Robotika

Robotika ir lietišķā zinātne, kas nodarbojas ar automatizēto tehnisko sistēmu (robotu) izstrādāšanu. Terminu ieviesa rakstnieks — fantasts Aizeks Azimovs 1942.gadā (vārds robots parādījās agrāk, Karela Čapeka 1920. gada lugā «R.U.R.»).

Robotika balstās uz tādām zinātnes disciplīnām kā elektronika, mehānika, programmas nodrošinājums. Iedala celtniecības, rūpniecības, sadzīves, aviācijas un ekstremālā (kara, kosmiskas, zemūdens) robottehnikā.

Etimoloģija

Vārds «robottehnika» pirmoreiz tika izmantots Aizeka Azimova zinātniski fantastiskā drukā - nostāstā «Melis» un nopublicēts 1941. gadā. «Robottehnika» bāzējās uz vārda «robots», ko izdomāja 1920 gadā zinātniskais fantasts un Nobela prēmijas laureāts Karels Čapeks savai lugai "R.U.R" (Rossumu Universālie Roboti, čehu. Rossumovi univerzální roboti).

Vārds «robots» cēlies no Čehu vārda «robota», kas nozīmē «dzimtdarbu» vai, tēlaini, «smags darbs». Savukārt, interese idejām, kas līdzinājās robottehnikai, bija novērojama vēl līdz šā termina ieviešanai 8.-7. gs. pirms mūsu ēras. Tā, piemēram, «Iliādā» dievs Hēfaists izveidoja runājošās kalpones no zelta. Arhīts no Tarentas piedēvē mehāniska baloža radīšanu 400 g. pirms mūsu ēras.

Robotu komponenti

Piedziņas

Robota kāja, kas darbojās uz pneimatiskajiem muskuļiem

Piedziņas: tas ir robotu «muskuļi», tie pārveido potenciālu enerģiju kustībā. Pašlaik vispopopulārākie ir elektrodzinēji, bet pastāv arī daudzi citi. Dažos no tiem pielieto ķīmiskās vielas vai saspiestu gaisu. Dzinēji — pašlaik lielākā daļa robotu pielieto vairāku veidu elektrodzinējus. Plašai sabiedrības daļai pazīstami līdzstrāvas dzinēji, tie ātri griežas, kad tiem cauri plūst elektriskā strāva, un ja strāva plūst pretējā virzienā arī dzinēji sāks griezties pretējā virzienā.

Soļu elektrodzinēji: No nosaukuma var spriest, ka soļu dzinēji nedarbojas brīvi, līdzīgi līdzstrāvas dzinējiem. Kontroliera vadībā tie soļveidīgi pagriežas zem noteikta leņķa. Tas ļauj vienkāršāk tos vadīt, jo pat bez devēju pielietojuma, kontrolierim ir precīzi zināms, zem kāda leņķa tika izdarīts pagrieziens. Tāpēc tie tiek izmantoti uz daudziem robotiem un darbgaldiem.
Ultraskaņas dzinēji (pjezodzinēji): Par mūsdienu līdzstrāvas dzinēju alternatīvu tiek uzskatīti ultraskaņas dzinēji jeb pjezodzinēji. To darbības princips ir pilnīgi atšķirīgs: sīkas pjezoelektriskās kājiņas, kas vibrē ar ātrumu vairāk kā 1000 reizes sekundē, liek motoram kustēties pa riņķi vai taisni. Tamlīdzīgu dzinēju priekšrocības ir augsta nanometriska izšķirtspēja, ātrums un jauda, kas ir nesamērojama ar to izmēriem. Ultraskaņas dzinēji jeb pjezodzinēji komerciāli ir jau pieejami, kā arī tiek pielietoti uz dažiem robotiem.
Gaisīgi muskuļi: Vienkārša, bet jaudīga ierīce vilcējspēka nodrošināšanai. Piepumpējot ar saspiestu gaisu, muskuļi ir spējīgi sarauties līdz pat 40 % no sava garuma. Šīs darbības cēlonis ir pinums, kas ir redzams no ārpuses, un kurš liek muskuļiem būt vai nu gariem un tieviem, vai īsiem un resniem. Tā kā to darbības veids ir līdzīgs bioloģiskiem muskuļiem, tos var izmantot robotu ražošanai ar muskuļiem un skeletu, kas ir analoģisks dzīvniekiem.
Elektroaktīvie polimēri: Tas ir plastmasu šķira, kas elektriskās stimulācijas rezultātā maina formu. Tie var būt uzkonstruēti tā, ka var liekties, stiepties vai sarauties. Tomēr, šobrīd nav elektroaktīvo polimēru, kas ir noderīgi komerciālu robotu ražošanai, jo pārsvarā visi ir vai nu neefektīvi vai neizturīgi.
Elastīgas nanocaurulītes: Tā ir daudzsološa eksperimentāla tehnoloģija, kas atrodas agrīnā izstrādāšanas stadijā. Defektu neesamība nanocaurulītēs ļauj šai šķiedrai elastīgi deformēties uz dažiem procentiem. Piemēram, cilvēka bicepss var būt aizstāts ar 8 mm biezu nanocaurulītes vadu. Šādi kompaktie «muskuļi» nākotnē var palīdzēt robotiem pārspēt cilvēku visos fiziska rakstura veidos.

Mijiedarbība ar cilvēkiem

Izšķir vienmodālus un daudzmodālus mijiedarbības interfeisus. Mūsdienu robotu mijiedarbības realizācijā ar cilvēku liela nozīme ir tēlu un runas atpazīšanas tehnoloģijai.

Kontrole

Pēc vadīšanas tipa robottehniskās sistēmas iedala:

Biotehniskie:
1. komandas (spiedpogu un sviru atsevišķu robota posmu vadība);
2. kopējošie (cilvēka kustības atkārtojums (atdarinājums), ir iespējama atgriezeniskās saites realizācija, ekzoskeleti);
3. pusautomātiskie (vienas komandinstitūcijas pārvalde, piemēram, visas robota kinemātiskās shēmas pārvalde ar rokturi);
Automātiskie:
1. programmu (funkcionē pēc iepriekš uzdotās programmas, pārsvarā paredzēti vienmuļu uzdevumu risināšanai nemainīgos apstākļos);
2. adaptīvie (risina tipveida uzdevumus, savukārt pielāgojas funkcionēšanas nosacījumiem);
3. intelektuālie (īpaši attīstītas automātiskas sistēmas);
Interaktīvie:
1. automatizētie (ir iespējama automātisku un biotehnisku režīmu maiņa);
2. supervizorie (automātiskas sistēmas, kur cilvēks izpilda tikai mērķi norādošas funkcijas);
3. dialoģiskie (robots piedalās dialogā ar cilvēku pēc uzvedības stratēģijas izvēles, turklāt, robots tiek aprīkots ar ekspertu sistēmu, kas ir spējīga prognozēt manipulāciju rezultātus un dod padomus mērķa izvēlei).

Robotu pārvaldes metožu attīstībā tehniskās kibernētikas attīstībai un automātiskās vadīšanas teorijai ir milzīga nozīme.

Izglītība

Automātiskas pārvaldes un mehatronikas teorijas jomā. Robottehniskie kompleksi, līdzās mūsdienu augstas tehnoloģijas pētnieciskiem instrumentiem, ir populāri izglītības jomā. To izmantošana vidējās un profesionālās augstākās izglītības iestādēs ļauj realizēt "projektu apmācības" koncepciju, kas ir ASV un Eiropas Savienības lielas kopīgas izglītības programmas ILERT pamatā.

Iespēja pielietot robottehniskus kompleksus inženierizglītībā, dod iespēju vienlaicīgu profesionālu iemaņu atstrādāšanu vairākās jomās: mehānika, vadības teorija, shēmu tehnika, programmēšana, informācijas teorija. Pieprasījums pēc kompleksām zināšanām sekmē sakaru attīstību starp pētnieciskiem kolektīviem. Bez tam, jau profesionālās sagatavošanas procesā studentiem nākas saskarties ar nepieciešamību risināt reālus praktiskus uzdevumus. Pastāv vairāki mācību laboratoriju robottehniskie kompleksi: Mechatronics Control Kit, Festo Didactic, LEGO Mindstorms.