Чтобы деталь можно было обрабатывать со всех сторон, станок снабжен специальным поворотным столом, на котором закрепляется обрабатываемая деталь. Точность ее перемещения контролируется специальной следящей системой.
Манипуляторы обрабатывающего центра, используемые для смены инструмента, - ближайшие родственники современных промышленных роботов. Эти автоматические транспортирующие устройства используются на различных вспомогательных операциях: загружают детали на станок, закрепляют в шпинделе, снимают обработанные детали и т. п. Некоторые фирмы стали специализироваться на производстве подобных транспортирующих устройств все более и более универсального назначения. Наконец, выпустив очередной многоцелевой автоматический манипулятор, предприниматели снабдили его броским рекламным названием - "промышленный робот". Он и стал первым образцом робота, применяемого в промышленности.
Вот где пересеклись две параллельные прямые: копирующие человека автоматы, андроиды и киберы встретились с мощным потоком автоматизации промышленного производства. Это случилось тогда, когда очередная ступень автоматизации персонифицировалась в копировании движений человека, обслуживающего станок.
Итак, матерью современного промышленного робота является представительница древнего рода, принцесса - андроид, его отец - простой работяга, токарный станок.
ЮНОСТЬ
Человечество XX века "старательно" играло в свои игрушки антропоморфные механизмы; фантасты проигрывали разнообразные "конфликтные" ситуации, мир взрослел, и роботы выходили со страниц книг на производственную сцену. Фантастика, экзотика, реальность - вот путь, который прошли роботы всего за сорок лет.
Во второй половине 50-х годов советская школа теории механизмов и машин начала заниматься проблемами роботов и манипуляторов. В марте 1958 года на Втором всесоюзном совещании по основным проблемам теории механизмов и машин выдающийся советский ученый И. Артоболевский поставил проблему стыковки науки о механизмах и кибернетики. Он указал- на работы по созданию биоэлектрической системы управления механической рукой, которые были выполнены коллективом ученых Института машиноведения.
В июле 1965 года в Москве был созван первый симпозиум по теории и принципам устройства манипуляторов. Симпозиум открывался докладом А. Кобринского и Ю. Степанова, освещающим основные проблемы теории манипуляторов.
В 60-х годах практические модели подобных устройств разрабатывали многие специалисты нашей страны. В 1968 году в Ленинградском политехническом институте имени М. И. Калинина при участии ученых Ленинградского института авиационного приборостроения и Института океанологии АН СССР была создана модель робота для проверки возможностей ее использования при глубоководных работах. В это же время были начаты работы по созданию промышленных роботов с так называемым числовым программным управлением (ЧПУ). В 1971 году уже функционировали первые опытные образцы: универсальный манипулятор УМ-1, созданный под руководством П. Белянина и Б. Родина, робот "Универсал-50" под руководством Б. Сурина, а также робот УПК-1 под руководством В. Аксенова.
Манипулятор УМ-1 был первым отечественным роботом, применяемым на серийных предприятиях нашей страны. В 1972-1973 годах впервые в СССР было освоено серийное производство промышленных роботов УМ-1.
Широкий размах приобрели исследования и разработки промышленных роботов за рубежом. В 50-х годах американский изобретатель Дж. К. Девол запатентовал принцип универсальной вспомогательной машины.
В 1958 году ему удалось начать научно-конструкторские работы, а в 1962 году фирма "Юнимейшен" выпустила первые промышленные роботы модели "Юнимейт Марк II". Эта довольно громоздкая машина благодаря высокой надежности, неприхотливости и хорошим динамическим качествам ухитрилась не устареть до сих пор.
Вот уже более двадцати лет роботы семейства "Юнимейт", не претерпев существенных изменений, выпускаются и используются в промышленности.
Таким образом, на Западе первыми были признаны и нашли сбыт американские промышленные роботы "Юнимейт" и "Версатран", разраоотанные фирмами "Юнимейшн" и "Американ машин энд Фаундри". За ними рядами двинулись в производство когорты роботов:
"Аутохэнд" и "Флексимен", "Праб", "Аутобот" и "Трансфербот", "Мобилити", "Трансива", "Минитрен" и т. д. и т. п. Предприниматели поняли, что использование робота сулит немалые прибыли. В одной из статей, посвященных появлению роботов на заводах США, в частности, говорилось: "В металлообрабатывающей промышленности появился новый тип производственного рабочего. Он не состоит в профсоюзе, не пьет кофе в обеденный перерыв, работает по двадцать четыре часа в сутки и не интересуется пособиями или пенсионной оплатой. Он осваивает новую работу за несколько минут и всегда выполняет ее хорошо. Он никогда не жалуется на жару, пыль и запахи и никогда не получает увечий на работе. Он - промышленный робот".
В 1976-1982 годах в промышленность нашей страны было внедрено около 10 тысяч отечественных автоматических манипуляторов. По их количеству наша страна занимает сейчас второе место в мире после Японии.
В текущем пятилетии народное хозяйство получит еще 40-45 тысяч промышленных роботов. Они дадут около 500 миллионов рублей экономии.
Возникает вопрос: действительно ли промышленный робот должен быть похож на человека, в какой степени важно его "человекообразие"? Ответ на этот вопрос весьма прост: в той степени, в какой робот должен заменить человека на его рабочем месте.
Человек создал вокруг себя целый мир, приспособленный к нашей собственной природной "конструкции": мебель, лестницы и двери в доме, инструменты и станки в цехе, индикаторы и ручки управления в автомобиле, метро и трамвае. Все, буквально все приспособлено "под человека". Машина, которая сможет постоянно действовать рядом с человеком (коллега-робот), использовать рассчитанные на человека вещи, должна, очевидно, походить на человека. Это и экономно (не нужно переделывать техносферу), и разумно. Таким образом, человекоподобный робот или антропоморфный механизм-манипулятор не фантастика, а насущная реальность. Вот почему, начиная со времени первых андроидов и до сего дня, происходит колоссальный процесс самопознания человека, моделирования функций живого. Человечество как бы действует по принципу: "Построим копию - мижет быть, поймем, как действует оригинал". Таким образом, основная проблема роботехники состоит в осознании основных механизмов движения, ощущения и мышления и их моделирования в поведении роботов.
Роботы первого поколения моделируют двигательные функции человека и животного, они берут и кладут, поднимают и опускают, вынимают, встряхивают, кроме того, робот ходит, скачет, перелезает и марширует.
Роботы второго поколения моделируют функции ощущения; они видят и слышат, обоняют, осязают и высматривают.
Наконец, роботы третьего поколения моделируют функции мышления: узнают и вспоминают, соображают и пробуют, ошибаются и учатся на ошибках.
Изучая и применяя различные поколения роботов, мы должны хорошо понимать, что сами роботы - это всего лишь часть единой системы - нашей технической цивилизации. Составляющие робота: манипуляторы, микрокомпьютеры, датчики и т. п. - производные этой единой системы. Рассматривать любой элемент этой совокупности отдельно, оторванно от всего целого - значит намеренно сузить поле нашего зрения, оставить за бортом все море фактов и сосредоточиться на той лужице, которая случайно образовалась на палубе нашего корабля. Поэтому, описывая эволюцию промышленных роботов, мы будем иногда отвлекаться от основной темы, чтобы не потерять этого цельного видения.
РОБОТЫ ПЕРВОГО
ПОКОЛЕНИЯ
ОБУЧАЕМЫЕ
МАНИПУЛЯТОРЫ
ЖИЗНЬ - ЭТО ДВИЖЕНИЕ
Роботы первого поколения с успехом воспроизводят двигательные функции человека. Они берут и кладут, поднимают и опускают, вынимают и вставляют, переворачивают и встряхивают, достают и опрокидывают.
Все это разнообразие движений, умноженное на современный промышленный инструментарий, позволяет роботу не только перемещать детали и заготовки, но и красить, шлифовать, сваривать и резать, упаковывать и маркировать, сортировать и отбраковывать и даже стричь, рисовать, играть на пианино и резать по мрамору.
Чудо человеческого движения: плавные па балерины, точные движения рук хирурга, творящие пассы скульптора, микроскопические движения ювелира... какая бездна тончайшей координации, какая свобода движения!
Любое тело, находясь в свободном состоянии, имеет шесть "степеней свободы", оно может перемещаться вдоль трех координатных осей и вращаться вокруг них.
Рука человека имеет 27 степеней свободы, из них 20 приходится на кисть руки и пальцы. Человеческое тело в целом имеет несколько сотен степеней свободы.
Эта подвижность обеспечивается многочисленными мышцами: 52 пары мышц на руки, 62 пары на ноги, 112 мышц спины, 52 мышцы грудной клетки, 15 шейных мышц и т. д. Естественно, что моделирование движения такой сложной системы привело бы к механизмам чрезвычайной сложности, огромных размеров и слабой надежности в работе. Нужно ли такое богатство двигательной активности роботу?
Разумеется, нет! Как раз важно обеспечить оптимальный минимум движений для выполнения поставленной задачи, не упустив при этом важных свойств необходимой универсальности робота. Поэтому современные механические руки имеют всего шесть-восемь степеней свободы.
Пусть нам поручено создать манипулятор промышленного робота - аналог руки человека. Что нам понадобилось бы для этого, кроме необходимого упорства и терпения? Во-первых, наша механическая рука не будет висеть в воздухе, она должна к чему-то прикрепляться, необходимо основание, или тело робота. Затем нужна сама рука, то есть некоторый аналог костей скелета. Чтобы рука могла двигаться самостоятельно, поднимать тяжести и манипулировать ими, ей нужны мускулы. Все? Ничего не забыли? Нет, не все. Мы забыли самое главное, без чего рука безжизненно повиснет плетью или согнется в "три погибели". Это мозг, то, что управляет всем многообразием ее движений. Теперь все, можно приступать.
Примерно так же, только гораздо квалифицированней, рассуждали первые роботостроители. Они без зазрения совести пользовались незапатентованными идеями природы, создавая конструкции "по своему образу и подобию".
Каждый промышленный робот состоит из двух основных частей: манипулятора и программатора. Первый осуществляет все необходимые движения, второй все необходимое управление.
Описывая конструктивную компоновку промышленного робота, невозможно удержаться от естественной аналогии с человеческим или животным "механизмом".
Каждый промышленный робот имеет "мозг" - устройство управления и механическую часть, включающую "тело" и "руку". Тело робота, как правило, массивное основание, или, как его называют, станина, а рука - многозвенный рычажный механизм - манипулятор. Чтобы рука могла совершать положенное ей многообразие движений, она имеет мышцы - привод.
Задача мышц - преобразование сигналов мозга в механические перемещения руки. Венчает механическую руку, кисть или захватное устройство - схват.
Большинство промышленных роботов имеет одну руку, но существуют и роботы, обладающие двумя, тремя и более руками.
По конструкции механические руки робота могут либо повторять схему конечности животного и человека, либо иметь другую природу. Как правило, они устроены в соответствии с тремя принципами.
Первый принцип - механическое моделирование конструкции руки человека. Здесь рука робота имеет суставы: предплечье, локоть, кисть, построенные по принципу осевого или шарового соединения. Гидравлические или электромеханические мышцы роботов обеспечивают подвижность этих суставов почти так же, как и в живом организме.
Второй принцип базируется на совокупности линейных перемещений специальных штанг: горизонтальном, вертикальном, угловом, которые обеспечивают необходимую подвижность руки робота.
Третий принцип основан на комбинации двух предыдущих.
Большинство промышленных роботов (назовем их ПР) обладают устройствами руки, имеющими три-пять степеней свободы. Захватное устройство - кисть имеет еще две степени свободы. Иногда и сама станина имеет возможность перемещаться на одну-две степени свободы (например, вращательное и вертикальное перемещения).
Замечено, что роботы с вращательными соединениями по сравнению со скользящими поступательными обладают при прочих равных условиях большим объемом обслуживаемого пространства.
Как же устроены мышцы роботов, какая сила заставляет эти железные руки поднимать тяжести и исполнять сложные движения? Путей развития таких исполнительных элементов несколько. Для достижения большой грузоподъемности, свыше ста килограммов, используется гидравлический привод; для выстраивания в технологические линии на заводах точного машиностроения - электрический; а при работе с химическими веществами более безопасны пневмосиловые устройства.
Кроме того, возможны разнообразные комбинации приводов, например пневмогидравлические. Здесь в качестве основного привода используется пневматический, а гидравлический служит для повышения силовых возможностей, для улучшения динамических характеристик, в частности для стабилизации скорости и торможения. Известно применение электроприводов в качестве задающих устройств для более мощных гидравлических мышц.
По зарубежным данным, около половины используемых в настоящее время роботов имеют пневматические мышцы, приблизительно 40 процентов гидравлические, остальные - электромеханические и прочие.
При конструировании рук робота приходится решать массу необычных проблем. При этом, естественно, не обязательно копирование возможностей человеческой руки. Как раз наоборот, зачастую приходится думать, как научить робота делать то, что человеку не под силу. Нельзя, например, обработать заготовку с точностью до одного микрона вручную, робот же справляется с этой непростой задачей весьма успешно. Используемые в настоящее время промышленные роботы имеют грузоподъемность от нескольких десятков граммов до трех и более тонн, число степеней свободы от двух до шести и более, точность позиционирования 0,05 - 5 миллиметров, объем обслуживаемого пространства - 0,01 - 10 кубических метров. Однако эти характеристики взяты в среднем. В Англии, например, выпущен робот для установки на шлифовальный станок валов массой двенадцать тонн. Как показало специально проведенное обследование, 80 процентов промышленных роботов применяются для манипулирования деталями и изделиями массой менее одного килограмма, чаще всего цилиндрической формы, диаметром до 50 миллиметров.
Пневматические "мышцы" робота построены с помощью набора пневмоцилиндров для создания поступательного движения, пневмодвигателей для вращательного. Они используют специальные пневмоклапаны для управления и регулировки скорости перемещения и остановки поршня. Управление таким приводом весьма просто. Усилие, развиваемое на штоке пневмоцилиндра, зависит от давления сжатого воздуха и легко регулируется с помощью специальных клапанов. К преимуществам пневматических мышц относятся безотказность в работе, сокращение необходимой рабочей плоскости, так как приводы располагаются обычно прямо на механических узлах, низкая стоимость, простота обслуживания и ремонта. И хотя пневматический сигнал передается несколько дольше электрического, время переключения пневматического вентиля меньше. Пневмопривод работает от автономной установки или от общей воздушной магистрали.
Гидравлический привод по принципу действия аналогичен пневматическому. Только вместо сжатого воздуха здесь используется жидкость. Он обладает большей мощностью и используется для самых могучих рук роботов (до нескольких тонн). Однако гидроприводы требуют более квалифицированного обслуживания и в случае утечки жидкости могут загрязнять окружающую среду.
Еще совсем недавно число роботов, основанных на электрических приводах, было сравнительно невелико.
Однако в последнее время электродвигательные мышцы роботов завоевывают все большую популярность. Это прежде всего связано с такими принципиальными преимуществами электромеханических приводов, как легкость и удобство монтажа и наладки, простота эксплуатации, наконец, отсутствие шума при работе и грязи от утечки жидкости.
До недавнего времени развитие такой простой и удобной мускулатуры сдерживалось отсутствием специальных электродвигателей, ,ведь роботу требуется двигатель с лучшей, чем обычно, перегрузочной способностью и малым моментом инерции ротора. Появление специальных электродвигателей с печатным цилиндрическим или дисковым ротором, с гладким ротором, с линейным движением быстро ликвидировало эту прореху. Электрический привод обеспечивает хорошие динамические характеристики разгона, остановки, поворота, повышенную точность позиционирования (меньше 1 мм) и широкую маневренность. Электроприводы применяются и для большинства образцов очувствленных роботов второго поколения. Это связано не только с удобством эксплуатации и отсутствием шума, но и с большей гибкостью электроприводов в отношении реализации необходимых алгоритмов адаптивного управления.
Знаменитый Шерлок Холмс отличался поразительной наблюдательностью. По мельчайшим признакам он опознавал профессиональную принадлежность своею очередного клиента. Внимательно рассмотрев руки человека, он делал вывод о том, чем он занимается, каковы его профессиональные обязанности. Как же сказывается профессия робота на внешнем виде его рук, смог бы проницательный Холмс и здесь применить свой знаменитый дедуктивный метод?
Роботы применяются на самых разнообразных операциях и работах с деталями, которые резко отличаются по прочности, массе, габаритам, конфигурации, расположению центра масс, шероховатости. Детали могут быть керамическими и стеклянными, пластмассовыми и металлическими. Массивные поковки и крупногабаритная тара, стальные листы и кирпичи, листы из стекла и стеклянные трубки. Робот может манипулировать с собранными узлами или с тарой с насыпанными легкими деталями, емкостями с жидкостью и, кроме того, работать различными инструментами: распылителем, гайковертом, пневмоотверткой, паяльником или сварочными аппаратами.
Взглянув на "руки" промышленного робота, почти любой человек, даже не обладающий проницательностью Холмса, сможет, немного подумав, определить сферу "профессиональных интересов" робота. Вот клешни из трех крюков для круглых поковок, вот присоски, как у осьминога, для стеклянных листов. Вот ковш для сыпучих материалов и т. д. и т. п. Еще проще разобраться в обязанностях робота, если "руки" его снабжены специализированным инструментом: сверлом, краскораспылителем, гайковертом и т. п. Инструмент закреплен прямо на руке, а не в схвате, теперь уже ненужном.
Поразительная универсальность руки человека - продукт длительной эволюции. Нужна ли такая универсальность роботу, оправдана ли она технически и экономически? Навряд ли, по крайней мере, на данном этапе эволюции робота. Вспомним, как разнообразны и специализированы конечности и "руки" животных.
Плавники и когти, присоски и клешни, хобот слона, хвост обезьяны, щупальца осьминога... Примерно так же разнообразны оконечные устройства "рук" робота.
Здесь человек "похитил" у природы не один десяток технических идей.
Наиболее распространена "двупалая лапа" наподобие клюва птицы или клешни краба. Она отлично выполняет функции взятия и переноса большинства типов деталей механообработки. Если же требуется более надежное удержание детали, особенно круглой формы, применяется трехпалая кисть - почти точное подобие птичьей лапы. Заметим, что птица легко удерживается на круглой ветке дерева при весьма высоком относительно ветки центре тяжести.
Если деталь крупная, длинная, применяются многоместные захваты несколько двупалых или трехпалых рук хватают длинную трубу во многих местах.
Для транспортировки жидкости используется ковш, для взятия сыпучего материала - трехпалый ковшик, чемто напоминающий хитиновые надкрылья жука или складывающиеся лепестки тюльпана.
Если деталь имеет достаточно большую поверхность, применяются присоски по типу осьминожьих.
Особая форма или мягкость присосок позволяет брать не только гладкие стальные, пластмассовые, стеклянные листы, но даже гофрированные детали или фигурные штампованные изделия.
Есть в арсенале робота и "собственные патенты" - схваты магнитные, они надежно удерживают стальную или жестяную деталь, когда подобрать мало-мальски подходящий механический "хвататель" не представляется возможным. Здесь используются как электромагниты, так и постоянные магниты, иногда с механически изменяемым силовым полем.
Для захвата деталей типа труб и полых цилиндров изнутри используются раздвигающиеся пальцы, специальные надувные груши, а то и просто палочка штырь, продеваемый в цилиндр.
На выставке НТТМ-82 демонстрировались роботы, искусно манипулирующие с электролампами. Кроме прочих, весьма привлекательных достоинств, один из роботов имел хитроумный захват в виде резиновых гофрированных хоботков. Когда воздух подавался в кисть, хоботки, раздуваясь, изгибались и захватывали лампочку за тонкостенную стеклянную колбу с деликатной осторожностью, но прочно. Масса нежных присосок-пальчиков используется для манипуляции с мягкими изделиями, например шоколадными конфетами или диетическими яйцами.
Различаются "руки" роботов и по размерам: есть экземпляры лапищ для многотонных валов, а есть миниатюрнейшие щипчики-пинцетики для изделий микроэлектроники или часовых шестеренок. Некоторые пальчики-усики манипулируют с детальками, различимыми лишь в микроскоп. Существуют и пятипалые "руки", подобные кисти человека, однако такие образцы в силу сложности конструкции, и особенно управления, - пока прерогатива лишь лабораторных моделей.
Окружающая нас природа - неиссякаемый источник радости, жизни и здоровья. Человек, ушедший от природы в города, квартиры, отгородившийся от нее стеной, окном и асфальтом, тянется к ней, даже не осознавая, зачем ему это.
Писать о красоте с утилитарных позиций - несомненное интеллектуальное варварство, но психология современного прагматика зачастую невосприимчива к эфемерным категориям прекрасного. Поэтому мы скажем о природе с точки зрения нашей проблемы - промышленной роботехники.
Природа не патентует своих изобретений, она наладила массовое производство огромного множества естественных механизмов, наделенных тонкими конструктивными решениями и блестящим физическим воплощением. Мы используем лишь малую толику этого богатства, варварски уничтожая остальное. За последние сто лет полностью исчезли с лица земли десятки видов животных и растений, еще сотни находятся на грани уничтожения. Мы уже никогда не сможем воспользоваться ни их техническими новинками, ни просто красотой и грацией. Красная книга экологов - это не что иное, как собрание патентов природы, которые человек пытается защитить от забвения.
ОДА ПЕШЕМУ ХОДУ
И. Артоболевский и А. Кобринский, основываясь на плодотворной аналогии между роботом и человеком, условно разделили совершаемые ими производственные движения на три типа: локальные, региональные и глобальные. Локальные движения - это все то многообразие манипуляций, которое мы совершаем посредством кистей рук: взять, положить, перевернуть, вставить, вынуть. Региональные движения совершаются с использованием механических возможностей всей руки: перенос детали с одного места в другое при неподвижном основании робота. Наконец, глобальные движения это перемещение самого робота.
Специфику локальных и региональных движений мы интенсивно обсуждали выше, в то время как глобальные перемещения робота остались в тени. Это и понятно, глобальные движения - прерогатива транспортных систем: автомобилей, электрокаров, вездеходов и луноходов. Здесь используется весь инструментарий многовековой истории транспорта: колесо, рельс, монорельс, гусеница и т. п. Однако существуют и специфические, только роботу присущие средства передвижения. Это ближайшие родственники манипуляторов педипуляторы, или, попросту говоря, ноги (manus по-гречески - рука, pedis - нога). Ну уж это ненужная экзотика, скажет читатель, неужели им мало колеса, не слишком ли далеко заходят эти роботехники в своем ненасытном желании внедрить природные патенты? Разумеется, читатель вправе так рассуждать.
Имея перед глазами многовековую историю колесных транспортных средств от телеги до современного лунохода, мы склонны считать шаговый принцип передвижения более примитивным и недостойным нашего технического века. С первого взгляда нам кажется, что колесо, несомненно, эффективнее ног. К примеру говоря, человек на велосипеде тратит лишь половину энергии пешехода. Почему же тогда природа избегает колес? Почему колесо эффективное средство передвижения, изобретенное человеком, - никогда не использовалось природой в процессе эволюции животного мира? Почему, скажем, нет крыс на колесах или рыб, использующих гребной винт? Ответ, возможно, состоит в том, что они имеют нечто лучшее...
Манипуляторы обрабатывающего центра, используемые для смены инструмента, - ближайшие родственники современных промышленных роботов. Эти автоматические транспортирующие устройства используются на различных вспомогательных операциях: загружают детали на станок, закрепляют в шпинделе, снимают обработанные детали и т. п. Некоторые фирмы стали специализироваться на производстве подобных транспортирующих устройств все более и более универсального назначения. Наконец, выпустив очередной многоцелевой автоматический манипулятор, предприниматели снабдили его броским рекламным названием - "промышленный робот". Он и стал первым образцом робота, применяемого в промышленности.
Вот где пересеклись две параллельные прямые: копирующие человека автоматы, андроиды и киберы встретились с мощным потоком автоматизации промышленного производства. Это случилось тогда, когда очередная ступень автоматизации персонифицировалась в копировании движений человека, обслуживающего станок.
Итак, матерью современного промышленного робота является представительница древнего рода, принцесса - андроид, его отец - простой работяга, токарный станок.
ЮНОСТЬ
Человечество XX века "старательно" играло в свои игрушки антропоморфные механизмы; фантасты проигрывали разнообразные "конфликтные" ситуации, мир взрослел, и роботы выходили со страниц книг на производственную сцену. Фантастика, экзотика, реальность - вот путь, который прошли роботы всего за сорок лет.
Во второй половине 50-х годов советская школа теории механизмов и машин начала заниматься проблемами роботов и манипуляторов. В марте 1958 года на Втором всесоюзном совещании по основным проблемам теории механизмов и машин выдающийся советский ученый И. Артоболевский поставил проблему стыковки науки о механизмах и кибернетики. Он указал- на работы по созданию биоэлектрической системы управления механической рукой, которые были выполнены коллективом ученых Института машиноведения.
В июле 1965 года в Москве был созван первый симпозиум по теории и принципам устройства манипуляторов. Симпозиум открывался докладом А. Кобринского и Ю. Степанова, освещающим основные проблемы теории манипуляторов.
В 60-х годах практические модели подобных устройств разрабатывали многие специалисты нашей страны. В 1968 году в Ленинградском политехническом институте имени М. И. Калинина при участии ученых Ленинградского института авиационного приборостроения и Института океанологии АН СССР была создана модель робота для проверки возможностей ее использования при глубоководных работах. В это же время были начаты работы по созданию промышленных роботов с так называемым числовым программным управлением (ЧПУ). В 1971 году уже функционировали первые опытные образцы: универсальный манипулятор УМ-1, созданный под руководством П. Белянина и Б. Родина, робот "Универсал-50" под руководством Б. Сурина, а также робот УПК-1 под руководством В. Аксенова.
Манипулятор УМ-1 был первым отечественным роботом, применяемым на серийных предприятиях нашей страны. В 1972-1973 годах впервые в СССР было освоено серийное производство промышленных роботов УМ-1.
Широкий размах приобрели исследования и разработки промышленных роботов за рубежом. В 50-х годах американский изобретатель Дж. К. Девол запатентовал принцип универсальной вспомогательной машины.
В 1958 году ему удалось начать научно-конструкторские работы, а в 1962 году фирма "Юнимейшен" выпустила первые промышленные роботы модели "Юнимейт Марк II". Эта довольно громоздкая машина благодаря высокой надежности, неприхотливости и хорошим динамическим качествам ухитрилась не устареть до сих пор.
Вот уже более двадцати лет роботы семейства "Юнимейт", не претерпев существенных изменений, выпускаются и используются в промышленности.
Таким образом, на Западе первыми были признаны и нашли сбыт американские промышленные роботы "Юнимейт" и "Версатран", разраоотанные фирмами "Юнимейшн" и "Американ машин энд Фаундри". За ними рядами двинулись в производство когорты роботов:
"Аутохэнд" и "Флексимен", "Праб", "Аутобот" и "Трансфербот", "Мобилити", "Трансива", "Минитрен" и т. д. и т. п. Предприниматели поняли, что использование робота сулит немалые прибыли. В одной из статей, посвященных появлению роботов на заводах США, в частности, говорилось: "В металлообрабатывающей промышленности появился новый тип производственного рабочего. Он не состоит в профсоюзе, не пьет кофе в обеденный перерыв, работает по двадцать четыре часа в сутки и не интересуется пособиями или пенсионной оплатой. Он осваивает новую работу за несколько минут и всегда выполняет ее хорошо. Он никогда не жалуется на жару, пыль и запахи и никогда не получает увечий на работе. Он - промышленный робот".
В 1976-1982 годах в промышленность нашей страны было внедрено около 10 тысяч отечественных автоматических манипуляторов. По их количеству наша страна занимает сейчас второе место в мире после Японии.
В текущем пятилетии народное хозяйство получит еще 40-45 тысяч промышленных роботов. Они дадут около 500 миллионов рублей экономии.
Возникает вопрос: действительно ли промышленный робот должен быть похож на человека, в какой степени важно его "человекообразие"? Ответ на этот вопрос весьма прост: в той степени, в какой робот должен заменить человека на его рабочем месте.
Человек создал вокруг себя целый мир, приспособленный к нашей собственной природной "конструкции": мебель, лестницы и двери в доме, инструменты и станки в цехе, индикаторы и ручки управления в автомобиле, метро и трамвае. Все, буквально все приспособлено "под человека". Машина, которая сможет постоянно действовать рядом с человеком (коллега-робот), использовать рассчитанные на человека вещи, должна, очевидно, походить на человека. Это и экономно (не нужно переделывать техносферу), и разумно. Таким образом, человекоподобный робот или антропоморфный механизм-манипулятор не фантастика, а насущная реальность. Вот почему, начиная со времени первых андроидов и до сего дня, происходит колоссальный процесс самопознания человека, моделирования функций живого. Человечество как бы действует по принципу: "Построим копию - мижет быть, поймем, как действует оригинал". Таким образом, основная проблема роботехники состоит в осознании основных механизмов движения, ощущения и мышления и их моделирования в поведении роботов.
Роботы первого поколения моделируют двигательные функции человека и животного, они берут и кладут, поднимают и опускают, вынимают, встряхивают, кроме того, робот ходит, скачет, перелезает и марширует.
Роботы второго поколения моделируют функции ощущения; они видят и слышат, обоняют, осязают и высматривают.
Наконец, роботы третьего поколения моделируют функции мышления: узнают и вспоминают, соображают и пробуют, ошибаются и учатся на ошибках.
Изучая и применяя различные поколения роботов, мы должны хорошо понимать, что сами роботы - это всего лишь часть единой системы - нашей технической цивилизации. Составляющие робота: манипуляторы, микрокомпьютеры, датчики и т. п. - производные этой единой системы. Рассматривать любой элемент этой совокупности отдельно, оторванно от всего целого - значит намеренно сузить поле нашего зрения, оставить за бортом все море фактов и сосредоточиться на той лужице, которая случайно образовалась на палубе нашего корабля. Поэтому, описывая эволюцию промышленных роботов, мы будем иногда отвлекаться от основной темы, чтобы не потерять этого цельного видения.
РОБОТЫ ПЕРВОГО
ПОКОЛЕНИЯ
ОБУЧАЕМЫЕ
МАНИПУЛЯТОРЫ
ЖИЗНЬ - ЭТО ДВИЖЕНИЕ
Роботы первого поколения с успехом воспроизводят двигательные функции человека. Они берут и кладут, поднимают и опускают, вынимают и вставляют, переворачивают и встряхивают, достают и опрокидывают.
Все это разнообразие движений, умноженное на современный промышленный инструментарий, позволяет роботу не только перемещать детали и заготовки, но и красить, шлифовать, сваривать и резать, упаковывать и маркировать, сортировать и отбраковывать и даже стричь, рисовать, играть на пианино и резать по мрамору.
Чудо человеческого движения: плавные па балерины, точные движения рук хирурга, творящие пассы скульптора, микроскопические движения ювелира... какая бездна тончайшей координации, какая свобода движения!
Любое тело, находясь в свободном состоянии, имеет шесть "степеней свободы", оно может перемещаться вдоль трех координатных осей и вращаться вокруг них.
Рука человека имеет 27 степеней свободы, из них 20 приходится на кисть руки и пальцы. Человеческое тело в целом имеет несколько сотен степеней свободы.
Эта подвижность обеспечивается многочисленными мышцами: 52 пары мышц на руки, 62 пары на ноги, 112 мышц спины, 52 мышцы грудной клетки, 15 шейных мышц и т. д. Естественно, что моделирование движения такой сложной системы привело бы к механизмам чрезвычайной сложности, огромных размеров и слабой надежности в работе. Нужно ли такое богатство двигательной активности роботу?
Разумеется, нет! Как раз важно обеспечить оптимальный минимум движений для выполнения поставленной задачи, не упустив при этом важных свойств необходимой универсальности робота. Поэтому современные механические руки имеют всего шесть-восемь степеней свободы.
Пусть нам поручено создать манипулятор промышленного робота - аналог руки человека. Что нам понадобилось бы для этого, кроме необходимого упорства и терпения? Во-первых, наша механическая рука не будет висеть в воздухе, она должна к чему-то прикрепляться, необходимо основание, или тело робота. Затем нужна сама рука, то есть некоторый аналог костей скелета. Чтобы рука могла двигаться самостоятельно, поднимать тяжести и манипулировать ими, ей нужны мускулы. Все? Ничего не забыли? Нет, не все. Мы забыли самое главное, без чего рука безжизненно повиснет плетью или согнется в "три погибели". Это мозг, то, что управляет всем многообразием ее движений. Теперь все, можно приступать.
Примерно так же, только гораздо квалифицированней, рассуждали первые роботостроители. Они без зазрения совести пользовались незапатентованными идеями природы, создавая конструкции "по своему образу и подобию".
Каждый промышленный робот состоит из двух основных частей: манипулятора и программатора. Первый осуществляет все необходимые движения, второй все необходимое управление.
Описывая конструктивную компоновку промышленного робота, невозможно удержаться от естественной аналогии с человеческим или животным "механизмом".
Каждый промышленный робот имеет "мозг" - устройство управления и механическую часть, включающую "тело" и "руку". Тело робота, как правило, массивное основание, или, как его называют, станина, а рука - многозвенный рычажный механизм - манипулятор. Чтобы рука могла совершать положенное ей многообразие движений, она имеет мышцы - привод.
Задача мышц - преобразование сигналов мозга в механические перемещения руки. Венчает механическую руку, кисть или захватное устройство - схват.
Большинство промышленных роботов имеет одну руку, но существуют и роботы, обладающие двумя, тремя и более руками.
По конструкции механические руки робота могут либо повторять схему конечности животного и человека, либо иметь другую природу. Как правило, они устроены в соответствии с тремя принципами.
Первый принцип - механическое моделирование конструкции руки человека. Здесь рука робота имеет суставы: предплечье, локоть, кисть, построенные по принципу осевого или шарового соединения. Гидравлические или электромеханические мышцы роботов обеспечивают подвижность этих суставов почти так же, как и в живом организме.
Второй принцип базируется на совокупности линейных перемещений специальных штанг: горизонтальном, вертикальном, угловом, которые обеспечивают необходимую подвижность руки робота.
Третий принцип основан на комбинации двух предыдущих.
Большинство промышленных роботов (назовем их ПР) обладают устройствами руки, имеющими три-пять степеней свободы. Захватное устройство - кисть имеет еще две степени свободы. Иногда и сама станина имеет возможность перемещаться на одну-две степени свободы (например, вращательное и вертикальное перемещения).
Замечено, что роботы с вращательными соединениями по сравнению со скользящими поступательными обладают при прочих равных условиях большим объемом обслуживаемого пространства.
Как же устроены мышцы роботов, какая сила заставляет эти железные руки поднимать тяжести и исполнять сложные движения? Путей развития таких исполнительных элементов несколько. Для достижения большой грузоподъемности, свыше ста килограммов, используется гидравлический привод; для выстраивания в технологические линии на заводах точного машиностроения - электрический; а при работе с химическими веществами более безопасны пневмосиловые устройства.
Кроме того, возможны разнообразные комбинации приводов, например пневмогидравлические. Здесь в качестве основного привода используется пневматический, а гидравлический служит для повышения силовых возможностей, для улучшения динамических характеристик, в частности для стабилизации скорости и торможения. Известно применение электроприводов в качестве задающих устройств для более мощных гидравлических мышц.
По зарубежным данным, около половины используемых в настоящее время роботов имеют пневматические мышцы, приблизительно 40 процентов гидравлические, остальные - электромеханические и прочие.
При конструировании рук робота приходится решать массу необычных проблем. При этом, естественно, не обязательно копирование возможностей человеческой руки. Как раз наоборот, зачастую приходится думать, как научить робота делать то, что человеку не под силу. Нельзя, например, обработать заготовку с точностью до одного микрона вручную, робот же справляется с этой непростой задачей весьма успешно. Используемые в настоящее время промышленные роботы имеют грузоподъемность от нескольких десятков граммов до трех и более тонн, число степеней свободы от двух до шести и более, точность позиционирования 0,05 - 5 миллиметров, объем обслуживаемого пространства - 0,01 - 10 кубических метров. Однако эти характеристики взяты в среднем. В Англии, например, выпущен робот для установки на шлифовальный станок валов массой двенадцать тонн. Как показало специально проведенное обследование, 80 процентов промышленных роботов применяются для манипулирования деталями и изделиями массой менее одного килограмма, чаще всего цилиндрической формы, диаметром до 50 миллиметров.
Пневматические "мышцы" робота построены с помощью набора пневмоцилиндров для создания поступательного движения, пневмодвигателей для вращательного. Они используют специальные пневмоклапаны для управления и регулировки скорости перемещения и остановки поршня. Управление таким приводом весьма просто. Усилие, развиваемое на штоке пневмоцилиндра, зависит от давления сжатого воздуха и легко регулируется с помощью специальных клапанов. К преимуществам пневматических мышц относятся безотказность в работе, сокращение необходимой рабочей плоскости, так как приводы располагаются обычно прямо на механических узлах, низкая стоимость, простота обслуживания и ремонта. И хотя пневматический сигнал передается несколько дольше электрического, время переключения пневматического вентиля меньше. Пневмопривод работает от автономной установки или от общей воздушной магистрали.
Гидравлический привод по принципу действия аналогичен пневматическому. Только вместо сжатого воздуха здесь используется жидкость. Он обладает большей мощностью и используется для самых могучих рук роботов (до нескольких тонн). Однако гидроприводы требуют более квалифицированного обслуживания и в случае утечки жидкости могут загрязнять окружающую среду.
Еще совсем недавно число роботов, основанных на электрических приводах, было сравнительно невелико.
Однако в последнее время электродвигательные мышцы роботов завоевывают все большую популярность. Это прежде всего связано с такими принципиальными преимуществами электромеханических приводов, как легкость и удобство монтажа и наладки, простота эксплуатации, наконец, отсутствие шума при работе и грязи от утечки жидкости.
До недавнего времени развитие такой простой и удобной мускулатуры сдерживалось отсутствием специальных электродвигателей, ,ведь роботу требуется двигатель с лучшей, чем обычно, перегрузочной способностью и малым моментом инерции ротора. Появление специальных электродвигателей с печатным цилиндрическим или дисковым ротором, с гладким ротором, с линейным движением быстро ликвидировало эту прореху. Электрический привод обеспечивает хорошие динамические характеристики разгона, остановки, поворота, повышенную точность позиционирования (меньше 1 мм) и широкую маневренность. Электроприводы применяются и для большинства образцов очувствленных роботов второго поколения. Это связано не только с удобством эксплуатации и отсутствием шума, но и с большей гибкостью электроприводов в отношении реализации необходимых алгоритмов адаптивного управления.
Знаменитый Шерлок Холмс отличался поразительной наблюдательностью. По мельчайшим признакам он опознавал профессиональную принадлежность своею очередного клиента. Внимательно рассмотрев руки человека, он делал вывод о том, чем он занимается, каковы его профессиональные обязанности. Как же сказывается профессия робота на внешнем виде его рук, смог бы проницательный Холмс и здесь применить свой знаменитый дедуктивный метод?
Роботы применяются на самых разнообразных операциях и работах с деталями, которые резко отличаются по прочности, массе, габаритам, конфигурации, расположению центра масс, шероховатости. Детали могут быть керамическими и стеклянными, пластмассовыми и металлическими. Массивные поковки и крупногабаритная тара, стальные листы и кирпичи, листы из стекла и стеклянные трубки. Робот может манипулировать с собранными узлами или с тарой с насыпанными легкими деталями, емкостями с жидкостью и, кроме того, работать различными инструментами: распылителем, гайковертом, пневмоотверткой, паяльником или сварочными аппаратами.
Взглянув на "руки" промышленного робота, почти любой человек, даже не обладающий проницательностью Холмса, сможет, немного подумав, определить сферу "профессиональных интересов" робота. Вот клешни из трех крюков для круглых поковок, вот присоски, как у осьминога, для стеклянных листов. Вот ковш для сыпучих материалов и т. д. и т. п. Еще проще разобраться в обязанностях робота, если "руки" его снабжены специализированным инструментом: сверлом, краскораспылителем, гайковертом и т. п. Инструмент закреплен прямо на руке, а не в схвате, теперь уже ненужном.
Поразительная универсальность руки человека - продукт длительной эволюции. Нужна ли такая универсальность роботу, оправдана ли она технически и экономически? Навряд ли, по крайней мере, на данном этапе эволюции робота. Вспомним, как разнообразны и специализированы конечности и "руки" животных.
Плавники и когти, присоски и клешни, хобот слона, хвост обезьяны, щупальца осьминога... Примерно так же разнообразны оконечные устройства "рук" робота.
Здесь человек "похитил" у природы не один десяток технических идей.
Наиболее распространена "двупалая лапа" наподобие клюва птицы или клешни краба. Она отлично выполняет функции взятия и переноса большинства типов деталей механообработки. Если же требуется более надежное удержание детали, особенно круглой формы, применяется трехпалая кисть - почти точное подобие птичьей лапы. Заметим, что птица легко удерживается на круглой ветке дерева при весьма высоком относительно ветки центре тяжести.
Если деталь крупная, длинная, применяются многоместные захваты несколько двупалых или трехпалых рук хватают длинную трубу во многих местах.
Для транспортировки жидкости используется ковш, для взятия сыпучего материала - трехпалый ковшик, чемто напоминающий хитиновые надкрылья жука или складывающиеся лепестки тюльпана.
Если деталь имеет достаточно большую поверхность, применяются присоски по типу осьминожьих.
Особая форма или мягкость присосок позволяет брать не только гладкие стальные, пластмассовые, стеклянные листы, но даже гофрированные детали или фигурные штампованные изделия.
Есть в арсенале робота и "собственные патенты" - схваты магнитные, они надежно удерживают стальную или жестяную деталь, когда подобрать мало-мальски подходящий механический "хвататель" не представляется возможным. Здесь используются как электромагниты, так и постоянные магниты, иногда с механически изменяемым силовым полем.
Для захвата деталей типа труб и полых цилиндров изнутри используются раздвигающиеся пальцы, специальные надувные груши, а то и просто палочка штырь, продеваемый в цилиндр.
На выставке НТТМ-82 демонстрировались роботы, искусно манипулирующие с электролампами. Кроме прочих, весьма привлекательных достоинств, один из роботов имел хитроумный захват в виде резиновых гофрированных хоботков. Когда воздух подавался в кисть, хоботки, раздуваясь, изгибались и захватывали лампочку за тонкостенную стеклянную колбу с деликатной осторожностью, но прочно. Масса нежных присосок-пальчиков используется для манипуляции с мягкими изделиями, например шоколадными конфетами или диетическими яйцами.
Различаются "руки" роботов и по размерам: есть экземпляры лапищ для многотонных валов, а есть миниатюрнейшие щипчики-пинцетики для изделий микроэлектроники или часовых шестеренок. Некоторые пальчики-усики манипулируют с детальками, различимыми лишь в микроскоп. Существуют и пятипалые "руки", подобные кисти человека, однако такие образцы в силу сложности конструкции, и особенно управления, - пока прерогатива лишь лабораторных моделей.
Окружающая нас природа - неиссякаемый источник радости, жизни и здоровья. Человек, ушедший от природы в города, квартиры, отгородившийся от нее стеной, окном и асфальтом, тянется к ней, даже не осознавая, зачем ему это.
Писать о красоте с утилитарных позиций - несомненное интеллектуальное варварство, но психология современного прагматика зачастую невосприимчива к эфемерным категориям прекрасного. Поэтому мы скажем о природе с точки зрения нашей проблемы - промышленной роботехники.
Природа не патентует своих изобретений, она наладила массовое производство огромного множества естественных механизмов, наделенных тонкими конструктивными решениями и блестящим физическим воплощением. Мы используем лишь малую толику этого богатства, варварски уничтожая остальное. За последние сто лет полностью исчезли с лица земли десятки видов животных и растений, еще сотни находятся на грани уничтожения. Мы уже никогда не сможем воспользоваться ни их техническими новинками, ни просто красотой и грацией. Красная книга экологов - это не что иное, как собрание патентов природы, которые человек пытается защитить от забвения.
ОДА ПЕШЕМУ ХОДУ
И. Артоболевский и А. Кобринский, основываясь на плодотворной аналогии между роботом и человеком, условно разделили совершаемые ими производственные движения на три типа: локальные, региональные и глобальные. Локальные движения - это все то многообразие манипуляций, которое мы совершаем посредством кистей рук: взять, положить, перевернуть, вставить, вынуть. Региональные движения совершаются с использованием механических возможностей всей руки: перенос детали с одного места в другое при неподвижном основании робота. Наконец, глобальные движения это перемещение самого робота.
Специфику локальных и региональных движений мы интенсивно обсуждали выше, в то время как глобальные перемещения робота остались в тени. Это и понятно, глобальные движения - прерогатива транспортных систем: автомобилей, электрокаров, вездеходов и луноходов. Здесь используется весь инструментарий многовековой истории транспорта: колесо, рельс, монорельс, гусеница и т. п. Однако существуют и специфические, только роботу присущие средства передвижения. Это ближайшие родственники манипуляторов педипуляторы, или, попросту говоря, ноги (manus по-гречески - рука, pedis - нога). Ну уж это ненужная экзотика, скажет читатель, неужели им мало колеса, не слишком ли далеко заходят эти роботехники в своем ненасытном желании внедрить природные патенты? Разумеется, читатель вправе так рассуждать.
Имея перед глазами многовековую историю колесных транспортных средств от телеги до современного лунохода, мы склонны считать шаговый принцип передвижения более примитивным и недостойным нашего технического века. С первого взгляда нам кажется, что колесо, несомненно, эффективнее ног. К примеру говоря, человек на велосипеде тратит лишь половину энергии пешехода. Почему же тогда природа избегает колес? Почему колесо эффективное средство передвижения, изобретенное человеком, - никогда не использовалось природой в процессе эволюции животного мира? Почему, скажем, нет крыс на колесах или рыб, использующих гребной винт? Ответ, возможно, состоит в том, что они имеют нечто лучшее...