Владимир Бусленко - Наш коллега - робот
Плавники и когти, присоски и клешни, хобот слона, хвост обезьяны, щупальца осьминога... Примерно так же разнообразны оконечные устройства "рук" робота.
Здесь человек "похитил" у природы не один десяток технических идей.
Наиболее распространена "двупалая лапа" наподобие клюва птицы или клешни краба. Она отлично выполняет функции взятия и переноса большинства типов деталей механообработки. Если же требуется более надежное удержание детали, особенно круглой формы, применяется трехпалая кисть - почти точное подобие птичьей лапы. Заметим, что птица легко удерживается на круглой ветке дерева при весьма высоком относительно ветки центре тяжести.
Если деталь крупная, длинная, применяются многоместные захваты несколько двупалых или трехпалых рук хватают длинную трубу во многих местах.
Для транспортировки жидкости используется ковш, для взятия сыпучего материала - трехпалый ковшик, чемто напоминающий хитиновые надкрылья жука или складывающиеся лепестки тюльпана.
Если деталь имеет достаточно большую поверхность, применяются присоски по типу осьминожьих.
Особая форма или мягкость присосок позволяет брать не только гладкие стальные, пластмассовые, стеклянные листы, но даже гофрированные детали или фигурные штампованные изделия.
Есть в арсенале робота и "собственные патенты" - схваты магнитные, они надежно удерживают стальную или жестяную деталь, когда подобрать мало-мальски подходящий механический "хвататель" не представляется возможным. Здесь используются как электромагниты, так и постоянные магниты, иногда с механически изменяемым силовым полем.
Для захвата деталей типа труб и полых цилиндров изнутри используются раздвигающиеся пальцы, специальные надувные груши, а то и просто палочка штырь, продеваемый в цилиндр.
На выставке НТТМ-82 демонстрировались роботы, искусно манипулирующие с электролампами. Кроме прочих, весьма привлекательных достоинств, один из роботов имел хитроумный захват в виде резиновых гофрированных хоботков. Когда воздух подавался в кисть, хоботки, раздуваясь, изгибались и захватывали лампочку за тонкостенную стеклянную колбу с деликатной осторожностью, но прочно. Масса нежных присосок-пальчиков используется для манипуляции с мягкими изделиями, например шоколадными конфетами или диетическими яйцами.
Различаются "руки" роботов и по размерам: есть экземпляры лапищ для многотонных валов, а есть миниатюрнейшие щипчики-пинцетики для изделий микроэлектроники или часовых шестеренок. Некоторые пальчики-усики манипулируют с детальками, различимыми лишь в микроскоп. Существуют и пятипалые "руки", подобные кисти человека, однако такие образцы в силу сложности конструкции, и особенно управления, - пока прерогатива лишь лабораторных моделей.
Окружающая нас природа - неиссякаемый источник радости, жизни и здоровья. Человек, ушедший от природы в города, квартиры, отгородившийся от нее стеной, окном и асфальтом, тянется к ней, даже не осознавая, зачем ему это.
Писать о красоте с утилитарных позиций - несомненное интеллектуальное варварство, но психология современного прагматика зачастую невосприимчива к эфемерным категориям прекрасного. Поэтому мы скажем о природе с точки зрения нашей проблемы - промышленной роботехники.
Природа не патентует своих изобретений, она наладила массовое производство огромного множества естественных механизмов, наделенных тонкими конструктивными решениями и блестящим физическим воплощением. Мы используем лишь малую толику этого богатства, варварски уничтожая остальное. За последние сто лет полностью исчезли с лица земли десятки видов животных и растений, еще сотни находятся на грани уничтожения. Мы уже никогда не сможем воспользоваться ни их техническими новинками, ни просто красотой и грацией. Красная книга экологов - это не что иное, как собрание патентов природы, которые человек пытается защитить от забвения.
ОДА ПЕШЕМУ ХОДУ
И. Артоболевский и А. Кобринский, основываясь на плодотворной аналогии между роботом и человеком, условно разделили совершаемые ими производственные движения на три типа: локальные, региональные и глобальные. Локальные движения - это все то многообразие манипуляций, которое мы совершаем посредством кистей рук: взять, положить, перевернуть, вставить, вынуть. Региональные движения совершаются с использованием механических возможностей всей руки: перенос детали с одного места в другое при неподвижном основании робота. Наконец, глобальные движения это перемещение самого робота.
Специфику локальных и региональных движений мы интенсивно обсуждали выше, в то время как глобальные перемещения робота остались в тени. Это и понятно, глобальные движения - прерогатива транспортных систем: автомобилей, электрокаров, вездеходов и луноходов. Здесь используется весь инструментарий многовековой истории транспорта: колесо, рельс, монорельс, гусеница и т. п. Однако существуют и специфические, только роботу присущие средства передвижения. Это ближайшие родственники манипуляторов педипуляторы, или, попросту говоря, ноги (manus по-гречески - рука, pedis - нога). Ну уж это ненужная экзотика, скажет читатель, неужели им мало колеса, не слишком ли далеко заходят эти роботехники в своем ненасытном желании внедрить природные патенты? Разумеется, читатель вправе так рассуждать.
Имея перед глазами многовековую историю колесных транспортных средств от телеги до современного лунохода, мы склонны считать шаговый принцип передвижения более примитивным и недостойным нашего технического века. С первого взгляда нам кажется, что колесо, несомненно, эффективнее ног. К примеру говоря, человек на велосипеде тратит лишь половину энергии пешехода. Почему же тогда природа избегает колес? Почему колесо эффективное средство передвижения, изобретенное человеком, - никогда не использовалось природой в процессе эволюции животного мира? Почему, скажем, нет крыс на колесах или рыб, использующих гребной винт? Ответ, возможно, состоит в том, что они имеют нечто лучшее...
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.
