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.

Описывая конструктивную компоновку промышленного робота, невозможно удержаться от естественной аналогии с человеческим или животным "механизмом".

Каждый промышленный робот имеет "мозг" - устройство управления и механическую часть, включающую "тело" и "руку". Тело робота, как правило, массивное основание, или, как его называют, станина, а рука - многозвенный рычажный механизм - манипулятор. Чтобы рука могла совершать положенное ей многообразие движений, она имеет мышцы - привод. Задача мышц - преобразование сигналов мозга в механические перемещения руки. Венчает механическую руку, кисть или захватное устройство - схват.

Большинство промышленных роботов имеет одну руку, но существуют и роботы, обладающие двумя, тремя и более руками.

По конструкции механические руки робота могут либо повторять схему конечности животного и человека, либо иметь другую природу. Как правило, они устроены в соответствии с тремя принципами.

Первый принцип - механическое моделирование конструкции руки человека. Здесь рука робота имеет суставы: предплечье, локоть, кисть, построенные по принципу осевого или шарового соединения. Гидравлические или электромеханические мышцы роботов обеспечивают подвижность этих суставов почти так же, как и в живом организме.

Второй принцип базируется на совокупности линейных перемещений специальных штанг: горизонтальном, вертикальном, угловом, которые обеспечивают необходимую подвижность руки робота.

Третий принцип основан на комбинации двух предыдущих.

Большинство промышленных роботов (назовем их ПР) обладают устройствами руки, имеющими три-пять степеней свободы. Захватное устройство - кисть - имеет еще две степени свободы. Иногда и сама станина имеет возможность перемещаться на одну-две степени свободы (например, вращательное и вертикальное перемещения).

Замечено, что роботы с вращательными соединениями по сравнению со скользящими поступательными обладают при прочих равных условиях большим объемом, обслуживаемого пространства.

Как же устроены мышцы роботов, какая сила заставляет эти железные руки поднимать тяжести и исполнять сложные движения? Путей развития таких исполнительных элементов несколько. Для достижения большой грузоподъемности, свыше ста килограммов, используется гидравлический привод; для выстраивания в технологические линии на заводах точного машиностроения - электрический; а при работе с химическими веществами более безопасны пневмосиловые устройства.

Кроме того, возможны разнообразные комбинации приводов, например пневмогидравлические. Здесь в качестве основного привода используется пневматический, а гидравлический служит для повышения силовых возможностей, для улучшения динамических характеристик, в частности для стабилизации скорости и торможения. Известно применение электроприводов в качестве задающих устройств для более мощных гидравлических мышц.

По зарубежным данным, около половины используемых в настоящее время роботов имеют пневматические мышцы, приблизительно 40 процентов - гидравлические, остальные - электромеханические и прочие.

При конструировании рук робота приходится решать массу необычных проблем. При этом, естественно, не обязательно копирование возможностей человеческой руки. Как раз наоборот, зачастую приходится думать, как научить робота делать то, что человеку не под силу. Нельзя, например, обработать заготовку с точностью до одного микрона вручную, робот же справляется с этой непростой задачей весьма успешно. Используемые в настоящее время промышленные роботы имеют грузоподъемность от нескольких десятков граммов до трех и более тонн, число степеней свободы от двух до шести и более, точность позиционирования 0,05-5 миллиметров, объем обслуживаемого пространства - 0,01-10 кубических метров. Однако эти характеристики взяты в среднем. В Англии, например, выпущен робот для установки на шлифовальный станок валов массой двенадцать тонн. Как показало специально проведенное обследование, 80 процентов промышленных роботов применяются для манипулирования деталями и изделиями массой менее одного килограмма, чаще всего цилиндрической формы, диаметром до 50 миллиметров.

Пневматические "мышцы" робота построены с помощью набора пневмоцилиндров для создания поступательного движения, пневмодвигателей - для вращательного. Они используют специальные пневмоклапаны для управления и регулировки скорости перемещения и остановки поршня. Управление таким приводом весьма просто. Усилие, развиваемое на штоке пневмоцилиндра, зависит от давления сжатого воздуха и легко регулируется с помощью специальных клапанов. К преимуществам пневматических мышц относятся безотказность в работе, сокращение необходимой рабочей плоскости, так как приводы располагаются обычно прямо на механических узлах, низкая стоимость, простота обслуживания и ремонта. И хотя пневматический сигнал передается несколько дольше электрического, время переключения пневматического вентиля меньше. Пневмопривод работает от автономной установки или от общей воздушной магистрали.

Гидравлический привод по принципу действия аналогичен пневматическому. Только вместо сжатого воздуха здесь используется жидкость. Он обладает большей мощностью и используется для самых могучих рук роботов (до нескольких тоны). Однако гидроприводы требуют более квалифицированного обслуживания и в случае утечки жидкости могут загрязнять окружающую среду.

Взглянув на 'руки' промышленного робота, почти любой человек, даже не обладающий проницательностью Холмса, сможет, немного подумав, определить сферу 'профессиональных интересов' робота

Еще совсем недавно число роботов, основанных на электрических приводах, было сравнительно невелико. Однако в последнее время электродвигательные мышцы роботов завоевывают все большую популярность. Это прежде всего связано с такими принципиальными преимуществами электромеханических приводов, как легкость и удобство монтажа и наладки, простота эксплуатации, наконец, отсутствие шума при работе и грязи от утечки жидкости.

До недавнего времени развитие такой простой и удобной мускулатуры сдерживалось отсутствием специальных электродвигателей, ведь роботу требуется двигатель с лучшей, чем обычно, перегрузочной способностью и малым моментом инерции ротора. Появление специальных электродвигателей с печатным цилиндрическим или дисковым ротором, с гладким ротором, с линейным движением быстро ликвидировало эту прореху. Электрический привод обеспечивает хорошие динамические характеристики разгона, остановки, поворота, повышенную точность позиционирования (меньше 1 мм) и широкую маневренность. Электроприводы применяются и для большинства образцов очувствленных роботов второго поколения. Это связано не только с удобством эксплуатации и отсутствием шума, но и с большей гибкостью электроприводов в отношении реализации необходимых алгоритмов адаптивного управления.

Знаменитый Шерлок Холмс отличался поразительной наблюдательностью. По мельчайшим признакам он опознавал профессиональную принадлежность своего очередного клиента. Внимательно рассмотрев руки человека, он делал вывод о том, чем он занимается, каковы его профессиональные обязанности. Как же сказывается профессия робота на внешнем виде его рук, смог бы проницательный Холмс и здесь применить свой знаменитый дедуктивный метод?

Роботы применяются на самых разнообразных операциях и работах с деталями, которые резко отличаются по прочности, массе, габаритам, конфигурации, расположению центра масс, шероховатости. Детали могут быть керамическими и стеклянными, пластмассовыми и металлическими. Массивные поковки и крупногабаритная тара, стальные листы и кирпичи, листы из стекла и стеклянные трубки. Робот может манипулировать с собранными узлами или с тарой с насыпанными легкими деталями, емкостями с жидкостью и, кроме того, работать различными инструментами: распылителем, гайковертом, пневмоотверткой, паяльником или сварочными аппаратами.

Взглянув на "руки" промышленного робота, почти любой человек, даже не обладающий проницательностью Холмса, сможет, немного подумав, определить сферу "профессиональных интересов" робота. Вот клешни из трех крюков для круглых поковок, вот присоски, как у осьминога, для стеклянных листов. Вот ковш для сыпучих материалов и т. д. и т. п. Еще проще разобраться в обязанностях робота, если "руки" его снабжены специализированным инструментом: сверлом, краскораспылителем, гайковертом и т. п. Инструмент закреплен прямо на руке, а не в схвате, теперь уже ненужном.

Поразительная универсальность руки человека - продукт длительной эволюции. Нужна ли такая универсальность роботу, оправдана ли она технически и экономически? Навряд ли, по крайней мере, на данном этапе эволюции робота. Вспомним, как разнообразны и специализированы конечности и "руки" животных. 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, чем-то 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.