2.3. Какие бывают роботы

Необходимость непосредственного участия человека в технологическом процессе является в настоящее время серьезным препятствием для интенсификации производства и создания новых технологий, поскольку человек обладает ограниченными физическими возможностями по таким параметрам, как грузоподъемность, быстродействие, точность, утомляемость и т. п. Промышленные роботы открывают широкие перспективы для разработки и внедрения принципиально новых технологических процессов, не связанных с весьма обременительными ограничениями, налагаемыми на них непосредственным участием человека.

В течение последних 15 лет промышленные роботы претерпели большие изменения в принципах построения, функциях, сфере применения, а также в элементной базе, на которой они проектируются. В отличие от людей роботы делятся на поколения не по возрасту, а по техническим возможностям, которыми их наделили конструкторы.

Роботы первого поколения - наиболее простые и имеют своей задачей выполнение определенных движений. Такие роботы называются автоматическими манипуляторами с программным управлением и для их управления не требуется постоянного присутствия человека, поскольку они работают в автоматическом режиме по заранее заданной программе. В основе управления автоматическими манипуляторами лежит предварительно составленная программа, дополненная в зависимости от сложности выполняемой работы информационно-измерительными элементами (датчиками). Роботы первого поколения, как правило, не имеют в своем составе ЭВМ. Из-за малого числа информационно-измерительных датчиков и несовершенства несложного управляющего устройства такие роботы действуют как перенастраиваемые автоматы. Если заготовку кожи или ткани, которую берет такой робот из одного и того же места, сместить в сторону или свалить в кучу с другими заготовками, то он не сможет найти и взять ее. У такого робота нет устройства поиска и распознавания заготовки. Поэтому роботам первого поколения "идут навстречу" - устанавливают специальные кассеты с заготовками, где они уложены в определенном сориентированном положении. Такие кассеты помещаются на позицию захвата робота. Он берет заготовку из общей стопки и укладывает ее под обувной пресс, в рабочую зону швейного автомата или другого агрегата, обслуживаемого роботом. После этого дается команда на включение машины и начинается выполнение технологической операции обработки детали. После завершения цикла обработки детали и останова машины рука робота захватывает обработанную деталь, вынимает ее из зажимного приспособления (или кассеты), выносит из зоны обработки и укладывает в стопку готовых деталей.

Последовательность выполнения движений задается путем составления определенной программы управления. Роботы первого поколения - программные роботы. Они сильны и неутомимы, у них "железные нервы". Но они, увы, глухи, слепы, лишены осязания, беспомощны при малейших изменениях окружающей обстановки. Если на пути робота встретится посторонний объект или даже человек, то робот непременно столкнется с ним, не подозревая о появлении препятствия.

Если прекратится поступление заготовок и накопительная кассета окажется пустой, рука робота, подающая деталь в рабочую зону швейного автомата, будет двигаться по заданной траектории, совершая холостые движения до тех пор, пока робот не выключат.

При изменении типа и формы обрабатываемых деталей промышленный робот перепрограммируется, а его манипулятор переналаживается для захвата и переноса новой детали. Эти операции занимают считанные минуты, а при наличии заранее составленных управляющих программ для разных типов деталей время переналадки становится еще меньшим. Перепрограммировать робот может только человек, сам робот в процессе работы научиться этому не может.

Промышленные роботы первого поколения используют при выполнении технологических операций со стабильными параметрами и размерами заготовок и деталей, потому что эти роботы могут подать в рабочую зону пошива или окраски поврежденную или даже разорванную заготовку ткани или кожи, загрузить для обработки заготовку с такими дефектами, которые заметит любой неквалифицированный рабочий.

Указанные ограничения возможностей роботов первого поколения привели к необходимости создания роботов следующего, более совершенного поколения. Перечисленные выше недостатки программных роботов можно сократить и даже полностью устранить, если снабдить роботы устройствами, в некоторой мере похожими на органы чувств человека, как говорят специалисты, средствами очувствления. Роль "органов чувств" выполняют специальные датчики, передающие в систему управления робота информацию о состоянии окружающей среды и положении исполнительных органов манипулятора. Среди этих датчиков наиболее распространены тактильные датчики, выдающие сигналы при соприкосновении с предметом; локационные - для измерения расстояния до детали и скорости ее движения; силовые - выдающие информацию о величине сил, возникающих в исполнительных органах робота, например, о величине усилия зажатия детали в схвате руки манипулятора. Все более широкое применение находят оптические и телевизионные датчики, сообщающие в систему управления роботом информацию о взаимном расположении заготовок и деталей, их форме, размерах, цвете и т. д.

Второй особенностью "очувствленных" роботов (или роботов второго поколения) является наличие более сложной системы управления. Ее функции не ограничиваются устройством для запоминания жесткой программы движения, а определяются функциями управляющей ЭВМ, входящей в систему управления.

Робот второго поколения уже не останавливается в нерешительности перед кучей деталей, сваленных без какой бы то ни было ориентации. Он сам может навести порядок и рассортировать детали по типам на основе информации, поступающей от "органов чувств". Такой промышленный робот может выполнять функции контролера: измерять размеры с требуемой точностью и регистрировать отклонения. При обнаружении брака робот откладывает заготовку в сторону в специальную тару.

Роботы второго поколения, как и программные, выполняют движения в соответствии с заданной программой. Вместе с тем технические органы чувств (датчики) дают им возможность изменять свое поведение в соответствии с состоянием и условиями окружающей среды. Поэтому роботы второго поколения получили название адаптивных (приспосабливающихся). Так, для робота с тактильным датчиком не требуется, чтобы объект манипулирования (заготовка) находился в строго определенном месте. Ему вполне достаточно находиться в некоторой зоне, в пределах которой будет осуществляться поиск объекта по программе. Как только тактильный датчик коснется искомого объекта, управляющая ЭВМ переключит программу поиска на программу его захвата. Рука манипулятора переместится к найденной заготовке или детали и захватным устройством возьмет ее.

Таким образом, оснащение датчиками дает роботам способность к адаптации. "Очувствленному" роботу задается программа для некоторого исходного положения заготовок. Если они окажутся в другом месте, не предусмотренном программой, то робот "узнает" об этом по отсутствию касания заготовки. В этом случае программа автоматически прерывается и робот переходит в режим поиска заготовки. Найдя ее, робот продолжит выполнение задания, но программа будет скорректирована в соответствии с иным месторасположением заготовки. При повторном выполнении рабочего цикла робот возьмет заготовку уже в новом месте без предварительного поиска. Как мы видим, способность к адаптации позволяет роботу манипулировать в недостаточно определенной или частично меняющей ся среде. Следует заметить, что усложнение поведения робота влечет за собой усложнение управляющего устройства.

Промышленный робот второго поколения уже не станет впустую водить своей рукой и захватывать все, что попадается. Такому роботу под силу различать форму и площадь заготовок, их цвета и образы.

В Московском институте электронного машиностроения создан транспортный робот с инстинктом самосохранения. Этот робот перемещается по незнакомому участку производственного цеха, "осматривает" территорию лазерным "глазом" и планирует оптимальный маршрут движения. После этого робот идет к заданной цели. При этом он преодолевает лишь те препятствия, с которыми может справиться, а непреодолимые обходит, т. е. оценивает сложность преодоления препятствий.

Интересно отметить, что технические характеристики "органов чувств" адаптивных роботов и их возможности существенно отличаются от человеческих. Так, "очувствленные" роботы могут обладать сверхчувствительными датчиками и воспринимать сигналы, недоступные для органов чувств человека. Например, такие роботы способны реагировать на изменение магнитного поля, уровня радиации, ультразвука, их оснащают приборами ночного видения для работы в темноте и т. д.

Основная трудность, стоящая на пути широкого применения адаптивных роботов в промышленности, - отсутствие массового выпуска высококачественных датчиков, позволяющих роботу достоверно воспринимать окружающую среду. При этом речь идет не просто о тактильных, силовых или оптических датчиках, а о датчиках, снабженных соответствующими преобразователями для ввода информации в управляющую систему робота. Высокая точность и надёжность этих датчиков должны сочетаться с малыми габаритами, чтобы несколько таких датчиков можно было разместить на схвате (или руке) манипулятора.

Следует отметить некоторые направления в применении адаптивных роботов. Они освобождают человека от выполнения таких вспомогательных операций, как загрузка заготовок одежды и обуви в оборудование, ориентирование деталей на движущемся конвейере, переключение режимов работы машин и агрегатов в зависимости от изменения условий работы и т. д. Создаются также предпосылки для гибкого перехода роботов на выполнение новых технологических операций в сравнении с промышленными роботами первого поколения, требующими дополнительных приспособлений, усложняющих и удорожающих робот и обслуживаемое им оборудование.

Это ни в коей мере не означает, что роботы первого поколения будут немедленно сняты с производства при широком выпуске своих адаптивных "братьев". Существует немало процессов и технологий легкой промышленности, где механическая рука, действующая по жесткой программе, неутомимая и недорогая, эффективнее сложных автоматических машин. Это относится, в частности, к обувному, ткацко-прядильному производствам, загрузке швейных полуавтоматов, проверке и упаковке готовой продукции.

Возможна совместная работа роботов двух поколений, их нахождение в составе одной "бригады" по выпуску обуви и одежды. При этом адаптивный робот благодаря своим расширенным возможностям обеспечит более эффективную работу программных роботов. Принципы такого взаимодействия роботов первого и второго поколений уже хорошо изучены и обоснованы в Московском высшем техническом училище им. Н. Э. Баумана.

"Очувствленные" роботы не являются при этом "конкурентами" для роботов первого поколения. Оба поколения роботов взаимно дополняют друг друга, выполняя действия различной сложности. Например, адаптивный робот берет с конвейера неориентированные детали кроя одежды или обуви и раскладывает их по магазинным устройствам в ориентированном состоянии. Затем магазинные устройства, в которых детали кроя уже лежат в строгом порядке, подаются к обрабатывающим машинам. Здесь робот первого поколения берет деталь из магазинного устройства и подает их в полуавтомат для обработки. После обработки этот же робот укладывает готовую деталь в специальную тару, а если детали представляют собой полуфабрикат, то он укладывает их в отдельные ячейки тары для транспортировки к следующему агрегату.

Промышленные роботы второго поколения уже вышли из стен научно-исследовательских институтов и лабораторий и внедряются в производство. Тем не менее они еще не отвечают всем требованиям, предъявляемым современным производством к робототехнике. Даже способность к распознаванию конфигураций деталей не позволяет адаптивным роботам угнаться за ритмом работы фабричного конвейера. Они обладают широкими возможностями, но делают много лишних движений, довольно медленно обучаются.

Совершенствуя роботы второго поколения, ученые и инженеры создали "смышленые" роботы - роботы третьего поколения. Эти роботы берут на себя выполнение тех операций, которые требуют от человека большого навыка и умения. Роботы третьего поколения оснащены чувствительными датчиками зрения и Слуха, анализаторами состояния окружающей среды и обслуживаемого оборудования, сложной и совершенной системой управления, включающей в себя элементы искусственного интеллекта. Весь этот комплекс технических средств позволяет им строить математическую модель окружающей обстановки, анализировать ее и принимать решения, сравнивая полученные данные с исходными.

"Органы чувств" в комплекте с микроэлектроникой делают роботов третьего поколения по-настоящему автономными, способными быстро находить "общий язык" с действующей по соседству техникой.

Для интеллектуальных роботов не представляет трудности решение таких задач, как выбор оптимальной последовательности действий или избежание столкновений с препятствиями. Практически это означает, что в производственном цехе появится "работник", способный не только четко ориентироваться в пространстве и технологических процессах, но и быстро осваивать выпуск новых изделий, например новой модели обуви.

По прогнозам ученых, к 1990 г. способности роботов при выполнении многих технологических операций, в первую очередь на сборке, приблизятся к возможностям человека.

Вполне понятно, что чем совершеннее "мозг" робота, тем более сложные задачи он способен выполнять. Именно с ЭВМ новых поколений связаны планы широкого использования в промышленности роботов третьего поколения. Для быстрого и четкого перехода от выпуска одного изделия к выпуску другого требуется в полном смысле слова "гибкий ум". Кроме того, совершенствование вычислительной техники способствует лучшему приспосабливанию интеллектуальных роботов к условиям окружающей среды или изменяющейся обстановки.

Способен ли робот, как и человек, совершать интеллектуальные (умственные) операции? На этот вопрос, вызвавший в свое время многочисленные дискуссии среди кибернетиков и специалистов в области робототехники, получен утвердительный ответ. Сами по себе умственные операции, хотя и не производят никаких реальных (физических) воздействий на окружающие объекты, преобразуют образы этих объектов. Человек вначале распознает реальный объект, затем принимает решение о необходимости его перемещения и после этого мысленно вырабатывает необходимые (управляющие) воздействия на исполнительные органы (руки, ноги), чтобы выполнить принятое решение.

Аналогичным образом могут функционировать и роботы третьего поколения. Воспринимая объекты с помощью оптической системы (например, телевизионной камеры), робот формирует в памяти управляющей ЭВМ образы этих объектов, распознает их, а затем вырабатывает управляющие команды на манипулятор, который берет нужный предмет определенным образом и перемещает его в необходимое место.

Интеллектуальные роботы существуют пока в виде отдельных опытных образцов и имитируют только отдельные моменты умственной деятельности, по сути своей лишь отдаленно напоминающей умственную деятельность человека.

Почему же до сих пор не созданы интеллектуальные роботы? Ведь использование в качестве "мозга" роботов современных ЭВМ, выполняющих более миллиона операций в секунду, в сочетании с искусственными "органами очувствления" должно было привести к созданию таких роботов.

Главной причиной является чрезвычайная сложность решения этой задачи.

В качестве примера рассмотрим интеллектуальный робот японской фирмы "Хитачи", выполняющий сборку изделий по чертежу. В своем составе этот робот имеет управляющую ЭВМ, две телевизионные камеры, автоматический манипулятор с 6 степенями подвижности и очувствленным схватом. Работа робота построена следующим образом. Одна телевизионная камера считывает и вводит в ЭВМ чертежи, на которых в трех проекциях представлены детали и собираемые изделия. Другая телекамера направлена на детали, поступающие на сборочный стол, и вводит в ЭВМ плоскую оптическую проекцию этих деталей. ЭВМ распознает детали, необходимые для сборки изделия, изображенного на чертеже, планирует последовательность выполнения сборки и вырабатывает управляющее воздействие на манипулятор. Затем выполняется процесс сборки из произвольно расположенных деталей. Однако следует отметить, что робот может работать при строгом соблюдении ряда ограничений. Например, он может распознавать только ограниченное число деталей, имеющих сравнительно простую и правильную геометрическую форму (круг, квадрат, прямоугольник и т. д.), чертежи тоже не должны быть сложными, уровень освещения деталей должен быть достаточно высоким и т. д.

В настоящее время существует много технологических операций, для выполнения которых неприемлема жесткая программа управления роботом вследствие постоянного изменения внешних условий (например, расположения заготовок на движущемся конвейере), а технические возможности еще не позволяют наделить робот органами чувств и придать ему элементы искусственного интеллекта. В этом случае проблему решают путем создания человекомашинных систем управления роботом. В этих системах происходит распределение функций между человеком и роботом: та часть функций, которая поддается автоматизации, выполняется роботом, а оставшиеся выполняет человек - оператор.

Таким образом, создание роботов третьего поколения значительно расширяет область применения промышленных роботов.

Использование всех трех поколений роботов позволяет автоматизировать практически все технологические процессы текстильной и легкой промышленности.