К. В. Силаева
 Скачать 0.79 Mb.
|
|
Появление и развитие робототехники На современном этапе развития механики и мехатроники неразрывно связано с возникновением такой области как робототехника. Робототехника — это создание и применение роботов, других средств робототехники и основанных на них технических систем и комплексов различного назначения. Возникнув на основе кибернетики и механики, робототехника в свою очередь породила новые направления развития и самих этих наук. В кибернетике это связано прежде всего с интеллектуальным управлением и бионикой как источником новых, заимствованных у живой природы идей, а в механике — с многостепенными механизмами типа манипуляторов. Робот можно определить как универсальный автомат для осуществления механических действий, подобных тем, которые производит человек, выполняющий физическую работу. При создании первых роботов и вплоть до наших дней образцом для них служат возможности человека. Именно стремление заменить человека на тяжелых и опасных работах породило идею робота, затем первые попытки ее реализации (в средние века) и, наконец, обусловило возникновение и развитие современной робототехники и роботостроения [3]. Современными предшественниками роботов явились различного рода устройства для манипулирования на расстоянии объектами, непосредственный контакт человека с которыми опасен или невозможен. Это манипуляторы с ручным или автоматизированным управлением. Первые появившиеся устройства такого рода были пассивными, т. е. механизмами без приводов, и служили для повторения на расстоянии движений руки человека целиком за счет его мускульной силы. Затем были созданы манипуляторы с приводами и управляемые человеком различными способами вплоть до биоэлектрического. Первые роботы, с которых началась современная робототехника, появились сразу после второй мировой войны. В конце 40-х годов в Окриджской и Аргоннской национальных лабораториях были начаты исследовательские программы по созданию дистанционно управляемых механических манипуляторов для работы с радиоактивными материалами. 34 Впервые такие манипуляторы были созданы в 1940 – 1950 гг. для атомных исследований, а затем и для атомной промышленности. Подобные устройства стали применяться в глубоководной технике, металлургии и ряде других отраслей промышленности. Разрабатывались манипуляторы копирующего типа, предназначенные для точного воспроизведения движений руки и кисти человека-оператора. В систему входили задающий и копирующий манипуляторы. Задающий манипулятор приводился в движение человеком-оператором, при этом копирующий манипулятор воспроизводил с максимальной точностью все движения задающего. Позднее путем установления механических связей между задающим и копирующим манипуляторами была введена обратная связь, позволяющая оператору ощущать силы взаимодействия между копирующим манипулятором и его рабочей средой. В середине 50-х годов механические способы введения обратной связи были заменены электрическими и гидравлическими, как, например, в манипуляторе Handymanфирмы «Дженерал Электрик» и манипуляторе Minotaur-Iфирмы «Дженерал Милз». Вслед за манипуляторами копирующего типа были разработаны более сложные системы, способные выполнять многократно повторяющиеся операции в автономном режиме. В середине 50-х годов Джордж С. Девол сконструировал устройство, названное им «программируемое шарнирное устройство для переноски» — манипулятор, функционирование которого задавалось программой (следовательно, могло изменяться) в виде последовательности элементарных движений, определенных командами этой программы. Дальнейшее совершенствование Деволом совместно с Джозефом Ф. Энгельбергером этого замысла привело к созданию первого промышленного робота, выпущенного в 1959 г. фирмой «Юнимейшн». Основная идея при создании этого устройства заключалась в совмещении ма- нипулятора с компьютером, что позволило получить машину, которую можно было «обучать» автоматическому выполнению разнообразных работ. От специализированных автоматических машин эти роботы отличались возможностью смены выполняемых операций при изменении условий производственного процесса. Изменение выполняемых роботом операций осуществлялось путем относительно недорогого перепрограммирования и переоснащения [4]. Первые, полностью автоматически действующие, манипуляторы были сделаны в США в 1960 – 1961 гг. В 1961 г. был разработан такой манипулятор, управляемый от ЭВМ и снабженный захватным устройством, « очувствлённым» с помощью различного типа датчиков — контактных и фотоэлектрических. Этот манипулятор МН-1 получил название "рука Эрнста" по фамилии его создателя [5,6]. Это устройство могло «осязать» блоки, с которыми оно работало, и использовало поступающую с датчиков информацию для управления захватным устройством, что позволяло укладывать блоки без помощи оператора. Эта разработка является одним из первых примеров робота, способного адаптироваться к не полностью 35 определенной внешней обстановке. Согласно современному определению, это был прообраз «очувствлённого» робота с адаптивным управлением. Система состояла из манипулятора ANLModel-8 с шестью степенями свободы, управляемого с помощью устройства обмена компьютером ТХ-0. Позднее эта исследовательская разработка стала частью проекта MAC, по которому в состав системы вводилась еще и телевизионная камера. В тот же период Томович и Бони [7] разработали опытный образец схвата с датчиками, измеряющими давление при соприкосновении с объектом, по которому формировался сигнал обратной связи на мотор силового привода. Как только схват входил в контакт с объектом, с датчиков давления в компьютер поступала информация о размерах и весе объекта манипулирования. В 1962 г. фирма «АмерикэнМэшин энд Фаундри Компани» (AMF) начала выпуск промышленного робота VERSATRAN. В этом же году был начат ряд разработок промышленных роботов, таких, как эдинбургский и роэмптонский манипуляторы. Одновременно возник термин "промышленный робот" (IndastrialRobot), по-видимому, предложенный этой фирмой. В то же время в США появились роботы "Юнимейт-1900", которые получили первое применение в автомобильной промышленности на заводах фирм "Дженерал моторс", "Форд" и "Дженерал электрик". В конце 60-х годов Маккарти [6,8] со своими коллегами из Лаборатории искусственного интеллекта в Станфорде сообщили о создании компьютера, имеющего руки, глаза и уши (т. е. оснащенного манипуляторами, телевизионными камерами и микрофонами). Ими была продемонстрирована система, которая воспринимала устные команды, «видела» разбросанные на столе блоки и манипулировала этими блоками в соответствии с полученными инструкциями. В этот же период Пайпер [9] провел исследования, касающиеся кинематики управляемого компьютером манипулятора, а Кан и Рот [10] исследовали вопросы динамики и управления манипулятором с ограничениями. Последние применили релейное управление, обеспечивающее максимальное быстродействие. Одновременно промышленные роботы начали развиваться и в других странах, особенно в Японии. Уже в 1968 г. японская фирма «Кавасаки ХэвиИндастриз» покупает у фирмы «Юнимейшн» лицензию на выпуск промышленных роботов. В 1969 г. фирма «Дженерал Электрик» закончила разработку экспериментальной шагающей платформы для вооруженных сил США — одну из наиболее необычных разработок в области робототехники. В этом же году был создан бостонский манипулятор, а в следующем — стэнфордский манипулятор, оснащенный телевизионной камерой и управляющим компьютером. Создание этих манипуляторов положило начало ряду наиболее серьезных исследований в области робототехники. Один из экспериментов со стэнфордским манипулятором состоял в автоматической укладке блоков по различным заданным правилам. Это была очень сложная 36 задача для роботов того времени. В 1974 г. фирма «Цинциннати Милакрон» представила первого управляемого компьютером промышленного робота, названного Т 3 (TheTomorrowTool— инструмент будущего). Этот робот мог поднимать грузы весом более 40 кг и работать с движущимися объектами на сборочном конвейере [4]. В течение 70-х годов большое внимание в исследованиях уделялось использованию датчиков внешней обстановки для повышения качества функционирования манипуляторов. В СтанфордеБоллес и Пол [11] создали стэнфордский манипулятор, предназначенный для сборки автоматических водяных насосов. Управление этим манипулятором осуществлялось с помощью компьютера PDP-10 на основе информации от зрительных и силовых датчиков. Приблизительно в это же время Вилл и Гроссман [12] из фирмы IBM разработали управляемый компьютером манипулятор с тактильными и силовыми датчиками, предназначенный для сборки пишущей машинки, состоящей из двадцати деталей. В Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института проводились работы [13], связанные с использованием сигналов обратной связи от силовых датчиков. Для обеспечения правильного начального положения схвата при проведении высокоточных сборочных работ использовался метод поисковой навигации в ближней зоне. В Лаборатории Дрейпера Невинс и др. [14 ] проводили исследования по методам очувствления, базирующимся на свойствах упругих деформаций. В результате этих работ был создан прибор, названный «удаленный центр упругой податливости» (remotecenter compliance). Этот прибор монтировался на упорной пластине последнего звена манипулятора при выполнении высокоточных сборочных работ. Бьецци [15] из Лаборатории реактивного движения для управления удлиненным стэнфордским манипулятором, предназначенным для космических исследований, применил методику измерения моментов. После этого был предложен еще ряд различных способов управления механическими манипуляторами. В 1971 г. в Японии были разработаны экспериментальные образцы роботов с техническим зрением и элементами искусственного интеллекта: робот "Хивип", способный самостоятельно осуществлять механическую сборку простых объектов по предъявленному чертежу, и робот ЭТЛ-1. В этот же период и в ряде других стран создаются подобные экспериментальные установки так называемых интегральных роботов, включающих в себя манипуляторы, управляющие ЭВМ, различные средства очувствления и общения с человеком-оператором, которые предназначены для проведения исследований в области искусственного интеллекта и создания интеллектуальных роботов [6]. Первые промышленные роботы с развитым очувствлением и микропроцессорным управлением появились па рынке и получили практическое применение в 1980 - 1981 гг. прежде всего па сборке, дуговой сварке,контроле качества для взятия неориентированных предметов, 37 например, с конвейера. К их числу относятся снабженные системами технического зрения роботы "Пума", "Юнимейт", "Ауто-плейс", "Цинциннати милакрон", сборочные робототехнические системы фирм "Хитачи", "Вестингауз" (система "Апас"), "Дженерал моторс" (система "Консайт"). Доля таких устройств в общем парке роботов неуклонно растет и приближается к 50% несмотря на то, что они в несколько раз дороже роботов с программным управлением и значительно сложнее в обслуживании. Однако что окупается неизмеримо большими функциональными возможностями, а, следовательно, и более широкой областью применения. Первые результаты по созданию и практическому применению роботов в СССР относятся к 1960-м гг. В 1966 г. в институте ЭНИКмаш (город Воронеж) был разработан автоматический манипулятор с простым цикловым управлением для переноса и укладывания металлических листов.В 1968 г. в СССР (Институтом океанологии Академии наук СССР совместно с Ленинградским политехническим институтом и другими вузами) был создан телеуправляемый от ЭВМ подводный робот "Манта" с очувствленным захватным устройством, а в 1971 г. — следующий его вариант с техническим зрением и системой целеуказания на телевизионном экране [16]. Первые промышленные образцы современных промышленных роботов с позиционным управлением были созданы в 1971 г. (УМ-1, "Упиверсал-50", УПК-1). В 1968 г. был создан первый управляемый ЭВМ подводный автоматический манипулятор. В 1971 г. в Ленинградском политехническом институте были построены образцы интегральных роботов, снабженных развитой системой очувствления, включая техническое зрение и речевое управление [16]. В том же году в Ленинграде состоялся первый Всесоюзный семинар, посвященный роботам, управляемым ЭВМ. Начиная с 1972 г. работы в области робототехники приняли плановый характер в масштабе страны. В 1972 г. постановлением Госкомитета СССР по науке и технике была сформулирована проблема создания и применения роботов в машиностроении как государственно-важная и определены основные направления ее решения. В следующем году была утверждена первая программа работ, которая охватила основные отрасли промышленности и ведомства, включая Академию наук и высшую школу. В соответствии с этой программой к 1975 г., были созданы первые 30 серийно пригодных промышленных роботов, в том числе универсальных (для обслуживания станков и прессов, для нанесения покрытий п точечной сварки) на пневмо-, гидро- и электроприводах, стационарных и подвижных. В следующие годы эта работа была продолжена на основе новой пятилетием программы. Было создано более 100 марок промышленных роботов и организовано серийное производство 40 марок. Одновременно быки начаты работы по унификации и стандартизации промышленных роботов в соответствии с программой Госстандарта СССР. Фундаментальные и поисковые работы в области робототехники были развернуты на основе программ Академии наук и высшей школы, которые 38 были увязаны с комплексной программой Госкомитета СССР по науке и технике. К концу 1980 г. парк промышленных роботов в стране превысил 6000 шт., что находилось, например, на уровне парка роботов США, и составлял более 20% парка роботов в мире, а к 1985 г. превысил 40 тыс. шт., в несколько раз превзойдя парк роботов США и достигнув 40% мирового парка. Первые промышленные роботы второго поколения со средствами очувствления появились в отечественной промышленности на сборочных операциях в приборостроении с 1980 г. Первый промышленный робот с техническим зрением МП-8 был создан в 1982 г. [16]. В 1975 г. впервые был начат выпуск инженеров по робототехнике в Ленинградском политехническом институте в рамках существующих специальностей. В 1981 г. была введена новая специальность инженера-электромеханика - "Робототехнические системы"— и организована подготовка специалистов в ряде ведущих вузов страны. С распадом СССР вся эта плановая работа по развитию отечественной робототехники на государственном уровне была прервана. Прекратилось серийное производство роботов. Их парк сократился более чем на порядок вместе с сокращением производства в стране в целом. В результате к 1995 г. разработки и применение роботов в России сузились до задач обеспечения невыполнимых без роботов работ в экстремальных ситуациях (стихийные бедствия, аварии, борьба с террористами и т. п.). Правда, в этой сфере отечественная робототехника не только не потеряла ранее достигнутого научно-технического уровня, но и продолжает развиваться, в том числе и благодаря участию в различных международных проектах и программах. На рубеже 2000 г. начали возрождаться отраслевые и ведомственные научно- технические программы по робототехнике, и межотраслевые программы по отдельным особо государственно-важным ее аспектам, начал восстанавливаться парк роботов и в промышленности. Все это позволяет прогнозировать в ближайшее время возрождение отечественной робототехники в полном объеме по мере восстановления нашей экономики и народного хозяйства в целом [3]. В конце XXв. были развернуты работы в новой специфической области робототехники, занимающейся построением шагающих машин как принципиально нового транспортного средства повышенной проходимости, образцом для которого являются ноги животных и человека. Были созданы экспериментальные образцы четырех- и шестиногих транспортных машин, а также протезов ног человека - так называемых экзоскелетонов, для парализованных и тяжелобольных [17, 18]. В конце XX в. возродился интерес к роботам-андроидам. В отличие от их первых реализаций последние достижения робототехники сделали возможным создание подобных устройств для обеспечения вполне реальных потребностей. Он способен двигаться по лестнице и преодолевать другие 39 препятствия, выполнять весьма сложные манипуляции и вести диалог с человеком. За последние 10 лет XXI столетия стоимость промышленных роботов упала в 5 раз при одновременном улучшении их технических характеристик. В результате возросла экономическая эффективность использования роботов. Первое место в мире по производству и применению роботов уверенно занимает Япония, где сосредоточена большая часть мирового парка роботов. Далее следуют США, Италия, Франция, Швеция. Большая часть этого парка используется в промышленности, примерно половина — для выполнения основных технологических операций, где требуются наиболее сложные роботы. Доля таких роботов неуклонно растет. Технический прогресс в развитии роботов направлен, прежде всего, па совершенствование систем управления. Первые промышленные роботы имели программное управление, в основном заимствованное у станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Из станкостроения были взяты и приводы. Эти роботы получили название роботов первого поколения. Второе поколение роботов — это «очувствленные» роботы, т. е. снабженные сенсорными системами, главными из которых являются системы технического зрения. На рубеже XXI в. робототехника подошла к следующему этапу своего развития — созданию интеллектуальных роботов . Это стало естественным этапом совершенствования роботов, соответствующим исходной идее появления подобных устройств как заменителей людей в их профессиональной деятельности. Интеллектуальный робот — это робот конкретного назначения, в основных функциональных системах которого используются методы искусственного интеллекта, что позволяет расширить сферу применения робототехники практически на все области человеческой деятельности. Пока такие роботы — в основном еще предмет научных исследований и лабораторных испытаний, однако первые их образцы уже начинают появляться на рынке. Наряду с описанным ранее процессом интеллектуализации робототехники еще одной общей тенденцией ее развития стала миниатюризация . Оба эти направления соответствуют общей тенденции развития техники в целом. Процесс миниатюризации техники начался с информационно- управляющих систем на базе микроэлектроники. Затем уже на рубеже XXI в. началась миниатюризация сенсорных и исполнительных (силовых) систем на базе трехмерных технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС). В робототехнике эта тенденция проявляется созданием микророботов различного назначения. В последние годы все более быстрыми темпами растет доля парка роботов, занятых вне промышленности — в сфере обслуживания, в быту, (сервисные роботы-уборщики, продавцы, вахтеры, игрушки и т. д.), она уже приближается к 50% парка. Почти во всех технически развитых странах созданы национальные ассоциации по робототехнике. В ряде стран имеются 40 |