Понятие и роль образовательной робототехники на современном этапе развития образования
жүктеу/скачать 5,97 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 2.1 Введение в робототехнику
Контрольные вопросы и заданияКаковы причины внедрения робототехники в сферу образования? Какие основные нормативно-правовые акты регламентируют внедрение робототехники в образовательный процесс? Каковы возможности внедрения робототехники в сферу образования? Какое место на Ваш взгляд должна занимать робототехника в современной школе? Каковы возможности применения робототехники для формирования универсальных учебных действий обучающихся? Каковы возможности применения робототехники для реализации межпредметных связей в образовательном процессе? В чем заключаются особенности деятельности преподавателя в области образовательной робототехники? Глава 2 Основы робототехники в образовании 2.1 Введение в робототехникуРобототехника - это наука, которая появилась в 60-х годах ХХ века, и в настоящее время представляет большой интерес для образовательного сообщества. В свое время эта наука была только делом экспертов, инженеров и техников, поскольку еще не было много знаний по этой теме или технологии, необходимых для использования ее возможностей. Сегодня технологические достижения в таких областях, как информатика, электроника и механика, делают робототехнику доступной для всех. Существуют даже комплекты, ориентированные исключительно на детей, которые позволяют создавать роботов с характеристиками аналогичными тем, которые были бы созданы в технологической лаборатории, но более простым способом и с образовательными целями. Современное общество погружено в технологическую революцию. Изобретение первого транзистора в 1947 году послужило началом, а затем привело к кардинальным и радикальным изменениям в социальной, экономической и политической сферах мира. Робототехника, несмотря на то, что она является относительно новой наукой, становится важным двигателем технологического прогресса почти во всех областях (производство, наука, медицина, космическая промышленность и т. д.). И это создает большие перспективы на ближайшее время. Идея создания человекоподобного робота развивалась на протяжении многих лет человеческого общества, от примитивных механизмов похожих на роботов прошлых веков до современных человекоподобных роботов. Появились автоматизированные инструменты для массового производства, которые привели к промышленной революции. На заре технологической революции и раньше – человек всегда пытался заменить человеческий труд на машинный. Еще в IV веке до нашей эры греческий математик Архитас Таранто построил механическую птицу, которая работала на паровом двигателе и назвал ее "голубь". Инженер из Александрии Херон (10- 70 гг. нашей эры) создал множество автоматических устройств, которые можно было модифицировать, и описал машины, работающие под давлением воздуха, пара и воды. Су Сон, китайский ученый, возводил часовую башню в 1088 году с механическими фигурами, являющимися курантами часов. Сотни лет назад изобретатели создавали автоматические устройства в качестве хобби, иногда для того, чтобы решить какие-либо проблемы или облегчить повседневную работу. Аль-Джазари (1136-1206), мусульманский изобретатель и инженер-механик, разработал и построил серию автоматических машин, а в 1206 году - первых программируемых гуманоидных роботов. Они были представлены в виде музыкантов на лодке с механизмом программируемого барабана, в котором с помощью колышков, сталкивающихся с рычагами, приводились в действие ударные инструменты. Таким образом, можно было изменить ритмы и мелодии, которые играл барабанщик при перемещении колышков. Новый этап своего развития робототехника начала с текстильной промышленности восемнадцатого века, когда Джозеф Джаккард изобрел в 1801 году программируемую с помощью перфокарт текстильную машину. В 1805 году Анри Майярде (Henri Maillardert) построил механическую куклу, в которой использовалась серия сменных (программируемых) «кулачков» для написания и рисования. Эти механические изобретения являются отражением изобретательности и творчества человека, и они стали основой, которая позволила продолжать разрабатывать все более сложные машины, предназначенные для выполнения различных задач. Были и другие механические изобретения во время промышленной революции, многие из которых были направлены на сектор текстильного производства. Открытие электричества и электромагнетизма привело к первому взрыву в эволюции этих изобретений. Однако современная робототехника началась с создания транзистора. С тех пор удешевление и легкость получения материалов для производства роботов сделали возможным экспоненциальный рост в их создании. Компании, университеты, студенты, любители и любой другой человек в настоящее время в состоянии войти в этот мир. Таблица 1. Хронология развития робототехники
Удивительные достижения, такие как robo Nao от Aldebaran Robotics (2004) или Big Dog от Boston Dynamics стали более распространенной реальностью, чем когда-либо. Еще недавно слова "робототехника" или "робот", вызывали представление о некотором электронном приборе с механическими деталями и компьютерными технологиями, со странным и, возможно, смешным видом. Многие фильмы и игрушки используют это понятие и демонстрируют футуристическую концепцию. В других более простых областях робот визуализируется как протез или рабочий инструмент, а в некоторых - даже как кулер. Считается, что слово «робот» было придумано чешским драматургом Карелом Чапеком в 1920 году для одного из его произведений. Чешское слово robota, которое означает принудительный труд и традиционно понималось как рабочее время, было переведено на английский как «робот». Слово робототехника, используемое для описания науки исследования роботов, было придумано позднее писателем-фантастом Айзеком Азимовым. На протяжении многих лет робототехника развивалась и внедрялась во многие области науки, демонстрируя большой потенциал в новых областях. Сегодня это также важная часть повседневной жизни, настолько распространенная, что очень немногие понимают, что вокруг них, и что все начинают зависеть от него. Это стало таким обычным, что многим будет трудно идентифицировать всех роботов, с которыми они часто контактируют. Одно из наиболее распространенных определений рассматривает роботов как механические устройства, способные выполнять задачи, которые выполняются или не могут выполняться людьми. Из этого определения, например, ясно, что машины, участвующие в конвейерной сборке, являются роботами. То есть интеллект не является требованием для машины или устройства, чтобы быть классифицированным как робот. Но в соответствии с данным определением роботами являются и машины прошлых веков, построенные из дерева или железа, и интеллектуальные машины, которые появились в Японии, США и Европе в начале 90-х годов ХХ века. Последние получили перцептивные способности (в основном зрение, слух и осязание), более простые по сравнению с восприятием живыми существами, но позволяющие им взаимодействовать с окружающей средой. В настоящее время широко используются коммерческие и промышленные роботы, которые выполняют задачи более точно или дешевле, чем люди. Они также используются для выполнения слишком грязных, опасных или тяжелых для людей видах работ. Роботы используются на заводах по производству, сборке и упаковке, на транспорте, в исследованиях на Земле и в космосе, хирургии, вооружении, лабораторных исследованиях и в массовом производстве промышленных или потребительских товаров. Но есть также Роботы для разработки, исследований, развлечения или для других целей. Роботы, оснащенные одним колесом, были использованы для проведения исследований поведения, навигации и планирования маршрута; роботы с несколькими ногами, которые имитируют морфологию животных, направлены на поиск более стабильного способа передвижения, а создание двуногих роботов направлено на имитацию ходьбы человека. В 2002 году Honda и Sony начали продавать коммерческих гуманоидных роботов в качестве виртуальных домашних животных. Что касается программирования, то прорыв в нано-технологиях и квантовой физике позволил увеличить объем обработки и хранения информации у роботов и сделать их взаимодействие с окружающей средой более полным. Это в основном связано с передовой электроникой в датчиках и разработанной вычислительной логикой, позволяющей интегрировать различные сигналы. В процессе развития робототехники, устройство роботов и принцип их работы претерпели изменения. В этом смысле можно выделить несколько критериев, по которым роботов можно классифицировать в соответствии с их поколением, уровнем интеллекта, уровнем контроля и языка программирования. Ниже приведена наиболее распространенная классификация роботов по поколениям: 1-е поколение: Манипуляторы. Это многофункциональные механические системы с простой системой управления, либо ручной, фиксированной или переменной последовательностью. 2-е поколение: Обучаемые роботы. Они повторяют последовательность движений, которые предварительно выполняются оператором-человеком с помощью механического устройства. Оператор выполняет необходимые движения, которые робот повторяет и запоминает. 3-е поколение: Роботы с сенсорным управлением. Контроллер - это компьютер, который выполняет команды программы и отправляет их манипулятору для выполнения необходимых движений. 4-е поколение: Умные роботы. Они похожи на предыдущих, но помимо этого они также имеют датчики, которые отправляют информацию на контроллер о состоянии процесса. Это позволяет им принимать решения и контролировать процессы в режиме реального времени. По уровню интеллекта японская ассоциация роботов (JIRA) классифицировала их следующим образом: Устройства ручного управления, управляемые человеком. Роботы упорядоченной последовательности. Роботы с переменной последовательностью, где оператор может легко изменить последовательность. Регенерирующие роботы, где оператор управляет роботом через задачи. Роботы с числовым управлением, где оператор задает последовательность движения робота, пока задача не будет поставлена вручную. Интеллектуальные роботы, которые могут понимать и взаимодействовать с изменениями в окружающей среде. Программы на контроллере робота могут быть сгруппированы в соответствии с уровнем контроля, который они выполняют. Различают следующие уровни контроля: Уровень искусственного интеллекта, когда программа принимает такую команду, как "поднять предмет", и способна разбить ее на скрипт низкого уровня, основанный на стратегической модели задач. Уровень режима управления, когда движения системы моделируются, для чего включено динамическое взаимодействие между различными механизмами и запланированными траекториями. Уровень сервосистем, когда приводы управляют параметрами механизмов на основе данных внутренней обратной связи, полученных датчиками. Классификация согласно языку программирования. Ключом к эффективному применению роботов для широкого спектра задач является разработка языков высокого уровня. Существует множество систем программирования роботов, большинство из которых свободны для общественности, хотя более продвинутые из них являются частными и используются в исследованиях. Системы программирования роботов разделяют на три класса: Управляемые системы, в которых пользователь напрямую управляет роботом сообщая движения, которые должны быть выполнены. Системы программирования уровня-робот, в которых пользователь записывает компьютерную программу, задавая в ней необходимые движения. Системы программирования уровня-задача, в которых пользователь определяет операцию своими действиями над объектами, которыми манипулирует робот. Перечисленные классификации являются одними из наиболее распространенных в эволюции программирования. Однако критерии классификации могут быть различными, простыми или сложными в зависимости от желаемых результатов. Например, в зависимости от особенностей функционирования можно привести следующую классификацию: Роботы Play-back, которые регенерируют последовательность записанных инструкций, такие как робот, используемый для распыления покрытий или дуговой сварки. Эти роботы обычно имеют управление с открытым контуром. Роботы, управляемые датчиками, имеющие замкнутый контур управления манипулятивными движениями и принимающие решения на основе данных, полученных датчиками. Роботы, управляемые видением, где роботы могут манипулировать объектом, используя информацию из системы зрения. Адаптивно управляемые роботы, где роботы могут автоматически перепрограммировать свои действия на основе данных, полученных датчиками. Роботы с искусственным интеллектом, где роботы используют методы искусственного интеллекта, чтобы принимать свои собственные решения для решения проблем. Современная популярность робототехники отчасти объясняется ее постоянным появлением в кино и на телевидении, в фантастических фильмах, которые, в свою очередь, вдохновили развитие технологий своим творчеством и изобретательностью. Со своей стороны, литература также сыграла жизненно важную роль в распространении этой концепции и внесла свой важный вклад. Как уже говорилось выше, первой работой, в которой использовалось слово робот, была работа Чапека, написанная в 1920 году и впервые представленная в 1921 году. В ней представлены искусственные люди, называемые роботами (в настоящее время они будут известны как андроиды), которые способны самостоятельно думать и счастливы служить человеку. Айзек Азимов не только ввел слово “робототехника”, но и сформулировал три закона робототехники. К этому его привели опасения по поводу безопасного включения роботов в жизнь людей. По его словам, концепция этих законов направлена на противодействие страху людей перед восстанием и революцией роботов против своих создателей. Три закона робототехники Азимова представляют собой набор правил, которые должны выполняться роботами. Для роботов эти три закона представляют собой сложные математические формулировки, хранящиеся "мозге" этих машин. Они устанавливают следующее: Закон Первый: робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред. Закон второй: робот должен подчиняться всем приказам, которые дает человек, за исключением случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону. Закон третий: робот должен самостоятельно защищать себя, если его защита не противоречит закону большего порядка. Во время разработки сюжета одной из книг Азимова персонаж R. Daneel Olivaw создает нулевой закон робототехники, после обсуждения с одним из его коллег. Этот закон звучит следующим образом. Нулевой закон: робот не может причинить вред человечеству или из-за своего бездействия, позволить человечеству пострадать. Любое нарушение этих законов приведет к уничтожению робота путем необратимого повреждения «позитронного мозга». Они формируют моральный код робота, но не следует упускать из виду утверждение, сделанное самим Азимовым: роботы не рассуждают, а следуют линии логического мышления. Азимов приписывает все три закона Джону У. Кэмпбеллу, которые он записал во время их продолжительного разговора в 1940 году. Впрочем, Кэмпбелл утверждает, что Азимов уже задумывался над ними и он просто выразил их более формальным образом. Эти законы также были использованы другими авторами в литературе, и они, несомненно, сыграют важную роль, когда технология андроидов станет более реальной. С момента промышленной революции мы видим, как машины заменяют человека в выполнении некоторых задач. Крупные компании, такие как Intel, Sony, General Motors, Dell, используют на своих производственных линиях роботизированные комплексы для выполнения задач, которые ранее выполнял человек. Эффективность, качество, точность и долгосрочная экономическая выгода, связанная с использованием роботов в промышленности, вызвали обеспокоенность тем, что они могут перемещаться или конкурировать с людьми в более широких масштабах. Эта проблема все еще находится на ранней стадии, потому что еще не достигнута достаточная технология, такая как создание умных, самосознающих машин. Три закона робототехники не могут быть применены к современным роботам, потому что они не в состоянии понять их значение и применять их. В 2011 году Совет по исследованиям инженерных и физических наук (Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC) и Совет по исследованиям в сфере искусства и гуманитарных наук (Arts and Humanities Research Council, AHRC) Великобритании опубликовали набор из пяти этических принципов для разработчиков и пользователей роботов. Этические принципы заключаются в следующем: Роботы не должны быть разработаны исключительно или в основном для убийства или нанесения вреда человеку. Люди, а не роботы, являются ответственными агентами. Роботы - это инструменты, предназначенные для достижения целей человека. Роботы должны быть разработаны таким образом, чтобы была обеспечена защита и безопасность. Роботы являются объектами, они не должны быть разработаны, чтобы воспользоваться уязвимыми пользователями, вызывая их эмоциональные реакции или зависимость. Робота всегда должно быть возможным отличить от человека. Всегда должно быть известно лицо, которое несет юридическую ответственность за робота. Роботы становятся все более распространенными в работах по уборке и обслуживанию дома. Тем не менее, есть опасения относительно экономического воздействия, которое принесет полная автоматизация промышленных процессов, и глобальная озабоченность по поводу роботизированного оружия, которое будет доступно наиболее технологически развитым странам. Именно для того, чтобы избежать таких проблем предпринимаются усилия по определению этики в этой области. Годовой объем продаж промышленных роботов растет в большинстве развитых стран мира. Это связано прежде всего с тем, что все больше людей в промышленности понимают эту технологию и потенциал ее полезности. Во-вторых, технология робототехники постоянно развивается, поэтому роботы становятся проще в использовании. В-третьих, рост рынка обеспечивает снижение цены за единицу машины. Наконец, ожидается, что рынок робототехники выйдет за рамки крупных компаний и будет доступным для средних, малых и микрокомпаний. Робототехника - это технология с будущим, а также для будущего. Будут существовать машины всех видов, общего или конкретного назначения, очень специализированные благодаря точности, которую обеспечат достижения в квантовой физике и микроэлектронике. Прогресс в разработке датчиков поможет роботам еще лучше видеть, слышать, применять определенную силу и т.д. Их возможности будут близки к безграничным. Сегодня роботы уже получили широкое применение в выполнении следующих технологических операций: Передача материалов: перемещение объектов из одного места в другое. Они обычно считаются одними из самых простых или прямых операций, выполняемых роботами. Загрузка и выгрузка машин: обработка материала, в котором робот используется для обслуживания производственной машины путем передачи деталей с машин. Процедурные операции: прямая работа с деталями. Конечный элемент робота должен быть инструментом (дрель, клепальщик, лазер и т. д.), а не зажимом. Точечная сварка: сварка двух металлических деталей с помощью прохождения тока в заранее определенных местах. Дуговая сварка: двухкомпонентная непрерывная сварка металла. Процесс использует металлический электрод, который плавится посредством электрической дуги, чтобы сформировать уплотнение. Нанесение покрытий: окрашенные части различных материалов. Для этого можно использовать роботизированные рычаги с различной степенью свободы при распылении или большие машины с менее гибкими рычагами при потоке или погружении. Примеры применения роботов можно найти в различных областях: Лаборатории: роботы эффективно выполняют повторяющиеся задачи, такие как размещение тестовых трубок в измерительных приборах. Можно выделить несколько преимуществ такого применения роботов: повышают производительность, улучшают контроль качества и снижают воздействие на человека вредных химических веществ. Ядерная инженерия: с развитием операторов для обработки радиоактивного материала. Роботы используются для сварки с помощью дистанционного управления и проверки трубопроводов в районах с высоким радиационным излучением. Также дистанционно управляемые роботы и транспортные средства используются для очистки в местах, где произошло радиационное загрязнение. Сельское хозяйство: австралийский научно-исследовательский институт разработал множество роботов для сельскохозяйственных и животноводческих целей. Среди его проектов - машина, которая стрижет овец. Во Франции, например, применяются экспериментальные виды роботов для посева и обрезки виноградников. Космическое пространство: космическое исследование имеет большие проблемы для человека. Окружающая среда является враждебной, и требуется очень дорогостоящее и ограниченное защитное оборудование. Вот почему использование роботов было рассмотрено для этих миссий, но поскольку до сих пор не достигнуто необходимой степени автоматизации роботов, человек пока не может быть полностью заменен ими. Транспортные средства: наземные, воздушные и морские, транспортные роботы имеют большое развитие по всему миру. Они в основном используются в разведке, обслуживании, инспекции, исследованиях и транспортировке. Одним из известных случаев применения роботов для этих целей является подводный робот, который провел первое исследование останков Титаника еще в 1985 году. В медицине: было создано оборудование, которое позволяет проводить операции в кратчайшие сроки без необходимости травмировать кожу человека, устраняя множество недостатков хирургических процессов. Одним из лучших примеров применения роботов в медицине является хирургическая система Da Vinci, разработанная Intuitive Surgical, состоящая из хирургического робота, предназначенного для выполнения сложных операций с минимальными инвазиями в организм человека (операции простаты, замена клапанов сердца и гинекологические хирургические процедуры). В настоящее время в мире насчитывается более 800 таких роботов. В образовании: робототехнические конструкторы предусматриваются образовательными программами в качестве средства обучения в процессе конструирования, программирования и моделирования управления роботами. Из-за своей низкой стоимости многие из этих систем не обладают надежностью в своей механической системе, имеют низкую точность и в основном не имеют программного обеспечения. Однако для образовательных целей они выполняют свою функцию. жүктеу/скачать 5,97 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|