Основы робототехники для начинающих: руководство изучения науки для «чайников»

XXI век стал немыслим без высоких технологий, вошедших во все сферы жизни: науку, производство, медицину, быт. В сознании современного человека компьютеры и роботы стали обыденностью, и, как следствие, растет потребность в инженерах нового поколения, в подготовке к этой профессии еще в детских образовательных учреждениях. Робототехника для начинающих – окно в мир новейших технологий как для детей, так и для взрослых.

Основы науки

Робототехника как наука зародилась сравнительно недавно (в ХХ в.), но развивается интенсивно в соответствии с потребностями общества. Она относится к разряду прикладных, потому как имеет практическое назначение.

Основы робототехники строятся на технических дисциплинах (радиотехника, электротехника, телемеханика, кибернетика, мехатроника) и фундаментальных (механика, математика, информатика, электроника).

Направления в науке

Основное назначение робототехники состоит в разработке роботов – умных механизмов, выполняющих монотонные, тяжелые и опасные для человека операции. Такая нацеленность связывает ее со многими областями деятельности.

В результате научного развития появились направления:

• строительное;
• промышленное;
• авиационное;
• медицинское;
• бытовое.

Кроме того, существует экстремальное направление в робототехнике. Роботизированные устройства этого типа применяются в военном деле, космических и подводных исследованиях.

Роботизированные устройства с каждым днем становятся все более и более востребованными, а потому специальность «инженер-робототехник» смело можно отнести к профессиям будущего.

С чем придется столкнуться

Путь к созданию умных машин долог и тернист, он требует много знаний и большого практического опыта, а значит переработки большого объема научно-технической информации.

Если профессионал в этой сфере решает проблемы практического значения, то «чайник» с азов осваивает робототехнику. Первая задача ученика – заставить робота, собранного своими руками, двигаться. Вторая – преодолевать препятствия. Когда начинающий решит эти задачи, можно переходить к их усложнению: например, «заставить» робота реагировать на свет, звук или прикосновение.

Постигать технические премудрости с нуля лучше в детстве, когда новая информация усваивается легче. Но и взрослым путь в робототехнику не закрыт. Имея способности и интерес к этой науке, взрослый может прийти к существенным результатам в создании роботов.

Зачастую создателями роботов и автоматизированных систем становятся талантливые студенты и аспиранты технических ВУЗов, а порой даже школьники.

Что потребуется изучить

Робототехника современного уровня требует знаний по механике, программированию, электротехнике и автоматическому управлению.

Важно вовремя объяснить школьнику, мечтающему о специальности робототехник, что нужно знать и к чему нужно стремиться для продвижения к своей мечте. Прежде всего, нужно хорошо освоить школьную программу по физике и математике. Создать действующего робота можно, только зная физику движения, понимая основы работы механизмов и электрических двигателей.

Кроме того, нужно изучить информатику, программирование, проектирование, компьютерные науки, информационные системы.

С чего начать

Если родители видят в сыне или дочери интерес к механическим устройствам и понимают перспективность робототехники, но не знают с чего начать обучение, они могут записать ребенка в соответствующий кружок.

Начать посещать занятия по робототехнике целесообразно с 9-12 лет, когда юный любитель механики уже способен воспринимать абстрактные понятия. Заинтересованность в техническом творчестве и дополнительные занятия по математике существенно улучшат способности к проектированию механизмов.

В ранней юности (8-9 классы) кружок уже не так важен, следует приложить усилия к изучению математики, информатики, физики, сосредоточиться на программировании, выйти за рамки школьной программы по этим предметам.

Хорошо, если будущий специалист ознакомится с линейной алгеброй, комплексным исчислением, теорией вероятности. В этом случае он будет иметь представление, для чего стоит уделять этим дисциплинам особое внимание в университете.

Конструирование и программирование роботов из даталей конструктора Lego Mindstorms — отличный старт для изучения основ робототехники.

Роботизированные конструкторы

Развивающий конструктор следует подбирать в соответствии с возрастом ребенка, его предпочтениями и финансовыми возможностями.

Существуют конструкторы, с помощью которых можно собрать роботов, функционирующих на солнечной энергии. Такой набор поможет ребенку ознакомиться с механикой и получить представление об источниках энергии.

Высока популярность конструкторов LEGO Education, наборы этого производителя занимательны как для детсадовцев, так и для студентов. Детали LEGO интересны, легко собираются, для ребенка важна и красочность фигурок этого конструктора.

Версия Lego Mindstorms EV3 имеет двойное назначение:

• для детей и любителей (версия Home);
• для учащихся и учителей (версия Education).

Из деталей этой серии знаменитого датского производителя конструкторов ребенок может не только собрать роботов, но и помощью несложного программирования оживить свои творения.

Лего-роботы будут двигаться, преодолевать препятствия, реагировать на внешние раздражители и выполнять множество других задач, которые поставит перед ними пользователь.

Робот Meccanoid может стать хорошим другом для ребенка, тем более что характер робота формируется в соответствии с поведением его хозяина.

Наряду с Lego Mindstorms освоить азы робоконструирования и программирования помогут конструкторы Meccanо, детали которого напоминают старый добрый советский металлический конструктор, однако, изготовлены они, в большинстве своем, из цветного пластика.

Серия этого бренда представлена роботизированными животными: пауком, который способен патрулировать местность, обходить препятствия, следовать заданному маршруту, «плеваться» паутиной, и робо-динозавром, который может утвердительно или отрицательно отвечать на вопросы, передвигаться и издавать грозный «рык».

Кроме того, производитель выпускает версию конструктора, из деталей которого можно собрать робота Мекканойда ростом с первоклассника (122 см), а также его уменьшенную копию (61 см). Робот способен гулять с хозяином, держась за руку, танцевать, показывать элементы Кунг-Фу, шутить, делать зарядку, повторять движения  и многое другое.

Что интересно, характер робота формируется в соответствии с поведением пользователя. Программное обеспечение, предназначенное для робота, имеет русскоязычную версию, поэтому Мекканойд может говорить на русском языке.

Arduino — одна из тех платформ, без изучения которой не обойтись при обучении программированию и проектированию электронных устройств.

Основы электроники

С основами электроники дети могут ознакомиться еще в первом классе. В этом может помочь конструктор для младшего возраста «Знаток». Результатом его освоения станет умение ребенка собирать несложные электронные схемы, такие как светодиодный фонарик, радио, охранная сигнализация и др.

Пользуются любовью среди школьников конструкторы на основе Arduino Uno серии «Матрешка». Эти обучающие наборы предназначены для детей от 14 лет. Помимо комплектующих, они оснащены отличными уроками по созданию электронных устройств.

Базовое программирование

Программирование является важнейшим навыком для инженера-робототехника. Изучать программирование, как и любую дисциплину, полагается от простого к сложному. Так, софт для Lego Mindstorms имеет интуитивно понятный интерфейс и красочную оболочку.

Пониманию базового программирования может помочь изучение языков Scratch, Blockly. Манипуляции с их интерфейсом дети воспринимают как занятную игру. Цветные блоки перемещают на компьютере или планшете в нужном порядке, тем самым устройству ставятся разные задачи.

Изучение этих языков дает возможность ребенку подняться на другую ступень сложности в программировании – созданию текстовых редакторов.

Современные языки программирования, созданные для детей, такие как Scratch, имеют красочную визуальную событийно-ориентированную среду, что делает обучение более интересным и запоминающимся.

Вспомогательная литература по робототехнике

Нельзя сконструировать качественную роботизированную систему без глубоких теоретических знаний по роботостроению. Будущему профессионалу на начальном уровне также будет полезно изучение дополнительной литературы. По этой теме, кроме учебных пособий, существует множество книг.

Можно выделить следующие книги:

1. Платт Чарльз «Электроника для начинающих». В книге последовательно изложено, как нужно проектировать и создавать электронные устройства в домашних условиях.
2. Иванов Анатолий «Основы робототехники». В этом учебном пособии рассматриваются виды, классификация роботов, области применения РТУ и их роль в производственном процессе.
3. Трон Себастьян и др. «Probabilistic Robotics». Объект внимания авторов – вероятностная робототехника. В ее основу положены математические методы систематизации. Специалисты предполагают появление роботов другого качества, с более высоким уровнем надежности.
4. Зигварт Роланд «Introduction to Autonomous Mobile Robots». Книга посвящена мобильным автоматическим устройствам, имеющим возможность перемещения в пространстве. Автор освещает особенности мобильной робототехники со всех сторон.
5. Кук Дэвид «Robot Building for Beginners». Автор детально описывает устройство умных машин, давая таким образом читателю представление о конструировании роботов.
6. Бишоп Оуэн «Настольная книга разработчиков роботов». Это пособие рассчитано на новичков, автор знакомит читателя с конструированием робототехнических устройств.