Курсовая работа (т): Анализ развития робототехники

Анализ развития робототехники

Содержание

Введение

Глава 1. Системы искусственного интеллекта, как предпосылки создания робототехники

1.1 Теоретические основы систем искусственного интеллекта

1.2 Прикладные задачи систем искусственного интеллекта

1.3 История развития робототехники

Глава 2. Перспективы развития робототехники

2.1 Современное состояние роботизации

2.2 Основные задачи и направления робототехники

Заключение

Список литературы

Введение

Актуальность. Развитие отечественной робототехники переживает большие трудности, отрасль фактически поставлена на грань выживания. Есть несколько причин такого положения. Во-первых, вся научно-техническая и исследовательская база робототехники долгие годы поддерживалась и финансировалась государством, основные приоритеты развития данной отрасли определялись на правительственном уровне. Во-вторых, развитие робототехники в Советском союзе стимулировалось и экономическим соперничеством между странами социалистического и капиталистического лагеря.

Развитие робототехники в России зависит от многих причин. Робототехника - важная и перспективная отрасль промышленности, поскольку при помощи роботов и их комплексов руководители предприятий могут создавать высокоэффективное производство с минимальными издержками и высоким качеством продукции. Для достижения этой задачи они готовы привлекать инвестиционный капитал и вкладывать в их развитие собственные средства предприятия с целью значительно увеличить чистую прибыль от продаж продукции в будущем. Таким образом, для многих развитых предприятий подобный подход стал основой стратегии работы на долгие годы.

Мировые лидеры в производстве робототехники уже конкурируют между собой на российском рынке, использую знания и опыт отечественных инженеров по робототехнике. Положение дел необходимо срочно менять: развивать отечественную робототехнику при помощи национальных проектов, которые должны приниматься и курироваться на федеральном уровне.

Цель: определить роль робототехники в современном мире.

Объект: искусственный интеллект.

Предмет: развитие робототехники в современном мире.

Для достижения поставленной в курсовой работе цели решались следующие задачи:

.        определить роль искусственного интеллекта в научно-техническом прогрессе;

2.       рассмотреть использование интеллектуальных информационных систем в различных прикладных областях;

.        рассмотреть историю развития роботов;

4.       определить современное состояние роботизации;

.        проанализировать роль робототехники в геолого-разведывательной и космической промышленности.

Изученность. Методологической и теоретической основой курсовой работы послужили труды А.Ф. Тихонова [17] "Автоматизация и роботизация технологических процессов и машин в строительстве", Е.П. Попова [12] "Робототехника", В.Д. Цыганкова [18] "Нейрокомпьютер и мозг".

Вопросы, связанные с формированием и развитием робототехники, её определения и применения рассмотрены в работах В.Л. Афонин [1], Е.П. Попова [12], В.Д. Цыганкова [18], В.Л. Конюх [7] и др.

В составе авторов, рассматривающих современные возможности применения роботов, И.А. Каляев [5], Л.С. Ямпольский [20], В.В. Мацкевич [9], Е.П. Попов [11], которые имеют основополагающее значение для данного исследования.

Методы исследования. В курсовой работе были использованы такие методы исследования как: анализ, обобщение, сравнение, классификация.

Апробация. Результаты по теме исследования были представлены в докладе на межвузовской научно-практической конференции "Развитие социально-культурной деятельности и художественного образования в Западно-Сибирском регионе: теория и практика"

Структура работы. Логика исследования обусловила структуру курсовой работы, состоящей из введения, двух глав, заключения и библиографии. Первая глава посвящена обзору экспертных систем и рассмотрению инструментальных средств проектирования интеллектуальных систем. Во второй главе рассматриваются области применения экспертных систем в геолого-разведывательной и космической промышленности. В заключении подводятся итоги проведения исследования робототехники и определения его роли в современном мире.

Глава 1. Системы искусственного интеллекта, как предпосылки создания робототехники

1.1 Теоретические основы систем искусственного интеллекта

В течение тысяч лет человек пытается понять, как он думает. В области искусственного интеллекта (ИИ) решается еще более ответственная задача: специалисты в этой области пытаются не только понять природу интеллекта, но и создать интеллектуальные сущности.

Вернувшись в прошлый век, окунемся в ту атмосферу созидания и открытия Норбертом Винером новой науки "Кибернетики", положившей начало созданию "умных машин" [30].

Кибернетика - в большей степени наука о живых организмах, человеке и обществе, чем о машинах. Машина - скорее инструмент и модель в общей кибернетике, а не предмет изучения. Так считал сам Винер.

Винер сравнивал машины создаваемые человеком, и машины, создаваемые природой и делал вывод, что машины созданные природой (люди) более эффективны и приспособляемы, но машины, созданные человеком, дали человеку в руки орудие для естественного эксперимента и эксперимента мысленного.

Искусственный интеллект это одна из новейших областей науки. Первые работы в этой области начались вскоре после Второй мировой войны, а само ее название было предложено в 1956 году. Ученые других специальностей чаще всего указывают искусственный интеллект, наряду с молекулярной биологией. Студенты-физики вполне обоснованно считают, что все великие открытия в их области уже были сделаны Галилеем, Ньютоном, Эйнштейном и другими учеными [1].

В настоящее время тематика искусственного интеллекта охватывает огромный перечень научных направлений, начиная с таких задач общего характера, как обучение и восприятие, и заканчивая такими специальными задачами, как игра в шахматы, доказательство математических теорем, сочинение поэтических произведений и диагностика заболеваний. В искусственном интеллекте систематизируются и автоматизируются интеллектуальные задачи, и поэтому эта область касается любой сферы интеллектуальной деятельности человека. В этом смысле искусственный интеллект является поистине универсальной научной областью.

Свойства искусственного интеллекта

Характеристика искусственного интеллекта была предложена Л.Т. Кузиным [1]:

§   наличие в них собственной внутренней модели внешнего мира; эта модель обеспечивает индивидуальность, относительную самостоятельность системы в оценке ситуации, возможность семантической и прагматической интерпретации запросов к системе;

§   способность пополнения имеющихся знаний;

§   способность к дедуктивному выводу, т.е. к генерации информации, которая в явном виде не содержится в системе; это качество позволяет системе конструировать информационную структуру с новой семантикой и практической направленностью;

§   умение оперировать в ситуациях, связанных с различными аспектами нечеткости, включая "понимание" естественного языка;

способность к диалоговому взаимодействию с человеком;

§   способность к адаптации.

Можно сказать, что эти характеристики достаточно точно соответствуют характеристикам нашего интеллекта.

Предпосылки развития науки искусственного интеллекта

История искусственного интеллекта как нового научного направления начинается в середине 20 века <#"729427.files/image001.gif">

Ее решением будет вектор функций x_i (t).

А в 1829 году Карл Фридрих Гаусс предложил еще один принцип механики, более общий и удобный в использовании, который он назвал принципом наименьшего принуждения [8]  <#"729427.files/image002.gif">

Здесь dw_i - вектор возможных ускорений.

Принцип, указанный Гауссом, позволяет нам отличить действительные движения системы ото всех других движений, возможных в определенной ситуации. В словесном изложении он звучит примерно так:

"Движение системы связанных точек в действительности происходит в направлении наименьшего принуждения, т.е. как можно меньше отклоняясь от свободного движения, как если бы не существовало наложенных связей".

А под принуждением понимается величина:

Где s_v - вектор между двумя разными точками, в которых система окажется через время dt в случае свободного и связанного движений соответственно  [9]  <#"729427.files/image004.gif">

Рис. 1. Манипулятор Уилларда Л.В. Полларда

Манипулятор Уилларда Л.В. Полларда от 1938 года, ошибочно принимаемый за первый в истории управляемый манипулятор Уилларда Л.Г. Полларда от 1934 года (патент США №2286571, 1942)

В 1938 году американец Уиллар Л.В. Поллард (Willard L. V. Pollard) действительно изобретает управляемый манипулятор. И не просто, а параллельный манипулятор (12). Три проксимальных  (13)  <#"729427.files/image005.gif">

Рис.2. Аппарат "Луноход-1", производство СССР, индекс объекта - 8ЕЛ

В действительности же "Луноход-1" проработал в три раза дольше, проехал 10 540 м и передал на Землю 211 лунных панорам и 25 тысяч фотографий. Это была настоящая победа! Правда, первый человек на Луне оказался все-таки немного раньше 20 июля 1969  [16]  <http://www.cleverence.ru/site.aspx?page=Robotics>.

В 1968 году в Станфордском Исследовательском Институте (SRI, Stanford Research Institute) создают "Shakey" первого мобильного робота с искусственным зрением и зачатками интеллекта. Устройство на колесиках решает задачу объезда возможных препятствий различных кубиков. Исключительно на ровной поверхности, т.к. робот очень неустойчив. Самое примечательное, что "мозг" робота занимает целую комнату по соседству, общаясь с "телом" по радиосвязи.

Исследования устойчивости приводят к работам над динамическим равновесием роботов, в результате чего получаются роботы-лошади и даже несколько роботов на одной ноге, - чтобы не упасть, им приходится постоянно бегать и подпрыгивать  [17]  <http://www.cleverence.ru/site.aspx?page=Robotics>.

Начинается эра исследования устойчивости и проходимости. В это время появляется множество роботов для исследования других планет и, конечно, ведения боевых действий в пустыне. Вся робототехника в Соединенных Штатах по сей день очень часто спонсируется агентством DARPA  [18] .

Роботостроение в Японии начинается в 1928 году, когда под руководством доктора Нисимуро Макото был создан робот, названный "Естествоиспытатель" [14]. Оснащенный моторчиками, он мог менять положение головы и рук. А 21 ноября 2000 года на первой в истории выставке ROBODEX в городе Йокохама, Япония, Tokyo Sony Corporation представляет своего первого человекоподобного робота "SDR-3X" [19]  <http://www.cleverence.ru/site.aspx?page=Robotics>:

С развитием технологии люди всё чаще видели в механических созданиях что-то больше, чем просто игрушки. Литература отразила страхи человечества, что люди могут быть заменены своими собственными творениями. Роман "Франкенштейн, или Современный Прометей" (1818) иногда называют первым научно-фантастическим произведением, олицетворяющим эту проблему. Позже Карел Чапек пишет знаменитую пьесу "R. U. R.", в которой представлена идея сборочной линии, на которой роботы собирают самих себя, произведение имело экономический и философский подтексты. В дальнейшем эти идеи развиваются в фильмах "Метрополис" (1927), "Бегущий по лезвию бритвы" (1982) и "Терминатор" (1984). Как роботы с искусственным интеллектом становятся реальностью и взаимодействуют с человеком, показано в фильмах "Искусственный разум" (2001) режиссёра Стивена Спилберга и "Я, робот" (2004) режиссёра Алекса Пройяса. В фантастических рассказах Айзека Азимова сформулированы три "Закона робототехники" [7]:

1.       Робот не может причинить вред человеку, или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.

2.       Робот подчиняется приказам человека, если это не противоречит 1-му закону.

.        Робот заботится о собственной безопасности, если это не противоречит 1 и 2 законам.

Азимов в своих произведениях убедительно показывает, что эти законы, будучи заложены в программу-мозг робота в виде обязательных (безусловно исполняемых роботом) законов исключают возможность проявления любых недружественных действий робота по отношению к человеку. Приводятся также примеры негативных последствий, возникающих в случае, когда люди пренебрегая требованиям обязательности трех законов, блокируют на этапе программирования робота один из законов (например, вторую часть первого закона). В этом случае робот может найти логически не противоречивое решение, позволяющее ему нарушить 1-й закон и стать опасным для человека.

Конечно же невозможно отрицать и пользу, которую приносят роботы. Сейчас в мире уже существуют роботы хирурги, повара, няньки, уборщики и т.п. Так же есть роботы пылесосы и просто забавные игрушки вроде роботопёса. Также промышленные роботы, которые не только очень качественно выполняют поставленную задачу, но и выполняют её с немыслимой для человека скоростью.

Глава 2. Перспективы развития робототехники

.1 Современное состояние роботизации

Научно-техническое развитие России в последние десятилетия характеризуется:

) отсутствием обоснованного долгосрочного прогнозирования и планирования,

) отсутствием привязки к геополитическим целям страны. Последнее на самом деле важно. Отмечу, что долгосрочное планирование требует наличия в стране соответствующих институтов, типа DARPA и RAND Corporation, а длительное отсутствие публично сформулированных геополитических целей может быть мотивировано как политической конъюнктурой, так и другими причинами. Нельзя сказать, что попыток долгосрочного прогнозирования нет. В последние лет пять рядом министерств практикуется использование методик типа Форсайт. Однако они не дают более-менее значимых результатов прогнозирования на горизонте свыше 5 лет. Кроме того, Форсайт требует также наличия постоянной группы аналитиков, специализирующихся на применении этой методики, отслеживающих результаты предсказаний и выявляющих причины несоответствия прогноза реальности, как это делается, например, в Англии и Японии [8].

Робототехникой на Западе, в первую очередь в США, серьезно начали заниматься с конца 1990-х, когда был взят курс на цифровизацию вооружённых сил и была принята программа "Армия будущего”. На разработку военной робототехники в рамках этой программы была выделена громадная сумма 22,5 млрд. долл. Япония обозначила робототехнику в качестве одного из семи национальных приоритетов, поставив целью стать мировым лидером в области домашней робототехники. Последним несколько лет назад в эту гонку вступил Евросоюз, принявший многомиллиардную программу по военной робототехнике [8].

Китай не объявлял официально своих планов в этой области, однако, судя по отдельным сообщениям о конкретных проектах, ведёт работы в области военной, планетарной и других видов робототехники. Южная Корея осуществляет план развития робототехники, одной из главных задач которого является стратегическое фокусирование на потребностях отдельных рынков, например, роботизированные системы наблюдения для Ближнего Востока, медицинские роботы для США и ЕС, а также роботы-уборщики, предназначенные для Китая и Юго-Восточной Азии.

Здесь уместно сказать о том, какие направления в робототехнике существуют. Сама по себе робототехника (robotics) является междисциплинарной наукой, объединяющей следующие направления:

бытовая (домашняя) робототехника (home robotics), цель создание домашних роботов. Объём рынка в 2010 г. составил около 25 млрд. долл.;