Анализ и обобщение опыта и тенденций создания промышленных роботов в отечественной и зарубежной робототехнике показывает, что все большее распространение получает электромеханический привод промышленных роботов. Впоследние год
Вид материала | Документы |
- Дипломная работа студента, 601.76kb.
- Исать собственные приложения для управления роботами на примере Lego nxt, а также использовать, 76.9kb.
- С применением grid-технологий, 81.79kb.
- История роботов, написанная роботом, 101.24kb.
- Sdfield> Самостоятельная подготовка, 455.42kb.
- Вдокладе описывается технология обучения распределенной системы автономных мобильных, 45.47kb.
- Внушающих уверенность жилищ люди живут в обличии роботов-суррогатов сексуальных, физически, 367.79kb.
- Возможное участие родителей, 108.84kb.
- Анализ работы шмо учителей физики, химии, биологии за 2010-2011 учебный год, 113.58kb.
- Лега В. П. Наука и вера, 152.3kb.
7.3.1. Космические роботы
С незапамятных времен человек интересовался космосом, возможностью жизни на других планетах и установлением контактов с иными цивилизациями, если они существуют. Эта мечта человечества обрела реальную основу XX век характеризуется большими достижениями в завоевании космоса. Человек не только впервые оторвался от Земли, но и уверенно покоряет околоземное пространство, делает успешные попытки изучить ближайшие планеты и «блуждающие странницы» космоса — кометы.
В наше время, после запуска искусственных спутников земли, орбитальных станций и дальних разведчиков вселенной типа системы «Вега», появились серьезные исследования, посвященные научному анализу этой увлекательной проблемы, бывшей до этого только сюжетом научно-фантастических повестей.
Наблюдая стремительный темп исследований космоса, можно утверждать, что существует минимум три принципиально отличных пути исследования космического пространства: направление человека в специальных летательных аппаратах; посылка в космос полуавтоматических телеуправляемых устройств; переброска в космос автоматических устройств, действующих автономно.
Первый путь дает возможность получить наибольший объем информации, хорошо исследован при запуске и эксплуатации на орбите космических кораблей с космонавтами на борту, но сопряжен с большой опасностью для человека и может быть использован только после проведения длительных и всесторонних предварительных исследований. Вспомним, как много было проделано предварительных опытов и полетов, прежде чем Ю. Гагарин •смог подняться в космос и сделать только один виток вокруг Земли.
Второй и третий пути не сопряжены с риском для человека и поэтому могут смело применяться на первых этапах исследования космического пространства. Второй путь проложили отечественные телеуправляемые роботы «Луноход-1» и «Луноход-2» — планетоходы, как назвал их А. Л. Кемурджиан, автор книги «Планетоходы» (М.: Машиностроение, 1982). Третий путь — переброска в космос автоматических, действующих автономно устройств, которые и являются роботами с искусственным интеллектом в полном понимании этого термина.
Современный уровень развития робототехники пока еще не соответствует требованиям, предъявляемым к космическим роботам, главным образом из-за ограниченных возможностей существующих роботов с точки зрения обработки информации. Поэтому в настоящее время ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, рассчитанные на поэтапное создание таких роботов, которые могли бы решать сложные манипуляционные, управленческие и транспортные задачи, доступные сейчас только человеку.
В обозримой перспективе, может быть в 2000 или даже в 2010 г., можно ожидать появление космических роботов с высоким уровнем
искусственного интеллекта, которые могли бы выполнять различные работы:
— переброску научной аппаратуры, грузов и космонавтов по поверхности других планет с помощью специальных транспортных роботов-планетоходов;
— выполнение в космосе сварочных работ с помощью контактной, дуговой и электронно-лучевой сварки (заметим, что сварку в космосе уже неоднократно проводили космонавты аппаратурой, созданной в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР);
— сборку и монтаж конструкций орбитальных космических станций, состоящих из отдельных элементов, доставляемых с Земли;
— проверку и ремонт станций, включая контроль состояния ее поверхности с помощью специальных датчиков, а также различные процедуры по заделке повреждений, трещин и устранению других дефектов;
— обслуживание и ремонт искусственных спутников Земли, орбитальных станций, включая технический уход, изъятие или замену вышедших из строя устройств, их периодическую очистку и заправку топливом;
— выполнение различных производственных процессов в космосе, научно-исследовательских работ и т. д. Глубокий вакуум, невесомость, отсутствие загрязнения создают идеальные условия для выполнения некоторых технологических процессов, как, например, электронно-лучевая сварка, плавка и т. д.
Основной принцип, который, по-видимому, будет прослеживаться во всех технологических направлениях развития космических роботов, состоит в постепенном сокращении пребывания космонавта в открытом космосе за бортом станции и повышении уровня интеллектуальности роботов. Как следствие этого, будут постепенно усложняться их функциональна г возможности.
Для выполнения этой сложной программы исследований можно наметить следующие основные направления работ:
— разработка совершенных методов обучения космических роботов, в том числе специальным проблемно-ориентированным языком;
— создание точных и надежных манипуляторов, способных работать длительное время в условиях невесомости и глубокого вакуума;
— совершенствование систем технического зрения, высокоточных дальномеров и методов обработки получаемой информации;
— разработка широкой гаммы быстросменных рабочих органов;
— создание программного обеспечения для моделирования и управления, планирования действий роботов;
— разработка совершенных источников энергопитания роботов;
— создание сборочных роботов, требующих обобщения данных, поступающих от датчиков внешней информации (оптических, тактильных, усилия, моментов и т. д.).
Особое внимание должно уделяться архитектуре систем управления автономных и телеуправляемых роботов. Она должна быть организована по иерархическому принципу, в котором команды высокого уровня могут постепенно преобразовываться до уровня элементарных команд для двигателей приводов.
Рис. 7.9. Обслуживающий космический робот
Сборка и монтаж конструкций орбитальных станций. Сборочные работы в космосе, их проверка, ремонт и обслуживание искусственных спутников Земли имеют много общего с точки зрения общей схемы выполнения этих операций.
Роботы, предназначенные для сборочных и ремонтных работ, не должны входить в состав и конструкцию искусственного спутника, так как это нецелесообразно. Ведь такой робот с системой управления будет использоваться весьма редко, а масса его будет достаточно велика. Примерно такие же соображения, хотя может быть не столь очевидные, можно высказать и по отношению к орбитальным космическим станциям. Таким образом, можно сформулировать идею, что космические обслуживающие роботы должны существовать отдельно и могут быть использованы для разных объектов по мере необходимости в ремонте и обслуживании. По-видимому, такой обслуживающий робот будет сложнее, нежели робот, установленный непосредственно на спутнике, но зато он может обслуживать несколько объектов. Такой принцип технического обслуживания давно принят в земных условиях и хорошо себя зарекомендовал.
Обслуживающий робот может иметь различный внешний вид. Один из вариантов [53] представлен на рис. 7.9. Робот состоит из цилиндрической оболочки 8, в центре которой имеется стыковочный узел 3, обеспечивающий точное и неподвижное соединение робота е обслуживаемым объектом. Следует отметить, что обеспечение жесткого взаимного расположения робота и обслуживаемого объекта совершенно необходимо, так как в условиях невесомости даже небольшое усилие может повлечь за собой разъединение их в пространстве и последующее неуправляемое движение. Кроме того, обслуживание объекта всегда в одном и том же положении существенно упрощает задачу управления манипулятором.
На оси штыря расположен манипулятор 2 рычажной компоновки с пятью-шестью управляемыми координатами, несущий быстросменный рабочий орган 1. Внутри цилиндрической оболочки расположены гнезда, в которых находится система управления манипулятором, набор рабочих органов различного назначения, запасные блоки 6 и модули 7 для замены вышедших из строя, прямолинейные направляющие 4, механизм крепления сменных модулей 5. По-видимому, такой обслуживающий робот должен иметь свою систему управления и бортовые двигательные установки для некоторого перемещения его в пространстве.
Конечно, такой принцип обслуживания и ремонта космических объектов предъявляет к конструкторам большие требования по созданию взаимозаменяемой модульной конструкции, например, спутников. Ведь замена вышедшего из строя блока должна быть достаточно простой в технологическом отношении. Заметим, что модульный (агрегатный) принцип давно получил распространение в промышленности всех стран, является единственным целесообразным путем создания широкой гаммы конструкций из ограниченного набора стандартных модулей и, несомненно, найдет широкое применение и в конструкциях космических объектов.
Проблема создания и применения специальных обслуживающих космических роботов находится на первом этапе своего развития, когда обсуждаются основные принципиальные вопросы. Возможно, что мы еще станем свидетелями появления первых экспериментальных образцов таких роботов.
7.3.2. Роботы для сборочного производства
В последние годы во многих странах интенсивно развивается роботизация сборки. Это становится одним из ведущих направлений применения роботов в промышленности. Прежде всего надо сразу уточнить, что речь идет о роботизации мелкосерийного и серийного производства. В условиях массового и крупносерийного производства, удельный вес которого составляет примерно 25 %, применение роботов, в том числе и для автоматизации сборки, нецелесообразно — там могут быть использованы другие автоматические устройства и системы, имеющие жесткие системы управления.
Удельный вес сборки в общем цикле изготовления изделия колеблется в широких пределах — от 20 до 60 % (чаще 30 %).
Рис. 7.10. Экспериментальный образец робота «Хитачи Кº» с искусственным интеллектом для сборки сложных изделий
Характеристика и особенности сборочного производства приведены в п. 5.4. Можно сформулировать три основных правила роботизации сборки:
1) простое решение задачи роботизации возможно в условиях высокоорганизованной внешней среды, повторяющихся размерных характеристик и пространственных положений деталей и собираемых изделий при отсутствии существенных различий в их форме и конструкции;
2) сложность проблемы роботизации сборки может быть снижена, если создать условия, при которых робот сможет оперировать деталями или узлами по одному и тому же алгоритму, считая, что все поступающие детали строго одинаковы;
3) для определения всех изменений, возникших в процессе сборки, необходимо, чтобы робот был оснащен соответствующей адаптивной системой и искусственным интеллектом для перестройки работы механической системы манипулятора.
На основании изложенного можно с уверенностью утверждать, что применение роботов первого поколения (промышленных роботов) для сборки возможно только при соблюдении ряда очень серьезных требований.
Приведенные выше соображения позволяют автору сформулировать следующие основные требования к роботам с искусственным интеллектом применительно к процессам сборки!
1. Робот может быть стационарным или подвижным. Стационарный робот должен иметь зону обслуживания, гарантирующую доступ ко всем точкам собираемого изделия. Подвижный робот необходим только при сборке изделия с большими габаритными размерами, например, самолета.
2. Робот должен иметь совершенный манипулятор (один или несколько), обеспечивающий выполнение всех технологических процессов сборки во всех точках собираемого изделия.
3. Робот должен быть оборудован системой технического зрения, способной дать необходимую информацию об окружающей среде, собираемом изделии и деталях к нему.
4. Робот должен иметь искусственный интеллект, который обеспечит принятие решений в любой сложившейся ситуации.
5. Программирование процесса сборки желательно осуществлять с помощью сборочного чертежа изделия. Заметим, что такой сборочный чертеж, по-видимому, будет несколько отличаться от обычных сборочных чертежей, которые выполняются для человека-сборщика.
6. Робот должен быть оборудован быстросменными рабочими органами, которые обеспечат выполнение всех операций сборки (взятие детали, ее удержание, обработку отверстий, сварку и т. д.).
В качестве примера на рис. 7.10 показан экспериментальный образец робота фирмы «Хитачи К°» с искусственным интеллектом для сборки сложных изделий. Робот имеет два манипулятора с разветвленной системой восприятия информации с семью телекамерами. Роботом управляют две ЭВМ.
7.3.3. Робокары
Робокаром называют подвижный робот, предназначенный для автоматизации транспортных средств в гибких автоматизированных производствах и гибких производственных системах.
Задача создания подвижного робота типа робокара не входит непосредственно в проблему роботов с искусственным интеллектом, но тесно к ней примыкает и может рассматриваться как первый шаг на этом пути. Поэтому автор считает возможным познакомить читателя с этими интересными устройствами.
Робокары предназначены для перемещения заготовок и деталей в ГПС между технологическим оборудованием — металлорежущими станками разного типа, в том числе обрабатывающими центрами, автоматизированными складами и другими видами оборудования. Робокары могут перемещаться по заранее обозначенным трассам, например, вдоль проложенных металлических полос на полу цеха либо в произвольных направлениях по соответствующим маршрутам, диктуемым требованием технологии. Движение робокара определяется специальными бесконтактными датчиками; они имеют автономное питание от аккумуляторных батарей и бортовую ЭВМ, которая связана с центральной ЭВМ, управляющей работой всей ГПС.
Рис. 7.11. Общий вид робокара и схема расположения датчиков внешней информации:
Датчики: 1 — взятия груза; 2 — определения наличия тары на исходной позиции; 3 — открытия захватного устройства манипулятора; 4 — определения наличия тары в ячейках платформы; 5 — остановки робокара; 6 — коррекции положения робокара на рабочем месте; 7 — опознавания объектов; 8 — связи в ЭВМ; 9 — слежения за направляющей полосой; 10 — безопасности движения (на бампере)
В качестве примера можно привести описание робокара, разработанного и изготовленного в НИAT и демонстрировавшегося на Выставке достижений народного хозяйства в Киеве в 1986 г. (рис. 7.11).
Грузоподъемность робокара составляет 500 кг, регулируемая скорость движения не более 1 м/с, точность остановки робокара относительно позиции загрузки-выгрузки не менее ± 2 мм, габаритные размеры 2000х700х400 мм.
В настоящее время существуют и другие варианты использования робокаров, когда он несет на себе изделие, например, кузов легкового автомобиля, предварительно собранный в специальном кондукторе и предназначенный для контактной точечной сварки и последующей окраски. В начале своего пути робокар с кузовом автомобиля проходит специальное измерительное устройство и затем начинает двигаться по цеху, поочередно проходя посты, где выполняются соответствующие технологические операции. Так организована автоматизированная система «Робогейт», созданная концерном «Фиат» совместно со станкостроительной фирмой «Комау».
Авторы этой разработки соглашаются с тем, что такая система сложнее и дороже, чем традиционный конвейер, но показывают ее преимущества, главное из которых — высокая гибкость в условиях мелкосерийного и серийного производства. В системе «Робогейт» устройство управления робокара достаточно сложное, так как, кроме задачи транспортирования изделия, робокар несет большой объем информации конструктивного и технологического характера.
Следует полагать, что в будущем робокары будут совершенствоваться в направлении повышения уровня искусственного интеллекта для решения навигационных, технологических и информационных задач.
7.4. Будущее роботов
Картина мира, где роботы свободно перемещаются по всей Земле, активно помогают людям и готовы взяться за любую опасную и тяжелую работу, способна увлечь воображение каждого; однако
прежде, чем она станет реальностью, ученым потребуется преодолеть множество серьезных преград и решить несколько важных проблем. В том, что такое будущее наступит, предположительно в XXI в., у автора нет никаких сомнений. Существует много причин, приводящих к неизбежности такого будущего. Вот одна из них.
Сейчас численность роботов на предприятиях невелика, но их применение непрестанно расширяется и с течением времени станет массовым явлением. Они будут также необходимы и привычны, как сейчас телевизор или автомобиль.
Причина тому проста, но весома — они нужны человеку. В свою очередь, и человек необходим им для нормального функционирования. Такая ситуация оценивается как симбиоз. Под симбиозом понимают, как известно, совместную жизнь двух различных видов живых организмов при взаимовыгодной связи. Можно ли это понятие применить в нашем случае к таким слишком уж различным категориям, как человек и сравнительно примитивный автомат — промышленный робот?
Рассмотрим в качестве примера участок цеха, где на контактной точечной сварке работает несколько роботов. Человек определяет их нагрузку, программирует, удовлетворяет их нужды в обслуживании, проверяет работу, обучает их и заботится о них. Роботы в этой симбиотической связи освобождают человека от тяжелого, монотонного и часто утомительного физического труда. Не вызывает сомнения целесообразность и взаимная полезность такой связи. Совершенствование и распространение роботов неизбежно приведут к укреплению и расширению этих связей.
Можно было бы привести и другие причины, в частности исключение фактора опасности при проведении исследований в экстремальных ситуациях: в космосе, под землей, в океанских глубинах, зонах высокой радиоактивности и т. д.
Можно определить проблемы, которые надо решить в обозримо короткое время для того, чтобы робот действительно стал другом и активным помощником человека. К ним относятся разработка органов чувств, создание искусственного интеллекта высокого уровня, разработка движущихся роботов и обучение роботов различным профессиям. Последняя задача — одна из самых близких и реальных, роботы нашего времени умеют выполнять множество работ, некоторые из них они выполняют лучше и быстрее человека.
Проблема создания искусственного интеллекта очень сложна, о ней говорилось в разделе «Роботы с искусственным интеллектом» и повторяться нет оснований. Остальные две требуют пояснений.
Для того чтобы робот стал достойным помощником человека, необходимо снабдить его органами чувств, обеспечивающими прием внешней информации об окружающей среде. Только в этом случае можно создать предпосылки для превращения промышленных роботов, которые пока действуют чисто механически, подчиняясь приказам человека, в устройства, действительно обладающие способностью к адаптации и элементами интеллекта, т. е. умением самостоятельно «мыслить», реагировать на изменения в окружающем мире и принимать хотя бы простейшие решения. В перспективе необходимо создать роботы, которые могли бы воспринимать явления окружающей среды так же, как и люди; такие роботы должны обладать зрением, слухом, осязанием и, может быть, даже обонянием. Некоторые классы или типы роботов должны обязательно оснащаться специальными датчиками радиоактивного излучения. В лучшем варианте роботы должны общаться с людьми на обычном, естественном языке. Можно предположить, что между собой роботы будут общаться на «своем», специальном языке.
В настоящее время проблема создания движущихся роботов находится в начале своего развития. Роботы малоподвижны, неуклюжи, тихоходны. Несмотря на весьма скромные успехи в этой области, движущиеся в пространстве устройства обладают удивительной притягательной силой. По какой-то необъяснимой логике они кажутся более «живыми», чем стационарные, даже очень совершенные автоматические устройства. Ведь всегда наибольший интерес вызывают рассказы о путешествиях и живых существах, способных передвигаться в пространстве и времени. И это вовсе не пустая прихоть человеческой психологии, а отражение некоего фундаментального принципа. Окружающий нас мир отличается огромным разнообразием, и именно путешественник непрерывно попадает в новую обстановку, сталкиваясь с необходимостью по-новому реагировать на вызов, который бросает ему природа. Те механизмы, которые способны перемещаться, как правило, имеют дело с более разнообразными условиями, чем те, которые находятся всегда на одном месте.
Жизнь на Земле можно рассматривать, как грандиозный эксперимент по отбору различных видов и их эволюции. Можно сказать, что разум (интеллект) человека возник благодаря подвижности организма. Такой же отбор, по-видимому, будет определять и эволюцию роботов, и может быть именно движущиеся роботы позволят лучше справиться с некоторыми неразрешимыми в настоящее время проблемами искусственного интеллекта. К числу таких проблем относится вопрос о целенаправленных логических рассуждениях и процесс обучения на основе накопленного опыта.
Движущийся робот способен производить свободный поиск в окружающем его мире и выполнять сложные целенаправленные действия.
Немалые трудности вызывает задача создания компактных и достаточно мощных приводов, которые могли бы обеспечить движение роботов в пространстве и перемещение его рабочих органов — «рук» и «ног». Вряд ли при серьезном научном и инженерном подходе эта задача может оказаться неразрешимой. В настоящее время в нашем распоряжении имеются громоздкие гидро- и пневмоприводы, насосные станции и двигатели относительно больших размеров. Эти типы приводов не могут быть базой для создания совершенных кинематических механизмов, обладающих необходимым быстродействием, точностью и мощностью. Однако уже созданы электродвигатели малых размеров, позволяющие получить нужные параметры.
Можно полагать, что в ближайшие годы в этом направлении будут достигнуты значительные успехи.
Несмотря на то, что проблема создания и применения роботов различных поколений находится в начале своего развития и сегодня еще трудно предвидеть все последствия в будущем, жалеть усилий, времени и средств на ее развитие нельзя, это было бы недальновидно.
Следует полагать, что роботы с искусственным интеллектом будут развиваться по пути создания профессиональных, проблемно-ориентированных моделей. Нет никакого сомнения в том, что среда обитания робота будет накладывать свей неизгладимый отпечаток на форму, конструкцию робота и методы управления им. В этом просматривается принципиальная разница в качестве процесса эволюции человека и робота.
Человеку свойственно приспосабливаться к окружающей среде в значительной степени, но у роботов границы приспособления к экстремальным условиям обитания будут значительно шире. Робот может и должен приобретать новые формы, механизмы и конструктивные особенности. Можно сказать, что робототехника конца XX в. развивается во многих направлениях, идет поиск наиболее целесообразных областей применения роботов и, конечно, их конструкций.
В стратегическом плане успехи в развитии робототехники будут в значительной степени зависеть от того, как скоро определятся эти главные направления и области применения интеллектуальных роботов.
Уместно отметить, что сейчас иногда говорят о роботах следующих поколений, особенно когда описывают появившиеся недавно в Японии робот-гид по выставке, робот-художник, который рисует с натуры, и другие интересные образцы. Автор не склонен считать правильным такой подход. Не в увеличении количества поколений задача. Такой подход только усложнит терминологию и не принесет конкретной пользы.
Один из важных факторов, которые будут решающим образом влиять на развитие робототехники в будущем,— миниатюризация средств вычислительной техники, увеличение быстродействия и существенное повышение надежности их работы. Если в этом направлении не будут достигнуты решающие результаты, то робототехника будет развиваться только в теоретическом плане и в виде создания лабораторных и экспериментальных образцов, малопригодных для широкого использования.
Большое влияние на проблему создания роботов с искусственным интеллектом может оказать бионика. Изучение принципов построения и функционирования биологических систем с целью создания новых машин и устройств может оказаться плодотворным направлением в области робототехники. Особое место занимает нейробионика, которая изучает и реализует в технических устройствах принципы переработки информации в нервной системе человека и животных.
В частности, следует отметить такое важное обстоятельство. В современных робототехнических системах преобразование дискретной информации в аналоговую, непрерывную происходит с помощью специальных преобразователей «аналог — код» или «код — аналог», причем иногда при таком преобразовании уменьшается точность измерения сигнала.
С этой задачей успешно, без всякого труда, справляются живые организмы. Тут есть над чем подумать разработчикам систем управления роботов. Проблема взаимодействия человека с роботом привлекает внимание специалистов и считается очень важной и перспективной задачей в робототехнике. Если говорить о взаимодействии человека с роботом первого поколения, то эта задача решена достаточно полно. Симбиоз человека и робота первого поколения привел к частичному перераспределению обязанностей и сфер деятельности. Человек оставил за собой право творца роботов, обучает роботы и обслуживает их. Что касается последней обязанности, то автор совершенно уверен в том, что это временное явление. Пройдет немного времени и роботы будут обслуживать себя сами.
Существует мнение, и его придерживается автор, что создание и применение роботов вообще и роботов с искусственным интеллектом в частности принесет человечеству большую пользу. Однако не следует думать, что социальные и другие последствия таких исследований будут только положительными.
Прежде всего, нельзя забывать о том, что исследования в этом направлении требуют больших капиталовложений, которые должны поступать из общественных фондов и которые могут быть использованы в других направлениях, может быть более нужных. Кроме того, нельзя не думать и о том, что исследования в области роботов с искусственным интеллектом могут быть успешно использованы в военных целях, о чем встречаются краткие сообщения.
В книге «Творец и робот» известный ученый Норберт Винер писал: «Будущее оставляет мало надежд для тех, кто ожидает, что роботы создадут для нас мир, в котором мы будем освобождены от необходимости мыслить. Помочь они нам могут, но при условии, что наша честь и разум будут удовлетворять требованиям самой высокой морали».
Нет сомнений, что время откроет новые, увлекательные страницы такой перспективной, интересной и полезной проблемы, как робототехника.