существует практика создавать роботов в виде мягких игрушек или андроидов небольших размеров. Для более взрослой аудитории требования к внешнему виду становятся менее жесткими, основной упор делается на функциональность, возможности.

Далее рассмотрим роботизированную систему с точки зрения программного обеспечения.

Вычисления для таких систем можно организовать минимум двумя способами. Либо необходимо будет установить автономное ядро и все вычисления производить непосредственно самой машиной, либо делегировать задачи на облачные сервисы и получать уже готовый результат. Но в любом случае потребуется установить как минимум микроплатный компьютер, которого в теории будет достаточно для выполнения всех вычислений и автономно.

В первую очередь нужно обратиться с закладываемым возможностям робота. Перемещение в пространстве достаточно трудно запрограммировать без алгоритмов машинного обучения. Подобные технологии возможно заимствовать в открытых проектах для беспилотного транспорта. Распознавание образов также строится на основе искусственного интеллекта. Подобные алгоритмы также возможно найти в открытом доступе. Работа с манипуляторами также упрощается, так как существуют решения для протезов конечностей, которые на данный момент функционально во многих отношениях превосходят свои природные прототипы. Такие алгоритмы позволяют запрограммировать чувствительность к температуре и тактильные ощущения.

Речевой модуль может использовать решения для электронных ассистентов. На данный момент генерируемый голос достаточно близок к реальным человеческим голосам. Перечисленные выше типы алгоритмов относятся лишь к периферийной части робота. Основные программы на данный момент достаточно плохо развиты. Не существует универсальных решений, к примеру, подстроиться под принятый документооборот. Или нет адаптированных на все языки учебных программ и курсов. Подобные решения необходимо реализовать и вынести в отдельные сервисы, которые будут использоваться для взаимодействия с людьми и вспомогательными системами.

3.2 Преимущества и недостатки

Как уже отмечалось ранее, роботизированные системы способны решать многие нетревиальные задачи, вероятно, даже лучше человека. Но на ряду с этим также существуют и определенные риски, заслуживающие упоминания. В данном разделе приведем оценку относительно роботов в образовании.

Из преимуществ роботизированных систем можно выделить некоторые:

  1. Бесконечное повторение 4 Роботы могут до бесконечности повторять одно и то же, и это не будет их утомлять. Человек, даже самый эмпатичный, довольно быстро устаёт объяснять что-то, а робот — нет.

  2. Вовлечение 5 Роботы сами по себе являются объектами внимания, в виду своей эксклюзивности, что уже помогает вовлекать в процесс не самых заинтересованных учеников. Роботы создают иллюзию участия в фантастическом фильме за счёт нового опыта взаимодействия.

  3. Разгрузка учителей 6 7 8 Во всем мире не хватает специалистов, чтобы дать образование всем нуждающимся. Роботы способны взять на себя достаточно большую долю занятий и тем самым дать возможность учителям сфокусироваться на том, что люди до сих пор умеют лучше всего, — обеспечивать всеобъемлющий, эмпатический и полезный образовательный опыт

Из недостатков выделяется следующее:

  1. Безопасность Любая информационная система имеет уязвимости. Для лучшего понимания своих подопечных роботам будет необходимо создавать профайл на каждого отдельного человека и как-то хранить эту информацию. Значит, по идее такую систему можно взломать и получить личные данные пользователей.

  2. Культурные особенности 9 Невозможно создать полностью обезличенную машину. Каждый разработчик так или иначе может заложить некоторые культурные элементы, к которым жители других стран могут относиться враждебно. Хоть этот дефект и исправим, но очень вероятен.

  3. Поведение и коммуникация 10 Не существует программ способных общаться с людьми на равных. Каждый алгоритм имеет свои дефекты. Замена реальных людей роботами может замедлить социальное развитие детей и привить иные социальные привычки, после чего последствия потребуется исправлять отдельно. Дети могут перенимать манеру поведения робота и повторять паттерны, которые не соответствуют реальным людям.

3.3 Выбор инструментов

С точки зрения инженерии существуют специальные конструкторы, которые позволяют создавать прототипы и даже полноценных роботов. Все перечисленные выше компоненты производятся в промышленных масштабах и свободно распространяются на рынке электроники. Программное обеспечение часто зависит от платформы, но существуют решения позволяющие реализовать виртуализацию на аппаратном и программном уровнях. Достаточно успешна в этом плане контейнерная виртуализация. Это говорит о том, что выбор языков программирования и технологий объективно не имеет значения. Все условия устанавливаются в зависимости от аппаратных ограничений. Также нет необходимости писать все программные компоненты на одних и тех же технологиях, можно выбрать разные для увеличения производительности и простоты написания кода.

Заключение

В данной работе мы познакомились с понятием робототехнических систем и роботами. Обратились к истории появления термина и узнали о этапах создания идеи и реализации уже известных решений. Узнали про основные принципы и законы робототехники. Рассматривая классификацию роботов, мы остановились на роботах в образовании. Составили требования к построению подобной робототехнической системы. Узнали какие инженерные и программные компоненты нам для этого потребуются. В конце работы мы познакомились с аргументами за и против использования роботов в образовательном процессе и аргументировали широту выбора технологий для создания программного обеспечения.

Список литературы

  1. IFR (2014a) World Robotics 2014: Industrial Robots. Frankfurt am Main: International Federation of Robotics. ↩︎

  2. Абушкин Х. Х., Дадонова, А. В. Межпредметные связи в робототехнике как средство формирования ключевых компетенций учащихся // Учебный эксперимент в образовании. — 2014. — № 3. — С.32–35. ↩︎

  3. ISO 8373:2012 Robots and robotic devices — Vocabulary [Электронный ресурс] // ISO org. [сайт]. URL: https://www.iso.org/standard/55890.html (дата обращения 01.05.2022); ↩︎

  4. Humanoid Robots as Teachers and a Proposed Code of Practice — Vocabulary [Электронный ресурс] // Durham University [документ]. URL: https://dro.dur.ac.uk/29524/1/29524.pdf?DDD29+vrfd57+kswl88 (дата обращения 01.05.2022); ↩︎

  5. Help, I need some body: The effects of embodiment on learning in children [Электронный ресурс] // researchgate.net [документ]. URL: https://www.researchgate.net/publication/235967953_Help_I_need_some_body_The_effects_of_embodiment_on_learning_in_children (дата обращения 01.05.2022); ↩︎

  6. Robots will replace teachers in the next ten years, Vice-Chancellor reveals [Электронный ресурс] // The University of Buckingham [сайт]. URL: https://www.buckingham.ac.uk/news/robots-will-replace-teachers-in-the-next-ten-years-vice-chancellor-reveals/ (дата обращения 01.05.2022); ↩︎

  7. The world needs almost 69 million new teachers to reach the 2030 education goals [Электронный ресурс] // Unesco institute for statistics [документ]. URL: http://uis.unesco.org/sites/default/files/documents/fs39-the-world-needs-almost-69-million-new-teachers-to-reach-the-2030-education-goals-2016-en.pdf (дата обращения 01.05.2022); ↩︎

  8. The future includes good (human) teachers [Электронный ресурс] // The Hechinger Report [сайт]. URL: https://hechingerreport.org/the-future-includes-good-human-teachers/ (дата обращения 01.05.2022); ↩︎

  9. Руслякова Е.Е., Киселева Ю.П. Проблема использования антропоморфных роботов в образовании // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Тезисы докладов 77-й международной научно-технической конференции. 2019. ↩︎

  10. Robot education peers in a situated primary school study: Personalisation promotes child learning [Электронный ресурс] // Baxter P, Ashurst E, Read R, Kennedy J, Belpaeme T (2017) Robot education peers in a situated primary school study: Personalisation promotes child learning. PLoS ONE 12(5): e0178126. [сайт]. URL: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0178126 (дата обращения 01.05.2022); ↩︎

Комментарии