Урок по информатике по теме "Роботизированные системы" в 9 классе

Урок информатики в 9 классе «Роботизированные системы»

Здравствуйте. Что вы видите на картинке? Как эти предметы можно назвать одним словом?

Все объекты на картинках — роботы, каждый из них автоматизирует какую-то работу, выполняя заранее заданную функцию.

• Антропоморфный робот заменяет человека на опасной работе

• Кодовый замок «охраняет» вход в здание

• Стиральная машина берёт на себя стирку, полоскание и отжим

• Дрон обеспечивает обзор с высоты без участия пилота

• Фитнес-браслет считает шаги и потраченные калории вместо тренера

Услышав слово «роботы», вы почти наверняка представляете себе что-то хотя бы отдалённо похожее на человека или животное. Однако в жизни это не всегда так: форма, вид и размер робота определяются задачей, которую он решает

Мы живем в то время, когда хочется переложить многие домашние и рабочие хлопоты на плечи интеллектуальных помощников. И на помощь приходят роботы.

Робот – это механическое устройство, которое программируемо и в дальнейшем способно выполнять задачи и взаимодействовать с внешней средой без помощи человека.

Робототехника – сфера деятельности, связанная с проектированием, производством и эксплуатацией программируемых механических устройств – роботов.

На сегодняшний день роботы стали многофункциональными и имеют массу применений.

Виды робототехники:

1. Строительная

2. Промышленная,

3. Авиационная,

4. Бытовая

5. Экспериментальная

6. Военная

7. Космическая

8. Подводная

Области применения робототехники

1. Промышленные роботы

2. Медицинские роботы

3. Роботы для обеспечения безопасности

4. Боевые роботы

5. Роботы-учёные

6. Космические роботы

7. Персональные роботы

8. Логистические роботы

Плюсы робототехники

1. Роботы более выносливые и сильные

2. Высокая эффективность работы

3. Роботам не надо платить

4. Робот не может заболеть

Что робототехники называют роботом?

Как видите, внешнее сходство с живыми существами — не обязательный признак робота. По мнению специалистов, робота можно описать так:

Как следует из описания, робот может выглядеть как угодно. Роботом его делают «признаки робота», а не внешние признаки. Давайте разберёмся.

Как устроен робот и как он работает

Каждый робот — это набор конкретных деталей, а зачастую и программ, подобранных для выполнения нужных нам действий. Но чем бы ни занимался и из чего бы ни состоял наш робот, для совершения действия он всегда будет собирать информацию, анализировать её и действовать по результатам этого анализа.

Изучите схему, чтобы узнать, что делают привычные вам роботы на каждом из этапов и какие устройства при этом задействуют.

Шаг 1. Робот получает информацию или испытывает воздействие извне. Для этого он использует датчики, сенсоры и другие устройства. Сенсор движения, который включает электричество, когда мы входим в помещение, валидатор проездного в метро, микрочип для распознавания голоса в голосовых помощниках — всё это устройства для получения информации из окружающей среды.

Шаг 2. Робот перерабатывает полученную информацию по заранее заданному алгоритму. В разные времена и в разных ситуациях алгоритм работы задавали по-разному. Так, первые механические роботы начинали двигаться, когда их заводили, как часы. Сегодня «решение» обычно принимает маленький бортовой компьютер — микроконтроллер с записанной на него программой. Скажем, на основе данных с сенсора движения микроконтроллер даёт освещению команду включиться или выключиться. Другой микроконтроллер решает, открывать ли турникет метро. Третий сопоставляет голосовую команду с заданным алгоритмом и по просьбе хозяина включает телевизор. Это — устройства анализа полученной информации.

Шаг 3. Робот выполняет нужную операцию. Программа или механизм решают, приводить робота в действие или нет. Если да — он включается и делает то, для чего предназначен. Свет включается будто сам собой, турникет метро открывается и пропускает пассажира, телевизор включается на нужной программе — это устройства, которые исполняют команды.

Как понять, что перед вами робот? Обязательные элементы

Определить, робот перед вами или нет, можно, обратив внимание на характерные признаки. У робота всегда есть:

1. Система датчиков — через неё робот получает информацию из внешнего мира. Например, это датчики движения, сенсоры обнаружения препятствий и т. п.

2. Цель — «смысл жизни робота», та задача, ради автоматизации которой его придумали.

3. Алгоритм действий — по нему робот выполняет нужные действия в разных условиях в соответствии с поставленной целью (сегодня это обычно программа, раньше мог быть механизм).

4. Исполняющее устройство — двигатель, «руки», «ноги». То, что приводит робота в действие или изменяет его положение в пространстве.

5. Система, в которую объединены первые четыре пункта, то, как они связаны и взаимодействуют.

Что часто добавляют к роботам. Дополнительные элементы

Датчик, алгоритм, исполняющее устройство — это основа, заложенная внутрь любого робота. Но обойтись только этим набором сложно. Чтобы робот мог решать больше задач, а работать с ним было удобнее, к основе часто добавляют разные детали. Ниже мы собрали самые популярные (но помните, что одними ими список не ограничивается).

Как заставить робота работать: 5 основных способов

Итак, роботы могут выглядеть по-разному, состоять из различных деталей и выполнять какие угодно задачи. Приводить их в действие тоже можно разными способами — одни известны веками, другие появились у человечества недавно.

Роботы бывают:

Механическими

Заводные механические устройства использовали ещё древние греки, а первый антропоморфный механический робот появился в XII веке у арабов. В наши дни механику блестяще использует нидерландский художник Тео Янсен: его знаменитые «шагающие фигуры» приводятся в действие ветром, прибоем или человеком

Гидравлические

Такие роботы используют в работе законы движения жидкостей. Регулируя уровень и давление жидкости в системе, мы добиваемся от устройства нужных действий. Таких роботов часто можно встретить в промышленности: они способны прикладывать огромную силу и при этом работать быстро и аккуратно. Именно гидравлические приводы часто используются у роботов-грузчиков.

Электронные

Первым таким роботом принято считать миниатюрное радиоуправляемое судно, которое разработал в конце XIX века Никола Тесла. В 1930-х появились первые устройства, которые напоминали человека и могли выполнить простейшие действия и даже воспроизводить отдельные фразы. Сегодня электронные элементы в роботах используются очень широко, но зачастую в комбинации с другими типами систем

Софтверные

Это роботы-программы, которые умеют взаимодействовать с объектами реального мира и давать осязаемый результат. «Умный дом» в городе, «умная теплица» на ферме, «умный климат-контроль» в офисе, программа, которая включает сеть уличного освещения по расписанию — это тоже роботы.

Комбинированные роботы

Самый распространённый на сегодня вид роботов. Одного принципа работы часто не хватает для решения продвинутых задач, и инженеры соединяют внутри робота несколько систем. Например, фитнес-браслет тоже использует механическую составляющую: электронная энергия преобразуется в механическую энергию вибрации, и браслет даёт вам знать, что вы засиделись

Системы управления роботами:

• Программное управление
  Программное управление — самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются.

• Адаптивное управление
  Роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые сенсорами, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т.д.

• Интеллектуальное управление
  Интеллектуальный способ управления основан на методах искусственного интеллекта.

• Управление при участии человека
  Примером такого робота является аппарат для разминирования с дистанционным управлением.

Особенности робототехники:

1. Роботы имеют программное обеспечение, которое определяет их действия и поведение в конкретных ситуациях.

2. Роботы не имеют сознания, навыков восприятия и мышления. Они выполняют только те задачи, для которых были созданы.

3. Робототехника становится все более развитой и имеет все больший потенциал в разных областях.

Искусственный интеллект

Искусственный интеллект – это способность машины или компьютерной программы мыслить и решать проблемы, как это делают люди. Искусственный интеллект является предметом изучения в областях инженерии, философии, психологии и т.п.

К машинам, обладающим искусственным интеллектом, относятся роботы, умные автомобили, системы управления транспортом и др.

Особенности искусственного интеллекта:

1. Искусственный интеллект может принимать решения и действовать в зависимости от ситуации, имеет опыт и возможность извлекать уроки из прошлых ошибок.

2. Искусственный интеллект использует алгоритмы и статистические методы обработки информации.

3. Искусственный интеллект может обучаться на основе данных, собранных из внешней среды, а также пополнять свою базу знаний благодаря таким технологиям, как искусственные нейронные сети.

Развитие робототехники и искусственного интеллекта

История появления роботов берет начало с появления первых механических машин андроидного типа, а развитие робототехники, как отрасли, начинается с первых индустриальных конвеерных роботов, использующихся на производствах.

История робототехники.

4 век до н. э.

Аристотель в своём логическом своде «Органон» создает раздел формальной логики - силлогистику. Его труды оказывают влияние на развитие логической науки во всём мире. В Европе до 17 века вся логика развивается на основе аристотелевского учения.

3 век до н. э.

Архимед разрабатывает математические основы механики.

250 до н.э.

Греческий изобретатель и физик Ктесибиус из Александрии конструирует водяные часы. Это был первый автомат для точного хронометрирования. Часы были снабжены движущимися фигурами. До Ктесибиуса были известны только песочные часы. Ктесибиусом впервые упоминается зубчатая передача.

• 1464 г. – Леонардо да Винчи в возрасте 12 лет спроектировал автомат гуманоид, способный с совершению нескольких движений подобных человеку.

• 1833 г. – идея программируемых машин становится популярным с появлением аналитического двигателя Чарльза Баббаджа.

• Ада Лавлейс считается первым компьютерным программистом за ее работу в этом проекте.

• 1921 г. – Универсальные роботы Rossum

• Произведение фантастики Карела Капека на чешском языке.

• Данное произведение ввело понятие “робот” в английский язык.

• 1940 г. – А. Азимов написал короткие истории про робота и его эффект на ребенка.

• 1950 г. – А. Азимов объединил его истории в сборнике “Я, робот”.

• Самый главный вклад Азимова в робототехнику - “3 закона робототехники”:

1. Робот не может травмировать человека или, посредством нереагирования, позволить человеку повредиться.

2. Робот должен слушаться любых приказов, отданных человеком, за исключением случаев, когда такие приказы противоречат Первому закону.

3. Робот должен защищать свое существование до тех пор, пока такая защита не вступает в противоречие с Первым или Вторым законами.

• 1949 г. – Вильям Грей Ватер создал первого автономного робота, “Черепахи”.

• Первые роботы, Elmer и Elsie, были названы were called “Черепахи” по причине их формы и медленного передвижения.

• Такие роботы были способны на фототаксис (передвижение организма на свет.

1961 г. – Первый индустриальный робот, поостренный на основе патента Джорджа Девола RIP. Умер Август 11, 2011. Работал на сборочной линии General Motors.

1969 г. – робот Stanford Arm, созданный студентом механической инженерии в лаборатории искусственного интеллекта Стенфорского университета. Дизайн руки повлиял на многие промышленные манипуляторы.

1970 г. – Луноход 1, запушенный с космодрома Байконур с целью анализа грунта Луны. Первый дистанционно управляемый робот на другой планете или спутнике.

1970 г. – Стенфордская машина обладала способностью следовать линии, используя визуальные датчики.

1980 годы. Сильнейший скачок роста рынка робототехники, произошедший благодаря коммерческой реализации японских роботов.

2000 год. Компания Electrolux в эфире телеканала BBC представила робот-пылесос Trilobite.

2010 год. Корейская фирма Ilshim Global презентует первого в мире робота для мойки окон Windoro.

С 2017 года. Основное направление робототехники – это прогресс искусственного интеллекта.

Очевидное — невероятное: почему чат-бот, квадрокоптер и фитнес-браслет тоже роботы

Любые устройства и программы могут считаться роботами при условии, что они делают что-то осязаемое и соответствуют другим признакам роботов. Давайте разберём это утверждение на нескольких примерах из современной жизни.

Чат-бот не робот, а обычная программа, если он:

получает от вас вопрос, ищет ответ в поисковике и выдаёт его вам — это всего лишь программа, связанная с другими программами, он действует в виртуальном мире

Чат-бот — это софтверный робот, если он:

получает от вас сообщение и выключает розетку или настраивает её работу по таймеру — он даёт ощутимый результат, заметный вне виртуальной среды

Беспилотный дрон — это классический робот: у него есть цель, система датчиков, алгоритм, управляющие устройства — система стабилизации, двигатели и т. д.

Квадрокоптер — это радиоуправляемый робот. Хотя направление движения ему задаёт человек (оператор) с земли, устройство само стабилизирует своё положение в пространстве, а потому может считаться роботом.

Фитнес-браслет — тоже робот. Он призван заменить нам тренера в простейших ситуациях и автоматизировать записи о физической активности, то есть у него есть цель. Он определяет движение, уровень нагрузок или состояние сна за счёт встроенной системы датчиков, работает по алгоритму и оказывает прямое воздействие на окружающую среду (например, вибрирует, напоминая человеку, что тот долго сидит — пора бы встать и немного размяться).

Стиральная машина получает указания, запускает нужную программу, а затем с помощью датчиков следит за температурой и уровнем воды. В конце она сама разблокирует дверцу и подаёт сигнал об окончании стирки.

Системы голосового управления начинают входить в нашу жизнь. Так, свыше 30 млн человек в России пользуются голосовыми помощниками на мобильных устройствах и дома. Такие роботы бывают исключительно софтверным (как Siri компании Apple или Алиса компании «Яндекс»), а могут выпускаться и в виде устройств-колонок — Amazon Echo, Google Home, «Яндекс.Станция». Они оборудованы системой распознавания голоса и реагируют на внешний мир включением и выполнением команд, заданных программой.

Робот-пылесос может убирать по расписанию и в заданном режиме, а может включаться по требованию и убирать всё пространство или отдельную зону. Датчики позволяют ему не застрять под мебелью, а в случае внештатной ситуации робот подаст звуковой сигнал. Одна только компания iRobot, известная роботом-пылесосом Roomba, продала по всему миру более 20 миллионов своих устройств — и это не единственный производитель.

«Умный дом» — частный случай софтверных роботов. Климат-контроль в помещении может запускать определённые режимы по таймеру или в соответствии с показаниями датчиков. Когда на улице темнеет или светает, система сама регулирует освещение. «Умный дом» получает информацию извне через систему датчиков, а выполняет свои функции по заданным алгоритмам через электропроводку, динамики, включение или выключение дополнительных устройств и другие элементы.

Датчики — важная часть системы «умного дома». Они умеют извлекать из окружающей среды самую разную информацию, а система, обработав эту информацию, совершает заданное действие. Например, датчик движения на двери реагирует на её открытие или закрытие и посылает сигнал на микроконтроллер, который зажигает в комнате свет.

Конечно, на картинке представлены далеко не все роботы, которые способны помогать в быту. У того же робота-пылесоса есть младший брат — небольшой вакуумный пылесос, который ползает по столу и собирает крошки. Есть и двоюродный брат — вакуумный мойщик окон.

Уже появились роботы, которые:

• носят за хозяином покупки

• моют посуду и сантехнику

• готовят еду

• кормят и развлекают домашних питомцев в отсутствие хозяина

Роботы учатся помогать не только по дому, но и в личных делах. Так, появляются роботы-помощники для пожилых людей — они ездят за хозяином по дому, могут напомнить, какие цветы полить сегодня, вызвать экстренные службы или позвонить близким.

Таблица: Применение искусственного интеллекта в робототехнике

8. Итог урока. Рефлексия.

9. Домашнее задание.

1. Изучить конспект.

2. Ответить на вопросы:

- Что такое робототехника?
- Виды робототехники по назначению.
- Что такое искусственный интеллект?

- Преимущества и вызовы взаимодействия искусственного интеллекта и робототехники.