Контрольная работа по "Программированию"

1.     Робот – система систем. Поколения. Основные технические поколения.   

Робот — автоматическое устройство с антропоморфным действием, которое  частично или полностью заменяет человека при выполнении работ в  опасных для жизни условиях, при относительной недоступности объекта или для другого использования.

Робот может управляться оператором, либо работать по заранее составленной программе. Использование роботов позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд на производстве, в строительстве, при рутинной работе, при работе с тяжёлыми грузами, вредными материалами, а также в других тяжёлых или небезопасных для человека условиях.

Робот состоит из следующих систем:

• информационно-измерительной (сенсорной) системы;
• управляющей системы;
• системы связи с человеком или другими роботами;
• исполнительной (моторной) системы.

Роботы первого поколения —  это роботы с программным управлением (программные роботы). Эти роботы в основном предназначены для  выполнения определенной жестко запрограммированной последовательности операций, диктуемой тем или иным технологическим процессом. Управление роботами первого поколения осуществляется по заранее заданной программе, а значит, и при строго определенных и неизменных условиях функционирования. Простота изменения программы, т. е. возможность переобучения роботов первого поколения новым операциям, сделала эти роботы достаточно универсальными и гибко перестраиваемыми (правда, с помощью человека-оператора) на различные классы задач в пределах функциональных возможностей данного робота.

Первые программные роботы были созданы и освоены промышленностью  в шестидесятых годах. Техническое осуществление таких роботов основывается на различных принципах и элементах. В настоящее время существует около 300 типов программных роботов.

Область возможных (и экономически целесообразных) применений роботов первого поколения достаточно широка. Эти роботы успешно применяются для обслуживания станков (в частности, станков с цифровым программным управлением), печей, прессов, технологических линий, сварочных аппаратов, литейных машин и т. п. Они осуществляют установку, транспортировку, упаковку изделий, простейшие сборочные операции, сварку, ковку, литье под давлением, термическую и механическую обработки и т. п. Особенно широко программные роботы применяются в машиностроении, металлургии и атомной промышленности.

Функциональные возможности роботов первого поколения существенно ограничиваются малым ассортиментом информационно-измерительных датчиков и несовершенством управляющей системы, служащей лишь для осуществления заранее заложенной в памяти жесткой программы. Способность к восприятию внешнего мира и к формированию его модели у роботов первого поколения практически отсутствует. Поэтому эти роботы принципиально не могут функционировать совершенно самостоятельно (автономно), без вмешательства человека.

Роботы второго поколения —  отличаются от программных роботов, во-первых, существенно большим ассортиментом сенсорных датчиков, как внешних (телевизионные, оптические, тактильные, локационные датчики и т. п.), так и внутренних (датчики положений «руки» или «ноги» относительно «тела» робота, датчики усилий и моментов и т. п.).  Во-вторых, более сложной системой управления. Последняя уже не ограничивается только устройством для запоминания жесткой программы движения, как у роботов первого поколения, а требует для своей реализации управляющей ЭВМ.

Технические «органы чувств» роботов  второго поколения служат источниками  сигналов обратных связей для управляющей системы. Эта система и формирует закон управления исполнительными механизмами робота (манипулятором, органами перемещения и т. п.) с учетом фактической обстановки. Такое управление реализуется путем формирования связей типа «класс ситуаций — действие», которые либо заранее закладываются в память управляющей системы, либо формируются в процессе обучения робота человеком. При этом под «ситуацией» понимается набор значений сигналов на выходе сенсорной системы, а под «классом ситуаций» — множество «ситуаций», обладающее тем свойством, что все «ситуации» из одного класса требуют одного и того же «действия», адекватного этому «классу ситуаций». «Действием» является программа движения, которая, как и в роботах первого поколения, заранее задается (заносится в память управляющей системы).

В случае существенного изменения «ситуации», соответствующего переходу из одного «класса ситуаций» в другой, меняется и «действие», т. е. программа движения. Описанная схема управления напоминает схему выработки условных рефлексов у человека и животных. Поэтому поведение очувствленного робота мы можем условно назвать рефлекторным. Именно наличие связей «класс ситуаций — действие» позволяют очувствленному роботу приспосабливать свое поведение к реально складывающейся и даже меняющейся  обстановке.

Неотъемлемой частью роботов второго поколения является их алгоритмическое и программное обеспечение, т. е. комплекс алгоритмов, и программ, предназначенных для обработки сенсорной информации и выработки управляющих воздействий. Функциональные возможности очувстеленных роботов, определяемые их алгоритмическим и программным обеспечением, могут быть существенно расширены путем наращивания программ «класс ситуаций — действие».

Роботы второго поколения, оснащенные большим ассортиментом сенсорных  датчиков и управляющей ЦВМ, значительно  превосходят по своим функциональным возможностям программных роботов. Благодаря способности воспринимать изменения во внешней среде, анализировать сенсорную информацию и приспосабливаться к существующим условиям функционирования, очувствленные роботы могут работать с неориентированными деталями произвольной формы, осуществлять сборочные и монтажные операции, собирать информацию о неизвестной и, возможно, меняющейся внешней среде и т. п.

Третье поколение роботов — это так называемые интеллектуальные, или разумные, роботы. Они принципиально отличаются от роботов второго поколения сложностью и совершенством управляющей системы, включающей в себя элементы искусственного интеллекта. Необходимо подчеркнуть, что интеллектуальные роботы предназначены не только и не столько для имитации физических действий человека, сколько для автоматизации его интеллектуальной деятельности, т. е. для решения интеллектуальных задач.

Характерной особенностью интеллектуальных роботов является их способность  к обучению и адаптации в процессе решения задач. Что же касается самого умения решать интеллектуальные задачи, то оно является производным в том смысле, что целиком зависит от того, как протекал процесс обучения и адаптации робота.

Существуют различные возможности  придать очувствленному роботу те или иные элементы искусственного интеллекта. Структура и совершенство управляющих систем интеллектуальных роботов определяются, с одной стороны, техническими возможностями реализации нужных (с точки зрения решаемой задачи) элементов интеллекта, а с другой — содержанием и сложностью задач, которые перед роботом ставит человек.

В общем случае интеллектуальный робот  способен понимать язык и вести диалог с человеком, формировать в себе модель внешней среды, распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия, планировать поведение, строить программные движения исполнительной системы и осуществлять их надежную отработку в условиях неполной информированности о характеристиках среды, робота и условий его функционирования.

Классификация роботов 

В зависимости от степени участия  человека в процессе управления роботы подразделяются на два класса биотехнические и автономные, или автоматические, роботы.

К биотехническим роботам относятся  дистанционно-управляемые копирующие роботы, экзоскелетоны, роботы, управляемые человеком с пульта управления, и полуавтоматические роботы. Охарактеризуем кратко принципы управления роботами.

Копирующие роботы имеют задающий орган (обычно манипулятор), полностью  идентичный исполнительному (с определенным масштабом по геометрическим размерам и усилиям), средства передачи сигналов прямой и обратной связи, а также средства отображения для человека-оператора среды обитания робота. Управляющая система строится так, что желаемое движение задающего органа, задаваемое человеком-оператором, полностью копируется с точностью до масштабного коэффициента исполнительным органом. Для этой цели по каждой обобщенной координате обычно применяются следящие системы двустороннего действия, использующие обратную связь по усилиям или моментам, возникающим при роботе исполнительного органа.

Экзоскелетоны — это антропоморфные конструкции, которые обычно «одеваются»  на руки, ноги или корпус человека и  служат для воспроизведения (копирования) их движений с некоторым масштабным коэффициентом по усилиям. Экзоскелетоны зачастую имеют несколько десятков степеней свободы. Они, как и копирующие роботы, управляются человеком-оператором с помощью следящих систем двустороннего действия.

Роботы с биотехническим управлением — это роботы, управляемые человеком с пульта управления. На пульте управления таких роботов имеется система кнопок, клавиш или рукояток, связанных с исполнительными механизмами каналов управления по различным обобщенным координатам. Кроме того, на пульте управления имеются средства отображения информации о среде функционирования робота, поступающей к человеку обычно по радиоканалу связи. Желаемое движение роботу задается человеком с пульта управления через систему исполнительных приводов.

Полуавтоматические роботы — это такие роботы, в которых ручное управление сочетается с автоматическим. Они находят широкое применение в тех случаях, когда невозможно заранее жестко запрограммировать все операции, которые робот должен выполнять, и в то же время экономически нецелесообразно или технически невозможно этот робот оснастить всеми требуемыми искусственными органами чувств и элементами искусственного интеллекта. К полуавтоматическим относятся роботы с супервизорным управлением, когда человек-оператор вмешивается в процесс автономного функционирования робота не посредством перехода на ручное управление, а путем сообщения ему дополнительной информации (например, с помощью целеуказания, указания требуемой последовательности действий и т. п.).

Другой важный класс роботов — это роботы с автономным, или автоматическим, управлением. Такие роботы после их создания и наладки в принципе могут функционировать и без участия человека. Типичным примером автономных роботов являются роботы с элементами искусственного интеллекта.

В зависимости от назначения и решаемого  класса задач можно выделить следующие основные разновидности роботов: производственные роботы и исследовательские роботы. 

Производственные роботы — это  роботы, предназначенные для выполнения тяжелой, монотонной, вредной и опасной  для здоровья людей физической работы. Для этой группы роботов характерно наличие автоматических исполнительных устройств, таких, как манипуляторы, имитирующие движения рук человека, самоходные тележки с различными типами шасси и т. п. Конкретизация областей применения производственных роботов приводит нас к следующим разновидностям: промышленные, сельскохозяйственные, транспортные, строительные и бытовые роботы.

Промышленные роботы предназначены  в основном для автоматизации  всех видов ручных и транспортных операций в различных отраслях промышленности. Наибольшее применение роботы нашли в машиностроении и приборостроении, в горнодобывающей, нефтехимической, металлургической и атомной промышленности.

Поскольку современное строительство  приближается по степени и стилю  механизации к промышленности, оно представляет собой важную и благодатную область для применения роботов. Строительные роботы позволят автоматизировать огромное количество ручных операций как вспомогательных, так и основных, органически присущих строительному делу. Актуальность роботизации строительства очевидна.

Сельскохозяйственные роботы предназначены  для автоматизации трудоемких и  монотонных процессов в сельском хозяйстве. В настоящее время начинается интенсивная разработка таких роботов, знаменующих начало роботизации сельскохозяйственного производства.

Транспортные роботы предназначены  для автоматизации управления различными транспортными средствами. Примерами  транспортных роботов являются самоходные тележки, шагающие аппараты, автопилоты и авторулевые. Много говорят  сейчас и о бытовых роботах. Такие роботы служат для автоматизации операций, связанных с бытом человека и с богатой разнообразием сферой его обслуживания. Далеко не все операции в этой сфере можно поручить обычным автоматам. Здесь нужны более гибкие и универсальные системы, — бытовые роботы. Эти роботы должны мыть посуду, стирать, натирать полы, готовить пищу и т. п.

Второй класс роботов — это  исследовательские роботы. Они служат для поиска, сбора, переработки и  передачи информации об исследуемых  объектах. К числу таких объектов относятся космическое пространство, поверхности планет, подводное пространство, подземные полости. Арктика и Антарктика, пустыни, зараженная местность и другие труднодоступные для человека области.