Реферат: Рождение и основные этапы развития робототехники

Спустя некоторое время оба механика, отец и сын Дро, занялись вместе изобретением и постройкой третьего механического человека - музыкантши. По сложности она намного превосходила своих "братьев". Эта кукла играла на фисгармонии, ударяя пальцами по клавишам. Четко и легко удавались ей трели и быстрые пассажи.

Перед началом игры музыкантша осматривала ноты и делала рукой некоторые предварительные движения. Кроме того, она поворачивала голову и глаза, как бы следя за положением рук. Ее грудь подымалась и опускалась, как будто она дышала. Окончив игру, музыкантша наклоняла голову, благодаря слушателей за одобрение. Сохранилось восторженное описание этой фигуры современником: "Девушка играет, шевелит губами, грудь ее поднимается и опускается при "дыхании", она смотрит на клавиши, в ноты, а иногда бросает взгляд на публику, по окончании "номера" встает и кланяется". Источником движения всех трех описанных автоматов является часовой механизм с заводной пружиной. Пружина приводит в действие сложнейшие системы зубчатых колес, рычажков, штанг и кулачков - все то, что в дальнейшем стали называть программным механизмом. Эти человекоподобные игрушки представляли собой многопрограммные автоматы с оперативно сменяемыми программами.

Не остались в стороне и русские механики. Однако их конструкции отличались простотой конструкции. Так, механик И.П. Кулибин (1790) построил в течение трех лет яичную фигуру - универсальные часы.

Часы давали театрализованное представление и играли музыку. В этих часах было три самостоятельных механизма и три завода: часовой, боевой и курантовый, а также автоматические приборы для приведения в действие механизмов, воспроизводящих сцены, музыку и бой. Как свидетельствует сохранившаяся опись частей, составленная Кулибиным, часы яичной фигуры состояли из 427 деталей. Все они были изготовлены исключительно точно и тонко.

.4 19 век

Жозеф Мари Жаккард (1801) создает автоматический ткацкий станок, управляемый при посредстве перфокарт. Наличие или отсутствие отверстий в перфокарте заставляло нить подниматься или опускаться при ходе челнока, создавая тем самым запрограммированный рисунок. Станок Жаккарда был первым массовым промышленным устройством, автоматически работающим по заданной программе.

Фридрих Кауфман (1810) конструирует механического трубача. В трубаче используется шаговый программный барабан.

Мэри Шелли (1818) пишет первый научно-фантастический роман "Франкенштейн, или Современный Прометей". В романе впервые появляется жутковатая идея использования электричества для оживления мертвой материи. Идея создания андроидов, которые основаны на ранее живой ткани ужаснула многих читателей и привлекла многих ученых, как возможность новых открытий и экспериментов.

Майкл Фарадей (1821) сообщает о своем открытии электромагнитного вращения и создает первые модели электродвигателей.

В 1827 г. В Санкт-Петербурге демонстрировался "Храм очарований или механический, физический и оптический кабинеты". Чудеса начинались с лестницы - искусственная женщина начинает играть на валторне, если кто-то заходит на площадку. У входа в зал кланялись механические слуги. Если кто-то садился на диван - слуга-автомат выносил поднос с напитками.

В 1833 г. Чарльз Бэббидж разрабатывает принципы "Аналитической машины" ("Analytical Engine") - механического прототипа появившихся спустя столетие ЭВМ. В проекте Бэббиджа были предусмотрены все основные компоненты, имеющиеся в современном компьютере: устройство для хранения цифровой информации (память); устройство, выполняющее операции над числами (арифметическое устройство); устройство для управления обработкой (устройство управления); устройства ввода с перфокарт, с которых считывались программа и данные, подлежащие обработке. Машина Бэббиджа была задумана как чисто механическое устройство с возможным приводом от парового двигателя, но содержала ряд фундаментальных идей. В число операций была включена операция условного перехода и операции с кодами команд. Присутствовал также и прообраз микропрограммирования - значение инструкций задавалось с помощью позиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями, который назывался "контрольный цилиндр".

В 1843 г., Августа Ада Лавлейс, публикует свои комментарии к статье Луи Фредерико Менабреа "Очерк аналитической машины, изобретенной Ч.Бэббиджем". Составленные 28-летней графиней примечания к статье итальянского инженера навсегда вписали её имя в историю науки. По существу, Ада Лавлейс заложила научные основы программирования на вычислительных машинах за столетие до того, как стала развиваться эта научная дисциплина. Ряд высказанных Лавлейс общих положений (принцип экономии рабочих ячеек, связь рекуррентных формул с циклическими процессами вычислений и др.) сохранил свое принципиальное значение и для современного программирования, а её определение "цикла" почти дословно совпадает с приводящимся в современных учебниках программирования. В память о ней назван разработанный в 1980 году крупнейшими специалистами по программированию язык АДА - один из наиболее универсальных алгоритмических языков.

Петербургским учителем музыки Куммером в 1846 предложено механическое устройство для автоматизации вычислений (счислитель Куммера), серийно выпускавшееся (с различными модификациями) вплоть до 70-х годов XX в.

Джонни Брейнерд (1865), одарённый конструктор, строит Парового Человека. Механизм Брейнерда был приблизительно трёхметрового роста, ни одна лошадь не могла сравниться с ним: гигант с лёгкостью тянул фургон с пятью пассажирами. Там, где обычные люди носят шляпу, у Парового Человека была труба дымохода, откуда валил густой чёрный дым. Паровой Человек мог двигаться со скоростью до 30 миль в час (около 50 км/час).

г. На Всемирной выставке в Париже представлена стопоходящая машина академика Пафнутия Львовича Чебышева. Механизм Чебышева явился первой попыткой создания транспортного средства шагающего типа и положил начало конструированию шагающих устройств на основе траекторного синтеза.

Проходят первые испытания Электрического Человека (1885) Фрэнка Рида. У машины был довольно мощный прожектор, а противников ожидали электрические разряды, которыми Человек стрелял прямо из глаз. Судя по всему, источник питания находился в закрытом сеткой фургоне. О способностях Электрического Человека и о его скорости ничего не известно.

Профессором Арчи Кемпионом (1893) на Международной колумбийской выставке представлен опытный образец робота Boilerplate. Boilerplate был задуман как средство бескровного решения конфликтов - иными словами, это был опытный образец механического солдата. Робот существовал в единственном экземпляре, но у него была возможность осуществить предложенную функцию - Boilerplate неоднократно участвовал в боевых действиях.

мая 1895г. Александр Степанович Попов впервые в мире сделал научный доклад об изобретенном им методе использования излученных электромагнитных волн для беспроводной передачи электрических сигналов.

В 1898 г. Никола Тесла (Nicola Tesla) демонстрирует первый дистанционно управляемый механизм на выставке в Madison Square Garden в Нью-Йорке.

июня 1898 года механический солдат Boilerplate Арчи Кемпиона впервые участвует в бою, во время атаки обратив противника в бегство.

.5 1900-1939

Луи Филип Перью (1900) в Америке создает Автоматического Человека (Automatic Man). "Этот гигант из дерева, каучука и металлов, который ходит, бегает, прыгает, разговаривает и закатывает глаза - практически во всём в точности подражает человеку". Автоматический Человек был ростом 7 футов 5 дюймов (2,25 метра), одет был в белый костюм, носил гигантскую обувь и соответствующую шляпу.

Ли де Форест (1906) патентует вакуумный триод, использовавшийся в качестве переключателя в первых электронных компьютерах

В 1918 г. Михаил Александрович Бонч-Бруевич изобретает ламповый триггер. Триггер способен хранить одну двоичную цифру. Это изобретение закладывает фундамент электронных цифровых компьютеров.  Французы Абрахам и Блох (1918) изобретают электрическую счетную машину, которая работает с двоичными числами.

г. чешский писатель Карл Чапек написал пьесу "R. U. R." ("Россумские универсальные роботы"). В этой пьесе, поставленной 21 января 1921 года на сцене Пражского национального театра, рассказывается о некоем Россуме, который основал фабрику, на которой биологическим путем выращивались роботы, отличавшиеся очень высокой работоспособностью. Несмотря на то, что эти создания сегодня получили бы скорее название "андроиды", чем "роботы", употребление слова "робот" стало повсеместным. "Роботы - это люди ... они механически совершеннее нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них нет души", - таким образом, определяет понятие "робот" один из персонажей пьесы.

Так, впервые появилось понятие "робот", которое в скором времени из фантастической литературы перешло в науку и технику. Роботы в пьесе, изначально созданные для замены людей на заводах, вскоре вышли из-под контроля людей и начали уничтожать своих создателей. Так К. Чапек иллюстрирует мысль о том, что техника может приносить пользу человечеству, только находясь в честных, добрых руках. Таким образом, К. Чапек не только создал литературное произведение, но и поставил и рассмотрел ряд важных вопросов робототехники, таких как: способы создания роботов, их основные характеристики, размеры производства и области использования, социально-психологические аспекты взаимоотношения роботов и людей, самовоспроизведение роботов.

Ванневар Буш (1925) и его коллеги разрабатывают первую аналоговую ЭВМ Differential Analyzer, машина разработана, чтобы решать дифференциальные уравнения. Построенная в 1930, она будет использоваться для артиллерийских вычислений в течение Второй Мировой Войны.

Фриц Ланг (1927) снимает "Metropolis". Робот Мария - первый робот в кинематографе. Созданная безумным ученым Ротвангом (Rotwang), чтобы заменить его умершую жену, гладкая металлическая женщина становится международной иконой.

В 1928 г. Английский инженер Ричардсон создает электрического человека Эрика, внешне похожего на закованного в доспехи средневекового рыцаря. Эрик управляется на расстоянии. Выполняя команды, встает, садится, отвечает на простые вопросы; при ответе у него светятся глаза, а во рту загораются зеленые лампочки.

На радиовыставке в Париже (1929) демонстрируется электрическая собака. Когда ее освещают, она начинает двигаться на свет и лаять. Если лампочку отводили в сторону, не переставая освещать собаку, последняя поворачивалась и продолжала лаять, двигаясь к источнику света.

В 1933 г. на выставке "Столетие прогресса" в Чикаго робот используется в качестве лектора. Начиная лекцию о процессе пищеварения, он расстегивал жилет, открывая грудь и живот, стенки которых были прозрачными, и показывал пальцем пищевод, желудок, кишечник и печень, объясняя строение своих внутренних органов наглядно. 

В том же 1933 г. ряд роботов, управляемых по радио, сконструировал и построил в Австрии инженер Август Губер. Его роботы ходили, двигали головой и руками, мигали, курили, и разговаривали по телефону.  Многие конструкторы в те годы отдали дань идее создания искусственного электромеханического человека - могучего и покорного слуги своего хозяина. Многие всерьез полагали, что именно такие роботы и заменят в будущем людей на заводах и фабриках. Однако в дальнейшем стало ясно, что подобные роботы - это пока, в сущности, такие же игрушки, какими были андроиды XVIII веков.

В 1937 г. Тезис Чёрча-Тьюринга, независимо разработанный Алонсо Чёрчем и Аланом Тьюрингом, устанавливает, что все задачи, решаемые человеком, приводимы к конечному множеству алгоритмов, или, более просто, что машинное распознавание и человеческое распознавание - по существу эквивалент.

г. Первый программируемый покрасочный механизм разработан Виллардом Поллардом и Гарольдом Розелундом для компании DeVilbiss. В действительности, история выглядит иначе.

В 1938 году американец Уиллар Л.В. Поллард действительно изобретает управляемый манипулятор. И не просто, а параллельный манипулятор! Три проксимальных звена управлялись двумя приводами на базе. Три дистальных звена крепились к проксимальным звеньям карданной передачей. Два из них крепились к третьему на шарнире. Головка распылителя крепится к третьему дистальному звену опять карданной передачей, обеспечивающей ей горизонтальный ход. Вертикальный и горизонтальный углы поворота головки управляются еще двумя приводами при помощи троса. Итого 5 степеней свободы.

Однако же, это был не первый робот-манипулятор и не тот, что достался компании DeVilbiss. Робот Уилларда Л.В. Полларда от 1938 года так и не был никогда построен.

Первый, действительно существовавший индустриальный робот, принадлежит другому Полларду. 29 октября 1934 года, Уиллард Л.Г. Поллард подал в бюро патентов заявку об изобретении нового полностью автоматического устройства для окраски поверхностей. Патент состоял из двух частей: электрической управляющей системы и механического манипулятора. Программа задавала скорость вращения приводов глубиной ямок на плотной перфоленте, а механическая часть робота представляла собой параллельный манипулятор по типу пантографа всего с двумя приводами. И хотя заявка была в 1934, с выдачей патента не спешили. Патент оказался на руках только в 1942 году, а между тем в 1937 году лицензия на производство этого манипулятора каким-то образом досталась компании DeVilbiss. Именно DeVilbiss в 1941 году при помощи Гарольда Роузланда построила первые прототипы этого устройства. Однако окончательная Роузландовская версия, выпущенная на рынок в 1944 году, была совсем другим механизмом, заимствовав у Полларда младшего только идею системы управления.

Часто в литературе выделяют несколько поколений роботов. Однако, это имеет непрямое отношение к развитию технологий. К роботам первого поколения обычно причисляют все копирующие и программируемые манипуляторы. Такие машины выполняют жесткую программу и чаще называются промышленными роботами. Роботы второго поколения оснащены датчиками для выполнения более интеллектуальных функций. Наконец, к роботам третьего поколения относятся автономные мобильные роботы с самостоятельной адаптивной программой. Примерами роботов I, II и III-го поколений будут, соответственно:

автоматическая линия по сортировке яблок по спелости

научно-исследовательские проекты для космоса и поиска новых решений.

Таким образом, это несколько отличается от поколений ЭВМ, поскольку ЭВМ разного поколения отличаются элементной базой, а роботы - возможностями. ЭВМ первого поколения можно увидеть разве что в музее, в то время как роботы разных поколений успешно работают вместе и нет особых причин для вымирания промышленных роботов с жесткой программой. Сам термин промышленный робот впервые появился на страницах американского журнала "American metal & market" в 1960 году.

Также в 1938 г. в МВТУ им. Баумана создана кафедра М-9, в дальнейшем получившая название "Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы".

На всемирной выставке в Нью-Йорке (1939) Westinghouse Electric Corp., чтобы поразить посетителей, представляет механического гуманоидного робота Elektro и робота-собаку Sparko. Elektro весит 136 кг. и может ходить, разговаривать и... курить.

.6 1940-е года

Джон Анатасоф и Клиффорд Берри (1940) предпринимают попытку построить электронный компьютер. Он мог бы стать первым в истории человечества электронным компьютером, но он не программировался.  Труд 10.000 человек составляет Британское компьютерное военное усилие. Созданный на электромеханических реле Робинзон становится первым в мире операционным компьютером. Его мощности достаточно, чтобы декодировать сообщения, зашифрованные немецкой машиной Энигма первого поколения.