Робототехника. Методы программирования роботов

Автор: Фесенко Геннадий Сергеевич

Организация: МБОУ «СШ №6»

Населенный пункт: Республика Адыгея, Тахтамукайский район, пгт. Энем

Область, объединяющая науку, технику и технологии – это робототехника. В ней проводятся исследования с целью создания машин, которые смогут повторять действия человека и даже во многом его заменить.

В робототехнику входят проектирование, создание и программирование «умных» механизмов, то есть роботов. Они применяются в аэрокосмической промышленности, здравоохранении, электронной коммерции, освоении космоса, транспорте и других отраслях.

Название «робот» пришло из чешского языка, где оно имеет форму robota. Этот термин использовал писатель Карел Чапек, когда в 1920 году в пьесе «RUR» («Универсальные роботы Россума») назвал так придуманные им искусственно созданные на фабрике человекоподобные машины, похожие на живых людей.

В наши дни робототехника стала одним из направлений, которые развиваются очень быстрыми темпами. Робототехника делится на различные области. Вот пять её основных областей:

1. Интерфейс оператора. Это область взаимодействия робота и контроллера (человека, управляющего его действиями). Человек и машина могут быть связаны с помощью сенсорной панели, джойстика и т.д.
2. Подвижность или передвижение. Задаёт способ перемещения машины в пространстве, который зависит от типа робота. Для передвижения могут использоваться колёса, плавники, пропеллеры (например, у дронов). Если речь идёт о гуманоидном объекте, он передвигается на двух конечностях, подобно человеку.
3. Манипуляторы. Этот термин относится к той части робота, которая приспособлена для выполнения определённых действий. Это такие компоненты машины, как захваты, толкатели, когти, механические руки и пальцы. Например, если задачей промышленного робота является перемещение предметов, его оснащают двухпальцевым захватом.
4. Ощущения и восприятие. Данная область робототехники отвечает за то, как машина ориентируется в пространстве, опознаёт объекты и реагирует на окружающее. С помощью этого поля робот получает информацию о направлении движения, препятствиях, расположении нужных объектов. Например, встречая преграду на пути, он ищет, как её обойти. Чтобы машина принимала верные решения, программист должен ввести в неё такие компоненты.
5. Программирование. Включает в себя команды, с помощью которых робот действует в той или иной ситуации. Нужно спроектировать и создать компьютерную программу, которая будет исполняемой и позволит выполнять задачи, для которых предназначена машина.

Выбор способа программирования промышленных роботов зависит от их марки. Многие считают, что используется C++ или Visual Basic. На самом деле очень часто используются такие языки, как ассемблер.

Программирование

В наши дни имеется большое число языков программирования для машин – более тысячи. Нужно разобраться подробнее в этой теме, чтобы обучающимся было понятно, как работает эта отрасль робототехники.

Программирование — завершающий этап сборки робота. Полностью собранный высокотехнологичный робот фактически является своеобразным макетом до того момента, как в его память не будет загружена особая программа, которая научит его совершать определенные операции и исполнять команды, отданные оператором. Если этот этап не будет завершен – робот не научится делать ничего из того, что было заложено в него технически.

Для того чтобы микропроцессор робота стал его мозгом, программист должен загрузить в него программу, соответствующую функционалу устройства. Обычный человеческий язык машина понять неспособна, поэтому для общения с ней используются специальные языки программирования. Они могут обеспечить четкую формализацию поставленных задач, точность и надежность их оценки с точки зрения логических связей, и т. д.

В зависимости от того, какие задачи решает язык программирования, выделяют несколько уровней таких искусственных языков:

• Низший. Служит для управления исполнительными приводами в формате заданных точных значений линейного или углового перемещения отдельных звеньев интеллектуальной сети устройства.
• Манипулятивный уровень. С его помощью можно реализовать общее управление всей системой в целом, где рабочий орган робота будет зафиксирован в системе координат.
• Оперативный уровень. Предназначен для формирования рабочей программы, где методом установления последовательности определенных действий будет достигнут результат, запланированный оператором.
• Высший уровень. При выходе на него программа самостоятельно, без детализации способна указать, какие именно действия необходимо совершить рабочему органу. Высшей целью является составление таких программ, где оператор ставит перед роботом цель произвести сборку устройства, а робот самостоятельно исполняет поставленную перед ним задачу.

Методы программирования роботов

 

Существует несколько вариантов того, как происходит программирование роботов.

1. Конвейерный подход

Этот сценарий подразумевает следующие этапы, из которых складывается процесс:

• Отслеживание информации со встроенных датчиков робота. Все полученные данные превратятся во вводные, которые будет получать машина для выполнения своих задач.
• Анализ состояния. Используя вводные данные, которые были получены на предыдущем этапе, составляется описание основных характеристик системы. Оцениваются скорость передвижения робота, его ориентация и так далее.
• Построение моделей и прогнозирование. Этот этап представляет собой динамическую работу, при которой периодически оказывается помощь в оценке состояния робота и его модели.
• Планирование. На данном этапе определяют набор действий, который необходим для того, чтобы поставленная задача была решена.
• Управление. Команды преобразуются, и появляется возможность модифицировать программу, управляющую поведением робота.

2. Биологический подход

Всё чаще и чаще робототехника использует такие технологии, как искусственный интеллект и нейронные сети. Их задача на сегодняшнем этапе – имитация биологической нейронной мозговой деятельности человека. Важное достижение данных технологий – возможность схватывания, воплощённая в 2016 году. Теперь можно обучать роботов приблизительно как обучают командам домашних животных. Биологический и конвейерный подходы во многом противоположны друг другу. Но у первого подхода более достойные результаты.

 

3. Смешанные подходы

Здесь происходит совмещение технологий. При этом используется положительный опыт биологического и конвейерного подходов. В итоге роботы, которые запрограммированы этим способом, показывают более высокие результаты по сравнению с классическим

Конец формы

Популярные языки программирования роботов

Несколько сотен языков программирования, которые существуют сегодня, делятся на две группы в зависимости от их низкого или высокого уровня.

В начале 50-х годов на смену машинному коду пришли языки низкого уровня. С их помощью программировать стало легче. Они применяются до сих пор и особенно полезны в случае, если действия робота нужно строго контролировать. У этих языков имеется важный недостаток: одинаковые действия машин различной конструкции требуют написания отдельных программ. То есть, для захвата робота-экскаватора нужна одна программа, а для роботоруки – другая.

Эта проблема отсутствует при работе с языками высокого уровня. Они более развиты и удобны в использовании. При этом не имеют значения нюансы конструкции: любой робот выполнит одну и ту же команду. Но на таких языках можно написать программу только для устройства с большим объёмом памяти, так как она займёт много места.

Если управление передаётся через транслятор, программирование робота придётся выполнять на языке низкого уровня. Если же микроконтроллер имеет плату типа Arduino, можно использовать высокоуровневые языки, работать с которыми легче. При программировании робота, имеющего несколько типов управления, зачастую применяют разные языки для различных задач. Такую машину можно считать полиглотом.

Ниже представлена подборка наиболее популярных языков, которые используют робототехники.

Для подробного изучения языков программирования нужно прочесть много литературы. Здесь лишь указаны основные особенности каждого, чтобы дать общее представление и объяснить, почему он оказался в списке лидеров.

Для каждого языка приведён пример одной и той же программы, написанной на нём. С этой программы обычно начинают базовое обучение.

 

Популярные языки программирования роботов

Assembly («Ассемблер»)

Это язык из группы низкоуровневых. Он очень близок к машинному коду. Со времени появления таких микроконтроллеров, как Arduino, данный язык используется реже, так как теперь роботы могут управляться на другом уровне. Микроконтроллеры поддерживают управление на C/C++ и других языках. Но «Ассемблер» по-прежнему необходим. Его применяют в случаях, когда нужен полный контроль над действиями робота. Некоторые условия задать машине можно лишь на этом языке.

Java

Смысл заключается в том, что виртуальная машина Java позволяет применить один и тот же код на различных роботах. Но такая идея срабатывает не всегда и иногда замедляет исполнение программы, доносящей код до механизма. Виртуальной машине необходимо сперва создать «образ» работы конкретной программы на данном роботе. Это требует довольно много времени.

Но универсальность этого языка сделала его широко распространённым в робототехнике.

Программирование роботов, имеющих отношение к веб-технологиям, происходит именно на этом языке. Примеры: машина, снимающая видео с трансляцией в интернет, также можно указать систему «умный дом», где используется схожий по принципу JavaScript.

LEGO Mindstorms.

Популярная образовательная платформа для изучения робототехники. Позволяет создавать и программировать роботов с помощью простого интерфейса программирования на основе блоков, а также через более сложные языки, такие как Python и Java.

 

Нюансы программирования промышленных роботов

Разработкой собственных языков программирования и средств вспомогательного ПО занимается почти каждая фирма-производитель в области робототехники. Те из них, которые внедряют робототехнику в производственные процессы, в первую очередь заинтересованы в разработке вспомогательного программного обеспечения, которое будет приспособлено к имеющимся условиям.

Основная проблема, которая встаёт перед учителями технологии при изучении модуля «Робототехника» в школе - это отсутствие материальной базы, а именно конструкторов и компьютеров или ноутбуков для программирования роботов.

Модуль «Робототехника» позволяет в процессе конструирования, создания действующих моделей роботов интегрировать знания о технике и технических устройствах, электронике, программировании, фундаментальные знания, полученные в рамках учебных предметов, а также дополнительного образования и самообразования.

Именно робототехника может показать детям, как устроена современная техника и принципы ее работы. Занимаясь робототехникой, школьники осваивают инженерные науки, приобретают умения и навыки практической деятельности, а также учатся самостоятельно решать конструкторские задачи. Это – один из шагов к воспитанию новаторов и квалифицированных специалистов в инженерном и научном направлениях. Таким образом, можно сделать вывод, что обучение робототехнике для формирования технологической грамотности на сегодняшний день очень актуально в педагогической практике.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мехатроника. Т.Исии, И.Симояма, Х.Иноуэ, М.Хиросэ, Н.Накадзима. Изд-во МИР, М. 1988, - 314с.

2. Б. Хайманн, В. Герт, К. Попп, О. Репецкий. Мехатроника: Компоненты, методы, примеры. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. – 602с.

3. А.В. Тимофеев. РОБОТЫ и искусственный интеллект. М. «Наука», 1978, - 192с.

4. Саймон Монк. Программируем Arduino. СПб.: ПИТЕР, 2016, - 176с.

5. Виктор Петин. Arduino и Raspberry Pi в проектах Internet of Things. СПб.: «БХВ-Петербург», 2016, - 320с.

6. Михаил Момот. Мобильные роботы на базе Arduino. 2017, - 288с. 7. RT0008 – Робот на Arduino Uno. Режим доступа: https://mysku.ru/blog/chinastores/36376.html

1. file0.docx (28,2 КБ)

Опубликовано: 19.04.2025