Устройство роботов, история развития и классификация

И тем не менее будущее за промышленными роботами. Придет время, когда без промышленной робототехники представить себе и производство, и быт будет столь же трудно, как сегодня без автомобиля или телевизора.

Сейчас технический  уровень промышленных роботов растет стремительными темпами. Прогресс роботостроения сегодня как залог успехов  роботизации завтра — таков лейтмотив  книги, с которым нельзя не согласиться. Раскрыть будущее промышленных роботов  с позиций уже не научной фантастики, а конкретного научного анализа  и прогнозирования — это важнейшая, увлекательная задача.

1. Робот не  может причинить вред человеку  или своим бездействием позволить  причинить вред человеку.

2. Робот должен  исполнять приказы, отданные человеком,  за исключением тех случаев,  когда эти приказы нарушили  бы первый закон:

3. Робот должен  защищать себя, если это не  нарушает первого или второго  законов.

Хотя А. Азимов в то время и не осознавал, но именно тогда впервые появилось в  печати слово «робототехника». Джо  Энгельбергер, основатель фирмы «Юни-мейшн», считающийся отцом современной промышленной робототехники, отметил, что три закона А. Азимова до сегодняшнего дня остаются теми стандартами, которым при проектировании должны следовать специалисты по робототехнике.

Что такое робот ?

До настоящего времени не выработано единой концепции  относительно того, из чего же состоит  робот. Даже в отношении сравнительно недавно появившегося понятия «промышленный  робот» нет международного соглашения о его определениях—границы термина устанавливаются весьма произвольно. Например, в Японии роботом называется устройство, действующее по принципу взять-положить, т. е. простая механическая рука, движения которой ограничены механическими упорами. Однако на Западе подобное устройство, не обладающее гибкостью (если кто-нибудь не передвинет упоры), считается особым видом жесткого автомата, а не роботом.

Итак, когда же мы имеем дело с робототехнической  системой, а когда просто с традиционной формой автоматики?

Например, поставлена задача: отрезать кусок от большого металлического листа. Рассмотрим как  саму операцию резания, так и манипулирование  с листом. Варианты решения этой задачи в соответствии с уровнем  сложности используемых технических  средств можно представить в  такой последовательности.

1. Человек вручную  сгибает лист вперед-назад, пока  не отломится кусок металлического  листа.

1 Лист разрезается  с помощью ручного инструмента.  

 

БИОГРАФИЯ РОБОТОТЕХНИКИ

О чем вся  эта суета. Основы робототехники

Робототехника, не роботы

Эта книга о  потенциально широкой области робототехники, а не только о тех роботах, которые  существуют уже сейчас. Другими словами—эта книга была написана в то время, когда вокруг создания и применения роботов бушевали страсти, и если бы она была посвящена только тем их образцам, которые имелись на период написания, тогда то, что вы сейчас читаете, безнадежно устарело бы.

Темпы развития робототехники связаны с успехами в области совершенствования  вычислительных машин. Часто цитируемые статистические данные в отношении  их сводятся к следующему. Если бы автомобилестроение развивалось так же быстро, как  вычислительная техника, то тридцатилетней давности автомашина «Ролле Ройс» стоила бы сейчас 2 фунта стерлингов, на весь срок эксплуатации хватило бы заправки одной пинты бензина и машина развивала бы достаточную тягу для движения на крутом подъеме. Этот пример в какой-то степени показывает, как быстро сейчас движется вперед робототехника. Однако, хотя техника и усложняется с большей скоростью, тем не менее принципы, лежащие в основе быстрого развития, изменяются сравнительно медленно. Овладение этими принципами и является ключом к раскрытию секретов нового мощного «взрыва» робототехники.

Истоки робототехники

Человечество  стремилось создать механическое подобие  себя задолго до того, как были начаты первые работы в этом направлении, которые в конце концов привели в начале 60-х годов к успешному применению промышленных роботов.

В течение всей истории человечество в своем  воображении создавало машины, наделенные способностью чувствовать (по крайней  мере частично). В древних греческих мифах бога огня Гефеста сопровождали, помогая ему, две живые статуи из чистого золота. Позднее он построил бронзового гиганта Талуса для охраны острова Крит от вражеского нашествия. Более двух тысяч лет назад Герои Александрийский в «Трактате о пневматике» описал множество автоматов, таких, как движущиеся фигуры и поющие птицы,— прямо древнегреческий «Диснейленд». Интересно, что эти замечательные игрушки оставались единственным реальным применением пневматики.

Примерно в 1500 г. Леонардо да Винчи построил для  Людовика XII механического льва, который  при въезде короля в Милан выдвигался, раздирал когтями грудь и показывал  герб Франции. Такие постоянно усложняющиеся  механические автоматы оставались модными  и на протяжении последующих четырех  столетий. Но слово «робот» вошло  в английский язык лишь в начале двадцатого века после того, как  появилась пьеса Карела Чапека «.R U. R.» (Россумские универсальные роботы). В пьесе «роботы» выращивались биологическим путем, и их нельзя было отличить от людей, разве что только по отсутствию эмоций. Сам термин был образован от чешского слова “работа”, означающего принудительный

труд, и от слова  «работник», означающего раб. Хотя эти  создания в пьесе получили бы сегодня скорее название «андроиды», чем «роботы» (которые, как теперь считается, должны быть механическими), неправильное употребление этого слова стало повсеместным.

Слово «роботикс» (робототехника) придумано мастером научной фантастики писателем Айзиком Азимовым. В рассказе «Скиталец», появившемся в марте 1942 г. в сборнике «Поразительная научная фантастика», А. Азимов впервые выдвинул три знаменитых закона робототехники.

1. Робот не  может причинить вред человеку  или своим бездействием позволить  причинить вред человеку.

2. Робот должен  исполнять приказы, отданные человеком,  за исключением тех случаев,  когда эти приказы нарушили  бы первый закон:

3. Робот должен  защищать себя, если это не  нарушает первого или второго  законов.

Хотя А. Азимов в то время и не осознавал, но именно тогда впервые появилось в  печати слово «робототехника». Джо  Энгельбергер, основатель фирмы «Юни-мейшн», считающийся отцом современной промышленной робототехники, отметил, что три закона А. Азимова до сегодняшнего дня остаются теми стандартами, которым при проектировании должны следовать специалисты по робототехнике.

Что такое робот»

До настоящего времени не выработано единой концепции  относительно того, из чего же состоит  робот. Даже в отношении сравнительно недавно появившегося понятия «промышленный  робот» нет международного соглашения о его определениях—границы термина устанавливаются весьма произвольно. Например, в Японии роботом называется устройство, действующее по принципу взять-положить, т. е. простая механическая рука, движения которой ограничены механическими упорами. Однако на Западе подобное устройство, не обладающее гибкостью (если кто-нибудь не передвинет упоры), считается особым видом жесткого автомата, а не роботом.

Итак, когда же мы имеем дело с робототехнической  системой, а когда просто с традиционной формой автоматики?

Например, поставлена задача: отрезать кусок от большого металлического листа. Рассмотрим как  саму операцию резания, так и манипулирование  с листом. Варианты решения этой задачи в соответствии с уровнем  сложности используемых технических  средств можно представить в  такой последовательности.

1. Человек вручную  сгибает лист вперед-назад, пока  не отломится кусок металлического  листа.

2. Лист разрезается  с помощью ручного инструмента.

3. Лист разрезается  с помощью инструмента с каким-либо  силовым приводом.

4. Лист разрезается  на специальном оборудовании  под управлением человека.

5. Режущий станок  автоматически выполняет заданную  последовательность резки, которую  нельзя изменить; загрузку листа  осуществляет человек либо поточная  линия.

6. Устройство  типа «взять-положить» берет лист  из единственного фиксированного  положения и загружает в станок, который затем отрезает лист  в заданной последовательности. Положение листа для захвата  и последовательность операций  резки могут быть изменены  путем механической переналадки  станка.

7. Простой робот  с позиционной системой управления  забирает лист из произвольного  положения и загружает его  в станок, который вырезает один  из нескольких возможных профилей  и конфигураций (возможных в зависимости  от того, откуда робот берет  лист).

8. Робот с  контурным управлением по сплошной  траектории мягко берет один  из многих листов и с управляемым  ускорением загружает его в  станок, который вырезает один  из многих сложных профилей.

9. Вся робототехническая  система является частью значительно  большей системы, управляемой  компьютером. Виды профилей могут  изменяться в зависимости от  номенклатуры производимых изделий.

10. Вся робототехническая  система использует значительный  объем визуальной и тактильной  информации, например, для поиска  листа.

Уровни с первого  по шестой считаются (на Западе) жесткой (или специализированной) автоматизацией, хотя ясно, что на шестом уровне уже  достигается значительная гибкость. Седьмой уровень представляет собой  простейшую робототехническую систему, поскольку возможность изменения  запрограммированных движений манипулятора позволяет классифицировать его  как робот. Далее, металлорежущий станок может быть снабжен устройством  числового программного управления (ЧПУ). Такой автоматический станок управляется мини- или микрокомпьютером с использованием предварительно записанной последовательности операций механической обработки деталей. Однако, хотя его и можно перепрограммировать, станок с ЧПУ нельзя отнести к роботам, поскольку он может, например, только резать металл. Устройства уровней 9 и 10 уже находят ограниченное применение на заводах, однако их широкое распространение сдерживается необходимостью решения ряда проблем.

Сейчас приняты  различные определения роботов. Как правило, роботами называют механизмы, которые целиком или частично имитируют человека—внешность, действия, иногда то и другое. Что же касается определений промышленного робота, то они различаются по степени  общности. Например, Японская ассоциация промышленных роботов подразделяет роботы по уровню сложности на шесть  классов: ручные манипуляторы; устройства типа «взять-положить»; программируемые  манипуляторы; роботы, обучаемые вручную; роботы, управляемые на языке программирования; роботы, способные реагировать на окружающую среду.

В Европе и США  термин «промышленный робот» не включает первые два класса японской трактовки. Британская ассоциация по робототехнике (БАР) определяет робот как «перепрограммируемое устройство, предназначенное для  манипулирования и транспортировки  деталей, инструментов или специализированной технологической оснастки посредством  вариабельных программируемых движений по выполнению конкретных производственных задач». Определение, используемое Американским институтом по робототехнике, в основном схоже с трактовкой БАР и характеризует  робот как «перепрограммируемый   многофункциональный   манипулятор, предназначенный для перемещения материалов, деталей, инструментов или других специальных устройств посредством программируемых движений для выполнения разнообразных задач».

Таким образом, термином «робот», как он трактуется на Западе, не охватываются такие устройства, как дистанционно управляемые манипуляторы (телеоператоры), искусственные конечности, основанные На принципах бионики, или протезы, поскольку эти устройства управляются человеком, хотя они и основаны на той же технологии, что и роботы. Отнесение японцами к роботам устройств типа «взять-положить» и ручных манипуляторов серьезно затрудняет сравнение статистики производства и использование роботов в Японии, Западной Европе и США. Однако для того чтобы преодолеть эту путаницу, японцы предложи-

ли термин мехатроника, делающий акцент на взаимосвязи механики и электроники как главной особенности всех видов этой техники.

Рука  робота

Вполне вероятно, что в один прекрасный день мобильные  роботы получат широкое распространение, но в настоящее время уровень  развития, которого достигли промышленные роботы, лучше всего характеризуется  понятием «механическая рука», прикрепленная  к полу, стене, потолку или к  машине, снабженная специальным рабочим  органом, которым может быть захват или какой-нибудь инструмент, например сварочный или покрасочный пистолет. Рука приводится в движение гидравлическим, электрическим, а иногда и пневматическим приводом в заранее запрограммированной последовательности движений под управлением контроллера (управляющего устройства), который, как правило, основан на микропроцессоре и способен определять положение руки благодаря устройствам обратной связи в каждом узле.