Хронология развития робототехники
История робототехники неразрывно связана с историей развития ЭВМ. Чёткого и однозначного определения, что такое “робот” не существует, поэтому сложно определиться с датой, когда же в СССР был создан первый робот. Известно, что в 1936 году 16–летний советский школьник Вадим Мацкевич создал «робота», который умел поднимать правую руку.
На “робота” Мацкевича обратили внимание власти и в 1937 году он представлял его на Всемирной выставке 1937 года в Париже. “Робот” имел небольшую особенность: мотор был слабоват, и прямая рука поднималась лишь чуть выше плеча. Немцы тут же увидели в этом жесте приветствие «Зиг хайль!» и бегали в советский павильон фотографироваться с «политическим» роботом.
Творение Мацкевича могло только поднимать руку, не выполняло никаких полезных действий и не обладало искусственным интеллектом, однако выглядело похожим на человека – так, как должен выглядеть классический робот в представлении широких масс – об этом говорит и то, что Мацкевич получил диплом на парижской выставке.
После школы Вадим Мацкевич окончил сначала Московский энергетический институт, потом Ленинградскую военно-воздушную академию. Во время Отечественной войны Мацкевич служил лётчиком-испытателем.
В 1950 году вспыхнула война между Северной и Южной Кореей. СССР вступились за северян, в то время как США приняли сторону южан. В начальные периоды войны американцы побеждали благодаря новым истребителям «Сэйбр». Они могли сбить цель, находясь от неё за два километра, тогда как остальные самолёты стреляли лишь в пределах двухсот метров.
Но однажды удалось перехватить подбитый «Сэйбр», который тут же отправился в Москву для исследования. Мицкевич разобрался в «хитром» электронном прицеле американцев, и создал радиолокационную станцию «Сирена». Улавливая частоту сигналов истребителя за 10 км, «Сирена» предупреждала пилота о том, что он находится под прицелом. Когда первые испытания прошли успешно, Сталин приказал оборудовать РЛС все самолёты.
В 1948 году Сергей Лебедев закончил разработку первой отечественной ЭВМ [3], а в 1950 году в СССР вступила в действие первая вычислительная электронная цифровая машина МЭСМ, самая быстродействующая в Европе. Ещё через год вышел приказ о создании автоматических систем управления военной техникой, а в МВТУ им.
Баумана создали кафедру специальной робототехники и мехатроники. В 1958 году создана первая в мире полупроводниковая АВМ (Аналоговая Вычислительная Машина) МН-10, которая имела большой успех на выставке в Нью-Йорке в 1959 году. В том же году советский кибернетик Виктор Глушков высказал идею «мозгоподобных» структур ЭВМ, которые объединят миллиарды процессорных элементов, так что произойдёт слияние памяти с обработкой данных [4].
В это время в США в 1954 году создал первого промышленного программируемого робота и ввёл термин Universal Automation. Впоследствии он немного сократил его и назвал свою компанию Unimation. В Массачусетском технологическом институте родилась идея создания очувствленного робота. Аспирант института Г.
1960-е годы характеризуются бурным расцветом всей техники в целом. В 1960 году в США разработали первый робот «Versatran», предназначенный для промышленного применения. В 1961 году Гагарин осуществил первый полёт человека в космос, была запущена на траекторию полёта к Венере советская автоматическая межпланетная станция «Венера-1».
В 1963 году впервые в мировой истории сотрудники кафедры робототехники МВТУ им. Баумана создали манипулятор для размещения на внешней поверхности аппаратов типа «Восток». Управление манипулятором происходило с помощью специальных устройств управления, которые имитировали перемещение в пространстве человеческой руки. Сложность состояла в том, чтобы исключить возможное влияние на работу манипулятора внешних обстоятельств.
В 1965 году на ЭВМ серии Мир применили аппаратную реализацию языков, что позволило проводить аналитические преобразования, в том числе дифференцирование и интегрирование формул.
В 1966 году советская автоматическая станция «Луна-9», совершив посадку на поверхности спутника Земли, начала первую в истории радиотрансляцию с поверхности Земли. Автоматическая станция «Венера-3» достигла поверхности Венеры и оставила там вымпел СССР. Так впервые автоматический аппарат перелетел с Земли на другую планету.
В то же время в СССР разработали революционную модель ЭВМ второго поколения – БЭСМ-6, в которой впервые появился прообраз современной кэш-памяти. Академик В. Глушков завершил разработку проекта большой ЭВМ «Украина», идеи устройства которой позднее были использованы в больших американских ЭВМ 1970-х годов [5].
В 1968 году при Ленинградском политехническом институте было создано Особое конструкторское бюро технической кибернетики, а главным конструктором назначен Е. И. Юревич. В первые годы ОКБ ТК занималось разработкой манипуляторов для подводных аппаратов, а также систем управления мягкой посадкой космических кораблей «Союз» [6].
В Японии в это время начинается выпуск промышленных роботов по лицензии компании Unimation.
В 1969 году в рамках первого этапа работ по созданию системы предупреждения о ракетном нападении была создана компьютерная сеть с каналами передачи данных [5].
В СССР приступили к разработке промышленного робота «Универсал-5» [19].
Универсал-5
В 1970-х годах ОКБ ТК были созданы системы управления мягкой посадкой «Квант» для межпланетной станции «Луна-16», системы автоматизированного управления манипуляторами, разработаны приборы контроля бортовых систем для орбитальных космических аппаратов «Союз» и «Салют». Разработаны системы автоматизированного управления манипулятором для изделия Катран-2 и создано ультразвуковое очувствление схвата подводного манипулятора.
Спрут-1
Вслед за «Луной-16» к спутнику Земли вскоре отправилась автоматическая межпланетная станция «Луна-17», на борту которой находился самоходный аппарат Луноход-1. 17 ноября 1970 года он совершил посадку в районе Моря дождей и приступил к выполнению программы исследований. Управление исследовательским аппаратом осуществлялось при помощи комплекса аппаратуры на базе ЭВМ «Минск-22».
В 1971 году в СССР робототехнику официально признали как новое научное направление. В МВТУ академик Евгений Попов возглавил кафедру специальной робототехники и мехатроники, а также создал целую научную школу. В американской компании Intel создан первый микропроцессор.
В Ленинградском политехническом институте создан экспериментальная модель интегрального робота, который был снабжён развитой системой очувствления, включающей техническое зрение и речевое управление [16].
Аппарат советской автоматической межпланетной станции «Марс-3» совершил посадку на поверхность Марса и начал передачу видеоданных на Землю. Он доставил на поверхность планеты микромарсоход М-71 с лыжно-шагающим принципом движения, но через 20 секунд связь со станцией оборвалась.
С 1972 года разработка роботов приняла плановый характер. Постановление Госкомитета СССР по науке и технике определило создание и применение роботов в машиностроении как задачу государственной важности и были сформулированы основные направления решения. В Институте Кибернетики под руководством Николая Михайловича Амосова создан автономный транспортный робот «Таир» с сетевой системой управления.
«Таир» мог целенаправленно двигаться в естественной среде, при этом объезжая препятствия и поддерживая внутренние параметры в заданных пределах. Для передвижения робот использовал тактильные датчики, оптический дальномер, датчики состояния собственных подсистем и другие вспомогательные устройства. Для его управления была разработана нейроноподобная сеть, разделённая на шесть сфер: элементарных действий, распознавания и оценки ситуаций, решений, маневров верхнего и нижнего уровней [8].
транспортный робот “Таир”
В 1973 году в ОКБ ТК при Ленинградском политехническом институте созданы и введены в эксплуатацию первые в стране подвижные промышленные роботы МП-1 и «Спрут».
В 1974 году провели первый чемпионат мира по шахматам среди компьютеров. Титул первого компьютерного чемпиона завоевала советская программа «Каисса». Постановлением Совета Министров СССР ОКБ ТК назначено главной организацией в СССР по разработке промышленных роботов для машиностроения.
В 1975 году в СССР были запущены автоматические межпланетные станции «Венера-9» и «Венера-10». Совершив посадку на Венере, они передали информацию о поверхности планеты через орбитальные отсеки на Землю. Это стало первой удачной попыткой ретрансляции такого сложного сигнала автоматическими системами.
В соответствии с постановлением Госкомитета СССР по науке и технике созданы первые 30 серийных промышленных роботов для обслуживания прессов, станков, для точечной сварки, которые управлялись стационарными и подвижными пневмо-, гидро- и электроприводами [16].
Хронология развития робототехники
Универсал-5
Спрут-1
В это время в США в 1976 году Стив Джобс вместе с другом создают персональный компьютер Apple 1, с которого началась компьютерная революция.
В 1977 году В. Бурцев создал первый симметричный многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) «Эльбрус-1», и Советский Союз начал уверенно лидировать в строительстве суперкомпьютеров. Для межпланетных исследований был создан интегральный робот «Кентавр», который управлялся вычислительным комплексом М-6000.
В 1979 году начат выпуск высокопроизводительных многопроцессорных УВК с перестраиваемой структурой ПС 2000, где производилось распараллеливание на уровне задач, ветвей, векторных и скалярных операций. Благодаря технологии распараллеливания задач разработки систем искусственного интеллекта вышли на новый этап [9].
В Институте Кибернетики под руководством Н. Амосова создан робот “Малыш”, который также как и “Таир” управлялся обучающейся нейронной сетью. Он был сконструирован в виде шестиколёсной тележки, на которой размещались магнитный компас, оптический дальномер и контактные датчики. С МАЛЫШом был проведён целый ряд фундаментальных исследований и выявлены преимущества нейронносетевой системы управления перед традиционными алгоритмическими [8].
В пятилетку 1975-1980 было создано более ста промышленных роботов, организовано серийное производство 40 моделей. Также началась работа по стандартизации промышленных роботов в соответствии с программой Госстандарта СССР [16].
В 1980 году в СССР появился первый пневматический промышленный робот с позиционным управлением и техническим зрением МП-8. Он был разработан в ОКБ ТК Ленинградского политехнического института, в котором вскоре был создан Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК). К концу 1980 года количество промышленных роботов в стране превысило 6000 штук, что составляло более 20% от мирового числа [16].
В 1981 в ЛПИ создали системы «Клён», «Маркер» и «Призыв» для спасения информации с терпящих бедствие летательных аппаратов и маркировки мест аварии [7].
Также в МВТУ им. Баумана открылся Научно-учебный центр «Робототехника», который объединил все московские вузы и институты Академии Наук, занимавшиеся робототехникой. В этом центре разработали модель самого массового промышленного робота МП-9С, серийное производство которого началось в 1982 году на АвтоВАЗе.
В США в 1982 году поступил в продажу персональный робот HERO-1. Роботы этой серии были плохо приспособлены к выполнению практических заданий, а скорее служил развлекательной цели. HERO-1 управлялся бортовым компьютером с процессором Motorola, а объём его оперативной памяти составлял всего 4 KbB. Он был снабжён датчиками движения, кроме того в комплект дополнительно входила рука-манипулятор [24].
Промышленная робототехника является, пожалуй, самым перспективным направлением развития. Только за 10 лет с 1969 по 1979 годы количество комплексно механизированных и автоматизированных цехов и производств выросло с 22,4 до 83,5 тысяч, а механизированных предприятий – с 1,9 до 6,1 тысяч [12]. Всего же в Советском Союзе было выпущено более 100 тысяч единиц промышленных роботов, которые заменили более миллиона рабочих [15].
Советские инженеры планировали внедрить использование роботов практически во все сферы промышленности: машиностроение, сельское хозяйство, строительство, металлургия, горнодобывающая, лёгкая и пищевая промышленность и другие. Так, в одном из московских ателье появился робот-закройщик. Он был запрограммирован на выполнение различных операций – от измерения всех необходимых размеров фигуры заказчика до раскроя ткани. Учитывая модель костюма, варианты использования ткани и другие параметры, робот выдаёт на выкройку на листе бумаги [20].
В США разработка промышленных роботов выделилась в отдельную отрасль в 1970-х годах. Появление микропроцессоров создало основу современных систем управления роботами. В 1973 году во всём мире использовались 3 тысячи промышленных роботов, из которых 30% принадлежали американской компании Unimation. В среднем, начиная со второй половины 1970-х годов ежегодный прирост продаж промышленных роботов составлял 30% [27]. Наибольшее распространение роботы получили в автомобильной промышленности, их использовали для сварки, покраски, сборки деталей и т. д.
Первым в мире конвейерную сборку механизмов ввел Петродворцовый часовой завод в 1965 году. До этого во всём мире механические часы от начала и до конца собирались вручную. Петродворцовый часовой завод первым же и отказался от конвейерной линии, заменив её промышленными роботами. Сборка часов проходила не по конвейерной, а по «постовой» схеме, которая обеспечивала большую производительность при меньшем проценте брака.
За рационализацию производства Петродворцовый часовой завод был награждён Государственной премией (бывшая Сталинская премия). Автоматизация производства на этом предприятии высвободила на сборке часов 300 человек и увеличила производительность труда в 6 раз [12]. В 1980-е годы на заводе ежегодно производилось 4,5 экземпляров часов, а часы «Ракета» считались самыми лучшими в СССР. Роботы, разработанные на этом заводе, также использовались для сборки взрывателей и другой важной государственной деятельность [14].
Ролик 1977 года про автоматизацию производства на Петродворцовом часовом заводе
В период Холодной войны среди крупнейших мировых держав развернулось соревнование в сфере космических технологий. Первый полёт в космос, первый выход человека в открытый космос, запуск искусственного спутника, высадка на Луну… Перед учёными стояли сложнейшие технологические задачи, которые они с блеском решали.
Освоение космоса дало огромный толчок к созданию автоматических систем управления, а преимущества робота перед человеком для работы в космической среде были очевидны. На робота не влияют внешние неблагоприятные условия, такие как космическая радиация. Роботу не требуются дополнительные ресурсы, как правило, он работает на солнечных батареях. Робот идеально подходит для выполнения такой механической работы, как сбор грунта с поверхности, сканирование и отправка данных на Землю.
Первым в мире дистанционно-управляемым самоходным аппаратом стал Луноход-1, доставленный на поверхность Луны 17 ноября 1970 года советской межпланетной станцией «Луна-7». Этот аппарат весом 756 кг обладал двумя телекамерами, рентгеновским флуоресцентным спектрометром и рентгеновским телескопом, детектором радиации, лазерным рефлектором и антенной передачи информации на Землю.
Каждое из восьми колёс имело свой тормоз и электродвигатель, благодаря чему луноход мог объезжать небольшие препятствия. Электричество вырабатывала солнечная батарея на крыше робота. Луноход-1 успел проехать более 10 км, передал на Землю 211 панорам и около 25 тысяч фотографий, после чего связь с Землёй оборвалась из-за выработки изотопного источника теплоты.
Вслед за Луноходом-1 был создан Луноход-2. Его основными задачами являлись фото- и видеосъёмка поверхности Луны, проведение экспериментов с наземным лазерным дальномером и другие операции. Его доставили на Луну 15 января 1973 года. От первого аппарата Луноход-2 отличался наличием третьей телекамеры, что позволило увеличить дальность видимости.
В настоящее время безусловным лидером по производству роботов является Япония. В 2004 году количество промышленных роботов в этой стране достигало 350 тысяч штук, в то время как в России – всего 5 тысяч. К сожалению, пока разработка роботов не является важной государственной задачей, а частный бизнес предпочитает использовать импортных роботов.
Предприятие, которое наиболее полно использует в своей работе достижения робототехники – это «Автоваз», в состав которого входит “Производство технологического оборудования и оснастки” (ПТОО). Основной задачей этого Производства является проектирование и изготовление промышленных роботов, роботизированных технологических комплексов и т. п. Всего за время работы на ПТОО было произведено более полутора тысяч различных роботов [13].
Основное применение роботизированные комплексы находят на автомобилестроительных предприятиях – Автоваз, ТагАз, ЗИЛ, ГАЗ, ИжАвто и другие. Одним из крупнейших поставщиков промышленных роботов в России является скандинавский концерн АББ [23]. После кризиса 1990-х годов отечественная робототехника до сих пор находится в упадке, и темпы её роста значительно отстают от зарубежных.
К сожалению, в России разработка роботов чаще ведётся благодаря энтузиазму изобретателей. Зачастую отечественные боевые и космические роботы по параметрам превосходят американские, но для постановки их на серийное производство нет средств. Так, военный робот «МРК-27 – БТ» манёвреннее, чем его зарубежные аналоги. Он управляется дистанционно при помощи джойстиков, а камеры помогают вести прицельный огонь. Пока этот робот существует в единственном экземпляре.
Специалисты Инженерного центра пожарной робототехники в Петрозаводске создали пожарного робота. Он предназначен для отражения пиратских атак на судна и оснащён мощным водомётом, способным смыть весь экипаж пиратского катера. Охранно-пожарные роботы ведут круглосуточное видеонаблюдение, ими заинтересовалось Мурманское пароходство [13].
https://www.youtube.com/watch?v=JCccm6nBcKg
Одним из современных направлений развития является экстремальная робототехника, которая используется для операций МЧС, МВД, оказания скорой помощи и других экстренных ситуаций (например, робот «Антитеррорист»).