Смена поколений

Так же, как и поколения ЭВМ, "поколения роботов" - понятие весьма условное, оно вызвано к жизни тем, что за время короткой истории роботы претерпели существенную эволюцию в смысле элементной базы, на которой они строятся, изменения их структуры, появления новых функций и возможностей, расширения областей применения, характера использования.

Роботы первого поколения - это роботы с программным управлением. Они предназначены для выполнения жестко запрограммированной последовательности операций. Управление таким роботом осуществляется по заранее заданной человеком программе при строго определенных и неизменных условиях функционирования.

Несмотря на широкое распространение и эффективное функционирование, роботы первого поколения "глупы" и "слепы", они лишь выполняют соответствующие инструкции и не способны адаптироваться к неожиданной ситуации, касается ли это какого-нибудь тонкого дефекта или крыши цеха, обрушившейся им на голову. Однако роботы не будут столь ограниченны, когда в промышленности появятся их новые образцы, наделенные способностью "чувствовать". Это и будут роботы второго поколения.

Зная о несовершенстве роботов первого поколения, мы порой утешаем себя популярной пословицей "нет худа без добра". Примитивные роботы дисциплинируют производство, заставляют обеспечить ритмичную доставку деталей, их строгую ориентацию в пространстве с помощью специальной тары, накопителей, стеллажей, транспортных средств. Но не стоит особенно обольщаться по этому поводу. Реорганизация производственной среды может оказаться более дорогостоящей, да и большая жесткость требований к конструкции робота порождает большую цену. Скажем, для того чтобы рука робота "могла" идеально точно встретиться с движущейся по транспортеру деталью, приходится особенно тщательно "выбирать" зазоры в сочленениях, ликвидировать люфты, снижать скорость движения для уменьшения моментов инерции, повышать строгость управления, учитывая упругость звеньев.

Снижающая точность деформация механических систем промышленного робота происходит практически постоянно под действием собственной массы руки, массы перемещаемого груза и инерционных нагрузок, возникающих во время движения. Несущие звенья руки робота даже при идеально точной остановке привода из-за деформации механической системы подвергаются интенсивным силовым инерционным нагрузкам. Деформация от инерционных нагрузок приводит к возникновению затухающих механических колебаний, которые снижают точность и увеличивают время самого позиционирования. Эта деформация особенно сильна в точках изменения ускорения движения по величине или направлению: в начале разгона руки и в конце разгона, в начале торможения и в конце торможения. Как говорят специалисты, деформация возникает под действием собственного кинематического возбуждения робота.

Для уменьшения вредных последствий этого явления приходится принимать соответствующие меры: уменьшать массу, длину руки, добавлять ребра жесткости, как бы дополнительные "косточки скелета", ставить упорные подшипники с ограничителями и т. п.

Необходимо учитывать также температурные деформации.

Таким образом, точность позиционирования в один миллиметр, достигаемая у современных роботов с позиционной системой управления и длиной руки 1,5-2 метра (типа "Юнимейт"), является, по-видимому, максимально возможной. Тем не менее такая точность позиционирования в некоторых случаях может оказаться недостаточной. Так вот "чувства" позволяют по-новому решить такие задачи, используя иной принцип управления. И, что самое важное, такие адаптивные роботы могут оказаться при той же точности не дороже роботов первого поколения, поскольку задача точного измерения и отработки многих координат "вслепую" требует применения прецизионных датчиков положения со сложной измерительной системой, что само по себе довольно сложно и дорого.

Известное достоинство и вместе с тем существенный недостаток роботов первого поколения - это удивительное постоянство, однообразие их движений, которое породило метафору "двигающийся как робот". Однако они отлично работают в постоянных, неизменных условиях. Но окружающая среда, в том числе и производственная, весьма динамична. И это, пожалуй, единственное ее постоянное качество.

Если в процессе производства происходит любое, самое минимальное отклонение от заранее заданных условий (упало напряжение в электросети или упала деталь с конвейера), робот первого поколения оказывается беспомощным перед этим технологическим пустяком. В лучшем случае он остановится, разинув схват, как зевака рот. В худшем случае будет продолжать работать, тыкая своей пустой рукой в воздух и не замечая, что усилия его бесполезны. Он не может адаптироваться к изменению окружающей обстановки. Для успеха совместной работы окружающая обстановка вынуждена сама адаптироваться к роботу. Но тогда непонятно, кто кому служит. Робот производству или производство роботу? Может быть, это является причиной того парадоксального положения, при котором роботизированные комплексы, в которые вложены крупные государственные средства, оказываются "безработными" в силу малой надежности и слабой защиты от помех?

Таким образом, появление более совершенных роботов второго поколения не просто процесс естественной смены поколений, как поколений ЭВМ. Эволюция роботов - это насущное требование жизни, это, если хотите, условие их "выживания" в динамично усложняющейся производственной среде. Робот второго поколения, как говорится, "и жить торопится и чувствовать спешит".

Многие из возникающих в робототехнике проблем решаются проще, коль скоро мы снабдим нашего механического слепого если не полноценным зрением, то, по крайней мере, посохом, которым он может ощупывать дорогу.

Итак, речь идет о повышении уровня интеллекта роботов, ибо "разумность" семейства их первого поколения оставляет желать лучшего. В сущности говоря, их интеллект не выше, чем у примитивного насекомого. Представьте себе, что на линии сборки автомобилей случается какой-нибудь перекос. Роботы этой ошибки не замечают. Их настроили на то, чтобы сверлить отверстия в дверце, а они сверлят теперь их в баке для горючего. То, что изделие установлено неправильно, их совершенно "не волнует". Кроме того, если в их электронной схеме произойдет сбой, автомат в "слепой ярости" начнет колотить своей мощной стальной лапой почему попало. И здесь возникают уже совсем другие проблемы. Заменять человека на вредных и опасных работах - это одно, а самому быть источником опасности для человека - совсем иное.

Как же обуздать вышедшего из подчинения "железного раба"? Как обеспечить стопроцентную безопасность рабочего в роботизированном цехе? Самый совершенный помощник не заслужил права быть источником травматизма. И хотя, конечно, робот работает автоматически, однако цеха не достигли еще такого технологического уровня, чтобы работа происходила совсем без наблюдения человека. В случае конфликтной ситуации любой механизм может "забарахлить", и тогда в зоне действия его руки должен оказаться рабочий-ремонтник. Что произойдет тогда?

Манипулятор обязан остановиться сам, автоматически... Столкновение робота с человеком может оказаться для последнего трагическим. Недаром Япония, страна, занимающая первое место в мире по применению промышленных роботов, стала и первой страной, где промышленный робот убил человека. Погибшим стал 37-летний наладчик, который подошел к агрегату, чтобы проверить его работу, но был схвачен стальной рукой робота и сунут точно под резец. Владельцы завода и их эксперты обвинили в гибели самого рабочего, который должен был подходить к станку с определенной стороны, отключая робот.

Для обеспечения безопасности в роботизированном цехе используются различные конструктивные решения: подпружиненные трапы на полу в рабочей зоне робота или соединенные с блокирующими выключателями ограждения, при открывании которых подается команда "стоп", ограждение зоны световым лучом. Вот, например, комплекс на основе робота Ум-160. Спроектирован он в Институте металлорежущих станков, а изготовлен на заводе "Станкоконструкция" для московского электромеханического объединения "Динамо". Световые лучи делят рабочую зону комплекса на "секции". Наладчик, подходя к станку, обязательно пересекает луч света, ограждающий одну из секций. Включается система защиты, и, если манипулятор находится в той же секции, он отключается; если он вне ее, то продолжает работу, но вход в защищаемую зону кому бы тони было запрещен. Покинув световую ограду, наладчик дублирует пересечение луча специальной кнопкой, сообщая о снятии "охраны".

Заметим, что робот, останавливающийся при появлении в рабочей зоне человека, - это уже не "слепец", но еще и не "зрячий". Простейшее очувствление зародилось еще в недрах первого поколения: робот останавливается, если в заданном месте, между пальцами схвата, не оказывается требуемой детали. Здесь все "богатство чувств" сводится к принципу "есть - нет".

Простейшая адаптация к обстановке обеспечивает роботу большие физические возможности. Так, манипулятор фирмы "То кё Кэйки" распознавал габариты и вес детали и по-разному осуществлял их подъем: легкие, до десяти килограммов, поднимал на вытянутой руке, а тяжелые, до сорока килограммов, - на втянутой руке. Алгоритм "адаптации" заключается в следующем: захват объекта, определение веса, движение при втянутой или вытянутой руке.

Кроме того, что робот, обладающий теми или иными чувствами, безопаснее, удобнее и точнее робота первого поколения, он обладает еще рядом специфических достоинств. Он может выполнять операции, которые и "не снились", если бы он мог видеть сны, роботу, лишенному чувств. Такие производственные обязанности, как операции с неориентированными изделиями переменной формы и размера или изделиями, движущимися по транспортеру, не могут быть выполнены без очувствления. Процедуры автоматической сборки также требуют, чтобы робот чувствовал усилия, с которыми вгоняется, например, болт в отверстие, иначе или отверстие, или болт может оказаться поврежденным; чтобы робот видел, куда нужно загнать щетку электромотора и почему она туда не входит. Казалось бы, проблема проста: создать аналог человеческого глаза - и порядок. Но как раз этот-то "порядок" и недостижим на сегодняшний день. А если и достижим, то обходится он чрезвычайно дорого. Поэтому вместо полноценного оптического зрения роботы активно используют всяческие его "суррогаты", которые еще не слишком дороги, но уже достаточно эффективны.

Вот пример: нужно "выловить" одну деталь из целой кучи ей подобных. Тут, казалось бы, без зрения не обойтись, но вот как научили это делать робота в Институте проблем передачи информации АН СССР. В ящик с заготовками рука робота погружала электромагнит. Датчик сигнализировал о контакте магнита с содержимым ящика, после чего в обмотку магнита подавался ток. Затем рука поднималась с целой "гроздью" притянутых деталей, система управления анализировала вес "грозди" и постепенно уменьшала ток в обмотке. "Гроздь" рассыпалась, на магните держалась только одна деталь. Ток снова увеличивался, и рука переносила надежно "схваченный" предмет.