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 материалаДокументы

Содержание


2 рычажной компонов­ки с пятью-шестью управляемыми координатами, несущий быстро­сменный рабочий орган 1.
7.3.2. Роботы для сборочного производства
1 — взятия груза; 2 — определения нали­чия тары на исходной позиции; 3 —
7.4. Будущее роботов
Подобный материал:
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

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.