Рыбы перемещаются в воде с помощью движений хвоста, при этом КПД оказывается равным 95 процентам, в то время как гребной винт обеспечивает максимум 60 процентов. Загадка скорее состоит в том, почему технические специалисты не обращают внимания на способ передвижения рыб.
Но ведь колеса точно эффективней ног. Однако и здесь разгадка может крыться в том, что колеса хороши лишь на гладкой и твердой поверхности. А в природе она встречается редко. Поэтому естественный отбор не благоприятствовал появлению животных на колесах в процессе эволюции. Известно, что колеса беспомощны на мягкой почве -вспомним автомобиль, засевший в грязи, - не приспособлены для перемещений по вертикали, стесняют повороты на ограниченной площади. Такие соображения кажутся более убедительными, чем теория о плохой сочетаемости кровеносных сосудов и нервов с вращающимися соединениями или гипотеза о том, что эволюция просто случайно не "наткнулась" на принцип колеса.
А как же вездеход? Он ходит "везде" без всякой дороги? Ну, во-первых, не везде, а во-вторых, его колесо покоится на жесткой мостовой - гусенице, которую вездеход сначала прокладывает "перед собой", а затем сам по ней передвигается. Шагоход же эффективно перемещается по любой поверхности. Он может легко менять походку: подниматься на "цыпочки", чтобы не зацепить днищем за стоящий поперек дороги станок, присесть, чтобы пролезть под низко расположенный трубопровод, повернуться, переступая ногами почти на пятачке. Всюду здесь ноги удобней, чем колеса, поскольку современное промышленное предприятие порол так же "непроходимо", как "коварные джунгли Амазонки".
Прежде всего у конструкторов возник вопрос: каково оптимальное количество ног? Почему у сороконожки сорок ног, у жука - шесть, у животного - четыре, а у человека - две? Много ног - это высокая устойчивость машины, но и необычайно сложная задача координации их движения. Не стоит ли в прямой зависимости от количества ног развитие двигательного мозгового центра? В природе сороконожка не задумывается над своей походкой. Однако инженер, конструирующий сороканожной механизм, обязан растолковать машине все тонкости ее перемещений, и если в известной притче сороконожка, пытающаяся понять, как же она ходит, немедленно запутывалась, то конструктор шагохода работает "без права на ошибку", исключая многосложные варианты конструкции, стараясь найти минимальную конфигурацию.
Специалисты пришли к заключению, что для надежной устойчивости движения машине достаточно шести ног, так как три точки опоры в состоянии покоя самое устойчивое положение. Не случайно штатив фотоаппарата или теодолита - это популярный треножник.
История создания ноги робота начинается с середины XIX века. Русский математик П. Чебышев стал родоначальником целого направления в конструировании шагоходов. Он сконструировал знаменитую "стопоходящую машину", представляющую собой комбинацию четырех лямбдаобразных механизмов в виде греческой буквы Я. Пока башмак ноги опирается на грунт, корпус машины горизонтально перемещается вперед. Оторвавшись от земли, башмак описывает в воздухе кривую, напоминающую траекторию стопы пешехода. Последователи П. Чебышева работают в направлении, при котором "лапы" машины копируют движение ног человека или животного - так называемый "траекторный синтез" походки.
И. Артоболевский работал также и над проблемой шагающих механизмов. В докладе, подготовленном им с соавторами и прочитанном на четвертом совещании по проблемам теории механизмов и машин в Ленинграде, были определены требования к шагающему механизму и решены важнейшие динамические задачи, связанные с этой проблемой. Одними из первых в нашей стране шагающую машину создали специалисты Ленинградского института приборостроения. Ее шесть ног усеяны датчиками, так что в электронный мозг машины непрерывно поступают данные и о положении ног в пространстве, и о поверхности, на которую они ступают.
Примерно по тому же принципу работает и шагающий агрегат, созданный совместными усилиями специалистов Института механики МГУ и Института проблем передачи информации АН СССР. В Институте машиноведения создан прообраз машины, объединяющий в себе достоинства многих предыдущих конструкций.
В фильме "Человек и робот" мы видели знаменитую "шестиножку", над которой работал коллектив ученых Института проблем управления - целое содружество математиков, медиков и механиков. "Шестиножка" ходит, преодолевая препятствия из коробок и кубиков, выбирая при этом наиболее удобный маршрут. У нее есть органы зрения и осязания, есть электронный мозг, расположенный, правда, на расстоянии. Машина соединена с ним электрическим кабелем (ведь для этих "простых" шагов нужна целая современная ЭВМ). Однако шесть ног порождают все еще большое число вариантов походок. Переставляя поочередно по одной ноге и варьируя при этом очередность, мы имеем возможность выбрать один из 120 вариантов походок. Перемещая по две ноги, имеем еще девять вариантов. Наконец, можно переставлять по три ноги сразу: две левых - одну правую, две правых - одну левую.
Шестиногий "жук" может идти и быстро и медленно, находясь все время в устойчивом положении.
Для четвероногих машин проблема поддержания устойчивости становится уже более актуальной, хотя здесь у нас перед глазами все еще есть природный прообраз.
Четырехногий "конь" американского инженера М. Листона, снабженный манипулятором, может оказаться полезным в металлургическом производстве, например для транспортировки массивных и горячих заготовок из цехов термической обработки на участки ковки или штамповки. Первый весьма маневренный вариант такого агрегата обладает грузоподъемностью 300 килограммов. Хотя в нем предусмотрено место для оператора, оно используется лишь при обучении робота.
В движение ноги этого робота приводятся электрическими сервомоторами. Логика перемещения ног фиксируется и воспроизводится с помощью современной мини-ЭВМ.
Национальное управление по космическим исследованиям США ведет активные разработки транспортных ЕОСЬМИНОГИХ и шестиногих машин для разведки лунной поверхности. В этих вариантах функции распределяются так: четыре или три ноги служат для сохранения равновесия, а остальные четыре или три - для передвижения. Внешне эти машины напоминают два соединенных между собой стоящих чемодана. Каждый чемодан скрывает в себе двигатель и шарнирные механизмы четырех ног, одна пара ног шагает коленями вперед, а другая пара - коленями назад в полном соответствии с кинематикой животного.
В Японии доктор А. Мори с сотрудниками в Токийском технологическом институте занимается созданием опытной шестиногой машины.
Из четырехногих машин известны следующие: транспортная машина, созданная фирмой "Дженерал электрик", и конструкция Маг Ги, имитирующая движение лошади.
Из двуногих машин известна транспортная модель фирмы "Дженерал электрик", а доктор Като из университета Васэда в Японии успешно занимается созданием шагающего на двух ногах устройства, имитирующего походку человека. В этом антропоморфном шагоходе используются специально разработанные искусственные мускулы. Они представляют собой гибкие резиновые шланги, соединенные в небольшие грозди по три секции.
В обычном, расслабленном состоянии мышцы пассивно провисают. Для того чтобы привести мышцу в напряжение, в нее подается с помощью тонкого шланга сжатый воздух, и три секции мышцы раздуваются в круглые шарики, в результате чего мышца укорачивается, и соответствующая ей часть скелета ноги поднимается и передвигается.
На сегодняшний день во всех странах мира созданы самые разнообразные шагающие механизмы. Но все они "ходят" совсем не так, как мы. Человек при ходьбе или беге находится в неустойчивом состоянии - если прервать движение, он упадет. Все созданные же до сих пор шагающие механизмы, напротив, постоянно пребывают в состоянии не только динамического, но и статического равновесия, и это сильно ограничивает их подвижность. Чтобы двуногий робот стал полноценным "ходоком", нужно научить его преодолевать неустойчивость.
Над этой проблемой работает группа ученых из Массачусетского технологического института. Они разработали автономную прыгающую кибернетическую ногу, оснащенную микрокомпьютером и источником питания.
Единственный ее "сустав" - колено, "ступней" служит поперечина, не позволяющая ноге падать набок. Полутораметровая конечность способна стоять, выпрямляться, падать вперед и вновь подниматься. Цель ученых заставить ее перемещаться прыжками в произвольном направлении. В настоящее время робот-одноножка проходит процесс обучения. Его компьютер программирует себя сам, вырабатывая методом проб и ошибок оптимальный способ прыгания. Ошибаясь и "запоминая" свои ошибки, нога по мере приобретения опыта перемещается все более уверенно. "Иногда ее усилия просто трогательны", - заявил помощник руководителя группы.
В исходном положении она лежит на полу. Затем поднимается, медленно падает вперед и достигает позиции готовности к прыжку. Затем подпрыгивает, оттолкнувшись "ступней". После приземления нога попадает в неустойчивое состояние, ее увлекает инерция, и она опять падает вперед. Теперь одноножка готова к новому прыжку.
"Мы бы хотели создать в будущем робота, обладающего силой бульдозера, грацией балерины и ловкостью кошки", - говорят авторы проекта. Возможно, где-то в XXI веке в одной из сказок можно будет прочесть примерно следующее: "Стоит в цеху коттеджик на птичьих педипуляторах, а в коттеджике живет Баба Яга - с микрокомпьютером нога".
ЛЕГКО ЛИ ПОДНЯТЬ БУМАЖНЫЙ СТАКАНЧИК?
Легко ли поднять бумажный стаканчик? А что здесь трудного, взял и поднял! Но не будем торопиться, вдумаемся в ту бездну тончайших "глобальных", "локальных" и "региональных" движений, сложных идеомоторных актов, которые для этого необходимы.
В буфете столовой МВТУ имени Н. Э. Баумана у прилавка толпилась очередь. "Кофе и булочку", - произносил очередной покупатель и, прихватив левой рукой сдачу, правой брал небольшой бумажный стаканчик с горячим напитком, накрытый румяной булкой. Нести его было недалеко - к соседнему столику, расположившемуся в нескольких метрах; за ним покупатель мог вдоволь насладиться горячим напитком со свежей булкой.
Казалось бы, тривиальная задача - перенести бумажный стаканчик с булочкой на расстояние нескольких мегров. Но в этом движении такое разнообразие проявлений вестибулярной активности, перед которым с благоговением снимает шляпу современный конструктор механических манипуляторов. Как взять стаканчик так, чтобы не сплющить его и не пролить ни капли из налитого до краев горячего напитка? Как взять его так, чтобы не слишком обжечь пальцы горячим кофе? Как, передвигаясь к столику, не расплескать кофе и не потерять булочку, свободно лежащую на стакане? Как не столкнуться с теми, кто в хаотическом порядке движется по миниатюрному пространству буфета? Как не слишком активно поставить стакан на столик и именно туда, откуда его удобнее всего потом взять, чтобы испить вожделенного напитка? Как не попасть каплей на брюки, не подмочить булочку, чтобы потом не испачкать пальцев при еде? Вот сколько проблем! Но покупатель выполнил все задачи отлично, при этом успев обсудить со своим коллегой итоги только что сданного экзамена по робототехнике.
Разумеется, цех современного предприятия не буфет со столиками, и промышленному роботу вряд ли придется манипулировать бумажным стаканчиком и булочкой. Однако тонкостенные электролампы или миниатюрные изделия микроэлектроники не менее чувствительны к рукопожатию механической руки, а современный цех устроен не проще вузовского буфета.
Манипуляционные свойства руки робота многогранны и динамичны. Робот берет детали или тяжелые собранные узлы на разном удалении и неодинаковой высоте, переносит их по сложным траекториям в обход препятствий, продвигая через узкие отверстия, закрепляя в нужном положении на станке, держателе, поддоне. Перемещение происходит с высокими скоростями, в обстановке постоянно меняющейся производственной среды. "Ну и что, - скажет читатель, - на это и даны роботу мощные мускулы, подвижные суставы железного скелета". Это, разумеется, верное замечание, которое свидетельствует о том, что читатель уже неплохо разбирается в "физиологии" робота, однако настало время поговорить и о его "психологии".
Кроме известных силовых свойств, мускулы робота должны быть идеально управляемыми, они должны мгновенно и точно выполнять команды "мозга" расслабляться и напрягаться, производя ровно то усилие, которое необходимо, чтобы поднять, но не раздавить хрупкую лампу, кинескоп, микромодуль. Итак, силовой привод робота- это прежде всего универсальная управляемость.
Как же происходит управление роботом, откуда берется его "ум", дающий такую бездну манипуляционных возможностей? "Ум" робота берется от его создателя - человека, а человек берет этот манипуляционный ум, наблюдая за самим собой.
"Работая над созданием роботов, я внимательно присматривался ко всему, что мне приходилось делать руками, и пытался представить себе, как мог бы сделать то же самое робот с электронным мозгом. Способность человека к тончайшей координации движений и к оценке возникающих в процессе работы обстоятельств настолько меня потрясла, что я решил серьезнэ заняться телеуправляемыми механизмами..." - пишет известный изобретатель М. Тринг в книге "Как изобретать?".
Промышленные роботы появились в производстве как машины, способные выполнять некоторые функции человека. Прежде всего в их задачу входит перемещение деталей и заготовок либо по заданным заранее траекториям, либо от одной заданной пространственной точки к другой. При рассмотрении аналогичных движений человека, стремящегося попасть рукой в определенное место, можно выделить две основные фазы: динамическую и стабилизирующую. Первая - динамическая - фаза характеризуется высокой скоростью и приближенным направлением движения. Вторая - стабилизирующая - резким снижением скорости и более точным координированием направления, как правило, сопровождающимся колебательными движениями малой амплитуды. Направленное движение происходит при непрерывном зрительном и кинематическом контроле, а конечный результат проверяется осязанием и слухом.
Движение исполнительного механизма современного промышленного робота первого поколения характеризуется теми же фазами, но в стабилизирующей фазе отсутствуют поисковые колебательные движения вблизи конечной точки. Координаты этого положения должны задаваться и воспроизводиться жестко, объекты манипулирования должны располагаться точно в предусмотренном программой месте и точно в таком положении, в котором робот сможет их взять. Ведь робот первого поколения - это "слепой", не имеющий обратной связи механизм.
Человек порой не осознает, как он выполняет то или иное сложное движение: завязывает ботинки, застегивает пуговицы, ставит свою подпись и т. п. Мы выполняем многое рефлекторно, как результат длительной тренировки координации движений, моторики и ориентации.
Вы замечали, как малыш тянется ручками к игрушке, которую он не в состоянии достать? Это он учится координировать зрительные образы с длиной своих рук.
В то же время человеку так и не удается достичь в этом "робототехнического совершенства". Такой элементарный для робота двигательный приказ, как "передвинь руку на пятнадцать сантиметров вверх", с закрытыми глазами человеку практически выполнить невозможно.
Чтобы понять хотя бы приближенно масштаб проблемы, проведем следующий опыт. Оторвитесь на мгновение от книги и посмотрите вокруг. Зафиксируйте расположение предметов в комнате, на столе, на диване.
Теперь закройте глаза, встаньте со стула или кресла и, не открывая глаз, пройдитесь по комнате, возьмите какой-нибудь предмет, скажем, вазу с цветами и переставьте ее на несколько метров в сторону, на другой стол или тумбочку. Ну как, получилось? Независимо от успеха вашего "манипуляционного акта" вы можете себе представить, какие трудности подстерегают движущуюся руку робота и сколько проблем приходится решать его системе управления.
Попробуйте мысленно проговорить про себя все, что вы проделывали: встать, сделать шаг правой ногой, сделать шаг левой ногой, поднять руку, раздвинуть пальцы, подвести пальцы к вазе, сомкнуть пальцы до соприкосновения с вазой, сдвинуть пальцы так, чтобы сила трения между поверхностью пальцев и вазы была больше, чем вес вазы (иначе ваза выскользнет из пальцев), поднять руку с вазой, повернуться на нужный угол и т. д. и т. п. Это и будет своеобразная программа для робота, правда, очень укрупненная. Такие команды, как "встать", "сомкнуть до соприкосновения" или "сделать шаг правой", сами представляют собой целую программу, или, точнее говоря, на языке программистов, стандартную подпрограмму. Затем эти команды нужно преобразовать в пневматические или электрические импульсы соответствующим мышцам, те, в свою очередь, в соответствующие перемещения, углы и моменты и все это проделать с поистине ювелирной точностью. Современный промышленный робот первого поколения обеспечивает точность позиционирования до 0,1 миллиметра. Чтобы представить себе нечто подобное, попробуйте с закрытыми глазами с расстояния хотя бы сантиметров 30 попасть иголкой в точку в конце данной фразы. Не получилось? Ну что ж, попробуйте еще раз. Опять не получилось? Не отчаивайтесь, попробуйте представить, как "тяжко" промышленному роботу, который должен сделать то же самое с расстояния около двух метров, со скоростью несколько метров в секунду при весе иглы несколько килограммов или даже десятков килограммов.
Это тем более трудно сделать, ибо для промышленного робота первого поколения обучающий его оператор является единственным источником внешней информации о требуемых действиях. Это поводырь нашего механического слепого. Информация вводится в виде программы работы в память робота, и он выполняет поставленную задачу в автоматическом режиме, не получая уже никакой дополнительной информации извне.
Существует несколько основных способов составления и ввода программы в память робота.
Во-первых, можцо рассчитать программу движения в виде отдельных команд и кадров и затем ввести ее в память робота. Во-вторых, можно осуществить обучение робота путем однократного "образцового" выполнения задачи в режиме ручного управления манипулятором с пульта путем нажатия кнопок и рычагов. В-третьих, можно обучить робота нужным движениям, взяв его механическую руку и проведя по всем необходимым точкам траектории.
Программирование по первому принципу очень похоже на программирование ЭВМ, только вместо адресов данных и команд арифметических и логических операций ЭВМ используются "адреса" точек пространства и команды "манипуляционных операций": поворот рук вправо (влево), выдвижение втягивание, поднятие - опускание, размыкание - смыкание схвата, вращение кисти вправо - влево и т. п. Программа представляет собой набор таких команд и выполняется циклически необходимое количество раз.
Обучение по второму принципу представляет собой "программирование в реальном времени". Оператор с помощью рычагов и кнопок, расположенных на пульте управления робота, принуждает его к выполнению тех или иных движений. Эта совокупность движений записывается в память робота и воспроизводится нужное количество раз.
Третий принцип обучения больше всего походит на обучение ребенка. Как часто, исчерпав терпение, мы говорим малышу: "Да не так, а вот так..." - и проводим его ручкой с ложкой от тарелки ко рту, мелом на доске или пальцем по клавишам пианино. Точно так же можно научить и робота. Опытный сварщик проводит сварочным аппаратом, закрепленным на руке робота, по оптимальной траектории шва. Движение записывается в память робота, и работа закипела. Обученный робот функционирует автономно под управлением мозга, в память которого заложена программа движений.
В простейших роботах используется цикловая система управления, движения осуществляются "от упора до упора". Программоносителем такой системы управления является специальный барабан, усеянный штырьками.
При воспроизведении барабан поворачивается, штырьки включают приводы, приводы "приводят в движение" всю систему. Такие системы управления называют позиционными.
Непрерывная система управления базируется на принципе магнитофона, записывающего на магнитную ленту совокупность электромагнитных импульсов. Эти импульсы посылают приводы, когда рука робота проводится по заданной траектории.
Наиболее "прогрессивным" способом программирования робота является первый из описанных выше, когда программа робота составляется подобно программе для ЭВМ. Дело в том, что составление такой программы для робота можно поручить... другой ЭВМ. А при "массовом производстве" программ это дает немалый эффект. Вот пример подобного программирования.
Рассмотрим технологический цикл нанесения многослойного покрытия на деталь сложной формы "воронка". Воронка имеет "хвост" - удлиненную часть детали и основание - полый конус. В цеху имеется длинная ванна со специальным составом, над которой расположен "мост" для просушивания очередного слоя покрытия. Технология покрытия заключается в следующем. Подойдя к очередной воронке, рабочий берет ее за "хвост" и опускает в ванну, затем переходит к следующей детали. Следующая деталь находится в ванне. Взяв деталь за "хвост", рабочий вынимает ее из ванны и помещает на "мост", где деталь проходит сушку, затем переходит к следующей детали. Дойдя до конца ванны, рабочий возвращается обратно и, смотря по тому, где находится первая деталь, помещает ее либо в ванну, либо на мост для сушки. После десяти таких окунаний деталь готова. Она помещается на транспортер для движения на склад. Укрупненная программа такой операции будет выглядеть примерно следующим образом:
1. Двигаясь далее вдоль ванны, дойти до позиции "мост".
2. Взяв деталь за "хвост", поместить ее в ванну для мокрой обработки.
3. Ждать 10 секунд.
4. Двигаясь далее, дойти до позиции "мост".
5. Взять деталь под "мостом" за "хвост", поместить ее на "мост" для просушки.
6. Повторить 10 раз.
7. Поместить деталь в тару для транспортировки на склад.
8. Взять следующую группу деталей.
9. Вернуться к пункту 1.
Получается примерно так, как в известной детской считалочке:
Еду дальше, вижу мост.
Под мостом ворона мокнет.
Взял ворону я за хвост,
Положил ее на мост
Пусть ворона сохнет.
Еду дальше, вижу мост,
На мосту ворона сохнет,
Взял ворону я за хвост,
Положил ее под мост
Пусть ворона мокнет.
И т. д.
РАБОТА ЗАКИПЕЛА!
Присматриваясь к стремительным и своеобразным движениям промышленного робота, мы еще и еще раз убеждаемся в известной истине: движение не только функционально, оно и эмоционально. То чудится нам в этом движении скрытая угроза, то видится неведомая птица, важно попивающая водицу из металлической лужицы, то паукообразное насекомое, строящее свое гнездо, то вдруг предстает перед нами странный, таинственный шаманский танец, подчиненный идеальному ритму.
Эти танцевальные "па" роботов подсказали специалистам по рекламе отличный фокус: женский танцевальный ансамбль ритмично воспроизводил производственные движения роботов. Причем девушки с особой грацией копировали вроде бы монотонные движения своих стальных "партнеров". И получился в сочетании с ритмичной музыкой очень неожиданный номер.
Короткий этот "фильм-концерт" показывала своим гостям на международной выставке "Автоматизация83" финская фирма "Розенлев" - давний торговый партнер нашей страны.
"Мы избрали средства кино, чтобы представить модульную систему роботов, - говорит один из руководителей компании, Матти Ламми. - Модули - это узлы, в совершенстве освоившие те или иные виды движения - прямолинейные, вертикальные, вращательные... Они легко упаковывают в тару и телевизоры, и хлебные изделия, и бревна, распиленные по лучу лазера. Как в детском конструкторе, из модулей можно создавать поистине универсальные роботосистемы..."
Область возможных и экономически выгодных применений роботов первого поколения весьма широка.
Они успешно применяются для обслуживания станков, печей, прессов, технологических линий, сварочных аппаратов, литейных машин и т. п. Они эффективно осуществляют установку, транспортировку, упаковку изделий, простейшие сборочные операции, сварку, литье под давлением, термическую и механическую обработку. Особенно широко они применяются в машиностроении и металлургии.
Сейчас нет, пожалуй, такой области промышленного производства, где бы робот не попробовал свои силы, а попробовав, не завоевал бы престижного положения.
Наибольшее число роботов первого поколения работает в автомобильной промышленности. Волжский автомобильный завод, завод имени Лихачева, автомобильный завод имени Ленинского комсомола не только применяют, но и сами разрабатывают и строят промышленные роботы и автоматизированные комплексы.
Но ведь колеса точно эффективней ног. Однако и здесь разгадка может крыться в том, что колеса хороши лишь на гладкой и твердой поверхности. А в природе она встречается редко. Поэтому естественный отбор не благоприятствовал появлению животных на колесах в процессе эволюции. Известно, что колеса беспомощны на мягкой почве -вспомним автомобиль, засевший в грязи, - не приспособлены для перемещений по вертикали, стесняют повороты на ограниченной площади. Такие соображения кажутся более убедительными, чем теория о плохой сочетаемости кровеносных сосудов и нервов с вращающимися соединениями или гипотеза о том, что эволюция просто случайно не "наткнулась" на принцип колеса.
А как же вездеход? Он ходит "везде" без всякой дороги? Ну, во-первых, не везде, а во-вторых, его колесо покоится на жесткой мостовой - гусенице, которую вездеход сначала прокладывает "перед собой", а затем сам по ней передвигается. Шагоход же эффективно перемещается по любой поверхности. Он может легко менять походку: подниматься на "цыпочки", чтобы не зацепить днищем за стоящий поперек дороги станок, присесть, чтобы пролезть под низко расположенный трубопровод, повернуться, переступая ногами почти на пятачке. Всюду здесь ноги удобней, чем колеса, поскольку современное промышленное предприятие порол так же "непроходимо", как "коварные джунгли Амазонки".
Прежде всего у конструкторов возник вопрос: каково оптимальное количество ног? Почему у сороконожки сорок ног, у жука - шесть, у животного - четыре, а у человека - две? Много ног - это высокая устойчивость машины, но и необычайно сложная задача координации их движения. Не стоит ли в прямой зависимости от количества ног развитие двигательного мозгового центра? В природе сороконожка не задумывается над своей походкой. Однако инженер, конструирующий сороканожной механизм, обязан растолковать машине все тонкости ее перемещений, и если в известной притче сороконожка, пытающаяся понять, как же она ходит, немедленно запутывалась, то конструктор шагохода работает "без права на ошибку", исключая многосложные варианты конструкции, стараясь найти минимальную конфигурацию.
Специалисты пришли к заключению, что для надежной устойчивости движения машине достаточно шести ног, так как три точки опоры в состоянии покоя самое устойчивое положение. Не случайно штатив фотоаппарата или теодолита - это популярный треножник.
История создания ноги робота начинается с середины XIX века. Русский математик П. Чебышев стал родоначальником целого направления в конструировании шагоходов. Он сконструировал знаменитую "стопоходящую машину", представляющую собой комбинацию четырех лямбдаобразных механизмов в виде греческой буквы Я. Пока башмак ноги опирается на грунт, корпус машины горизонтально перемещается вперед. Оторвавшись от земли, башмак описывает в воздухе кривую, напоминающую траекторию стопы пешехода. Последователи П. Чебышева работают в направлении, при котором "лапы" машины копируют движение ног человека или животного - так называемый "траекторный синтез" походки.
И. Артоболевский работал также и над проблемой шагающих механизмов. В докладе, подготовленном им с соавторами и прочитанном на четвертом совещании по проблемам теории механизмов и машин в Ленинграде, были определены требования к шагающему механизму и решены важнейшие динамические задачи, связанные с этой проблемой. Одними из первых в нашей стране шагающую машину создали специалисты Ленинградского института приборостроения. Ее шесть ног усеяны датчиками, так что в электронный мозг машины непрерывно поступают данные и о положении ног в пространстве, и о поверхности, на которую они ступают.
Примерно по тому же принципу работает и шагающий агрегат, созданный совместными усилиями специалистов Института механики МГУ и Института проблем передачи информации АН СССР. В Институте машиноведения создан прообраз машины, объединяющий в себе достоинства многих предыдущих конструкций.
В фильме "Человек и робот" мы видели знаменитую "шестиножку", над которой работал коллектив ученых Института проблем управления - целое содружество математиков, медиков и механиков. "Шестиножка" ходит, преодолевая препятствия из коробок и кубиков, выбирая при этом наиболее удобный маршрут. У нее есть органы зрения и осязания, есть электронный мозг, расположенный, правда, на расстоянии. Машина соединена с ним электрическим кабелем (ведь для этих "простых" шагов нужна целая современная ЭВМ). Однако шесть ног порождают все еще большое число вариантов походок. Переставляя поочередно по одной ноге и варьируя при этом очередность, мы имеем возможность выбрать один из 120 вариантов походок. Перемещая по две ноги, имеем еще девять вариантов. Наконец, можно переставлять по три ноги сразу: две левых - одну правую, две правых - одну левую.
Шестиногий "жук" может идти и быстро и медленно, находясь все время в устойчивом положении.
Для четвероногих машин проблема поддержания устойчивости становится уже более актуальной, хотя здесь у нас перед глазами все еще есть природный прообраз.
Четырехногий "конь" американского инженера М. Листона, снабженный манипулятором, может оказаться полезным в металлургическом производстве, например для транспортировки массивных и горячих заготовок из цехов термической обработки на участки ковки или штамповки. Первый весьма маневренный вариант такого агрегата обладает грузоподъемностью 300 килограммов. Хотя в нем предусмотрено место для оператора, оно используется лишь при обучении робота.
В движение ноги этого робота приводятся электрическими сервомоторами. Логика перемещения ног фиксируется и воспроизводится с помощью современной мини-ЭВМ.
Национальное управление по космическим исследованиям США ведет активные разработки транспортных ЕОСЬМИНОГИХ и шестиногих машин для разведки лунной поверхности. В этих вариантах функции распределяются так: четыре или три ноги служат для сохранения равновесия, а остальные четыре или три - для передвижения. Внешне эти машины напоминают два соединенных между собой стоящих чемодана. Каждый чемодан скрывает в себе двигатель и шарнирные механизмы четырех ног, одна пара ног шагает коленями вперед, а другая пара - коленями назад в полном соответствии с кинематикой животного.
В Японии доктор А. Мори с сотрудниками в Токийском технологическом институте занимается созданием опытной шестиногой машины.
Из четырехногих машин известны следующие: транспортная машина, созданная фирмой "Дженерал электрик", и конструкция Маг Ги, имитирующая движение лошади.
Из двуногих машин известна транспортная модель фирмы "Дженерал электрик", а доктор Като из университета Васэда в Японии успешно занимается созданием шагающего на двух ногах устройства, имитирующего походку человека. В этом антропоморфном шагоходе используются специально разработанные искусственные мускулы. Они представляют собой гибкие резиновые шланги, соединенные в небольшие грозди по три секции.
В обычном, расслабленном состоянии мышцы пассивно провисают. Для того чтобы привести мышцу в напряжение, в нее подается с помощью тонкого шланга сжатый воздух, и три секции мышцы раздуваются в круглые шарики, в результате чего мышца укорачивается, и соответствующая ей часть скелета ноги поднимается и передвигается.
На сегодняшний день во всех странах мира созданы самые разнообразные шагающие механизмы. Но все они "ходят" совсем не так, как мы. Человек при ходьбе или беге находится в неустойчивом состоянии - если прервать движение, он упадет. Все созданные же до сих пор шагающие механизмы, напротив, постоянно пребывают в состоянии не только динамического, но и статического равновесия, и это сильно ограничивает их подвижность. Чтобы двуногий робот стал полноценным "ходоком", нужно научить его преодолевать неустойчивость.
Над этой проблемой работает группа ученых из Массачусетского технологического института. Они разработали автономную прыгающую кибернетическую ногу, оснащенную микрокомпьютером и источником питания.
Единственный ее "сустав" - колено, "ступней" служит поперечина, не позволяющая ноге падать набок. Полутораметровая конечность способна стоять, выпрямляться, падать вперед и вновь подниматься. Цель ученых заставить ее перемещаться прыжками в произвольном направлении. В настоящее время робот-одноножка проходит процесс обучения. Его компьютер программирует себя сам, вырабатывая методом проб и ошибок оптимальный способ прыгания. Ошибаясь и "запоминая" свои ошибки, нога по мере приобретения опыта перемещается все более уверенно. "Иногда ее усилия просто трогательны", - заявил помощник руководителя группы.
В исходном положении она лежит на полу. Затем поднимается, медленно падает вперед и достигает позиции готовности к прыжку. Затем подпрыгивает, оттолкнувшись "ступней". После приземления нога попадает в неустойчивое состояние, ее увлекает инерция, и она опять падает вперед. Теперь одноножка готова к новому прыжку.
"Мы бы хотели создать в будущем робота, обладающего силой бульдозера, грацией балерины и ловкостью кошки", - говорят авторы проекта. Возможно, где-то в XXI веке в одной из сказок можно будет прочесть примерно следующее: "Стоит в цеху коттеджик на птичьих педипуляторах, а в коттеджике живет Баба Яга - с микрокомпьютером нога".
ЛЕГКО ЛИ ПОДНЯТЬ БУМАЖНЫЙ СТАКАНЧИК?
Легко ли поднять бумажный стаканчик? А что здесь трудного, взял и поднял! Но не будем торопиться, вдумаемся в ту бездну тончайших "глобальных", "локальных" и "региональных" движений, сложных идеомоторных актов, которые для этого необходимы.
В буфете столовой МВТУ имени Н. Э. Баумана у прилавка толпилась очередь. "Кофе и булочку", - произносил очередной покупатель и, прихватив левой рукой сдачу, правой брал небольшой бумажный стаканчик с горячим напитком, накрытый румяной булкой. Нести его было недалеко - к соседнему столику, расположившемуся в нескольких метрах; за ним покупатель мог вдоволь насладиться горячим напитком со свежей булкой.
Казалось бы, тривиальная задача - перенести бумажный стаканчик с булочкой на расстояние нескольких мегров. Но в этом движении такое разнообразие проявлений вестибулярной активности, перед которым с благоговением снимает шляпу современный конструктор механических манипуляторов. Как взять стаканчик так, чтобы не сплющить его и не пролить ни капли из налитого до краев горячего напитка? Как взять его так, чтобы не слишком обжечь пальцы горячим кофе? Как, передвигаясь к столику, не расплескать кофе и не потерять булочку, свободно лежащую на стакане? Как не столкнуться с теми, кто в хаотическом порядке движется по миниатюрному пространству буфета? Как не слишком активно поставить стакан на столик и именно туда, откуда его удобнее всего потом взять, чтобы испить вожделенного напитка? Как не попасть каплей на брюки, не подмочить булочку, чтобы потом не испачкать пальцев при еде? Вот сколько проблем! Но покупатель выполнил все задачи отлично, при этом успев обсудить со своим коллегой итоги только что сданного экзамена по робототехнике.
Разумеется, цех современного предприятия не буфет со столиками, и промышленному роботу вряд ли придется манипулировать бумажным стаканчиком и булочкой. Однако тонкостенные электролампы или миниатюрные изделия микроэлектроники не менее чувствительны к рукопожатию механической руки, а современный цех устроен не проще вузовского буфета.
Манипуляционные свойства руки робота многогранны и динамичны. Робот берет детали или тяжелые собранные узлы на разном удалении и неодинаковой высоте, переносит их по сложным траекториям в обход препятствий, продвигая через узкие отверстия, закрепляя в нужном положении на станке, держателе, поддоне. Перемещение происходит с высокими скоростями, в обстановке постоянно меняющейся производственной среды. "Ну и что, - скажет читатель, - на это и даны роботу мощные мускулы, подвижные суставы железного скелета". Это, разумеется, верное замечание, которое свидетельствует о том, что читатель уже неплохо разбирается в "физиологии" робота, однако настало время поговорить и о его "психологии".
Кроме известных силовых свойств, мускулы робота должны быть идеально управляемыми, они должны мгновенно и точно выполнять команды "мозга" расслабляться и напрягаться, производя ровно то усилие, которое необходимо, чтобы поднять, но не раздавить хрупкую лампу, кинескоп, микромодуль. Итак, силовой привод робота- это прежде всего универсальная управляемость.
Как же происходит управление роботом, откуда берется его "ум", дающий такую бездну манипуляционных возможностей? "Ум" робота берется от его создателя - человека, а человек берет этот манипуляционный ум, наблюдая за самим собой.
"Работая над созданием роботов, я внимательно присматривался ко всему, что мне приходилось делать руками, и пытался представить себе, как мог бы сделать то же самое робот с электронным мозгом. Способность человека к тончайшей координации движений и к оценке возникающих в процессе работы обстоятельств настолько меня потрясла, что я решил серьезнэ заняться телеуправляемыми механизмами..." - пишет известный изобретатель М. Тринг в книге "Как изобретать?".
Промышленные роботы появились в производстве как машины, способные выполнять некоторые функции человека. Прежде всего в их задачу входит перемещение деталей и заготовок либо по заданным заранее траекториям, либо от одной заданной пространственной точки к другой. При рассмотрении аналогичных движений человека, стремящегося попасть рукой в определенное место, можно выделить две основные фазы: динамическую и стабилизирующую. Первая - динамическая - фаза характеризуется высокой скоростью и приближенным направлением движения. Вторая - стабилизирующая - резким снижением скорости и более точным координированием направления, как правило, сопровождающимся колебательными движениями малой амплитуды. Направленное движение происходит при непрерывном зрительном и кинематическом контроле, а конечный результат проверяется осязанием и слухом.
Движение исполнительного механизма современного промышленного робота первого поколения характеризуется теми же фазами, но в стабилизирующей фазе отсутствуют поисковые колебательные движения вблизи конечной точки. Координаты этого положения должны задаваться и воспроизводиться жестко, объекты манипулирования должны располагаться точно в предусмотренном программой месте и точно в таком положении, в котором робот сможет их взять. Ведь робот первого поколения - это "слепой", не имеющий обратной связи механизм.
Человек порой не осознает, как он выполняет то или иное сложное движение: завязывает ботинки, застегивает пуговицы, ставит свою подпись и т. п. Мы выполняем многое рефлекторно, как результат длительной тренировки координации движений, моторики и ориентации.
Вы замечали, как малыш тянется ручками к игрушке, которую он не в состоянии достать? Это он учится координировать зрительные образы с длиной своих рук.
В то же время человеку так и не удается достичь в этом "робототехнического совершенства". Такой элементарный для робота двигательный приказ, как "передвинь руку на пятнадцать сантиметров вверх", с закрытыми глазами человеку практически выполнить невозможно.
Чтобы понять хотя бы приближенно масштаб проблемы, проведем следующий опыт. Оторвитесь на мгновение от книги и посмотрите вокруг. Зафиксируйте расположение предметов в комнате, на столе, на диване.
Теперь закройте глаза, встаньте со стула или кресла и, не открывая глаз, пройдитесь по комнате, возьмите какой-нибудь предмет, скажем, вазу с цветами и переставьте ее на несколько метров в сторону, на другой стол или тумбочку. Ну как, получилось? Независимо от успеха вашего "манипуляционного акта" вы можете себе представить, какие трудности подстерегают движущуюся руку робота и сколько проблем приходится решать его системе управления.
Попробуйте мысленно проговорить про себя все, что вы проделывали: встать, сделать шаг правой ногой, сделать шаг левой ногой, поднять руку, раздвинуть пальцы, подвести пальцы к вазе, сомкнуть пальцы до соприкосновения с вазой, сдвинуть пальцы так, чтобы сила трения между поверхностью пальцев и вазы была больше, чем вес вазы (иначе ваза выскользнет из пальцев), поднять руку с вазой, повернуться на нужный угол и т. д. и т. п. Это и будет своеобразная программа для робота, правда, очень укрупненная. Такие команды, как "встать", "сомкнуть до соприкосновения" или "сделать шаг правой", сами представляют собой целую программу, или, точнее говоря, на языке программистов, стандартную подпрограмму. Затем эти команды нужно преобразовать в пневматические или электрические импульсы соответствующим мышцам, те, в свою очередь, в соответствующие перемещения, углы и моменты и все это проделать с поистине ювелирной точностью. Современный промышленный робот первого поколения обеспечивает точность позиционирования до 0,1 миллиметра. Чтобы представить себе нечто подобное, попробуйте с закрытыми глазами с расстояния хотя бы сантиметров 30 попасть иголкой в точку в конце данной фразы. Не получилось? Ну что ж, попробуйте еще раз. Опять не получилось? Не отчаивайтесь, попробуйте представить, как "тяжко" промышленному роботу, который должен сделать то же самое с расстояния около двух метров, со скоростью несколько метров в секунду при весе иглы несколько килограммов или даже десятков килограммов.
Это тем более трудно сделать, ибо для промышленного робота первого поколения обучающий его оператор является единственным источником внешней информации о требуемых действиях. Это поводырь нашего механического слепого. Информация вводится в виде программы работы в память робота, и он выполняет поставленную задачу в автоматическом режиме, не получая уже никакой дополнительной информации извне.
Существует несколько основных способов составления и ввода программы в память робота.
Во-первых, можцо рассчитать программу движения в виде отдельных команд и кадров и затем ввести ее в память робота. Во-вторых, можно осуществить обучение робота путем однократного "образцового" выполнения задачи в режиме ручного управления манипулятором с пульта путем нажатия кнопок и рычагов. В-третьих, можно обучить робота нужным движениям, взяв его механическую руку и проведя по всем необходимым точкам траектории.
Программирование по первому принципу очень похоже на программирование ЭВМ, только вместо адресов данных и команд арифметических и логических операций ЭВМ используются "адреса" точек пространства и команды "манипуляционных операций": поворот рук вправо (влево), выдвижение втягивание, поднятие - опускание, размыкание - смыкание схвата, вращение кисти вправо - влево и т. п. Программа представляет собой набор таких команд и выполняется циклически необходимое количество раз.
Обучение по второму принципу представляет собой "программирование в реальном времени". Оператор с помощью рычагов и кнопок, расположенных на пульте управления робота, принуждает его к выполнению тех или иных движений. Эта совокупность движений записывается в память робота и воспроизводится нужное количество раз.
Третий принцип обучения больше всего походит на обучение ребенка. Как часто, исчерпав терпение, мы говорим малышу: "Да не так, а вот так..." - и проводим его ручкой с ложкой от тарелки ко рту, мелом на доске или пальцем по клавишам пианино. Точно так же можно научить и робота. Опытный сварщик проводит сварочным аппаратом, закрепленным на руке робота, по оптимальной траектории шва. Движение записывается в память робота, и работа закипела. Обученный робот функционирует автономно под управлением мозга, в память которого заложена программа движений.
В простейших роботах используется цикловая система управления, движения осуществляются "от упора до упора". Программоносителем такой системы управления является специальный барабан, усеянный штырьками.
При воспроизведении барабан поворачивается, штырьки включают приводы, приводы "приводят в движение" всю систему. Такие системы управления называют позиционными.
Непрерывная система управления базируется на принципе магнитофона, записывающего на магнитную ленту совокупность электромагнитных импульсов. Эти импульсы посылают приводы, когда рука робота проводится по заданной траектории.
Наиболее "прогрессивным" способом программирования робота является первый из описанных выше, когда программа робота составляется подобно программе для ЭВМ. Дело в том, что составление такой программы для робота можно поручить... другой ЭВМ. А при "массовом производстве" программ это дает немалый эффект. Вот пример подобного программирования.
Рассмотрим технологический цикл нанесения многослойного покрытия на деталь сложной формы "воронка". Воронка имеет "хвост" - удлиненную часть детали и основание - полый конус. В цеху имеется длинная ванна со специальным составом, над которой расположен "мост" для просушивания очередного слоя покрытия. Технология покрытия заключается в следующем. Подойдя к очередной воронке, рабочий берет ее за "хвост" и опускает в ванну, затем переходит к следующей детали. Следующая деталь находится в ванне. Взяв деталь за "хвост", рабочий вынимает ее из ванны и помещает на "мост", где деталь проходит сушку, затем переходит к следующей детали. Дойдя до конца ванны, рабочий возвращается обратно и, смотря по тому, где находится первая деталь, помещает ее либо в ванну, либо на мост для сушки. После десяти таких окунаний деталь готова. Она помещается на транспортер для движения на склад. Укрупненная программа такой операции будет выглядеть примерно следующим образом:
1. Двигаясь далее вдоль ванны, дойти до позиции "мост".
2. Взяв деталь за "хвост", поместить ее в ванну для мокрой обработки.
3. Ждать 10 секунд.
4. Двигаясь далее, дойти до позиции "мост".
5. Взять деталь под "мостом" за "хвост", поместить ее на "мост" для просушки.
6. Повторить 10 раз.
7. Поместить деталь в тару для транспортировки на склад.
8. Взять следующую группу деталей.
9. Вернуться к пункту 1.
Получается примерно так, как в известной детской считалочке:
Еду дальше, вижу мост.
Под мостом ворона мокнет.
Взял ворону я за хвост,
Положил ее на мост
Пусть ворона сохнет.
Еду дальше, вижу мост,
На мосту ворона сохнет,
Взял ворону я за хвост,
Положил ее под мост
Пусть ворона мокнет.
И т. д.
РАБОТА ЗАКИПЕЛА!
Присматриваясь к стремительным и своеобразным движениям промышленного робота, мы еще и еще раз убеждаемся в известной истине: движение не только функционально, оно и эмоционально. То чудится нам в этом движении скрытая угроза, то видится неведомая птица, важно попивающая водицу из металлической лужицы, то паукообразное насекомое, строящее свое гнездо, то вдруг предстает перед нами странный, таинственный шаманский танец, подчиненный идеальному ритму.
Эти танцевальные "па" роботов подсказали специалистам по рекламе отличный фокус: женский танцевальный ансамбль ритмично воспроизводил производственные движения роботов. Причем девушки с особой грацией копировали вроде бы монотонные движения своих стальных "партнеров". И получился в сочетании с ритмичной музыкой очень неожиданный номер.
Короткий этот "фильм-концерт" показывала своим гостям на международной выставке "Автоматизация83" финская фирма "Розенлев" - давний торговый партнер нашей страны.
"Мы избрали средства кино, чтобы представить модульную систему роботов, - говорит один из руководителей компании, Матти Ламми. - Модули - это узлы, в совершенстве освоившие те или иные виды движения - прямолинейные, вертикальные, вращательные... Они легко упаковывают в тару и телевизоры, и хлебные изделия, и бревна, распиленные по лучу лазера. Как в детском конструкторе, из модулей можно создавать поистине универсальные роботосистемы..."
Область возможных и экономически выгодных применений роботов первого поколения весьма широка.
Они успешно применяются для обслуживания станков, печей, прессов, технологических линий, сварочных аппаратов, литейных машин и т. п. Они эффективно осуществляют установку, транспортировку, упаковку изделий, простейшие сборочные операции, сварку, литье под давлением, термическую и механическую обработку. Особенно широко они применяются в машиностроении и металлургии.
Сейчас нет, пожалуй, такой области промышленного производства, где бы робот не попробовал свои силы, а попробовав, не завоевал бы престижного положения.
Наибольшее число роботов первого поколения работает в автомобильной промышленности. Волжский автомобильный завод, завод имени Лихачева, автомобильный завод имени Ленинского комсомола не только применяют, но и сами разрабатывают и строят промышленные роботы и автоматизированные комплексы.