Владимир Бусленко - Наш коллега - робот
Во второй половине 50-х годов советская школа теории механизмов и машин начала заниматься проблемами роботов и манипуляторов. В марте 1958 года на Втором всесоюзном совещании по основным проблемам теории механизмов и машин выдающийся советский ученый И. Артоболевский поставил проблему стыковки науки о механизмах и кибернетики. Он указал- на работы по созданию биоэлектрической системы управления механической рукой, которые были выполнены коллективом ученых Института машиноведения.
В июле 1965 года в Москве был созван первый симпозиум по теории и принципам устройства манипуляторов. Симпозиум открывался докладом А. Кобринского и Ю. Степанова, освещающим основные проблемы теории манипуляторов.
В 60-х годах практические модели подобных устройств разрабатывали многие специалисты нашей страны. В 1968 году в Ленинградском политехническом институте имени М. И. Калинина при участии ученых Ленинградского института авиационного приборостроения и Института океанологии АН СССР была создана модель робота для проверки возможностей ее использования при глубоководных работах. В это же время были начаты работы по созданию промышленных роботов с так называемым числовым программным управлением (ЧПУ). В 1971 году уже функционировали первые опытные образцы: универсальный манипулятор УМ-1, созданный под руководством П. Белянина и Б. Родина, робот "Универсал-50" под руководством Б. Сурина, а также робот УПК-1 под руководством В. Аксенова.
Манипулятор УМ-1 был первым отечественным роботом, применяемым на серийных предприятиях нашей страны. В 1972-1973 годах впервые в СССР было освоено серийное производство промышленных роботов УМ-1.
Широкий размах приобрели исследования и разработки промышленных роботов за рубежом. В 50-х годах американский изобретатель Дж. К. Девол запатентовал принцип универсальной вспомогательной машины.
В 1958 году ему удалось начать научно-конструкторские работы, а в 1962 году фирма "Юнимейшен" выпустила первые промышленные роботы модели "Юнимейт Марк II". Эта довольно громоздкая машина благодаря высокой надежности, неприхотливости и хорошим динамическим качествам ухитрилась не устареть до сих пор.
Вот уже более двадцати лет роботы семейства "Юнимейт", не претерпев существенных изменений, выпускаются и используются в промышленности.
Таким образом, на Западе первыми были признаны и нашли сбыт американские промышленные роботы "Юнимейт" и "Версатран", разраоотанные фирмами "Юнимейшн" и "Американ машин энд Фаундри". За ними рядами двинулись в производство когорты роботов:
"Аутохэнд" и "Флексимен", "Праб", "Аутобот" и "Трансфербот", "Мобилити", "Трансива", "Минитрен" и т. д. и т. п. Предприниматели поняли, что использование робота сулит немалые прибыли. В одной из статей, посвященных появлению роботов на заводах США, в частности, говорилось: "В металлообрабатывающей промышленности появился новый тип производственного рабочего. Он не состоит в профсоюзе, не пьет кофе в обеденный перерыв, работает по двадцать четыре часа в сутки и не интересуется пособиями или пенсионной оплатой. Он осваивает новую работу за несколько минут и всегда выполняет ее хорошо. Он никогда не жалуется на жару, пыль и запахи и никогда не получает увечий на работе. Он - промышленный робот".
В 1976-1982 годах в промышленность нашей страны было внедрено около 10 тысяч отечественных автоматических манипуляторов. По их количеству наша страна занимает сейчас второе место в мире после Японии.
В текущем пятилетии народное хозяйство получит еще 40-45 тысяч промышленных роботов. Они дадут около 500 миллионов рублей экономии.
Возникает вопрос: действительно ли промышленный робот должен быть похож на человека, в какой степени важно его "человекообразие"? Ответ на этот вопрос весьма прост: в той степени, в какой робот должен заменить человека на его рабочем месте.
Человек создал вокруг себя целый мир, приспособленный к нашей собственной природной "конструкции": мебель, лестницы и двери в доме, инструменты и станки в цехе, индикаторы и ручки управления в автомобиле, метро и трамвае. Все, буквально все приспособлено "под человека". Машина, которая сможет постоянно действовать рядом с человеком (коллега-робот), использовать рассчитанные на человека вещи, должна, очевидно, походить на человека. Это и экономно (не нужно переделывать техносферу), и разумно. Таким образом, человекоподобный робот или антропоморфный механизм-манипулятор не фантастика, а насущная реальность. Вот почему, начиная со времени первых андроидов и до сего дня, происходит колоссальный процесс самопознания человека, моделирования функций живого. Человечество как бы действует по принципу: "Построим копию - мижет быть, поймем, как действует оригинал". Таким образом, основная проблема роботехники состоит в осознании основных механизмов движения, ощущения и мышления и их моделирования в поведении роботов.
Роботы первого поколения моделируют двигательные функции человека и животного, они берут и кладут, поднимают и опускают, вынимают, встряхивают, кроме того, робот ходит, скачет, перелезает и марширует.
Роботы второго поколения моделируют функции ощущения; они видят и слышат, обоняют, осязают и высматривают.
Наконец, роботы третьего поколения моделируют функции мышления: узнают и вспоминают, соображают и пробуют, ошибаются и учатся на ошибках.
Изучая и применяя различные поколения роботов, мы должны хорошо понимать, что сами роботы - это всего лишь часть единой системы - нашей технической цивилизации. Составляющие робота: манипуляторы, микрокомпьютеры, датчики и т. п. - производные этой единой системы. Рассматривать любой элемент этой совокупности отдельно, оторванно от всего целого - значит намеренно сузить поле нашего зрения, оставить за бортом все море фактов и сосредоточиться на той лужице, которая случайно образовалась на палубе нашего корабля. Поэтому, описывая эволюцию промышленных роботов, мы будем иногда отвлекаться от основной темы, чтобы не потерять этого цельного видения.
РОБОТЫ ПЕРВОГО
ПОКОЛЕНИЯ
ОБУЧАЕМЫЕ
МАНИПУЛЯТОРЫ
ЖИЗНЬ - ЭТО ДВИЖЕНИЕ
Роботы первого поколения с успехом воспроизводят двигательные функции человека. Они берут и кладут, поднимают и опускают, вынимают и вставляют, переворачивают и встряхивают, достают и опрокидывают.
Все это разнообразие движений, умноженное на современный промышленный инструментарий, позволяет роботу не только перемещать детали и заготовки, но и красить, шлифовать, сваривать и резать, упаковывать и маркировать, сортировать и отбраковывать и даже стричь, рисовать, играть на пианино и резать по мрамору.
Чудо человеческого движения: плавные па балерины, точные движения рук хирурга, творящие пассы скульптора, микроскопические движения ювелира... какая бездна тончайшей координации, какая свобода движения!
Любое тело, находясь в свободном состоянии, имеет шесть "степеней свободы", оно может перемещаться вдоль трех координатных осей и вращаться вокруг них.
Рука человека имеет 27 степеней свободы, из них 20 приходится на кисть руки и пальцы. Человеческое тело в целом имеет несколько сотен степеней свободы.
Эта подвижность обеспечивается многочисленными мышцами: 52 пары мышц на руки, 62 пары на ноги, 112 мышц спины, 52 мышцы грудной клетки, 15 шейных мышц и т. д. Естественно, что моделирование движения такой сложной системы привело бы к механизмам чрезвычайной сложности, огромных размеров и слабой надежности в работе. Нужно ли такое богатство двигательной активности роботу?
Разумеется, нет! Как раз важно обеспечить оптимальный минимум движений для выполнения поставленной задачи, не упустив при этом важных свойств необходимой универсальности робота. Поэтому современные механические руки имеют всего шесть-восемь степеней свободы.
Пусть нам поручено создать манипулятор промышленного робота - аналог руки человека. Что нам понадобилось бы для этого, кроме необходимого упорства и терпения? Во-первых, наша механическая рука не будет висеть в воздухе, она должна к чему-то прикрепляться, необходимо основание, или тело робота. Затем нужна сама рука, то есть некоторый аналог костей скелета. Чтобы рука могла двигаться самостоятельно, поднимать тяжести и манипулировать ими, ей нужны мускулы. Все? Ничего не забыли? Нет, не все. Мы забыли самое главное, без чего рука безжизненно повиснет плетью или согнется в "три погибели". Это мозг, то, что управляет всем многообразием ее движений. Теперь все, можно приступать.
Примерно так же, только гораздо квалифицированней, рассуждали первые роботостроители. Они без зазрения совести пользовались незапатентованными идеями природы, создавая конструкции "по своему образу и подобию".
Каждый промышленный робот состоит из двух основных частей: манипулятора и программатора. Первый осуществляет все необходимые движения, второй все необходимое управление.
