Юревич - Основы Робототехники - 5. Наиболее широко контактная точечная сварка с помощью
 Скачать 3.6 Mb.
|
|
микроэлектронно- механических систем (МЕМС) и представляют собой электромеханические приборы размером в единицы миллиметров. Переход на такую элементную базу позволит не только на порядки улучшить основные характеристики машин, но и кардинально расширить их функциональные возможности и создать принципиально новые типы машин. Достаточно назвать подводные корабли с возможностями дельфинов, многотысячные группы миниатюрных летательных аппаратов, контролирующих среду и выполняющих другие, например, военные задания, микроробототехнические системы для хирургии и внутреннего контроля различных технических объектов, массовые микросистемы для переработки отходов, обработки сельскохозяйственных угодий, разрушения сооружений и т.п., «умные» материалы (smart materials) и конструкции, адаптирующиеся к внешним условиям. Неизбежность этой научно-технической революции обусловлена, как и в робототехнике, в частности, с одной стороны все большим приближением в ходе эволюционного освоения потенциальных возможностей традиционных типов машин к пределу, а с другой появлением и быстрым развитием научно- технического и технологического задела для формирования новой концепции построения машин на микротехнической базе. Исходной технологической основой при этом является современное производство микроэлектроники. Однако в ближайшем будущем предстоит перейти от этой в основном плоскостной технологии к новым трехмерным технологиям изготовления пространственных структур и подвижных микросоединений в виде микроэлектронно-механических преобразователей типа сенсоров, датчиков и исполнительных устройств (активаторов). По существу, предстоит создать основу новой индустрии микротехники подобно тому, как в свое время это было сделано в микроэлектронике. Что касается собственно робототехники, то по мере решения проблемы комплексной микроминиатюризации неизбежно будет пересматриваться и общая концепция построения роботов. Уже сегодня назрела необходимость создания на базе единого системного подхода нового поколения модулей – интеллектуальных, основанных на новой микроэлектромеханической элементной базе. За этим в свою очередь неизбежно последует корректировка самого принципа модульного построения роботов с кардинальным расширением их функциональных возможностей, а, следовательно, и сфер применения. И не исключено, что на этом новом витке развития технической базы может возродиться идея универсальных роботов. Основной предпосылкой для этого, как раз, будет успешное решение проблемы создания приводов типа искусственная мышца по универсальности близких мышцам животных. Дело в том, что основным препятствием для расширения степени универсальности роботов являются их силовые, исполнительные системы. Они не допускают избыточности как с точки зрения экономических, так и массо-габаритных и энергетических показателей, подобной избыточности, реализованной в вычислительной технике на базе микропроцессоров. Идея искусственной мышцы может стать основной для преодоления этого препятствия. В заключении перечислим основные области применения робототехники, где в первую очередь должны будут реализовываться достижения в решении рассмотренных научно-технических проблем: 1. Космическая робототехника. Сегодня это важнейший компонент очередного этапа развития космонавтики. К нему относится, прежде всего, конечно, освоение дальнего космоса и ближайших планет, включая Луну. Космическая робототехника открывает перспективы создания принципиально новых космических объектов и систем, в том числе и в околоземном пространстве, ориентированных на новые возможности, которые предоставляет робототехника. 2. Подводная робототехника. Наряду с космосом это второе направление «экспансии» человечества, где решающую роль должна играть робототехника нового поколения. Если человек-амфибия – это фантастика, то роботы-амфибии – это уже реальность. Достаточно напомнить их работу по обследованию «Титаника» и затонувших подводных лодок, использование подводных роботов-геологов. А, ведь, это, по существу, еще только предыстория подводной робототехники. В настоящее время еще нет ни лунных и других космических баз, обслуживаемых саморемонтирующимися роботами, нет и подобных подводных сооружений. Однако если сегодня основное направление развития современного машинного производства – это безлюдные комплексно-роботизированные предприятия, то тем более это должно относиться к освоению космоса и глубин океана и развитию соответствующих технологий. 3. Мобильная робототехника наземного и воздушного базирования. Сюда относятся робототехнические системы для действий в экстремальных условиях, в том числе для вооруженных сил и других силовых структур, групповое применение роботов, в том числе в конфликтных ситуациях, и создание следующих интеллектуальных поколений таких роботов, принципиально ориентированных на автономное функционирование. Особенно большие перспективы связаны при этом с микроробототехникой. Летающие, плавающие, ползающие и т.п. микророботы произведут революцию во многих важнейших сферах человеческой деятельности. 4. Био- и медицинская робототехника. Сюда входит как рассмотренная выше проблематика заимствования бионических решений, так и обратный процесс внедрения робототехники в живые организмы. Начало последнему положило протезирование конечностей, затем усиление физических возможностей человека для функционирования в экстремальных условиях (активные скафандры, биоуправляемые шагающие машины и т.п.). Наконец, появились новые поколения интеллектуальных протезов и экзоскелетонов, роботы-сиделки, робототехнические системы для реабилитации инвалидов, массажисты и т.п. Однако, прежде всего – это такие новые области применения робототехники как хирургия, в том числе дистанционная, роботы-ассистенты, микророботы для внутрисосудистой и внутриполостной диагностики и хирургии. Среди перечисленных перспективных областей применения робототехники отсутствует промышленная робототехника. Объясняется это тем, что хотя в обозримом будущем основной мировой парк роботов, по-прежнему, будут составлять промышленные роботы, не этот уже сложившийся раздел робототехники определяет ее развитие в рассмотренных выше направлениях, а именно перечисленные выше бурно развивающиеся области применения. Как уже отмечалось, для решения вышеуказанных проблем необходима консолидация сил робототехники со смежными научно-техническими направлениями. И в этой связи назрела потребность в анализе самой сложившейся системы таких направлений, которые так или иначе тоже порождены идеями кибернетики и соответственно близки робототехнике. Основой и символом такой консолидации может стать названная выше триада «сенсорика – процессор – активатор». Она появилась в технике вместе с первыми автоматами древности, затем составила основу теории автоматического управления и кибернетики, а в последние годы начинает пронизывать буквально все направления научно- технического прогресса, начиная с материаловедения (интеллектуальные материалы) и кончая компьютерно-сетевыми технологиями (мультиагентные системы). Заметим, что если в первом случае эта триада реализуется полностью на материальной основе, то во втором – на программной, когда даже объект управления является программным продуктом. Другим важным принципом для указанной консолидации может стать и тот системной подход к реализации названной выше триады, который заключается в отказе при изучении и создании технических систем от декомпозиции их на объект управления и управляющую систему. Перспективность этого принципа для робототехники очевидна и он прогрессивно внедряется, в частности, в ходе распределенной интеллектуализации роботов и их модулей. Этот принцип, основанный на использовании общесистемных критериев, начал применяться в технике давно еще при создании первых статически неустойчивых объектов, например, в электроэнергетике («искусственная устойчивость»), в авиации. В частности, он лежит в основе мехатроники, которая тоже входит в родственные робототехнике научно-технические направления. В этой связи остановимся на связях робототехники и мехатроники. Формально они объединены в научное направление «Роботы, мехатроника и робототехнические системы и в учебное направление «Мехатроника и робототехника». Вместе с тем мехатронику и робототехнику нельзя сопоставить как самостоятельные научно-технические направления, поскольку они определены по разным квалификационным признакам. Робототехника определена по функциональному назначению, а мехатроника по физическому составу. Однако, действительно, мехатроника и робототехника имеют много общего и довольно тесно взаимосвязаны. Многие компоненты средств робототехники – приводные и сенсорные можно отнести к мехатронным. В свою очередь мехатронные устройства в наиболее развитом виде реализуют как и все робототехнические системы замкнутую на внешнюю среду триаду «сенсорика-процессоры- активаторы». Из этого следует, что мехатроника, действительно, должна иметь много общего с робототехникой в принципах построения и методах проектирования. Сюда прежде всего относятся лежащий в основе построения средств робототехники модульный принцип построения и упомянутый выше системный подход к проектированию. Мехатроника как новое научно-техническое направление возникла в результате органического слияния электромеханики и микроэлектроники в виде прежде всего автоматических технических объектов и систем. Аналогичным образом в свое время возникла электромеханика в результате интеграции механики и электротехники. Типичные объекты электромеханики – электрическая машина, реле и т.п. динамические объекты не могут быть созданы путем сотрудничества механиков и электротехников. Для этого необходимы принципиально новые синтетические специалисты – электромеханики. И технические требования, соответственно, критерии оптимизации для таких объектов не могут быть разбиты на механические и электротехничкские. Главным обоснованием мехатроники, как самостоятельного научно- технического направления, должно являться аналогичное наличие именно таких объектов нового типа, которые требуют системного подхода и критериев, охватывающих образующие ее науки – механику и выросшую из электротехники электронику. В этой связи в соответствии с общей тенденцией развития техники одним из основных направлений развития мехатроники в ближайшие годы станет микротехника на основе развития микроэлектроники в трехмерные структуры с подвижными частями. Именно в микротехнике электромеханика превратилась микроэлектромеханику, т.е., по существу, в мехатронику. Из микротехники уже сегодня можно назвать целый ряд истинно мехатронных объектов. К ним относятся некоторые типы гироскопов, аксельрометров и других микромеханических сенсорных систем, микроэлектромашины, микротурбины и т.п. изделия микротехники. Наряду с такого типа изделиями мехатроники ее объектами, очевидно, могут быть и близкие им по физической природе и принципу действия устройства, которые допускают декомпозицию при проектировании и, поэтому, строго говоря, не являются мехатронными в указанном выше смысле, однако именно специалисты по мехатронике могут их наиболее качественно создавать. Таким образом, с точки зрения предмета мехатроники можно говорить о ее объектах в указанном выше узком и в широком смысле. Аналогичное положение существует в робототехнике. Ее объектами, как было показано выше, наряду с роботами являются различные транспортные машины, манипуляторы и другие компоненты роботов, применяемые как самостоятельные изделия. 1 ПРИЛОЖЕНИЕ Основные этапы развития движений в живой природе. В табл.П.1 приведены основные этапы эволюции движения, начиная с первых возникших на Земле живых организмов и кончая человеком [17]. Около 1 млрд. лет тому назад случайное соединение молекул в Мировом океане дало начало жизни — живую, т.е. размножающуюся клетку. Примерно через 200 млн. лет после этого появились первые многоклеточные, у которых со временем начался эволюционный процесс специализации клеток. Из наружных клеток, развивших способность реагировать на внешние раздражения (механические, химические, температурные и др.), возникли сенсорные клетки — рецепторы. Внутренние клетки, развив способность сокращаться, превратились в мышечные. В результате возникли первые еще беспорядочные рефлекторные движения прежде всего как реакция на внешние воздействия. Необходимая для этого связь между рецепторными и мышечными клетками была сперва реализована химических путем (с помощью специальных веществ — медиаторов), а затем с помощью электрических сигналов. Последнее позволило повысить быстродействие, хотя в начале эти сигналы тоже были ненаправленными, диффузно распространявшимися по всему телу. Затем постепенно оформились определенные пути для этих сигналов и появились соответствующие специальные нервные клетки. Следующим принципиальным этапом эволюции было развитие специализации частей тела животных. Появились продолговатые животные, один конец тела которых, где помещался рот, постепенно обогащаясь рецепторами, стал главным, т.е. головой. Развитие чувствительности этих рецепторов привело к появлению дистанционных рецепторов — телерецепторов (обонятельных — из вкусовых, слуховых – из механических, зрительных – из температурных). Такая дистанционная чувствительность в определенных направлениях дала толчок к организации локомоций, т.е. к целенаправленному передвижению всего тела. В связи с этим потребовалась координация частей тела, в результате чего появился такой центр управления, как головной мозг, задачами которого стали сбор информации от рецепторов, обработка ее и на этой основе выработка сигналов управления мышцами, т.е. движением тела, как реакция на зарегистрированные внешние раздражения. Следующий этапный момент в развитии движения животных — появление поперечнополосатой мышцы, которая в сотни и тысячи раз мощнее и динамичнее ранее возникшей гладкой мышцы. С появлением такого мощного двигателя потребовался жесткий скелет (до этого все живые существа были мягкотелыми). Эволюция пошла здесь двумя путями: 1) наружный скелет в виде панциря, состоящий из отдельных пластинок, соединенных внутри мышцами, у членистоногих; 2) скелет из костей внутри, а соединяющие их мышцы снаружи, у хордовых (позвоночных). 2 Таблица П.1 Этапы развития движений в живой природе. Новое появившееся качество У кого возникло Сколько лет тому назад Зарождение живой клетки в океане. Одноклеточные 1 млрд. Специализация клеток у многоклеточных с возникновением рецепторных, мышечных, а затем и нейронных клеток, осуществляющих связь между клетками, которая привела к возникновению рефлекторности. Губки 800 млн. Формирование головы со ртом и развитие на ней телерецепторов, ориентированных на внешнюю среду и, соответственно, появление возможности целенаправленного движения всего тела в сторону определенных объектов внешней среды, т.е. локомоций. Черви Головной мозг как центр координированного управления движением всех частей тела. Высшие моллюски (осьминоги, каракатицы и др.) 500 млн. Поперечнополосатая мышца и скелет, сперва наружный. Членистоногие (ракообразные и др.) Внутренний скелет — основа дальнейшего совершенствования двигательных способностей. Развитие сенсорной коррекции движений как нового уровня управления движением в функции от текущей информации о внешней среде и соответствующее совершенствование головного мозга. Рыбы и далее все другие хордовые (позвоночные) Конечности, возникшие из парных плавников рыб при переходе от водного к водно-наземному образу жизни. Земноводные 3 Продолжение таблицы П.1. Новое появившееся качество У кого возникло Сколько лет тому назад Экстрапирамидная двигательная система — иерархическая система управления движением, включающая как древние нижние уровни сегментарного управления туловищем, так и новые уровни управления конечностями, развившиеся в головном мозгу и совершенствующиеся у пресмыкающихся, а затем птиц. У последних эта иерархическая система рефлекторного управления достигла наибольшего совершенства. Развился мозжечок, обеспечивающий координацию движений, равновесие. Земноводные, пресмыкающиеся, птицы Пирамидный путь управления мышцами от коры головного мозга, возникший параллельно с иерархическим экстрапирамидным путем. Этот качественный скачок произошел на фоне эволюционно усложняющегося экстрапирамидного пути в результате развития коры головного мозга (зачатки которой появились еще у пресмыкающихся) и явился базой для освоения новых более совершенных (по сложности, быстродействию, точности) движений и развития самообучения как основы уже не инстинктивного, а разумного поведения. Млекопитающие 100 млн. Рука для манипуляций в процессе трудовой деятельности человека с использованием орудий труда. В результате развилась современная кора полушарий головного мозга. Человек Специализация людей в трудовом процессе 3 млн. 2 млн. Робот выступает как качественно новый тип орудие труда, который, взаимодействуя с другими машинами и другими орудиями труда, реализует вместо человека трудовой процесс непринципиально способен лучше человека осуществлять необходимые для этого манипуляции и иметь интеллект, включая подобно человеку способность к самообучению и самоусовершенствованию. Робот 30-35 4 Второй путь был сложнее первого, так как помимо собственно движения тела требовалось еще поддержание позы и устойчивость тела. Однако именно этот путь обеспечил возможность реализовать значительно более сложные, быстрые и точные движения. В связи с этим, если первый путь завершился на насекомых, то второй привел к млекопитающим и человеку. Появление поперечнополосатой мышцы и жесткого скелета стимулировало дальнейшее совершенствование управления движением путем развития оперативной сенсорной коррекции движений по текущей информации о внешней среде, т.е. адаптивного управления. Это в свою очередь вызвало дальнейшее совершенствование головного мозга. Следующий важный для нашей темы этап эволюции — появление у земноводных конечностей, которые образовались из парных плавников при переходе к водно-наземному образу жизни. Это привело к дальнейшему усложнению и совершенствованию системы управления. К возникшей ранее системе управления локомоциями, построенной по сегментарному принципу, когда каждая часть туловища управляется соответствующей частью спинного мозга, добавилась система управления конечностями посредством импульсов от головного мозга (который управляет при этом и локомоциями в целом). Постепенно развилась сложная иерархическая система управления — экстрапирамидная двигательная система, в которой образовывались новые уровни управления, решающие все более сложные задачи и действующие через ранее возникшие уровни, вплоть до сегментарного управления через спинной мозг. Пределом совершенства такого управления являются птицы, которые обладают по сравнению с предшествующими им пресмыкающимися исключительной динамичностью и координацией движения. Однако это управление в целом является рефлекторным, т.е. инстинктивным. Соответственно, и кора полушарий головного мозга у них осталась в зачаточном состоянии. Следующим качественным этапом явилось возникновение прямого, так называемого пирамидного, пути управления мышцами от коры головного мозга параллельно многоуровневому и поэтому довольно медленно действующему экстрапирамидному пути. Этот канал управления движением взял на себя осуществление новых более сложных, быстрых и точных движений и привел в свою очередь к интенсивному развитию коры головного мозга. В результате возник качественно новый тип управления – интеллектуальное управление, основанное на обучении на основании наблюдений, собственного опыта и выработки соответствующих новых алгоритмов поведения. Это достижение принадлежит млекопитающим. Ниже приведены основные типы локомоции, возникшие в живом мире в процессе эволюции. 1. В воде. 1.1. Передвижение по дну: - путем подтягивания конца туловища к голове, затем перемещение вперед головы с выпрямлением туловища и т.д.; - с помощью щупалец, присасывающихся к поверхности и затем сокращающихся по длине. 5 1.2. Реактивное движение: - путем быстрого захлопывания створок раковин; - путем забора и резкого выброса воды (каракатицы, гребешки). 1.3. Гребки хвостом у рака. 1.4. Плавание рыб за счет волнообразных изгибаний тела и движений хвоста с использованием парных плавников как рулей глубины. 1.5. Плавание на поверхности воды (животные). 1.6. Передвижение по поверхности воды (коллемболы и некоторые другие насекомые). 2. В воздухе. 2.1. Махание крыльями (птицы) 2.2. Планирование. 2.3. Парашютирование. 3. Под землей. 3.1. Путем раздвижения (уплотнения) земли (червь расширяет всунутую в землю голову). 3.2. Путем выбрасывания земли назад (кроты, мыши и др.). 4. По земле. 4.1. Ползание (змеи и др.). 4.2. Лазанье. 4.3. Хождение (с использованием разного количества ног). 4.4. Прыганье (на двух и четырех конечностях). 4.5. Бег симметричный, несимметричный, прыжковый, галоп и т.д. (с использованием разного количества конечностей). Последним этапом эволюции движения в живом мире явилось развитие манипуляционных способностей. Самым совершенным универсальным средством для этого стали руки человека. С этого момента в дальнейшем развитии движений на первое место выступает уже не биологическое совершенствование отдельного человека, а значительно более интенсивное во времени его общественное развитие, включая разделение труда, с доведением до все большего совершенства профессиональных навыков, и развитие орудий труда. И, наконец, завершением этого процесса явилось создание заменяющих человека роботов как универсальных устройств для манипуляционных и локомоционных действий в общественном производстве и других сферах человеческой деятельности. Дальнейшее совершенствование манипуляционных движений будет происходить, следовательно, уже в результате развития робототехники с преодолением, соответственно, тех принципиальных ограничений, которые присущи человеку и живой природе в целом. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Интегральные роботы. Сборник статей под ред. Е. Поздняка, М., Мир, 1973, вып.1, 1975, вып.2. 2. Е.И. Юревич. ЦНИИ РТК. История создания и развития. Санкт-Петербург, СПбГТУ, 1999. 3. Планетоходы. Под ред. А.Л. Кемурджиана. М., Машиностроение. 1993. 4. М. Вукобратович. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы. М., Наука, 1961. 5. С.В. Першин. Основы гидробионики. Л-д, Судостроение, 1982. 6. А.Н. Радченко. Ассоциативная память. Нейронные сети. Оптимизация нейропроцессоров. Санкт-Петербург. Наука, 1998. 7. Манипуляционные системы роботов. Под. ред. А.И. Корендясева. М., Машиностроение, 1989. 8. А.И. Корендясев, С.В. Левин. Принципы построения захватных устройств с рекуперацией энергии. Проблемы машиностроения и автоматизации, 1990, № 3. 9. И.М. Макаров, В.М. Лохин, М.П. Романов. Система управления транспортным роботом с рекуперацией энергии. Проблемы машиностроения и моделирования в сложных технологических системах. М. МИРЭА. 1995. 10. С.Г. Аграновский, А.Б. Кизилов, Б.И. Морозов. Искусственная мышца. Сборник научных работ “Вычислительные, измерительные и управляющие системы”. Труды ЛПИ № 423. Ленинград, ЛПИ, 1988. 11. Shahinpoor M. Artificial Muscles. ERI Press, Albuquerque, New Mexico, Pending Publications. 1997. 12. Динамика управления роботами. Под. ред. Е.И. Юревича. М., Наука. 1984. 13. П.Д. Крутько. Управление исполнительными системами роботов. М., Наука, 1991. 14. Е.С. Пятницкий. Принципы декомпозиции в управлении механическими и электромеханическими системами. Сборник трудов “Синтез систем управления манипуляционными роботами на принципе декомпозиции”. М., ИПУ, 1987. 15. Е.И. Юревич. Перспективы развития модульного принципа построения средств робототехники. Стандарты и качество. М., № 5, 1989. 16. Н.М. Довбня, А.Н. Кондратьев, Е.И. Юревич. Роботизированные технологические комплексы В ГПС. Ленинград, Машиностроение, ленинградское отделение. 1990. 17. Н.А. Бернштейн. О построении движений. М., Машиностроение, 1975. |