V-REP — бесплатный симулятор для программирования роботов. Программирование и управление промышленными роботами

Многие робототехнические контроллеры реализованы с использованием языков программирования специального назначения. Например, многие программы для обобщающей архитектуры были реализованы на языке поведения , который был определен Бруксом. Этот язык представляет собой язык управления в реальном времени на основе правил, результатом компиляции которого становятся контроллеры AFSM . Отдельные правила этого языка, заданные с помощью синтаксиса, подобного Lisp , компилируются в автоматы AFSM, а группы автоматов AFSM объединяются с помощью совокупности механизмов передачи локальных и глобальных сообщений.

Так же как и обобщающая архитектура, язык поведения является ограниченным, поскольку он нацелен на создание простых автоматов AFSM с относительно узким определением потока связи между модулями. Но в последнее время на базе этой идеи проведены новые исследования, которые привели к созданию целого ряда языков программирования, аналогичных по своему духу языку поведения, но более мощных и обеспечивающих более быстрое выполнение.

Одним из таких языков является универсальный робототехнический язык , или сокращенно GRL (Generic Robot Language ). GRL- это функциональный язык программирования для создания больших модульных систем управления. Как и в языке поведения, в GRL в качестве основных конструктивных блоков используются конечные автоматы. Но в качестве настройки над этими автоматами язык GRL предлагает гораздо более широкий перечень конструкций для определения коммуникационного потока и синхронизации ограничений между различными модулями, чем язык поведения. Программы на языке GRL компилируются в эффективные программы на таких языках команд, как С .

Еще одним важным языком программирования (и связанной с ним архитектурой) для параллельного робототехнического программного обеспечения является система планирования реактивных действий, или сокращенно RAPS (Reactive Action Plan System) . Система RAPS позволяет программистам задавать цели, планы, связанные с этими целями (или частично определять политику), а также задавать условия, при которых эти планы по всей вероятности будут выполнены успешно.

Крайне важно то, что в системе RAPS предусмотрены также средства, позволяющие справиться с неизбежными отказами, которые возникают в реальных робототехнических системах. Программист может задавать процедуры обнаружения отказов различных типов и предусматривать процедуру устранения исключительной ситуации для каждого типа отказа. В трехуровневых архитектурах система RAPS часто используется на исполнительном уровне, что позволяет успешно справляться с непредвиденными ситуациями, не требующими перепланирования.

Существует также несколько других языков, которые обеспечивают использование в роботах средств формирования рассуждений и средств обучения. Например, Gologпредставляет собой язык программирования, позволяющий обеспечить безукоризненное взаимодействие средств алгоритмического решения задач (планирования) и средств реактивного управления, заданных непосредственно с помощью спецификации.

Программы на языке Golog формулируются в терминах ситуационного исчисления с учетом дополнительной возможности применения операторов недетерминированных действий. Кроме спецификации программы управления с возможностями недетерминированных действий, программист должен также предоставить полную модель робота и его среды.

Как только программа управления достигает точки недетерминированного выбора, вызывается планировщик (заданный в форме программы доказательства теорем) для определения того, что делать дальше. Таким образом программист может определять частично заданные контроллеры и опираться на использование встроенных планировщиков для принятия окончательного выбора плана управления.

Основной привлекательной особенностью языка Golog является предусмотренная в нем безукоризненная интеграция средств реактивного управления и алгоритмического управления. Несмотря на то что при использовании языка Golog приходится соблюдать строгие требования (полная наблюдаемость, дискретные состояния, полная модель), с помощью этого языка были созданы высокоуровневые средства управления для целого ряда мобильных роботов, предназначенных для применения внутри помещений.

Язык «JSk CES (сокращение от C++ for embedded systems - C++ для встроенных систем) - это языковое расширение C++, в котором объединяются вероятностные средства и средства обучения. В число типов данных CES входят распределения вероятностей, что позволяет программисту проводить расчеты с использованием неопределенной информации, не затрачивая тех усилий, которые обычно связаны с реализацией вероятностных методов.

Еще более важно то, что язык CES обеспечивает настройку робототехнического программного обеспечения с помощью обучения на основании примеров, во многом аналогично тому, что осуществляется в алгоритмах обучения. Язык CES позволяет программистам оставлять в коде «промежутки», которые заполняются обучающими функциями; обычно такими промежутками являются дифференцируемые параметрические представления, такие как нейронные сети. В дальнейшем на отдельных этапах обучения, для которых учитель должен задать требуемое выходное поведение, происходит индуктивное обучение с помощью этих функций. Практика показала, что язык CES может успешно применяться в проблемных областях, характерных для частично наблюдаемой и непрерывной среды.

Язык ALisp представляет собой расширение языка Lisp . Язык ALisp позволяет программистам задавать недетерминированные точки выбора, аналогичные точкам выбора в языке Golog. Но в языке ALisp для принятия решений применяется не программа доказательства теорем, а средства определения правильного действия с помощью индуктивного обучения, в которых используется обучение с подкреплением. Поэтому язык ALisp может рассматриваться как удобный способ внедрения знаний о проблемной области в процедуру обучения с подкреплением, особенно знаний об иерархической структуре «процедур» желаемого поведения. До сих пор язык ALispприменялся для решения задач робототехники только в имитационных исследованиях, но может стать основой многообещающей методологии создания роботов, способных к обучению в результате взаимодействия со своей средой.

Хочешь попробовать себя в робототехнике, но не хочешь тратить деньги, ждать доставки компонентов и мучиться со сборкой? Тебе интересно протестировать код, не оглядываясь на ограничения железа? Эта статья позволит тебе начать работать сразу после прочтения, ведь речь пойдет о симуляции роботов.

Google купила Boston Dynamics. Это сообщение у меня вызвало некий шок. Boston Dynamics - одна из самых известных компаний, специализирующихся на робототехнике, и, если учесть, что Google покупает уже восьмую компанию на этом рынке, возникает правомерный вопрос: что же они задумали? Похоже, нас ждет интересное десятилетие!

Однако не будем слишком долго ломать над этим голову, а лучше займемся делом. Развитие программного обеспечения сейчас позволяет практически каждому взять и создать своего робота. Робота не реального, а его программную модель, то есть выполнить симуляцию робота. Учитывая, что почти все ПО в моем обзоре распространяется бесплатно, это даст тебе огромную экономию по деньгам и времени.

Физический и графический движок

Каждый симулятор включает физический и графический движок. От их возможностей зависит сложность модели робота, которую можно реализовать в симуляторе.

Графический движок - программа, основной задачей которой является визуализация (рендеринг) двухмерной или трехмерной компьютерной графики. Графический движок работает в режиме реального времени.

Физический движок позволяет создать виртуальное пространство, в которое можно добавить виртуальные статические и динамические объекты и указать законы взаимодействия тел и среды. Расчет взаимодействия тел выполняется самим движком. Вычисляя взаимодействие тел между собой и со средой, физический движок приближает физическую модель получаемой системы к реальной и передает уточненные геометрические данные графическому движку.

Достоинства и недостатки симуляторов

Достоинства:

• низкая стоимость;
• возможность в любой момент доработать модель;
• возможность отдельно тестировать функциональные составляющие робота;
• возможность одновременной симуляции нескольких типов роботов.

Недостатки:

• даже самый совершенный физический движок не может симулировать все законы реального мира;
• требовательность к ресурсам машины.

Microsoft Robotics Developer Studio

Microsoft Robotics - это пакет программ, который может использоваться для управления различными роботами и включает в себя полноценный симулятор. В состав Robotics входят следующие компоненты:

• библиотека Concurrent and Coordination Runtime (CCR) - предназначена для организации обработки данных с помощью параллельно и асинхронно выполняющихся методов. Взаимодействие между такими методами организуется на основе сообщений. Рассылка сообщений основана на использовании портов;
• Decentralized Software Services (DSS) - среда, которая позволяет запускать алгоритмы обработки данных на разных ЭВМ, организовывать асинхронное взаимодействие процессов управления различными подсистемами робота;
• Visual Simulation Environment (VSE) - среда визуализации, которая позволяет экспериментировать с моделями роботов, тестировать алгоритмы управления роботами;
• Visual Programming Language (VPL) - язык, предназначенный для разработки программ управления роботами. Программа на таком языке представляется в виде последовательности блоков, которые выполняют обработку данных, и связей между ними.

За симулятор физики в Robotics отвечает Ageia Physx. Очень печально, но в симуляторе отсутствует трение между создаваемыми объектами, хотя моделируется трение между отдельным объектом и платформой, на которой он размещается.

Создать сцену в симуляторе и запрограммировать робота можно на VPL или C#. Естественно, что на C# сцену сделать сложнее, но зато и код получится более эффективный. Возможности Robotics позволяют смоделировать футбол роботов, железную дорогу, манипулятор, добавить на сцену нескольких роботов. Доступные из коробки сенсоры: GPS, лазерный дальномер, инфракрасный дальномер, компас, сенсор цвета, сенсор яркости, веб-камера.

Подробнее о работе с этой средой ты можешь прочитать в номерах 01’13 («Стань робототехником!») и 03’13 («Робот-шпион - это просто!»).

Robotino - робот, созданный Festo Didactic для обучения робототехнике. Для программирования робота требуется программа Robotino® View. На сайте Festo доступен симулятор робота для Windows - Robotino® SIM (есть профессиональная и бесплатная версия, бесплатная - немного урезанная по функциональности).

Немного о роботе, который встроен в симулятор. В его состав входят три двигателя, которые позволяют перемещаться роботу по плоскости в любом направлении. Сенсорная система робота включает девять инфракрасных сенсоров расстояния, два цифровых оптических сенсора и камеру. Программировать робота можно с помощью C/C++, Java, .NET.

Вообще, способности бесплатного симулятора удручают. Но! Если хорошенько поискать в интернете, то можно найти версии данного симулятора, заточенные под разные задачи. Да будет тебе известно, что компания Festo Didactic выступает одним из спонсоров RoboCup . Поэтому здесь goo.gl/Wtle15 и здесь goo.gl/pHA2oL ты сможешь найти версии этого симулятора, использовавшиеся в соревнованиях.

Gazebo - мощный симулятор роботов, разработанный для операционной системы Linux. Абсолютно бесплатен для использования. Gazebo может симулировать нескольких роботов с сенсорами в окружении различных объектов. Также тут доступен редактор, который позволяет создавать 3D-сцены без программирования. Моделируемые сенсоры: лазерный дальномер, камера, кинект-сенсор, устройство для чтения RFID-меток и бамперы. Из коробки в симуляторе имеются модели следующих роботов: PR2, Pioneer2 DX, iRobot Create, TurtleBot, а также манипуляторы и захваты. К симулятору для создания качественной графики можно подключить OGRE (графический движок с открытым исходным кодом). В Gazebo встроена возможность чтения файлов в формате Collada, что позволяет добавлять в симулятор объекты, спроектированные в одном из редакторов 3D-моделей.

Gazebo используется в качестве симулятора в DARPA Robotics Challenge (DRC). В рамках DRC разработано приложение CloudSim для запуска Gazebo на платформе облачных вычислений Amazon.

AnyKode Marilou Robotics Studio

AnyKode Marilou Robotics Studio - среда разработки и симулирования мобильных роботов, гуманоидов и манипуляторов с учетом физических законов реального мира. Для объектов можно указать следующие физические параметры: массу, упругость, свойства материала, вращающие моменты, а также некоторые другие.

Marilou позволяет подключать к роботу различные виртуальные устройства: компас, акселерометры, двигатели и сервомоторы, бампер, сенсоры расстояния (ультразвуковой и инфракрасный), GPS и другие устройства.

В редакторе объектов Marilou доступны статические и динамические объекты, которые можно размещать в симулируемом мире (поддерживается одновременная симуляция нескольких роботов). Сложные объекты в Marilou строятся из более простых (используется иерархический подход к представлению объекта), что позволяет повторно использовать части объектов. В симуляторе доступны несколько источников света: точечный, прожектор, внешний и направленный.

В Marilou есть MODA (Marilou Open Devices Access) - SDK для работы с роботами и их компонентами в симуляторе. После синхронизации с часами симулятора алгоритмы управления роботом могут запускаться на другом компьютере сети. В зависимости от выбранного языка MODA предоставляет библиотеки (.lib или.a) или.NET-сборки (.dll) для доступа к симулятору по сети. Программирование алгоритмов управления роботов возможно с помощью языков C/C++, C++ CLI, C#, J#, VB#.

Для коммерческого использования симулятор платный, для образовательных целей - бесплатный (запрашивать лицензию нужно каждые три месяца).

В ноябре 2013 года вышел новый движок симулятора для Marilou - Exec V5. Бета-версия движка может работать на Windows, Ubuntu и Mint. Новый движок многопоточный, кросс-платформенный и использует OpenGL 2.1.

Code Rally: гонки на роботах

Code Rally (разработка IBM) нельзя назвать полноценным симулятором роботов. Если быть точным, Code Rally - симулятор гонок машин (бесплатный и с открытым исходным кодом).

Цель программиста - написать алгоритм управления движения машины («роботом») по трассе (кругу) с учетом следующих правил игры:

1. В процессе движения машина должна проходить через контрольные точки, за что ей начисляются очки.
2. Перемещаясь по трассе, машина тратит топливо, а также может расстреливать другие машины пулями.
3. Машине доступны координаты заправочных станций, кассет с пулями и контрольных точек; трасса ограничена стенами, за пределы которых машина не может выехать.
4. Допускается управление скоростью машины.
5. На трассе могут находиться заправочные станции и кассеты с пулями. При заправке топливом машина должна оставаться неподвижной. Машина может включать защиту, но в это время в удвоенном объеме тратится топливо.
6. Очки начисляются за проезд через контрольную точку (за проезд через точки в установленном порядке начисляется больше очков), за попадание в машину противника (подбитая машина теряет топливо) и за топливо, оставшееся на момент окончания гонки.

Побеждает машина, набравшая максимальное количество очков.

Тестировать свой алгоритм управления машиной можно на сервере (на своем компьютере), посоревноваться с друзьями по сети или запустить приложение на облачном сервере IBM (ведется рейтинг игроков).

Разработка алгоритма управления машиной выполняется в Eclipse на Java. Так что, занимаясь симуляторами, можно не только развлечься, но и Java подтянуть. В симуляторе доступно шесть трасс различной степени сложности.

Algodoo: специализированный симулятор физики

Algodoo - физический 2D-симулятор. Объекты, которые создаются в этом симуляторе, сразу начинают подчиняться законам физики. Конечно, полноценного робота в трехмерном пространстве ты в этой программе не сделаешь, зато сможешь проверить возможность работы любого механизма. В программе можно моделировать воду, пружины, оптические устройства, ракетные двигатели, оружие, автомобили.

Может показаться, что данный симулятор неполноценен в том смысле, что позволяет проектировать и исследовать только «плоских» роботов. Однако ты можешь сначала спроектировать 2D-робота, а потом создать в реале его трехмерную версию. Пример показан здесь (2:07): goo.gl/wzQ7q4 . В Algodoo встроен скриптовый язык программирования Thyme, который добавляет большую свободу действий в симуляторе. В Thyme доступны переменные, условный оператор, массивы, обработка событий, происходящих в песочнице (среде моделирования).

История Algodoo началась с игры Phun, которую разработал швед Эмиль Эрнерфельдт (это была его магистерская работа). Поддерживаемые ОС: Windows, OS X, iOS. На сайте доступна библиотека AlgoBox, в которой есть куча обучающих материалов и примеров разработки. Также посмотри

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.

Согласно последним опросам родителей, проведенным социологами в нашей стране, все большую популярность завоевывают конструкторы по робототехнике для детей, причем не только среди школьников старших классов, но и среди 4-5-летних малышей.

Сейчас на отечественном рынке представлен огромный выбор комплектов, которые рассчитаны на детей самых разных возрастов, с разным уровнем подготовки и знаний.

Особенности конструкторов

Все объединяет не только функция игры, но и обучения. Конструкторы для школьников зачастую сопровождаются рабочими тетрадями, учебниками, глоссариями, методическими материалами для учителя. Комплекты для младших групп, в частности для дошкольников, не рассчитаны на использование серьезных педагогических материалов, однако, и в этом случае ребенок не просто играет, а изучает в доступной форме механизмы, физические законы.

Бесспорно, робот-конструктор для детей четырех - шести лет не предлагает сбор и программирование человекоподобного андроида. На начальных этапах робототехника - это изучение моделей, работа с простейшими моторами и т. д.

Возрастные группы

Сегодня роботы-конструкторы выпускаются для детей в возрасте от четырех до пятнадцати лет. Продуманный набор соответствует уровню знаний юного конструктора или инженера: чем старше ребенок, тем сложнее ему предлагаются модели. Большинство производителей предлагают модели для следующих возрастных групп:

От 4 до 6 лет

Простые модели с яркими и крупными деталями и увлекательным содержанием. Обычно, в этом случае малышу предлагают собрать самолетики, машинки, животных, чтобы получить первое представление о том, что такое механизм. Задача таких конструкторов для малышей состоит в том, чтобы развить мелкую моторику ребенка, усидчивость, внимание, изобретательность, обучить работе в команде.

От 7 до 9 лет

Робот-конструктор по робототехнике для младших школьников становится более сложным. Это можно сказать как о самих моделях, так и об изучаемых темах. Дети более подробно знакомятся с физическими законами и явлениями, начинают изучать работу различных датчиков. По этой причине такие наборы с успехом используются на уроках физики. Многие комплекты предлагают не только построить машинку, но и заставить ее двигаться: ехать по линии, отъезжать от края стола.

От 10 до 15 лет

Программируемый робот для старших школьников, подразумевает практически полное погружение в робототехнику (исключая моделирование и печать деталей, хотя набор от Fischertechnik позволяет собрать настоящий 3D-принтер). Работа с механизмами в этом случае сочетается с программированием - комплекты могут поставляться с программируемыми платами, чтобы будущий инженер мог увидеть, как они функционируют, и попробовать задать команды самостоятельно.

LEGO

Один из самых популярных и известных в мире брендов является и признанным лидером в образовательном роботостроении. Во многих школах на занятиях используются именно его комплекты, которые отличаются универсальностью, широким набором материалов для педагогов, наличием рабочих тетрадей.

Известный бренд предлагает несколько линеек для детей разных возрастов. Для самых маленьких подойдут «Первые механизмы» (5+) или «Простые механизмы» (7+). Занятия с этими конструкторами не требуют серьезных знаний в роботостроении, наборы лишь знакомят детей с тем, что такое и как функционирует механизм. Будущий инженер-конструктор узнает, как работают рычаги, зубчатые колеса и многое другое.

Линейки WeDo и WeDo 2

Эта игрушка робот программируемый, позволит ребятам от 7 до 10 лет собрать первый настоящий механизм. Комплекты состоят из множества деталей для тела робота, а также самые разные датчики (наклона, движения), дидактические материалы, программное обеспечение.

В отдельную группу следует выделить конструкторы, в которых подробно разбираются темы, связанные не только с физическими явлениями, но и с некоторыми другими дисциплинами, технологией, к примеру. К таким наборам можно отнести «Возобновляемые источники энергии», «Пневматику» и другие.

MINDSTORMS Education EV3

Это самые сложные из предлагаемых LEGO конструкторов, которые предназначены для учащихся средней школы. Комплекты позволяют создать полноценного сборного программируемого робота, имеющего различные датчики, который способен взаимодействовать с другими роботами от этого производителя.

Huna

Южнокорейские специалисты, разрабатывая программируемые конструкторы для детей, придерживаются правила — «От простого к сложному». Уже детям с шести — восьмилетнего возраста бренд предлагает собрать несложные механизмы с двигателем, датчиками, которые определяют расстояние, звуковым сопровождением. В основу таких комплектов заложены знакомые всем малышам модели: герои сказок (к примеру, Паровозик Томас или персонажи из «Трех поросят»), машинки, животные. Каждый комплект оснащен понятной инструкцией, которая поможет ребенку (конечно, с помощью взрослых) собрать интересную движущуюся модель.

MRT (My Robot Time)

Ребят постарше заинтересует эта линейка, в которой можно подобрать комплекты посложнее. Во все наборы входит мотор, датчики и прочие необходимые элементы. Главной особенностью программируемых роботов от Huna является возможность соединения деталей по всем шести сторонам.

Интересной разработкой компании стали наборы для совместной, групповой работы: ребята могут построить зоопарк и даже город или пофантазировать на темы «Новый год и Рождество», «Мечты и реальность».

Fischertechnik (Германия)

Не уступает конкурентам и этот немецкий производитель, который подготовил наборы для детей разных возрастных групп. К примеру, для начинающих изобретателей в возрасте от пяти лет создан «Набор для малышей», а также «Супернабор для малышей».

Каждый такой комплект позволит ребенку построить несколько моделей самолетов, машинок, подъемный кран и другие понятные и знакомые объекты.

Младшим школьникам компания Fischertechnik предлагает решить более сложные задачи. К примеру, построить машину, двигающуюся от солнечных батарей или трактор с дистанционным управлением. Бренд разработал наборы для изучения оптических явлений, пневматики, топливных элементов, законов динамики, различных двигателей. Эти и другие подобные образовательные конструкторы помогут ребятам в игровой форме ознакомиться с различными сторонами школьного курса физики, но, главное, - применить теоретические знания на практике.

Engino (Кипр)

Бренд, известный огромным ассортиментом самых различных образовательных интерактивных программируемых роботов. Кроме того, компания Engino предлагает оригинальную серию для девочек: детали конструкторов выполнены в пастельных тонах, а сами модели ближе прекрасной половине человечества.

Mechanical Science и Discovering Stem

Нельзя не отметить и эти серии от компании Engino. С их помощью ребенок наглядно изучит различные физические явления — работу рычагов, кривошипов, клиньев, познакомится с законами Ньютона и солнечной энергии. Stem расшифровывается как Science (наука), Technology (технология), Engineering (инженерное дело) и Mathematics (математика). Этим областям и посвящены конструкторы.

Makeblock (Германия)

Самые интересные конструкторы-роботы, производимые этой компанией, - это, бесспорно, те, что можно использовать по назначению после сборки. К примеру, Airblock Drone или Laserbot гравировщик, которые позволяют собрать катер или дрон на воздушной подушке. Наборы укомплектованы всем необходимым для полноценной работы устройства. Например, юному гравировщику потребуется лазерная головка, программное обеспечение, кронштейны и многое другое.

Silverlit — программируемый робот (36 функций)

Эта технологичная уникальная игрушка от китайских производителей является настоящим чудом. Программируемый робот обладает тридцатью шестью функциями, а в комплекте с ним идет еще и небольшой робот. Основной герой комплекта умеет:

• выполнять последовательные действия (не более тридцати шести за один цикл), из которых наиболее интересны повороты, удар ногой, ходьба вперед и назад, выражение обеспокоенности, танцы, обхождение препятствий;
• реагировать на громкие звуки. При хлопке в стороне от робота Silverlit, он издает звук;
• охранять помещение: робот предупреждает знаками ребенка о том, что перед ним появилось какое-то препятствие;
• общаться со своей мини-копией Maxi Pals, подавая световые сигналы;
• сверкать глазами, поворачивать голову, шевелить суставами ног и рук;
• удерживать нетяжелые предметы в руках.

Роботы от Silverlit изготовлены из качественных материалов. В комплект входит дистанционный пульт управления, который для удобства можно закрепить на спине робота. Программируемый робот Silverlit небольшого размера. В комплект поставляются батарейки, но только к основному, большому роботу Maxi Pals.

Эта игрушка заинтересует детей с пяти лет. Выглядят роботы очень симпатично — оригинальные космонавты, одетые в оригинальные скафандры. Игрушка имеет особый датчик, позволяющий обходить препятствия и сканировать пространство.

Конструкторы-роботы человекоподобные, программируемые

Наверное, совсем скоро роботы-андроиды станут незаменимыми помощниками домашних хозяек: они смогут готовить пищу и убирать в доме. Пока такие модели используют лишь в развлекательных или образовательных целях.

Darwin-mini

Элементы робота от компании Robotic совместимы с конструктором серии Dream, того же бренда. Рост робота составляет 26,95 см, семнадцать сервомоторов используется для движений. Передвигается он со скоростью 24 см/сек, аккумулятор рассчитан на полчаса непрерывной работы.

В комплект набора входит модуль Bluetooth. А вот гироскопического и других датчиков в этом комплекте нет. Контроллер с открытой платформой управляет роботом. Она оборудована четырьмя портами, к которым подключаются дополнительные датчики-светодиоды, которые в комплект не входят, но могут понадобиться для выполнения некоторых дополнительных задач.

Для сборного программированного робота применяется бесплатное ПО RoboPlus. Поведение робота можно запрограммировать с помощью редактора RoboPlus Task, а более сложные движения — используя программу RoboPlus Motion.

Bioloid Premium Kit

Комплект от известной корейской компании Robotics. Помимо трех можно собрать из предлагаемого комплекта 26 различных механизмов. Комплект рассчитан на детей старшего и среднего школьного возраста.
Собранный робот имеет: гироскоп, два инфракрасных датчика препятствий, 18 сервомоторов, инфракрасный датчик расстояния. Кроме того, в конструкцию включены датчики напряжения, температуры, микрофон. В комплекте входит пульт дистанционного управления.

Роботы-конструкторы – идеальная возможность, чтобы совместить игру и обучение простейшим навыкам программирования. Именно поэтому они пользуются столь большой популярностью в мире.

Различаются они не только производителями, но и способами и возможностями программирования, типами крепежей, а также материалами.

Большинство упрощенных (для новичков) и роботов имеют в комплекте специальное программное обеспечение, которое позволяет без труда задать команды своему творению. В более совершенных моделях придется для начала изучить, основанные на С, языки.

LEGO Mindstorms

Конструктор выпускается в двух типах:

• детский;
• продвинутый.

В детском вложено всего лишь несколько моторов, лампочек, а также инструкция с возможными вариантами сборки. Но с LEGO часто инструкция оказывается уже не нужна после первой сборки, и в дело вступает фантазия.

Стоит заметить, хоть программирование этих роботов возможно, блоков управления в этом наборе не предусмотрено, это означает, что робот будет всегда соединен с компьютером при помощи кабеля USB.

Продвинутый же набор открывает намного больший простор для фантазии. Он существует в нескольких вариантах и поколениях (на данный момент поколений три). Они отличаются количеством деталей, наличием дополнительных микрокомпьютеров, а также различными датчиками и другими приборами. Микрокомпьютеры этой серии оснащены операционной системой Linux. Эти схемы поддерживают не только специальные языки программирования, но и C++, C и даже Python.

Для удобства перепрограммирования робота можно воспользоваться официальной программой от LEGO, которая позволит настраивать элементы при помощи интуитивно понятного интерфейса.

Лего держит пальму первенства в роботах-конструкторах уже более десяти лет. Устраиваются соревнования по созданию , где главным призом чаще всего оказывается бюджетное место в престижном ВУЗе.

LEGO Mindstorms – один из 17 вариантов сборки

HUNA

Это сравнительно новый бренд, родом из южной Кореи, который постепенно набирает популярность в кругах юных кибернетиков. Типов наборов HUNA существует два. Их принципиальное отличие заключается в том, что, в одном случае детали выполнены из пластика, а в другом – из металла. Но в то же время их можно комбинировать, так как принцип соединения частей у них общий.

Узнать больше об увлекательных металлических конструкторах для мальчиков можно .

Пластиковые наборы HUNA предназначены для детей, возрастом от шести лет, так как не требуют знания даже основ программирования.

В качестве “мозга” железных комплектов выступает контроллер Arduino, на котором уже стоит специальная прошивка. Среда программирования тут – обычный C-образный язык для Arduino, но для большего удобства его визуализировали.

За счет Arduino, а также более продвинутых систем, данные наборы специализируются на аудитории, достигшей пятнадцати лет. То есть, тех, кто уже перерос Mindstorms.

Makeblock

Следующим конструктором в нашем списке является китайский Makeblock. Как и в предыдущем случае, здесь используется электроника Arduino. Количество продаваемых наборов на официальном сайте просто огромное. Вы можете найти как дешевые комплекты обычных машинок, так и достаточно серьёзные наборы, которые позволяют создать своими руками 3D-принтер.

Все детали Makeblock выполнены из алюминия, на который электростатическим методом нанесена краска (примерно, как и на автомобили). Таким образом, вероятность того, что со временем детали будут выглядеть неказисто, стремится к нулю.

Из интересных моделей следует заметить те, которые выполняют рисунки, среди них:

• mScara – робо-рука, на которую можно вместо маркера поставить лазер;
• mSpider – он рисует в вертикальных плоскостях, подобно пауку перемещаясь на ниточках;
• mCar – машинка, которая рисует маркером там, где она ездит.

Также для этих роботов имеется специальное ПО, которое позволяет создать рисунок любой сложности. Для этого достаточно загрузить его в графический редактор программы.

#Структор

Этот конструктор производится в России и отличается от других тем, что его детали выполнены из вспененного ПВХ. Их толщина составляет пять миллиметров, что позволяет создавать небольшие, но достаточно прочные конструкции.

А тот факт, что ПВХ – мягкий материал, позволяет решить вечную проблему конструкторов – детали не такие, как их хочется видеть. В данном случае все решается обычным канцелярским ножом или скальпелем.

Достоинства ПВХ:

• низкая стоимость;
• простота обработки – достаточно лишь вооружиться ножом, карандашом и линейкой;
• высокая прочность;
• влагоустойчивость;
• пожаробезопасность – температура возгорания листового ПВХ превышает 400 градусов Цельсия.

Малую прочность конструкции производители предлагают решить двумя способами. Первый – просто склеить детали. Лучше всего для таких целей подойдет специальный клей “Космофен”. Второй способ – объединить #Структор с советским (или аналогичным) железным конструктором.

#Структор от “Амперка”

Хоть детали от такого обращения долго не проживут, вы всегда сможете купить лист пластика и вырезать новые. Чертежи деталей находятся в свободном доступе, да и фантазию никто не исключал.

Управление элементами #Структор производится на Arduino. А благодаря универсальности материала, из которого изготовлены элементы конструктора, любой датчик, сервопривод или мотор легко внедряются в конструкцию.

Vex

Фирма известна в основном благодаря своим вибророботам. Но немногие в курсе, что она также производит наборы по созданию полноценных роботов. Наборы предназначены для детей от десяти лет. Но благодаря широкому ассортименту продукции их также можно использовать в школах или университетах.

Если какого-то элемента будет недоставать, всегда можно приобрести его отдельно. На сайте производителя имеется масса различных датчиков, моторов и других элементов конструктора. Кроме того, покупая дополнительные детали, можно повысить сложность изделий.

Только в наборах корейской компании Vex встречаются коробки передач или колеса Илона.

Программирование происходит на одной из нескольких сред. Всего среды три. Первая представляет собой экран, где вместо прописывания команд просто перетаскиваются блоки. Вторая же – классические блок-схемы, как на уроках информатики. Третья среда очень похожа на ПО от LEGO – то же перетаскивание блоков с командами и значениями.

Примечательной особенностью является также наличие ПО VEX Assembler. Это 3D редактор, в котором вы можете придумать и испытать своего робота до того, как начнете его строить вживую.

VEX Robotics by HEXBUG

FischerTechnik

Комплекты конструкторов производит немецкая компания. Линейка ROBOTICS, которая и открывает для детей мир роботов, насчитывает шесть наборов. Все они предлагают создать несколько роботов, которые выполняют те или иные функции. Как и со всеми конструкторами, веселье начинается в тот момент, когда все инструкции уже перепробованы.

Чтобы не было недостатка в деталях и электронных компонентах отдельно можно приобрести наборы расширения, дистанционное управление и многое другое.

Отдельного внимания заслуживают контроллеры, продающиеся отдельно. Хоть их стоимость сопоставима со стоимостью целого набора, границы, которые они открывают, с легкостью перекрывают этот факт.

В продаже имеется два типа контроллеров:

• Robo TX;
• Robo TXT.

Высокая цена за них обусловлена тем, что это не просто контроллеры, а настоящие микрокомпьютеры с поддержкой Wi-Fi, Bluetooth и довольно мощной “начинкой” для своих малых размеров. Для повышения производительности эти контроллеры могут быть совмещены в одну сеть.

Программирование происходит на бесплатной программе Robo Pro. Все команды задаются при помощи логических блоков, что позволяет обучить ребенка азам программирования в игровой форме.

ТРИК

Конструктор родом “рожденный” в России. Его производители решили помочь любителям робототехники, которые используют советские металлические конструкторы. Поэтому все детали имеют отверстия с теми же десятью миллиметрами, что и железные конструкторы.
Этот конструктор на рынке новичок, но уже зарекомендовал себя как универсальный и очень удобный.

На данный момент имеется четыре типа наборов:

• стартовый;
• образовательный;
• школьный;
• соревновательный.

Их различие в количестве деталей и электроники. Во всех наборах вы найдете микроконтроллер, микрофон и видеокамеру или датчики, светодиоды и колеса.

Микроконтроллер ТРИК работает на Linux и имеет на борту процессор с 24 мегагерцами и целые 256 Мбайт оперативной памяти. Также ее можно расширить за счет Flash-карты.

Набор для сборки ТРИКС

Создатели данного конструктора решили не привязывать контроллер к одной среде программирования. Поэтому он поддерживает C, C++, Python и даже Java. Для тех, кто только изучает программирование, имеется специальная среда программирования, предназначенная для контроллера ТРИК.

Так как контроллер поддерживает множество команд, для удобства управления имеется приложение для смартфонов под управлением Android. Команды передаются при помощи Wi-Fi.

MOSS

Американская компания, придумавшая MOSS, пошла нестандартным путем – она отказалась от проводов. Вместо них используются детали кубической формы, которые имеют цветные грани. Их назначение следующее:

1. Зеленые – передача электричества от аккумулятора.
2. Красные – вход данных.
3. Коричневые грани – выход данных.
4. Голубые – эти грани передают и электричество и данные. Они нужны для того, чтобы соединять детали при помощи гибкого элемента.

Да, конструкция довольно сложна, но если в ней разобраться, фантазию в создании роботов будет уже не остановить. А понять в чем суть в ней, может и ребенок 8 лет, на которого конструктор и рассчитан. Модули соединяются межу собой при помощи металлических шаров, крепящихся на магниты. Магниты эти расположены на углах модулей.

Robo Wunderkind от MOSS

Программирование микроконтроллеров можно совершать на двух программах. Первая представляет собой визуализатор с дополнительными параметрами. Она подойдет для тех, кто не очень хорошо разбирается в C-коде.

Вторая же программа направлена на тех, кто хорошо в нем разбирается. Она компилирует ваш код и переносит его в контроллер. Обе эти программы работают на Windows и Mac OS, но не поддерживаются Linux.

Для удаленного правления роботом MOSS существует сразу несколько программ для мобильных устройств. Это и пульты управления, экспорт данных с датчиков, рисование графиков и многое другое. Все программы доступны для iOS, а некоторые и для Android.

Для детей дошкольного возраста можно выбрать набор для сборки без электротехнической составляющей, например, .

Стоит заметить, что в обзоре не учитывались конструкторы, стоимостью свыше ста тысяч рублей, а также те, которые требуют какой-либо пайки.

Робот MECCANO, управляемый с помощью смартфона или планшета

Видео

Данное видео подробно расскажет Вам о программируемых роботах: какие они бывают и какой лучше выбрать.

Чтобы выбрать конструктор, нужно определиться, для кого он:

• LEGO Mindstorms лучше всего подойдет ребенку, который увлекается роботами. А так как у большинства детей есть обширная коллекция LEGO, фантазия ребенка будет поистине безграничной.
• Если вы разыскиваете конструктор для себя, то стоит обратить внимание на ТРИК или #Структор, так как они оба совместимы с советским железным конструктором, а второй к тому же, еще, и выполнен из ПВХ.
• Но, так или иначе, эти конструкторы очень сильно улучшат способности вашего ребенка к логическому мышлению, а также подготовят его к тому, что будет ждать его в школе или институте.

Не лишним будет, перед покупкой , подробно изучить каждый понравившийся набор для сборки. А также подумать над тем, чтобы отдать ребенка в клуб радиолюбителей, если данная тематика ему нравится.