Кружки робототехники: что на них изучается, как проходит обучение и сколько стоит? Программирование роботов. Разработка робототехники

Робототехника со стороны может казаться достаточно комплексным и требовательным предметом, который не то что дома, но и в специальных учебных заведениях получается освоить с трудом. В то же время занятиями по робототехнике в школах уже трудно кого-то удивить, как и самыми разными онлайн-уроками от китайского языка до графического дизайна. Но можно ли научиться создавать и программировать робота дома по дистанционной программе? Сегодня разбираем русскоязычные бесплатные онлайн-курсы по робототехнике.

Сразу оговоримся, что каждый курс предполагает, что роботов надо из чего-то собирать. Разные преподаватели предпочитают работать с разными конструкторами и на разных платформах, поэтому, прежде чем приступить к занятиям, стоит внимательно изучить эти вопросы и приобрести необходимую электронику заранее в соответствии с вашими интересами и запросами.

Возраст: от 13 лет

Платформа: Arduino

Преподаватели: руководитель и научный сотрудник направления робототехники Лаборатории инновационных образовательных технологий МФТИ Алексей Перепёлкин и Дмитрий Савицкий

Длительность: 6 недель

Эта программа существует уже почти два года, за это время её прошли несколько сотен человек. Из основных плюсов студенты выделяют структурированность и доступность учебного материала. Видео-лекции расскажут, как проектировать, собирать и программировать устройства. Каждую неделю - новое практическое задание. Создателям удалось рассказать о сложном простыми словами, и курс действительно подходит даже тем, у кого нет бэкграунда по теме. Можете не сомневаться: к концу занятий вы перейдете на «ты» с роботами и самостоятельно соберете 3D-принтер.

2. Курс «Роботы в быту» от МГТУ им. Н.Э. Баумана на «Универсариуме»

Возраст: от 15 лет

Преподаватели: Андрей Витальевич Кравцов и Борис Сергеевич Старшинов - к.т.н., доц., проф. Академии военных наук, доцент кафедры «Основы физики» МГТУ им. Н.Э. Баумана

Длительность: 1 месяц

Это более общий и теоретический курс для аудитории, которая понимает, чем мехатроника отличается от робототехники. Он состоит из четырех модулей, и практические задания предусмотрены на последнем этапе из 6 занятий с захватывающим названием «Применение робототехнических устройств в экстремальных условиях».

3. Курс «Основы программирования роботов» от МГУПИ на «Универсариуме»

Возраст: от 13 лет

Платформа: Arduino

Преподаватели: Андрей Назарович Будняк - Заместитель директора ЦТПО МГУПИ, Вице-президент Ассоциации спортивной робототехники, победитель соревнований Российской Федерации 2012 года по робо-сумо в номинации «Самый технологичный робот». Победитель и лауреат многочисленных соревнований по спортивной робототехнике: Кубок Политехнического музея, GEEK PICNIC, Чемпионат России по робо-сумо, RobotChallenge в Вене.

Длительность: по своему усмотрению

Ближайший курс: лекции доступны в записи

Курс от титулованного робототехника, победителя всевозможных соревнований Андрея Будняка рассчитан на тех, кто освоил школьную программу по физике и информатике (особенно разделы о электричестве и алгоритмах). При этом курс будет полезен даже тем, кто далек от электроники, но может применять микроконтроллеры в своей работе: архитекторы, дизайнеры, врачи, звуковики. В общем, всё, что вы хотели знать о регуляторах, индикаторах, приводах и датчиках, но боялись спросить.

4. Курс «Arduino для начинающих» от «Занимательной робототехники»

Возраст: от 10 лет

Платформа: Arduino

Длительность: по своему усмотрению

Ближайший курс: уроки доступны в записи

Команда «Занимательной робототехники» создала простой курс для новичков, где есть текстовые объяснения, фотографии и обучающие видео. Роль ведущего исполняет мальчик Саша, который последовательно выполняет все необходимые действия и сопровождает их комментариями. В этом заключается сразу и основной плюс и главный минус этой программы: действительно, каждый сможет повторить манипуляции, описанные в пошаговой инструкции, тем более когда есть подробное видео, но при этом часто остаются пробелы в понимании, что и зачем делается. С другой стороны, у курса довольно оживленное онлайн-коммьюнити, где все вопросы можно обсудить.

5. Уроки на Robot Class

Возраст: от 10 лет

Платформа: разные

Преподаватель: Олег Евсегнеев

Длительность: по своему усмотрению

Ближайший курс: уроки доступны в записи

Сборник разрозненных уроков по робототехнике и программированию от Олега Евсегнеева, которые разделены по уровню сложности: для новичков и для продвинутых. Это скорее тематический блог, нежели полноценный курс, но найти что-то полезное и интересное для себя смогут все, кто уже интересуется робототехникой. В отличие от других вариантов здесь нет видео - только текст с фотографиями, формулами, схемами и кусками кода. И такой, казалось бы, устаревший формат даже немного освежает.

6. Курс «Мой друг – робот. Социокультурные аспекты социальной робототехники» на Coursera

Платформа: нет

Преподаватель: Надежда Зильберман, кандидат филологических наук, доцент кафедры гуманитарных проблем информатики Томского государственного университета ()

Длительность: 7 недель

Этот курс не занимается техническими особенностями разработки роботов. Эта программа исходит из предпосылки, что роботы с минуту на минуту станут часть повседневности (а на самом деле - уже давно стали). Здесь обсуждаются именно социокультурные аспекты робототехники: как выглядит робот, как он взаимодействует с человеком, какие отношения выстраиваются между роботом и «хозяином» и на чем основывается этика этих отношений. Интересный теоретический курс, пройдя который вы узнаете, что такое «синдром Франкенштейна» и познакомитесь с «эффектом зловещей долины».

Многие дети, начиная с конструирования роботов, настолько увлекаются этим, что связывают свою дальнейшую жизнь с техническим творчеством и программированием, поступают на соответствующие специальности в вузы и получают профессию.

Как строится обучение?

Занятия строятся от простого к сложному, причем, на самих занятиях не просто занимаются конструированием и собиранием роботов из деталек, а выполняют проекты: знакомятся с теоретическими вопросами, ставят поисковые задачи, учатся работать в команде, обсуждать и отстаивать свою точку зрения. Робот помогает пройти этот путь легко и с удовольствием: материал не выдается в сухом и дозированном виде, а познается детьми в игре, в творчестве и поиске решения задачи.

Правда, насколько эффективны занятия в кружке, зависит от преподавателя и его методического обеспечения. Робототехника настолько популярна, что существуют специальные методики, в которых продумано построено От и До.

На первых занятиях ребята пытаются разобраться в том, как устроен реальный мир и по каким физическим законам существует все, что нас окружает. Одновременно обучающиеся знакомятся с конструктором, из которого они и будут создавать своего первого робота.

Что получает ребенок от обучения

Материальным результатом обучения в кружке робототехники для детей становится созданный ребенком самостоятельно робот (обычно он подлежит демонтажу, поскольку конструктор является собственностью кружка; можно купить такой же для себя; цены — от 10 тыс. руб.). Ну, а нематериальный результат — это знания, умения и интерес ребенка к науке и техническому творчеству.

Позднее дети начинают знакомиться с основами программирования.

Возраст детей

В кружках робототехники могут обучаться дети примерно от 5 лет и до 15-17. Разумеется, программы у них разные.

Если говорить о платформе робототехники LEGO, то младшие (дошкольники и учащиеся начальной школы) фактически играют с простейшим конструктором для конструирования роботов LEGO WeDo, познавая окружающий мир, учась взаимодействовать друг с другом. Детали робота довольно легко соединяются и похожи на детали традиционного конструктора LEGO, который есть у многих дошкольников. Программа для движения робота, которую создают обучающиеся, тоже несложная и пишется из готовых «блоков» под руководством преподавателя. Но робот у них получается самый настоящий.

Ребята постарше пользуются конструктором LEGO Mindstorms; он более сложный, с другим принципом крепления. Этот конструктор позволяет создать более сложную модель, нежели в LEGO WeDo. На занятиях вводятся элементы программирования на языке Scratch, С++, либо визуальном языке программирования.

Робототехникой занимаются и студенты, и взрослые. Но платформы и задачи, которые ставят перед собой взрослые, отличаются от детских занятий.

Что представляет собой конструктор

Конструкторы, с которыми работают дети в кружке робототехники, включают в себя:

• контоллер (это, так сказать, мозг робота);
• датчики (инфракрасные, датчики звука, касания и т.д.);
• части, обеспечивающие движение модели.

Необходим также и компьютер — на нем создается программа, в соответствии с которой робот будет действовать. Также на компьютере детям предоставляется учебный материал по теме занятия. Датчик реагирует на раздражитель, и робот совершает действие, предписанное ему программой, — это суть действий модели, которую к концу обучения должен собрать ребенок.

Конструкторы LEGO удобны тем, что их нетрудно приобрести (хотя они довольно дороги, от 10 до 30 тысяч рублей. Например, в интернет-магазине OZON.ru можно купить конструктор Mindstorms) и они используются в большинстве международных соревнований и конкурсов по робототехнике. В большинстве кружков робототехники для детей пользоваться таким комплектом слушатели могут бесплатно.

Другие платформы

LEGO — не единственная платформа, на которой занимаются робототехникой. Есть и другие «железки»: Fishertechnic, Arduino, Raspberry Pi, Multiplo. Перед тем, как записаться в кружок, уточните, на какой базе там проходит обучение.

Постепенно в повседневную жизнь входят высокие технологии: «умный дом», интерактивные художественные выставки, боты-собеседники. Неудивительно, что обучать азам программирования и роботостроения начинают еще до школы. Центры робототехники и инженерные кружки открываются все чаще. По разным данным, в России действуют около 400 кружков, связанных с робототехникой и IT, официальной статистики пока еще нет. И это число будет только расти.

От кружка юных инженеров и радиолюбителей до секции «Робототехника»

Робототехника встроилась в образовательный процесс органично и почти без шума. В 2016 году роботы мигают светодиодами на всех уровнях учебных учреждений: от садов до университетов, но больше всего – в школе. Робототехника считается инструментом для углубленного изучения таких дисциплин, как информатика, физика и технология. Поэтому постичь начала роботостроения школьники могут не только в кружках, но также в школах и вузах, где роботы все больше внедряются в учебный процесс.

Кружковая система дополнительного образования особенно хорошо знакома людям старшего поколения, из стран бывших союзных республик СССР. Бесплатное советское образование было щедро дополнено внешкольными занятиями на базе дворцов и домов пионеров (по данным Википедии, 1971 году действовало 4 400 «дворцов»).

Развивали пространственное мышление у будущих инженеров кружки технического моделирования и конструирования, радиомастерские. Школьники «с нуля» создавали модели автомобилей и самолетов, учились работать с оборудованием (токарные станки, выжигательные аппараты, лобзики и напильники), знакомились с принципами работы электричества.

Советская система образования по инженерно-техническим специальностям, частью которой были «кружки», считалась одной из лучших в мире. Сегодня же принято говорить больше о минусах образования в России, а лидирующие позиции в сфере технологий занимают американские и азиатские учебные заведения.

Вместе с распадом СССР в упадок пришла и культура дополнительного образования и кружков. Кружки стали платными, а тематика потеряла в разнообразии: популярными стали спортивные секции, танцевальные и художественные школы. Как повлияло такое изменение в учебном меню целого поколения детей, можно судить уже сейчас. Выпускники вузов с дипломами о гуманитарном образовании не находят работу, а предприятия днем с огнем ищут инженерные кадры.

В 2000-х годах все более заметным становится интерес к робототехнике в образовании. С 2002 года в России проводятся внутренние и Международные состязания роботов. В это же время формируется Российская ассоциация образовательной робототехники (РАОР) . С 2008 года на основе РАОР работает Всероссийский учебно-методический центр образовательной робототехники (ВУМЦОР) – организация поставляет методички и снабжает всех желающих правовой информацией и рекомендациями для открытия робототехнического кружка.

Также с 2008 года фонд Олега Дерипаски «Вольное дело» запустил программу «Робототехника» , которая поддерживает образовательные и соревновательные проекты.

В 2014 году о роботах заговорили на государственном уровне. В АСИ (Агентство стратегических инициатив, учредитель – Правительство Российской Федерации) анонсировали Национальную техническую инициативу. Глобальная идея НТИ – к 2035 году вывести Россию на конкурентных уровень на рынке высоких технологий. Одним из направлений программы стала поддержка и популяризация технического образования.

Вместе с популяризацией робототехники в образовательной среде появилось понятие STEM (или STEAM). Это направление в мировом образовательном процессе, его характеризует междисциплинарный подход к обучению. Ключевые дисциплины зашифрованы в аббревиатуре: Science, Technology, Engineering, Art (не всегда), Math. Система призвана развивать будущих инженеров и робототехников.

При государственной поддержке открываются не просто кружки, но и целые технопарки — детские центры, объединяющие кружки по разным техническим направлениям. Пока технопарков не много. В мае в Москве заработал первый детский центр при “Мосгормаш” , в конце сентября открылся технопарк “Кванториум”. В регионах также собираются открывать технопарки. Они должны появиться в 17 регионах: в Мордовии, Татарстане, Чувашии, Алтайском крае и в других.

От конструктора к микросхеме

Несмотря на то, что роботы включены в занятия для детей с дошкольного возраста, главную роль в становлении самых маленьких будущих инженеров играет не электроника, а творчество. В системе STEM образования в занятиях для дошкольников на первом плане – свобода мыслить и создавать. Поэтому в кружках для детей до 6 лет активно используют простые конструкторы и кубики.

Основная масса кружков по робототехнике ориентирована на детей возраста начальной и средней школы.

“Как правило, в программу подобных детских курсов входит знакомство со схемотехникой, основами программирования и робототехники. Разница между кружками состоит в их задаче: ребенок либо развлекается, либо учится. Исходя из этого и подбирается методика обучения и технологии. Глобальная цель РОББО Клуба – вырастить поколение молодых инноваторов, которые были бы конкурентоспособны не только на российском рынке, но и в мире. Поэтому наш курс рассчитан на работу с детьми разного возраста: с дошкольниками мы создаем анимационные программы и классические компьютерные игры (Pac-man, Arkanoid), программируем роботов на выполнение различных задач, со школьниками занимаемся программированием на «взрослых» языках, 3D-моделированием, 3D-конструированием и 3D-печатью. Так, ребенок приходит к нам только с навыками чтения, а уходит с напечатанным на 3D-принтере, собранным и запрограммированным самостоятельно роботом”, — поясняет Павел Фролов, продюсер детского робототехнического проекта для образования «РОББО»

Робототехника дополняет пройденный материал на уроках технологии, физики и математики. Дмитрий Спивак, директор санкт-петербургского кружка робототехники для детей Robx считает, что именно на кружковых занятиях ребенок может применить знания механики и электродинамики, вникнуть в текстовые языки программирования (например, С). “В средней школе наши подопечные начинают знакомство с Arduino, более сложные программами для 3D моделирования — OpenSCAD, параметрическим моделированием, где дети описывают фигуры кодом” — говорит Дмитрий.

Образовательная робототехника, как правило, начинается с конструкторов Lego. В наборах соблюдается баланс конструирование-программирование. После того, как ребенок освоит азы, он может углубиться в одно из направлений, более глубоко изучать программирование и конструирование. На занятиях с уклоном в программирование ученики работают с разными языками и программами для программирования, занимаются 3D моделированием. Конструкторские кружки готовят будущих инженеров: здесь дети самостоятельно разрабатывают форму и “начинку” робота.

Lego и Ко

Рынок STEM и роботизированных конструкторов довольно разнообразен. Большинство производителей охватывает все возрастные категории, от наборов для дошкольного образования до модулей с 4-ядерными процессорами для средних и старших школьников.

Мировым и российским лидером в сфере образовательной робототехники является дочерняя компания холдинга LEGO Group — LEGO Education. Датскому бренду принадлежат не только наборы и методические разработки, но и сеть специализированных детских центров, а также ЛЕГО Академия, где обучение могут пройти педагоги. На данный момент 16 центров дополнительного образования являются официальными партнерами Lego Education Afterschool Programs в России.

Lego Education работает с 1980 года. В линейке бренда как конструкторы без электронной составляющей (Lego Простые механизмы, Первые конструкции), наборы с микропроцессором и датчиками для изучения робототехники в младшей школе (Lego WeDo) так и наборы для демонстрации научных принципов в средней школе (Lego Технология и физика) и наборы легендарной серии MINDSTORMS.

Похожая на Lego, но гораздо менее известная американская компания Pitsco была основана в 1971 году тремя преподавателями. Наборы для младшего возраста Elementary STEM представлены скорее творческими общеразвивающими игрушками – летучие змеи, ракеты. Роботы включены в направление Tetrix – роботизированные металлические конструкторы, широко известные в России. Металлические детали делают такие наборы универсальными, Tetrix совместим с контроллером Lego MINDSTORMS. Роботы на основе Tetrix часто участвуют в соревнованиях, в том числе и в студенческих категориях.

Открытая платформа Arduino в отличие от прочих уникальная плата с программной оболочкой. Это делает Arduino универсальной основой для робототехнических конструкций любого уровня в рамках детского образования. На основе Arduino создано несколько брендов робототехнических наборов-конструкторов. Платформу можно приобрести отдельно. Минус платформы в том, что конструирование достаточно сложное, подразумевает работу ребенка с паяльником.

Отечественные наборы представлены двумя заметными на рынке брендами – ТЕХНОЛАБ и Амперка. Для ТЕХНОЛАБ разработаны методички при поддержке специалистов факультета «Робототехника и комплексная автоматизация» МГТУ им Н.Э.Баумана. Продукты ТЕХНОЛАБ — тематические и возрастные модули. В каждом модуле – несколько робототехнических наборов. Такой «оптовый» подход предполагает высокую цену конструкторов: от 93 тыс. рублей за модуль для детей 5-8 лет и до 400 тыс. рублей за модуль воздушных роботов.

Амперка – стартап 2010 года, основанный на платформе Arduino. Продукты Амперки — наборы под игровыми названиями: «Матрешка», «Малина», «Электроника для чайников» и т.д. Также на сайте Амперки можно купить отдельные комплектующие – платы Arduino, датчики, коммутаторы.

Корейский бренд Robotis предлагает робототехнические наборы для каждого уровня. Это пластмассовые роботы для начальной школы (Robotis Play, Robotis Dream) и человекоподобные роботы на основе сервомоторов Robotis Bioloid.

Корейские производители HunaRobo и RoboRobo акцентируют внимание на конструкторах для детей младшего и среднего возраста. Наборы корейских брендов включают базовые элементы: материнскую плату, двигатель и редуктор, RC приемник и пульт управления.

VEX Robotics — частная компания с фокусом на мобильную робототехнику, базируется в США. Бренд принадлежит компании Innovation First, Inc., которая разрабатывает электронику для автономных наземных роботов. Бренд поделен на два направления – серия VEX IQ для начального уровня и VEX EDR– платформа для продвинутых учеников. Мобильные программируемые роботы VEX на пульте управления ориентированы на соревнования и навыки программирования.

Вместо заключения

Широкий ассортимент робототехнических обучающих платформ, государственная поддержка и мода на роботов только встраивают робототехнику в образование. Инженерные и робототехнические кружки и занятия скорее исключение, особенно в регионах. Однако, уже сегодня сотни тысяч детей получили возможность учиться дополнительно по инженерным и IT направлениям. И это число в ближайшее время будет только расти — СМИ рапортуют о новых технопарках и кружках, а власти — о готовности поддержать подобные инициативы.

Хочется верить, что усиленная интеграция дополнительного технического образования в итоге даст толчок к формированию большего количества технических специалистов высокого уровня в будущем. Кружковое движение стремится к широкому охвату — программы робототехнических занятий построены так, чтобы заинтересовать любого ребенка. Основные технические законы и понятия становятся доступнее. Занятия робототехникой как минимум расширяют кругозор, как максимум — обеспечат будущее инженерными и техническими кадрами. Верим в максимум!

Работающий на стыке кибернетики, психологии и бихевиоризма (науки о поведении), и инженер, составляющий алгоритмы для промышленных роботизированных комплексов, среди основных инструментов которого - высшая математика и мехатроника, работают в самой перспективной отрасли ближайших лет - робототехнике. Роботы, несмотря на сравнительную новизну термина, издавна знакомы человечеству. Вот лишь несколько фактов из истории развития умных механизмов.

Железные люди Анри Дро

Еще в мифах Древней Греции упоминались механические рабы, созданные Гефестом для выполнения тяжелых и однообразных работ. А первым изобретателем и разработчиком человекоподобного робота стал легендарный Леонардо да Винчи. До наших дней сохранились подробнейшие чертежи итальянского гения, описывающие механического рыцаря, способного имитировать человеческие движения руками, ногами, головой.

Созданию первых автоматических механизмов с программным управлением положили начало в конце XVΙΙΙ века европейские часовые мастера. Наиболее преуспели на этом поприще швейцарские специалисты отец и сын Пьер-Жак и Анри Дро. Ими создана целая серия ("пишущий мальчик", "рисовальщик", "музыкантша") в основе управления которыми лежали часовые механизмы. Именно в честь Анри Дро в дальнейшем все программируемые человекоподобные автоматы стали называть "андроидами".

У истоков программирования

Основы программирования промышленных роботов были заложены на заре XIX века во Франции. Здесь же и были разработаны первые программы для автоматических текстильных станков (прядильных и ткацких). Стремительно растущая армия Наполеона остро нуждалась в обмундировании и, следовательно, тканях. Изобретатель из Лиона Жозеф Жаккар предложил способ быстрой перенастройки ткацкого станка для производства различных видов продукции. Нередко эта процедура требовала огромного количества времени, колоссальных усилий и внимания целого коллектива. Суть нововведения сводилась к использованию картонных карточек с перфорированными отверстиями. Иглы, попадая в просеченные места, необходимым образом смещали нити. Смена карт быстро проводилась оператором станка: новая перфокарта - новая программа - новый тип ткани или узора. Французская разработка стала прообразом современных автоматизированных комплексов, роботов с возможностью программирования.

Идею, предложенную Жаккаром, с восторгом использовали в своих автоматических устройствах многие изобретатели:

• Начальник статистического управления С. Н. Корсаков (Россия, 1832 г.) - в механизме для сравнивания и анализа идей.
• Математик Чарльз Бэббидж (Англия, 1834 г.) - в аналитической машине для решения широкого круга математических задач.
• Инженер (США, 1890 г.) - в устройстве для хранения и обработки статистических данных (табуляторе). Для заметки: в 1911 году компания. Холлерита получила название IBM (International Business Machines).

Перфокарты были основными носителями информации вплоть до 60-х годов прошлого века.

Своим названием интеллектуальные машины обязаны чешскому драматургу В пьесе "R.U.R.", увидевшей свет в 1920 году, писатель назвал роботом искусственного человека, созданного для тяжелых и опасных участков производства (robota (чешск.) - каторга). А что отличает робота от механизмов и автоматических устройств? В отличие от последних, робот не только выполняет определенные действия, слепо следуя заложенному алгоритму, но и способен более тесно взаимодействовать с окружающей средой и человеком (оператором), адаптировать свои функции при изменении внешних сигналов и условий.

Принято считать, что первый действующий робот был сконструирован и реализован в 1928 году американским инженером Р. Уэнсли. Человекоподобный "железный интеллектуал" получил имя Герберт Телевокс. На лавры пионеров претендуют также ученый-биолог Макото Нисимура (Япония, 1929 г.) и английский военнослужащий Уильям Ричардс (1928 г.). Созданные изобретателями антропоморфные механизмы имели схожий функционал: способны были двигать конечностями и головой, выполнять голосовые и звуковые команды, отвечать на простые вопросы. Основным предназначением устройств была демонстрация научно-технических достижений. Очередной виток в развитии технологий позволил в скором времени создать и первых индустриальных роботов.

Поколение за поколением

Разработка робототехники представляет собой непрерывный, поступательный процесс. К настоящему моменту сформировались три ярко выраженных поколения "умных" машин. Каждое характеризуется определенными показателями и сферами применения.

Первое поколение роботов создавалось для узкого вида деятельности. Машины способны выполнять только определенную запрограммированную последовательность операций. Устройства управления роботами, схемотехника и программирование практически исключают автономное функционирование и требуют создания специального технологического пространства с необходимым дополнительным оборудованием и информационно-измерительными системами.

Машины второго поколения называют очувствленными, или адаптивными. Программирование роботов осуществляется с учетом большого набора внешних и внутренних сенсоров. На основе анализа информации, поступающей с датчиков, вырабатываются необходимые управляющие воздействия.

И наконец, третье поколение - интеллектуальные роботы, которые способны:

• Обобщать и анализировать информацию,
• Совершенствоваться и самообучаться, накапливать навыки и знания,
• Распознавать образы и изменения ситуации, и в соответствии с этим выстраивать работу своей исполнительной системы.

В основе искусственного интеллекта лежит алгоритмическое и программное обеспечение.

Общая классификация

На любой представительной современной выставке роботов многообразие "умных" машин способно поразить не только простых обывателей, но и специалистов. А какие бывают роботы? Наиболее общую и содержательную классификацию предложил советский ученый А. Е. Кобринский.

По назначению и выполняемым функциям роботов подразделяют на производственно-промышленные и исследовательские. Первые, в соответствии с характером выполняемых работ, могут быть технологическими, подъемно-транспортными, универсальными или специализированными. Исследовательские предназначены для изучения областей и сфер, опасных или недоступных для человека (космическое пространство, земные недра и вулканы, глубоководные слои мирового океана).

По типу управления можно выделить биотехнические (копирующие, командные, киборги, интерактивные и автоматические), по принципу - жестко программируемые, адаптивные и гибко программируемые. Бурное развитие современной предоставляет разработчикам практически безграничные возможности при проектировании интеллектуальных машин. Но отличное схемное и конструктивное решение будет служить лишь дорогостоящей оболочкой без соответствующего программного и алгоритмического обеспечения.

Чтобы кремний микропроцессора смог взять на себя функции мозга робота, необходимо "залить" в кристалл соответствующую программу. Обычный человеческий язык не способен обеспечить четкую формализацию задач, точность и надежность их логической оценки. Поэтому требуемая информация представляется в определенном виде с помощью языков программирования роботов.

В соответствии с решаемыми задачами управления выделяют четыре уровня такого специально созданного языка:

• Низший уровень используется для управления исполнительными приводами в виде точных значений линейного или углового перемещения отдельных звеньев интеллектуальной системы,
• Уровень манипулятора позволяет осуществлять общее управление всей системой, позиционируя рабочий орган робота в координатном пространстве,
• Уровень операций служит для формирования рабочей программы, путем указания последовательности необходимых действий для достижения конкретного результата.
• На высшем уровне - заданий - программа без детализации указывает что надо сделать.

Робототехники стремятся свести программирование роботов к общению с ними на языках высшего уровня. В идеале оператор ставит задачу: "Произвести сборку двигателя внутреннего сгорания автомобиля" и ожидает от робота полного выполнения задания.

Языковые нюансы

В современной робототехнике программирование роботов развивается по двум векторам: роботоориентированное и проблемно ориентированное программирование.

Наиболее распространенные роботоориентированные языки - AML и AL. Первый разработан фирмой IBM только для управления интеллектуальными механизмами собственного производства. Второй - продукт специалистов Стэндфордского университета (США) - активно развивается и оказывает существенное влияние на формирование новых языков этого класса. Профессионал легко разглядит в языке характерные черты Паскаля и Алгола. Все языки, ориентированные на роботов, описывают алгоритм, как последовательность действий "умного" механизма. В связи с этим программа зачастую выходит очень громоздкой и неудобной в практической реализации.

При программировании роботов на проблемно ориентированных языках, в программе указывается последовательность не действий, а целей или промежуточных позиций объекта. Наиболее популярным в этом сегменте является язык AUTOPASS (IBM), в котором состояние рабочей среды представлено в виде графов (вершины - объекты, дуги - связи).

Обучение роботов

Любой современный робот представляет собой обучаемую и адаптивную систему. Вся необходимая информация, включающая знания и умения, передается ей в процессе обучения. Это осуществляется, как непосредственным занесением в память процессора соответствующих данных (детальное программирование - семплинг), так и с использованием сенсоров робота (методом наглядной демонстрации) - все движения и перемещения механизмов робота заносятся в память и затем воспроизводятся в рабочем цикле. Обучаясь, система перестраивает свои параметры и структуру, формирует информационную модель внешнего мира. Это и есть основное отличие роботов от автоматизированных линий, промышленных автоматов с жесткой структурой и других традиционных средств автоматизации. Перечисленные методы обучения обладают существенными недостатками. Например, при семплинге перенастройка требует определенного времени и труда квалифицированного специалиста.

Весьма перспективной выглядит программа для программирования роботов, представленная разработчиками Лаборатории информационных технологий при Массачусетском технологическом институте (CSAIL MIT) на международной конференции промышленной автоматизации и робототехники ICRA-2017 (Сингапур). Созданная ими платформа C-LEARN обладает достоинствами обоих методов. Она предоставляет роботу библиотеку элементарных движений с заданными ограничениями (например, усилие хвата для манипулятора в соответствии с формой и жесткостью детали). В то же время, оператор демонстрирует роботу ключевые движения в трехмерном интерфейсе. Система, исходя из поставленной задачи, формирует последовательность операций для выполнения рабочего цикла. C-LEARN позволяет переписать существующую программу для робота другой конструкции. Оператору при этом не требуются углубленные знания в области программирования.

Робототехника и искусственный интеллект

Специалисты Оксфордского университета предупреждают, что в ближайшие два десятилетия машинные технологии заменят более половины сегодняшних рабочих мест. Действительно, роботы давно уже трудятся не только на опасных и трудных участках. Например, программирование значительно потеснило брокеров-людей на мировых биржах. Несколько слов об искусственном интеллекте.

В представлении обывателя это антропоморфный робот, способный заменить человека во многих сферах жизни. Отчасти так и есть, но в большей степени искусственный интеллект - это самостоятельная отрасль науки и технологии, с помощью компьютерных программ, моделирующая мышление "Homo sapiens", работу его мозга. На сегодняшнем этапе развития ИИ больше помогает людям, развлекает их. Но, по прогнозам экспертов, дальнейший прогресс в области робототехники и искусственного интеллекта может поставить перед человечеством целый ряд морально-этических и юридических вопросов.

В этом году на выставке роботов в Женеве самый совершенный андроид София заявила, что учится быть человеком. В октябре София впервые в истории искусственного интеллекта была признана гражданкой Саудовской Аравии с полноценными правами. Первая ласточка?

Основные тенденции робототехники

В 2017 году специалисты цифровой индустрии отметили несколько выдающихся решений в области технологий виртуальной реальности. Не осталась в стороне и робототехника. Очень перспективным выглядит направление совершенствующее управление сложным робомеханизмом через виртуальный шлем (VR). Эксперты пророчат востребованность такой технологии в бизнесе и промышленности. Вероятные сценарии использования:

• Управление беспилотной техникой (складскими погрузчиками и манипуляторами, дронами, трейлерами),
• Проведение медицинских исследований и хирургических операций,
• Освоение труднодоступных объектов и областей (дно океана, полярные области). Кроме того, программирование роботов позволяет им осуществлять и автономную работу.

Еще один популярный тренд - connected car. Совсем недавно представители гиганта Apple заявили о старте разработок собственного "беспилотника". Все больше фирм выражают свою заинтересованность в создании машин, способных самостоятельно перемещаться по пересеченным трассам, сохраняя грузы и оборудование.

Возрастающая сложность алгоритмов программирования роботов и машинного обучения предъявляет повышенные требования к вычислительным ресурсам и, следовательно, к "железу". По-видимому, оптимальным выходом в этом случае будет подключение устройств к облачной инфраструктуре.

Важное направление - когнитивная робототехника. Стремительный рост количества "умных" машин заставляет разработчиков все чаще задумываться о том, как научить роботов слаженно взаимодействовать.