Роботы

Корни современной автоматики и робототехники связаны с египетской Александрией – научным центром античного мира. Так, механик Ктесибий считается изобретателем поршневого насоса, водяных часов. Герон Александрийский оставил несколько сочинений по механике и автоматике. Словом «автомат» он называл театральные и культовые приборы, в которых важную роль играли подвижные фигурки людей.
Трон византийских императоров охраняли два механических льва, начинавшие рычать, когда к нему приближались иностранные послы.
Немецкому ученому Альберту Великому приписывают создание механического слуги, служившего хозяину на протяжении 30 лет.
В тетрадях Леонардо да Винчи сохранились записи, где он пытается установить соответствие между отдельными органами человека и механизмами. Французский математик и философ Р. Декарт утверждал, что тела животных представляют собой не что иное, как сложные механизмы. Говорить так о человеке Декарт воздержался, поскольку в те времена это было небезопасно. Предпринимались также попытки объяснить работу человеческих органов механическими причинами. Так, английский врач У. Гарвей, открывший большой круг кровообращения, сравнивал сердце с гидравлической машиной.
В XVI–XVII вв. на стыке физиологии и механики возникло новое направление, получившее название ятромеханики. Его представитель, профессор Мессинского университета Дж. А. Борели, написал книгу «О движении животных», изданную в 1680 г. в Риме. В ней описывались структура, форма, действие и сила мускулов животных и человека, излагалось учение об их движениях. Также были собраны сведения о сокращении мускулов, движениях сердца, кровообращении, о работе органов пищеварения с расчетами и примерами механических аналогий. Л. Эйлер и Д. Бернулли в XVIII в. рассматривали вопросы тока крови и движения мускулов, прибегая к механическим аналогиям.
Идею создания механических животных мы находим в работах французского механика Ж. де Вокансона. Его аппараты моделировали движения своих прообразов. Так, созданная им утка вытягивала шею, чтобы брать из рук зерно, проглатывала и переваривала его. Она пила, барахталась в воде, издавала звуки, ее движения полностью соответствовали движениям настоящей утки. Процесс питания был продуман вплоть до переваривания в растворе кислоты пищи в желудке и испражнения. Крылья утки были воспроизведены так точно, что к ним не мог придраться ни один анатом.
Среди других моделей Вокансона были пианист, игравший на рояле, он поднимал голову и имитировал дыхание, а также игрок на флейте, который пел, аккомпанируя себе и отбивая такт ногой. Механик умер, не достигнув своей цели – построить модель человека с сердцем, артериями и венами.
Французский изобретатель Г. Майярде сконструировал фигуру писца, который мог писать несколько строк французского и английского текста и рисовать три пейзажа. Он также создал механического прорицателя, отвечавшего на ряд вопросов, и нескольких животных: змею, ящерицу, мышь, выполнявших ряд движений. Среди его работ была также птица, которая летала, пела и возвращалась в свое гнездо.
После промышленного переворота в первой половине XVIII в. многие изобретатели занимались созданием различных машин для ткацкого производства. Так, Вокансона занимали не только автоматы, но и ткацкие станки. Его соотечественник Жаккар в конце XVIII в. создал приспособление для производства шелковых тканей, а позже усовершенствовал его при помощи перфорированной призмы и перфокарт, что позволило производить ткани с запрограммированным рисунком.
На рубеже XVIII–XIX вв. Л. Карно, Г. Монж, А. Бетанкур и другие ученые создали науку о машинах. Русский ученый П. Л. Чебышев в середине XIX в. разрабатывал проблему структуры и синтеза механизмов. Он изобрел два оригинальных механизма – стопоходящий и гребной.
В 20–30?е годы XX в. советский физиолог Н. А. Бернштейн заложил теоретические основы биомеханики. Он показал, что движителем жизни является некоторое уравновешивание системы организм – среда. Он работал в биомеханической лаборатории Центрального института труда (ЦИТ) в Москве. В 1947 г. вышла его книга «О построении движений», в которой содержались главные положения новой науки о функционировании человеческого организма: кольцевой принцип управления, иерархия управляющих систем, цикличность, зависимость деятельности управляющей системы от управляемой и т. п. Позже на основе биомеханики была создана биокибернетика.
Впервые слово «робот» было употреблено в пьесе чешского писателя К. Чапека «Р. У. Р.». Автором удачного термина был не сам Карел Чапек, а его брат Йозеф. Карел предполагал назвать своих искусственных людей «лаборжи», но название показалось ему слишком книжным. Тогда Йозеф предложил назвать эти машины роботами от чешского «робота» – тяжелый труд.
В 20?х гг. в США появился первый автоматический цех, изготавливавший валик для коробки скоростей. В 1932 г. была построена первая автоматическая электростанция, в 1932 г. – первая автоматическая линия металлообрабатывающих станков.
Автоматические линии оказались выгодными при крупносерийном производстве, их стали внедрять в процессах по изготовлению подшипников, деталей двигателей, спичек, патронов, электролампочек, консервных банок, книг. Наиболее полная автоматизация по принципу поточного производства могла быть достигнута в масштабах целого завода.
В 1949 г. в СССР был введен в строй первый завод?автомат, выпускавший автомобильные поршни. Он управлялся 5 операторами и давал до 3500 поршней в смену.
В 50?е гг. с появлением электронно?вычислительных машин автоматизация производства стала комплексной, охватывающей все машины и агрегаты цеха. В конце 50?х гг. президент Академии наук СССР А. Н. Несмеянов определил задачу разработки теории производственных процессов как науки, основанной на точных знаниях. На повестку дня была поставлена задача соединения станков с электронно?вычислительными машинами, использование ЭВМ в различных производственных процессах и операциях, подход к автоматизации как к единому целостному процессу, а также автоматизации отдельных важных звеньев производства: транспортировки и перемещения предметов труда, установки обрабатываемых изделий в необходимое положение.
Для осуществления этой задачи требовалось пересмотреть весь технологический процесс для полной автоматизации линий сборки, термической обработки токами высокой частоты и лазерной обработки, контрольных операций.
По такой технологии в 1960 г. был построен Краснодарский завод?автомат по производству цепей для сельскохозяйственных машин.
В 1958 г. американская фирма «Пленит корпорейтед оф лансинд» изготовила модель программируемой механической руки, названной планобот. Она предназначалась для загрузки – разгрузки станков и других машин. Планобот имел 45 различных запрограммированных положений кисти «руки» и возможность ее вращения в запястье.
В 1961 г. фирма «Дженерал моторе» изготовила «хардимена» (стойкого человека). В нем были совмещены идеи двух устройств: усилителя силы мускулов и усилителя механической мощности человека. «Хардимен» мог переносить груз весом до 454 кг.
Первые промышленные образцы автоматических манипуляторов, имитировавших человеческую руку, были созданы в 1962 г. американскими фирмами «Юнимейшен инкорпорейтед» и «АМФ Версатран». Впоследствии такие манипуляторы назвали промышленными роботами.
Конструкции манипуляторов обеих фирм во многом были схожи. Оба они предназначались для межоперационного переноса изделий, были перепрограммируемыми, эффективно заменяли нескольких человек. Одинаковым был и их состав: механические схваты руки со многими степенями свободы, устройства позиционирования для перемещения механической руки, устройство памяти с информацией о последовательности операций.
Различия между машинами состояли во внешнем виде и конструктивном исполнении. По?разному осуществлялись их движения, что определялось разницей в структуре управления роботами. Рука «Версатрана» двигалась в цилиндрической системе координат и могла выполнять движения по вертикали, горизонтали, поворачиваться вокруг оси колонны. Кисть была способна делать вращательные движения и разворачиваться.
Рука «Юнимейта» работала в сферической системе координат. Она могла делать повороты в вертикальной и горизонтальной плоскостях, продольные движения, а кисть – разворот и наклон.
«Версатран» имел гидравлический привод для перемещения руки, а «Юнимейт» – гидравлический для приводов манипулятора и пневматический в системе схвата.
Управление обоими роботами состояло из четырех процедур: обучение, заключающееся в запоминании заданных операций; запоминание программы (информации); ее воспроизведение (считывание) и обработка программы, связанной с преобразованием информации и организацией выполнения рабочих операций.
Управление роботами первого поколения осуществлялось с помощью двух методов: «от точки к точке» и контурного.
Управление «от точки к точке» также осуществлялось системой управления с разомкнутым контуром. Метод применяется в операциях загрузки – разгрузки, штабелирования и т. п. Для осуществления каждого из трех движений требовалось до 30 потенциометров, благодаря чему можно было выбирать 30 последовательных позиций руки. При подаче команд кисть могла двигаться от упора до упора.
При контурном управлении рука робота двигалась по непрерывно контролируемой траектории. Подобные движения программировались с помощью магнитных носителей, при этом после записи программы методом обучения было возможно ее многократное воспроизведение.
Наряду с программируемыми в 1960?е годы появились дистанционно управляемые руки, или телехирики. Они устанавливались на подвижных машинах, выполняя опасную для человека работу в экстремальных условиях: в зоне повышенной радиации, в океанских глубинах, в огне или далеком космосе.
Одной из первых машин с телехириком был танк лаборатории вооружения в штате Нью?Мексико под названием «Битл». На 80?тонной машине были установлены 2 пятиметровые руки для переноса опасных грузов. Позже с целью улучшения управления телехириками стали устанавливаться телевизионные камеры для обратной связи.
Первый телехирик для работы под водой был построен Океанографическим институтом Скриппса и назывался «Рум». Потом был создан КУРВ, поднявший потерянную американским бомбардировщиком водородную бомбу с 750?метровой глубины.
Эру космической робототехники открыл советский космический телеуправляемый аппарат «Луна?17». В 1971 г. он совершил посадку на Луне в районе Моря изобилия, взял образец грунта и доставил его на Землю.
Более высоким, по сравнению с манипуляторами, уровнем организации управления обладали автооператоры, или интегральные роботы. В отличие от промышленных роботов, автооператоры дополнялись устройствами главной обратной связи, которая должна была обеспечить автоматическое перемещение самого устройства и (или) его рабочих органов при условии координации действий с состоянием окружающей среды. Автооператоры бывают двух типов – мобильные и локальные.
Первым мобильным автооператором стала разработанная в 1967 г. в Стенфордском университете тележка «Шейки». Мобильные операторы, в частности предназначенные для исследования Марса, должны были уметь смотреть и ощупывать, двигаться вперед и назад, наносить данные на карту, поддерживать свое рабочее состояние и т. п. В зависимости от поступающей информации автооператор мог переопределять условия, при которых выбирались различные типы поведения, вырабатывая таким образом условные рефлексы и привычки.
Локальные операторы представляли собой рабочие органы машин с замкнутыми внешними обратными связями. Одним из первых образцов такой системы была «рука Эрнста» – проект системы «глаз– рука», созданный в Массачусетском технологическом институте США. В этом аппарате внешняя обратная связь механической руки с внешней средой осуществлялась благодаря каналу машинного зрения. Автооператоры принадлежали ко второму поколению роботов, они могли менять свои действия в зависимости от изменения окружающей среды.
К классу робототехнических систем относятся различные машины, предназначенные для замены ручного труда. Это могут быть робототехнические системы для очистки и мойки стен и окон зданий, взятия проб грунта, выполнения работ в труднодоступных для человека местах. К ним относят также роботов, использующих в качестве рабочего инструмента лазер.
Эргатические роботы характеризуются наличием элементов гуманистичности, т. е. зависимости от человека и его управляющих свойств. Иначе их можно назвать «система человек – робот». Для управления машиной можно использовать различные проявления человеческой жизнедеятельности: движение, жестикуляция, дыхание, изменение теплопродуктивности и т. п. Одним из примеров такой системы могут служить протезы человеческих конечностей, управляемые биопотенциалами человеческого организма. Первая модель человеческой руки была создана в СССР в 1957 г. А в 1960 г. в Москве на конгрессе по автоматическому управлению 15?летний юноша, у которого не было кисти руки, взял протезом кусок мела и написал на доске: «Привет участникам конгресса!»
Для управления манипуляторами, работающими в опасных зонах, были разработаны копирующие системы, повторяющие движение руки оператора. Они состоят из управляющего механизма (рукоятки), приводимого в движение человеком и исполнительного (захвата), непосредственно выполняющего необходимые действия.
Для того чтобы робот мог получать информацию об окружающем мире, были разработаны зрительные, слуховые, тактильные датчики, позволяющие ориентироваться в пространстве.
В зрительных анализаторах применяются фотоэлементы. В простейших случаях, например, когда необходимо считать детали на конвейере, на счетчик направляется луч света. В том случае, когда луч пересекается движущейся деталью, это улавливает фотоэлемент и заставляет срабатывать счетчик.
В некоторых устройствах моделируется способность глаза голубя избирать объекты, движущиеся в одном направлении. Так, в роботах?луноходах применялась система зрения, включавшая моторы, направляющие поверхность солнечных батарей постоянно в сторону Солнца. Для разработки системы, опознающей цель и следящей за ней, использовался глаз лягушки.
Слуховые анализаторы роботов способны распознавать человеческий голос и речь. Они могут выполнять команды оператора при управлении автомобилем или самолетом, настраивать музыкальные инструменты и аудиотехнику. Некоторые роботы предназначены для распознавания сигналов гидролокационного устройства с целью обнаружения подводных лодок.
В 1970?е годы началось создание роботов третьего поколения. Они, помимо сенсорной системы и исполнительных механизмов, имели искусственный интеллект – специализированную ЭВМ с набором программ. На основе информации, идущей от сенсорных датчиков, они формируют модель внешнего окружения и выбирают программу действий.
Сейчас роботы получили широкое применение на заводах, в исследовании океанских глубин и планет Солнечной системы. Они заменяют пожарных и саперов.
Роботы совершенствуются благодаря развитию компьютерных технологий, появлению материалов с новыми свойствами.