2 Основные
задачи и направления робототехники
В некоторых случаях, когда среда
неблагоприятна для человека, применение робота было бы наиболее целесообразным.
Роботам, например, не нужно потреблять кислород из окружающего воздуха.
Следовательно, их можно применять под водой, в безвоздушном пространстве или в
атмосфере, насыщенной отравляющими веществами.
Подвижные робототехнические устройства
активно проектируются и используются для изучения Луны и планет, а неподвижные,
типа “Сервейора”, уже применяются на Луне. Когда придет время
изучения Юпитера, ни один человек не сможет там существовать, а робот, по всей
вероятности, сможет [18].
Потребность в таких устройствах возникает
и значительно ближе к нам, например при обследовании и ремонте канализационных
систем. Существует множество сред со слишком высокими для человеческого
организма температурами. В настоящее время ведутся активные работы по
проектированию робота-пожарного, который бы не только обнаруживал, но и тушил
пожары.
Сейчас еще многие люди страдают от заболеваний, вызванных работой в
таких условиях, где температура окружающей среды либо слишком низка, либо
слишком высока, либо среда слишком загрязнена или опасна для человеческого
организма. Даже с точки зрения простой гуманности здесь срочно требуется
внедрение роботов [18].
Взять, например, угольные шахты:
современная тенденция к повышенной механизации почти наверняка приведет, в
конце концов, к появлению робота-шахтера. Примером применяемого в шахтах
робототехнического устройства является автоматический забойщик, который
поддерживает определенную толщину угольного пласта на своде, чтобы предохранить
крошащуюся породу от обвалов.
Для контроля толщины используется радиоактивный
датчик, состоящий из йодисто-цезиего излучателя и приемника на фотоумножителе,
так что толщину невидимого угольного слоя можно поддерживать постоянной.
Подсчитали, что ежегодно это устройство, стоящее 8000 фунтов стерлингов,
добывает угля на сумму 130 000 фунтов стерлингов.
Использование простейших электронных
промышленных устройств позволяет освободить человека от работы в настолько
загрязненной атмосфере, что для человеческого организма она едва переносима. В
скором времени человеку больше не нужно будет обжигать ступни, разгружая печь
для обжига кирпича, не потребуется также натягивать на себя блестящую
жароотражающую одежду, чтобы приблизиться к доменной печи и выпустить из нее
расплавленный металл [17].
Проектирование конечностей робота: рук и
кистей в значительной степени стимулируется потребностью в таких
приспособлениях в тех отраслях, где приходится иметь дело с радиоактивными и
взрывчатыми веществами. Иногда по отношению к этим устройствам применяют термин
“телехирик”. Он заимствован из греческого и означает “отдаленная
рука”.
В некоторых случаях возможно дистанционное
электрическое управление робототехническим устройством с помощью
человека-оператора. Однако, к сожалению, встречаются и такие случаи, когда это
трудно или невозможно. Например, управление робототехническим устройством на
далекой планете представляется весьма сложным, так как время прохождения
сигналов со скоростью света от земли до планеты составляет несколько секунд и
передача информации о результатах операции также занимает несколько секунд.
Некоторые модели робототехнических
устройств имеют то преимущество, что могут работать в полной темноте. Например,
нет необходимости освещать туннель, по которому движется управляемый роботом
почтовый поезд. Уже сейчас подвижные роботы используются для обследования
внутренней поверхности дренажных и нефтяных труб малого диаметра длиной до 14
км.
В научно-фантастической литературе роботы
обычно ходят, но не летают. Реальные роботоподобные устройства, к сожалению,
более разнообразны. Наиболее известный пример полностью подвижного, полностью
независимого робота дает управляемое оружие – роботоподобный реактивный снаряд.
Эти устройства в трудных условиях обнаруживают цель и делают это намного
точнее, чем любой человек [17].
В космосе летающие роботы следят за
деятельностью на Земле. Там они, однако, выполняют также и более мирную работу:
ретранслируют телевизионные программы и исследуют Луну. В этом отношении робот
намного более разносторонен, чем человек. Эта разносторонность, вероятно, еще
более возрастет, когда мы научимся производить роботов с более сложной нервной
системой.
Сейчас имеется дополнительная возможность
создания подвижного робота, основанная на принципе работы аппарата на воздушной
подушке. Этот принцип уже использовался в бытовых приборах и в газонокосилках,
но еще никогда не применялся для “подвешивания” подвижных роботов.
Широко используемыми разновидностями летающего робота являются поднимаемые на
шарах-зондах радио – и радиолокационные системы, предназначенные для передачи
на Землю необходимых для предсказания погоды данных о верхних слоях атмосферы,
хотя направление перемещения определяется здесь не самой системой, а
направлением ветра.
Радиоуправляемая беспилотная авиация
долгое время использовалась для таких целей, как учебная стрельба, где
невозможность использования пилота очевидна. Например, самолет-мишень
“Королева Пчела”, который использовался в начале 40-х годов ХХ века,
был просто модификацией “Тигрового Мотылька” обычным образом
пилотируемого биплана.
“Королева Пчела” управлялась с Земли при
помощи 10 кнопок или иногда от диска наподобие телефонного. Было найдено
решение для весьма успешной посадки “Королевы Пчелы”, снабженной
поплавками взамен колес, при помощи дистанционного управления, даже если море
было неспокойно.
Усовершенствованный вариант этого самолета был известен под
названием “Королева Оса”. Системы управления, подобные этим,
использовались также на радиоуправляемых быстроходных катерах-целях
“Королева Утка” и “Королева Чайка”. От этих систем
управления впоследствии перешли к более сложной системе “Рестлес”,
которой также оснащались радиоуправляемые быстроходные катера. Стоящие в море
на мертвом якоре катера запускались и управлялись с берега при атаке военных
судов [12].
Позднее, в начале 50-х годов, в Австралии
был создан самолет-мишень “Индвик”. Он мог взлететь с управляемой от
гироскопа тележки многократного применения. Пневматический привод снабжался
воздухом, хранящимся под давлением около 14 000 кПа, после фильтрации и
понижения давления приблизительно до 4000 кПа.
Электрическая энергия для
“Индвика” поступала от генератора постоянного тока с параллельным
возбуждением, параллельно которому подключался работающий вхолостую 12-батарейный
свинцово-кислотный аккумулятор. Основное энергоснабжение обеспечивалось
газотурбинным двигателем. В дальнейшем было проведено много новых разработок,
вплоть до создания проектов использования беспилотной авиации в бою.
Были проведены исследования проектов
роботов разового применения и дистанционно управляемых манипуляторов,
предназначенных для выполнения работ вне космического корабля при отсутствии
челночных систем, которые могут перевозить ремонтников к спутникам, находящимся
на орбите.
Возможность создания дистанционно управляемых космических роботов
была быстро реализована; действительно, уже “Сервейор-3”,
осуществивший беспилотный лунный полет, был оснащен “копателем”,
управляемым с Земли. Оказалось возможным собрать образцы лунной породы и уложить
их с отклонением в пределах 6 мм от требуемой позиции.
Однако потенциальная
ценность такого дистанционного манипулирования была практически
продемонстрирована в январе 1968 г. “Сервейором-7”, когда копатель
был использован для устранения неожиданно возникшей на Луне неисправности
одного из приборов [12].
В Аргонской национальной лаборатории
обнаружили, что оператор, “сняв пиджак” и используя копирующий
манипулятор, способен на то же, что и оператор, находящийся в космосе. В обоих
случаях для выполнения задания требуется в три раза больше времени, чем, если
бы оно выполнялось непосредственно рукой человека.
Дистанционные манипуляторы
были предложены для любых космических применений, где есть опасность для людей
либо требуется выносливость, где получается выигрыш в стоимости и массе, или
просто повышается вероятность успеха. Такие дистанционные манипуляторы были
названы андроидальными телеоператорами, или, для краткости, андроидами, но
хочется надеяться, что термин “андроид” не получит широкого распространения,
поскольку он имеет весьма специальное и вполне определенное значение.
У космического манипулятора, предлагаемого
в настоящее время, семь движений: одно для захватывания, три переносных и три
угловых. У манипулятора “Сервейора” четыре движения, каждое с шаговым
управлением с Земли. Единственной формой обратной связи к оператору является
неподвижное изображение, на обработку которого затрачивается около 1 мин.
Управление, поэтому замедленное. Обычно манипуляторы двустороннего действия,
т.е. имеющие обратную связь к оператору, приводят к затратам приблизительно в
310 раз большего времени на выполнение задания, чем при работе вручную, в то
время как манипуляторам одностороннего действия без обратной связи требуется
примерно в 30100 раз больше времени на выполнение этого же задания. Однако за
обратную связь приходится расплачиваться дополнительной массой около 45 кг
[18].
Исследования привели к предварительному
проекту стандартизованного электрического космического манипулятора общего
назначения для использования при полетах, как с экипажем, так и без него.
Обычно такой летательный аппарат должен произвести стыковку со спутником, чтобы
передать груз, открыть люки, заменить электронные модули спутника и
отстыковаться от него после проверки системы.
От этого аппарата требуется
выполнять такую работу, по меньшей мере, 10 раз в два года. Он должен
удерживать максимальное сжатие в течение 30 с, не допуская превышения
температуры в 100° С. Время задержки в передаче сигналов управления должно быть
между 0,24 и 1,0 с. Исследования показывают, что такие требования выполнимы.
Конструкция, опубликованная в конце 1969
г., содержала две руки, по одной с каждой стороны телевизионной камеры. Общая
масса летательного аппарата, включая топливо, составляла почти 450 кг; при этом
номинальная мощность и пиковая мощность были соответственно 200 и 1000 Вт.
Кроме того, на аппарате могла устанавливаться камера крупного плана на
полужестком креплении. Подобные исследования приближают время, когда мы будем
готовы послать в космос настоящих роботов, которые будут передавать нам
информацию, но уже без непосредственного управления каждым их движением.
Наличие задержек управления делает
совершенно очевидной необходимость создания именно такого полунезависимого
робота, который выполняет общие команды и не требует поэлементного управления.
Космическая робототехника одно из самых перспективных
направлений развития современной космонавтики. Возникнув на стыке пилотируемой
и беспилотной космонавтики, она быстро сформировалась в самостоятельное направление,
переживающее в настоящее время бурное развитие.
Робототехнической системой космического назначения является
любой робот (или их совокупность), объединяющий в себе интеллектуальную
подсистему управления, подсистему сенсоров, исполнительные органы, подсистему
связи и телекоммуникаций. Основным назначением такого робота (или их
совокупности) является автоматизация работ при функционировании орбитальных
станций, космических аппаратов и их группировок в космическом пространстве, а
также применение научно-исследовательских комплексов на поверхности Луны и
планет Солнечной системы [14].
Космическая робототехника существенно расширяет
функциональные возможности беспилотных космических аппаратов, доводя их
практически до уровня пилотируемых кораблей. В пилотируемой же космонавтике
робототехника позволяет существенно помочь космонавтам при работах, например, в
открытом космосе, а также полностью освободить их от работы в условиях
интенсивных ионизирующих излучений.
В целом космическая робототехника открывает новые горизонты
не только для развития традиционных средств космонавтики, но и для создания
принципиально новых типов космических аппаратов, совмещающих достоинства
пилотируемых и беспилотных аппаратов. Особенно актуально это будет при
исследовании других небесных тел.
Космическая робототехника уже сегодня позволяет резко
повысить эффективность космических полетов, снизить расходы на их эксплуатацию,
существенно расширить их функциональные возможности, на порядок увеличить
ресурс и надежность, повысить безопасность космонавтов.
К основным робототехническим системам космического назначения
относятся манипуляторы, планетоходы, устройства для работы внутри и снаружи
космических кораблей (их обслуживание, регламентные и ремонтные работы) и
другие.
Ниже приведены примеры роботов, использовавшихся и
используемых в космических исследованиях.
Бортовой манипулятор “Канадарм-2”
Бортовой манипулятор “Канадарм-2” предназначен для
перемещения полезных грузов из грузового отсека кораблей многоразового
использования системы “Спейс Шаттл” к различным местам Международной
космической станции (МКС), а также для транспортировки грузов и астронавтов
снаружи станции во время выходов в открытый космос.
Манипулятор также
используется в случае необходимости детального осмотра расположенных далеко от
обитаемых модулей элементов МКС. Разработан специалистами канадской компании
MacDonald Dettwiler and Associates (MDA) по заказу NАSА. Конструктивно состоит
из двух “плеч”, соединенных “локтевым суставом”, и двух
захватов-эффекторов LEE (Latching End-Effectors) – A и B, соединенных с
“плечами” “запястьевыми суставами”. Эксплуатируется в
настоящее время.
Планетоходы
Все планетоходы представляют собой автоматизированные
самоходные комплексы, предназначенные для исследований на поверхности планет и
других небесных тел. Различаются составом бортового оборудования, системами
управления и связи, а также местом их использования (до настоящего времени Луна
или Марс, в перспективе – на поверхности любого небесного тела, за исключением
звезд).
В период с 1970 года до 2007 года на поверхность
Луны и Марса были доставлены и функционировали там следующие планетоходы:
1. “Луноход-1” (1970 г.) и
“Луноход-2” (1973 г.) автоматизированные комплексы, созданные
специалистами НПО им. С.А. Лавочкина при участии ВНИИТРАНСМАШ. Успешно
функционировали в течение нескольких месяцев на поверхности Луны, доказав тем
самым саму возможность создания подобных образцов техники.
2. Марсоход “Суинджер” (1997 г.) разработан и
изготовлен кооперацией предприятий США под руководством Лаборатории реактивного
движения по заказу NАSА. В течение трех месяцев работал на поверхности Марса.
Шагающий адаптивный робот “Циркуль”
Шагающий адаптивный робот “Циркуль” предназначен
для выполнения инспекций и других манипуляционных операций в труднодоступных
технологических зонах: обслуживание и сборка космических станций, осмотр и
ремонт трубопроводов и другого оборудования и т.д. Разработан в ЦНИИ робототехники
и технической кибернетики (г. Санкт-Петербург).
Основные особенности:
1. комбинирование перемещения путем шагания и
манипулирования объектами;
2. мультиконтроллерная сетевая архитектура системы
управления, размещенная в шарнирах манипулятора и конструктивно объединенная с
механикой и бесколлекторным электроприводом;
. единая четырехпроводная информационно-энергетическая
линия с вращающимися токосъемниками в шарнирах.
Функциональная модель космического манипулятора
для проведения технологических операций в открытом космосе.
Функциональная модель космической робототехнической системы
предназначена для проведения наземной стендовой отработки сборочных,
транспортных, ремонтных и прочих операций, необходимость в которых возникает
при строительстве и функционировании орбитальных космических станций.
Разработана в ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (г.
Санкт-Петербург).
Преимущества по сравнению с другими аналогичными
устройствами: модульное построение, иерархическая структура системы управления,
открытая структура программного обеспечения, оперативное планирование
выполнения полетных операций.
Рабочие операции робота:
1. элементарные операции сопряжения (захват
универсальным захватом, соединение разъемов, закручивание винтов и т.п.);
2. сборочные работы, обслуживание грузового отсека
(смена блоков, загрузка в бункер, замена узлов, осмотр рабочей зоны);
. ремонт и обслуживание отсеков.
“Персональный помощник астронавта”
(Personal Satellite Assistant, PSA)
Малоразмерное устройство, способное перемещаться во внутренних
объемах кораблей и станций за счет миниатюрных реактивных двигателей.
Предназначено для “информационной поддержки” астронавтов при их
работе с бортовым оборудованием. Разработка ведется специалистами
Исследовательского центра NASA имени Эймса.
Устройство оснащено датчиками атмосферы, измеряющими почти
все ее параметры. Может служить средством непосредственной связи астронавтов и
наземных центров управления полетом. Может работать автономно и по командам с
Земли.
“Робонаут” (Robonaut)
Телеуправляемый робот-кентавр, представляющий собой новое
поколение высокомобильных манипуляторов для работы в открытом космосе.
Предназначен для оказания помощи астронавтам при работе в открытом космосе в
экстремальных ситуациях (вспышка на Солнце, работа в зоне радиационных поясов и
прочее) или когда астронавт не может выполнить те или иные операции в силу
физиологических ограничений человеческого организма.
Приведенные выше примеры лишь малая часть того, что делалось,
делается, и будет делаться в космической робототехнике.
Вместе с тем, говоря о сегодняшних достижениях космической
робототехники, нужно понимать, что мы находимся лишь в начале пути. Возрастание
состава задач, выполняемых с использованием робототехнических систем
космического назначения, а также повышение требований к качеству их решения
делает необходимым формирование адекватной концепции их развития.
Основными направлениями развития робототехнических систем
космического назначения на ближайшую перспективу являются решение
функциональных, технологических, сервисных и организационных задач, возникающих
в ходе космических полетов, по результатам которых и должны быть сформулированы
технические требования к перспективным робототехническим системам космического
назначения.
Как показал опыт внедрения робототехника, является новой
формой технической и организационной ячейки, наиболее полно отвечающей
потребностям современного производства. Робототехника гибкая, экономная и
рациональная форма обработки деталей и изделий более высокой стоимости и
лучшего качества средними и малыми сериями.
Робототехника реализует стремление
к снижению напряженности человека в работе, связанной с необходимостью
приноравливаться к циклу машины, приводит к замене конвейерных линий сборочными
бригадами, в основу управления которыми положен бригадный подряд.
Умные машины тоже имели предков
История робототехники уходит корнями в глубокую древность. Некое подобие роботов изобрели еще в Древнем Египте более четырех тысяч лет назад, когда жрецы прятались внутри статуй богов и разговаривали оттуда с людьми. У статуй при этом двигались руки и головы.
Если дать некоторую волю фантазии, можно обнаружить упоминания о роботах, например, в мифах Древней Греции. Еще у Гомера упомянуты механические слуги, которых создавал для себя древнегреческий бог Гефест, великан Талос, сотворенный им же из бронзы для охраны Крита от неприятеля. Платон повествует об ученом Архите из Тарентума, сделавшем искусственного голубя, способного летать.
Архимедом в III веке до нашей эры был якобы изготовлен аппарат, крайне напоминающий современный планетарий: прозрачный шар, приводившийся в движение водой, на котором отображалось движение всех небесных тел, известных на тот момент.
В Средние века люди уже начали создавать настоящие машины, способные делать множество интересных вещей. К периоду Средневековья относятся и попытки создания первых человекообразных машин.
Альберт Великий, известный алхимик XIII века, создал андроида, выполнявшего функции привратника, открывавшего дверь на стук и кланявшегося гостям (андроид – робот, копирующий человека внешностью и поведением). Он же сконструировал механизм, способный говорить человеческим голосом, так называемую говорящую голову.
Ответ на вопрос о том, человек или робот должен выполнять ту или иную работу, кроется в различиях между людьми и машинами. На данный момент даже самые совершенные из машин действуют по определенным, заранее заложенным в программу алгоритмам (пускай порой и весьма сложным). У них нет свободы воли, свободы выбора, желаний, порывов, ничего из того, что определяет творческую составляющую человека.
Робот может выполнить работу большой сложности и точности, сможет выполнить эту работу в таких условиях, в которых человек не прожил бы и часа. Но он не сможет написать книгу или сценарий нового фильма, создать живописное полотно, если только это не было заранее заложено в его память человеком.
Поэтому профессии творческие, где важна нестандартность, нешаблонность мышления, безусловно, остаются за людьми. Робот может быть сварщиком, грузчиком, маляром, даже космонавтом, но он не сможет стать (по крайней мере, на нынешнем этапе развития) писателем, поэтом или художником.
В истории практически каждого народа есть легенды о том, как мастера прошлых веков использовали человекоподобные технические устройства. Есть записи от 2 тыс. до н.э. о создании в Древнем Египте статуи, которая во время обрядов могла указывать, поднимая робо-руки, на наследника правителя.
В начале второго тысячелетия до н.э. в Китае были созданы прототипы роботов, которые запускались под воздействием силы пороховых взрывов, а для развлечения императора умельцы создали механического андроида.
Древнегреческому ученому Архимеду приписывают создание первой военной машины «Коготь». Её закрепляли на оборонной стене, и, пользуясь длинным крюком, подцепляли осаждавшие корабли соперников и переворачивали их.
Наибольшего внимания заслуживали записи Леонардо да Винчи, который создал достаточно подробные схемы нескольких человекоподобных механизмов. По одному из таких вариантов в 1495 году была собрана фигура рыцаря, который мог двигать шеей, конечностями, открывать рот, присаживаться. Кстати, чертежи сохранились, и по ним рыцарь был воспроизведен. Сегодня его можно увидеть в Миланском музее.
Основной сдерживающей силой робототехники и автоматизированных механизмов была церковь, считавшая любые проявления «на тему» ересью, поэтому по-настоящему развиваться направление начало только к 18 веку. Одними из выдающихся изобретателей того времени были:
- Жак де Вокансон, создавший механическую утку (умела клевать, двигать крыльями) и музыканта (играл на флейте и свирели);
- Пьер Жаке Дро (основатель часовой компании Jaquet Droz). Стал известен не только часовыми механизмами, но и созданием механического писаря, художника, музыканта.
Отличительной особенностью этих вариантов, от других дорогостоящих игрушек, была возможность управлять ими. Правда, для этого использовалось не ПО, а пружины, насечки, меняя последовательность которых, меняли текст, изображение, музыку.
Технология создания механических моделей (с часовыми механизмами) использовалась вплоть до 19 века, когда появилась недостающая деталь – электричество, которое обеспечивало устройство питанием на продолжительное время.
Изобретатели стали постепенно внедрять механизмы в производственные этапы, чтобы облегчить и ускорить процесс.
Прототипом первой автоматизированной линии в 1808 году был ткацкий станок французского ткача Жозефа Мари Жаккара, который программировался при помощи специальных перфорированных карт. Конечно, это не манипулятор Kuka, но здесь использован главный принцип программирования, на котором до сих пор базируется робототехника.
Еще один изобретатель и новатор Никола Тесла в 1898 году представил свою разработку – лодку, которая управлялась дистанционно (при помощи радио). Так постепенно освоилось не только использование различных источников питания, но и управления (проводные и радиоволновые устройства).
