Условия становления и развития робототехники

Как и любая новая область науки или техники робототехника возникла не на пустом месте. Своему появлению на свет роботы обязаны, в частности, компьютеризации производства, автоматизации технологических процессов, а также огромному опыту, накопленному в процессе эксплуатации станков для механической обработки с числовым программным управлением (ЧПУ). Прототипами современных роботов являются механические или полуавтоматические протезы, а также копирующие манипуляторы.

Вычислительная техника

История вычислительной техники ведет свое начало от простейших счетных механизмов. В глубокой древности единственным вычислительным инструментом человека были пальцы рук. По мере усложнения счетных операций для их выполнения стали применять веревку с завязанными на ней узелками, а также мелкие камушки или другие схожие между собой предметы. Для удобства камешки помещали в специальный ящик с ячейками. Некоторые народы пользовались пятеричной системой счисления. Так, в древнем Китае появился один из первых в истории человечества вычислительных инструментов - пятеричные счеты "соробан". Следующий качественный скачок в развитии вычислительной техники - появление принципиально новых счетных устройств - произошел лишь в конце XVI в. Именно тогда великий французский ученый Блез Паскаль построил первую суммирующую машину. Правда, она могла выполнять только простейшие арифметические действия - сложение и вычитание. Но уже в конце XVII в. немецкий философ, математик Готфрид Вильгельм Лейбниц создал машину, умеющую делить и умножать. Наконец, в XIX в. в Англии была разработана счетная "Аналитическая машина", структурные особенности которой на целое столетие предопределили направление развития вычислительной техники. Эта машина имела почти все те функциональные блоки, из которых состоят современные ЭВМ, а ввод данных осуществлялся с помощью перфокарт. Ее создатель - английский механик Ч. Бэббидж - вошел в историю вычислительной техники как "отец вычислительной машины" Основы, заложенные Ч. Бэббиджем, получили дальнейшее развитие и практическое воплощение в целом ряде аналогичных по структуре механических счетных устройств. В их числе следует упомянуть устройство умножения французского математика Леонглля, вычислительную машину "Миллионер" Отто и Стэйга, специализированный "непосредственный умножитель" Р. Фурье, суммирующий механизм Барроуза, "счетную машину" Одона и др.

Первые успехи в практической реализации простейших счетных устройств пробудили интерес к теоретическим принципам построения вычислительных машин. В 1854 г. английский математик и логик Джордж Буль разработал основы математической логики и создал так называемую булеву алгебру. Булево исчисление легло в основу реализации всех выполняемых современными ЭВМ вычислительных и логических операций. В 1936-1937 гг. английский математик Алан Мотисон Тьюринг ввел концепцию "абстрактной вычислительной машины", способной с помощью простейших операций считывания и сдвига выполнять вычисления произвольной сложности^*. Логическим завершением периода формирования теоретических основ вычислительной техники явились работы известного американского математика Джона фон Неймана. Именно ему принадлежит идея записи в память ЭВМ программы решения какой-либо задачи на этой ЭВМ. При изменении условий или содержания задачи достаточно всего лишь составить новую программу путем четкой последовательности инструкций для вычислительной машины и записать ее в память, не изменяя конструкции самой ЭВМ. Таким образом, появилась возможность решать различные по классу и сложности задачи на одной и той же ЭВМ, способной к выполнению лишь самых примитивных операций. Другими словами, благодаря принципу хранимых программ вычислительные машины стали действительно универсальными. Первыми компьютерами, в которых фоннеймановский принцип получил практическое воплощение, были вычислительная машина на электромагнитных релейных схемах Эйкена (1944 г.) и электронная вычислительная машина ENIAC, разработанная в 1947 г. под руководством Эккерта и Морли^**.

^* (Так называемая машина Тьюринга.)

^** (Архитектура ЭВМ, построенных на основе принципа хранимых программ, называется фоннеймановской архитектурой.)

Чтобы подтвердить правильность и практическую значимость своих предложений, Дж. фон Нейман в 1945 г. приступил к созданию ЭВМ EDVAC, работающей в соответствии с принципом хранимой программы, а затем предложил проект вычислительной машины IAC, в которой в отличие от традиционной фоннеймановской архитектуры некоторые вычислительные операции выполнялись с частичным совмещением во времени, т. е. параллельно.

Не менее важное значение для развития вычислительной техники и роботов имела другая работа Дж. фон Неймана - "Общая и логическая теория кибернетических автоматов", опубликованная в 1951 г. и посвященная принципам построения управляющих и вычислительных автоматических устройств.

Начиная с первых работ фон Неймана теория и практика электронных вычислительных машин развиваются поразительными темпами. За прошедшие десятилетия в области технологии проектирования и изготовления ЭВМ достигнуты поразительные успехи: существенно уменьшилась стоимость ЭВМ, увеличилась емкость запоминающих устройств, повысилась скорость вычислений, появились разнообразные по области применения и функциональным возможностям операционные системы и языки программирования, а также самые различные аппаратные вычислительные средства и соответствующее программное обеспечение, За короткий период сменились четыре поколения вычислительных машин. Если основу машин первого поколения составляли электронно-вакуумные лампы, второго поколения - транзисторы, третьего - интегральные схемы, то элементной базой ЭВМ четвертого поколения стали сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) (рис 1.4). Особенно важную роль сыграло появление микропроцессоров и микропроцессорных наборов БИС, без которых создание современных мобильных роботов было бы невозможным.

Рис. 1.4. Диаграмма роста функциональных возможностей вычислительных машин. 1 - стоимость/производительность; 2 - емкость оперативной памяти, 10⁶ бит; 3 - производительность, 1 млн. машинных команд в 1 с (MIPS); 4 - функциональная емкость логических элементов, млн. штук. Производительность ЭВМ четвертого поколения находится в пределах 30-100 MIPS

Стремительное развитие аппаратных средств вычислительной техники и прогресс в области архитектуры ЭВМ привели к усложнению структуры и укрупнению функций программного обеспечения вплоть до появления сложнейших машинно-независимых программных систем. Среди программных систем, имеющих непосредственное отношение к робототехнике, в первую очередь следует отметить языки управления роботами и операционные системы робототехнических комплексов^*. К наиболее перспективным языкам, на базе которых возможна реализация специализированных операционных систем, работающих в реальном масштабе времени, и управляющих языков, можно отнести С и FORTH.

♦♦♦ Заметим, что современный компьютер, даже в совокупности с самыми сложными системами программного обеспечения, все еще уступает человеку в умении запоминать разнородную информацию, делать выводы на основании суждений и принимать обоснованные решения. В целях дальнейшего расширения функциональных возможностей ЭВМ и совершенствования их интеллектуальных способностей министерство промышленности и внешней торговли Японии предложило в 1982 г. проект крупномасштабных исследований по "Созданию ЭВМ пятого поколения". Этот проект послужил стимулом для интенсификации работ по созданию компьютеров следующего поколения в США и многих европейских странах. Содержание понятия "ЭВМ пятого поколения" еще не приобрело ясных очертаний и будет уточняться по мере реализации проекта создания новых ЭВМ. Однако уже сейчас заслуживает внимания появившийся в результате исследований по созданию ЭВМ новых поколений язык PROLOG, предназначенный для построения программных систем с элементами искусственного интеллекта.

^* (Отметим, что от такой операционной системы требуется выполнение ее функций в реальном масштабе времени, т. е. непосредственно в ходе технологического процесса, обслуживаемого данным комплексом.)

Средства автоматизации производства и станки с числовым программным управлением

Мощным толчком к созданию средств автоматизации изготовления различных видов изделий послужила промышленная революция - переход от мануфактуры к машинному производству. Особенно быстрыми темпами автоматизация производства осуществлялась в Новом Свете. В 1907 г. на заводе Форда был разработан и внедрен так называемый производственный комплекс Т-типа - родоначальник современных автоматических поточных линий.

Конечной целью автоматизации производства, определяющей направление его развития, является уменьшение затрат труда и высвобождение рабочих рук за счет создания автоматических производственных систем. Одним из самых замечательных результатов, достигнутых в процессе эволюции средств автоматизации, явилось изобретение автоматических станков. Наиболее интенсивный период развития мирового станкостроения приходится на годы второй мировой войны. Американские компании, занятые производством военной авиационной техники, осознав необходимость создания новых высокоточных и более производительных станков для механической обработки сложных деталей самолетов, приступили к исследованиям в области станкостроения. Реализация одной из исследовательских программ разработки новых обрабатывающих станков для авиационной промышленности осуществлялась под руководством Дж. Парсонса. В 1948 г. Парсонс высказал мысль о возможности числовых управлений станками для механической обработки. В 1952 г. в результате сотрудничества группы Парсонса с Массачусетсом технологическим институтом был построен первый в мире станок с числовым программным управлением (станок с ЧПУ). Это был фрезерный станок с числовым программным управлением по трем степеням подвижности. Убедившись в эффективности таких станков, американские авиационные компании приступили к их практическому освоению. Согласно некоторым данным, на военных заводах США в 1955 г. было установлено около 100 фрезерных станков с ЧПУ.

В Японии научные исследования в области станкостроения стали носить систематический характер только к 1957 г. В то время главные научные силы станкостроения были сосредоточены в Токийском технологическом университете, исследовательских отделах фирм Fujitsu и Bokuno Frezer, а также в испытательной лаборатории Института технологий промышленности (ныне Научно-исследовательский центр проблем механики). В результате работ, проводимых этими и другими коллективами, в Японии появились собственные станки с ЧПУ. К этому моменту в области мирового станкостроения был сделан следующий шаг: в 1959 г. фирма Саrnу and Trakker создала первый в мире обрабатывающий центр - обыкновенный станок с ЧПУ, объединенный с устройствами для автоматической замены обрабатывающего инструмента.

Принципы управления современными промышленными роботами, программируемыми обучением по первому циклу, аналогичны тем, что использовались в первых станках с ЧПУ. Отличительная особенность станков с ЧПУ заключается в том, что данные, необходимые для обработки деталей в соответствии с предварительно заданным чертежом, наносятся на бумажную перфоленту, которая вводится в систему управления станком через специальное устройство считывания перфолент. С помощью одной перфоленты можно управлять обработкой любого количества одинаковых деталей; заменяя по мере необходимости одну управляющую перфоленту другой, на одном и том же станке можно обрабатывать множество различных по форме и материалу деталей. Последовательность подготовки программ и управления работой станка с ЧПУ схематически показана на рис. 1.5

Рис. 1.5. Схема программирования и управления станков с ЧПУ. 1 - чертеж изготовляемой детали; 2 - программа обработки заготовки на перфоленте 3 - устройство считывания с перфоленты; 4 - устройство ЧПУ; 5 - блок приводов станка. (На рисунке следует читать: устройства ввода управляющей информации)

Что касается программирования промышленных роботов, то в данном случае вместо подготовки управляющей перфоленты человек, как правило, непосредственно проводит руку робота с инструментом по рабочей траектории, при этом узловые точки траектории записываются в память устройства управления, которое затем может воспроизвести запомненную траекторию требуемое число раз. Такой способ программирования является специфическим для роботов. Он получил название обучение по первому рабочему циклу, или просто обучение. Записанные в память координаты узловых точек преобразуются в цифровую форму, поэтому и робот, и обрабатывающие станки могут управляться с помощью одинаковых устройств ЧПУ.

♦♦♦ Заметим, что промышленная робототехника не ограничилась в своем развитии тем, что унаследовала от станкостроения основные принципы числового программного управления. Она и по сей день продолжает заимствовать конструктивные и алгоритмические решения, появляющиеся по мере совершенствования станков с ЧПУ. В частности, в более сложных современных роботах для повышения точности и плавности перемещения захвата по рабочей траектории широко используются принципы числового программного сервоуправления, а управление одновременным перемещением по двум и более степеням подвижности осуществляется посредством интерполяции заданной траектории. Прежде чем эти технологические решения были взяты на вооружение разработчиками промышленных роботов, они прошли апробацию в станках с ЧПУ.

Техника изготовления искусственных конечностей

Механическое устройство, способное возвратить человеку некоторые функциональные возможности, утраченные им в связи с потерей руки или ноги, называется соответственно искусственной рукой или искусственной ногой. Искусственные руки и ноги объединяются под общим названием искусственные конечности^*.

^* (Искусственные конечности часто называют просто протезами.)

Искусственная рука, как правило, приводится в действие за счет сокращения сохранившихся мышц, но иногда для этих целей используются специальные электрические, гидравлические или пневматические системы приводов. Такая искусственная рука относится к категории так называемых протезов с усилением. История протезирования насчитывает не одно столетие, но непосредственное отношение к робототехнике имеют только протезы с усилением. Существуют два основных фактора, определяющих направления развития техники протезирования. Во-первых, это требования, предъявляемые к форме, внешнему виду, размерам и массе искусственной конечности. Во-вторых, необходимость создания специальных устройств сопряжения механической части с живыми тканями (человеко-машинных интерфейсов).

В настоящее время разработано множество различных типов протезов с усилением, помогающих человеку выполнять те или иные утраченные функции руки. По своему назначению и функциональным возможностям они подразделяются на искусственную кисть, искусственное предплечье и кисть, искусственное плечо и предплечье, включая кисть и локтевой сустав, полный протез руки от плечевого сустава до кисти. Главная цель техники протезирования состоит в создании искусственных конечностей, способных в полной мере возвратить человеку утраченные возможности. Достижение этой цели требует решения таких проблем, как:

● обеспечение полного сходства живых и искусственных конечностей по внешнему виду, размерам и массе;

● обеспечение естественности и плавности перемещений искусственных конечностей.

Решение первой проблемы связано с разработкой оригинальных методов и механизмов, позволяющих гибко управлять работой всех суставов руки и пяти пальцев кисти с помощью минимального количества приводов (электромоторов или гидроцилиндров), а также с использованием легких пластических масс и композиционных материалов, упрочненных графитовыми волокнами, для предельного облегчения конструкции и придания ей полного внешнего сходства с рукой человека. Решение второй проблемы предусматривает построение систем управления движением искусственной рукой, способной воспринимать в качестве задающих воздействий электрические сигналы, вырабатываемые нервной системой человека для приведения в действие мышц живой руки. В настоящее время теоретические исследования принципов построения автоматических систем, управляемых биотоками, достигли периода расцвета. Одно из главных препятствий, сдерживающих практическую реализацию разработанных принципов, связано с трудностью выделения полезного управляющего импульса из большого количества посторонних электрических сигналов (шумов), улавливаемых высокочувствительным электродом, приклеенным к телу человека. Наиболее обнадеживающие результаты на пути преодоления этой трудности получены в случае применения методов статистической обработки входных сигналов.

Помимо электрических импульсов в технике протезирования используются и другие способы задания управляющего воздействия, которое затем достаточно просто преобразуется в сигналы, поступающие на приводы механической руки. К числу таких способов относятся выдох, наклон головы, поворот головы (точнее, перемещение подбородка), движение туловища и т. п.

Последние достижения в области теории и практики распознавания речи позволили создать протез руки, управляемый голосом с помощью набора простых коротких команд. Однако, каким бы способом ни задавался исходный управляющий сигнал, для получения задающих воздействий на приводы исполнительной системы требуется преобразование аргументов команды перемещения в систему координат, связанную с кистью руки. Аналогичные задачи возникают при вычислении задающих воздействий для современных, управляемых от ЭВМ роботов, а также для роботов с элементами искусственного интеллекта, способных вычислять координаты целевого положения руки с помощью системы технического зрения. Техника протезирования существенным образом влияет на разработку методов управления движением механической руки. Среди наиболее важных достижений техники протезирования, которые оказали значительное влияние на развитие робототехники, следует отметить всемирно известный механический протез с усилением "Бостонская рука" - результат совместной работы исследовательских групп Гарвардского университета и Массачусетского технологического института. Протез "Бостонская рука" состоит из кисти руки, предплечья и плеча (рис. 1.6). Он может сгибаться в локте и выполнять захват предметов кистью. Сгиб и захват выполняются при помощи автоматической исполнительной системы, в состав которой входит электромотор. Работа электромотора инициируется биотоками, вырабатываемыми под контролем головного мозга в окончаниях нервных волокон уцелевшей части руки. Усиление сигналов и питание электромотора осуществляются с помощью аккумуляторных батарей, которые располагаются в специальном поясе. Для выделения и усиления полезных биотоков, а также для управления и формирования задающего напряжения в цепи электромотора применялись прецизионные тензометры и другие электронные устройства высокого класса.

Рис. 1.6. Протез 'Бостонская рука' (срисовано автором с иллюстрации в книге Карла Шмидта). 1 - головной мозг; 2 - сигнал управления движением руки от головного мозга; 3 - сопряжение протеза с живыми тканями; 4 - устройства контакта с нервными окончаниями мышечных тканей 5 - электрический импульс от нервных окончаний мышцы; 6 - потенциометр; 7 - ось сгиба в локтевом суставе протеза; 8 - электромотор; 9 - аккумуляторные батареи; 10 - усилители биосигналов; 11 - захватное устройство ('вилка'); 12 - тросик привода захватного устройства

Полный протез руки (от плечевого сустава до кисти) был разработан в Стэнфордском международном исследовательском центре (SRI). Система управления движением этого автоматического протеза включает микро-ЭВМ. Инициирующим воздействием в протезе SRI является поворот плеча пациента. К числу широко известных протезов относятся также механическая рука "Kollins Hand", сконструированная Д. У. Коллинзом, и рука "Adenber Arm", разработанная в Лондонском университете. В Японии теоретические и практические вопросы создания искусственных конечностей тщательно изучаются в Университете Васэда, в Токийском университете, в Токийском электротехническом институте, в Университете Токудзима, а также в Научно-исследовательском центре проблем механики и в Научно-исследовательском институте протезирования.

Копирующие манипуляторы для обслуживания атомных реакторов

Для обслуживания различной контрольно-измерительной аппаратуры или проведения каких-либо технологических операций на атомных станциях в условиях высокой радиации разработаны специальные механические устройства, приводимые в действие человеком-оператором, который находится в хорошо защищенном помещении на значительном удалении от рабочего места. Устройства, способные на расстоянии воспроизводить функции человеческой руки, получили название манипуляторов, а в силу своих неординарных для того времени возможностей их иногда называли "волшебной рукой".

Появление манипуляторов для обслуживания атомных реакторов сыграло важную роль в развитии аппаратных средств робототехники, особенно на начальном этапе исследований по созданию технических средств для роботов с элементами искусственного интеллекта. В первое время при разработке принципов управления интеллектуальными роботами исследователи не только заимствовали основные принципы построения копирующих манипуляторов, но и непосредственно использовали их в своих экспериментах. Работы по созданию манипуляторов для атомных станций наиболее интенсивно велись в США, Франции и ФРГ. Среди созданных тогда манипуляторов особую известность получили копирующие манипуляторы, разработанные Государственным научно-исследовательским институтом шт. Орегона (ANL). Предложенные этим институтом конструкции манипуляторов и принципы управления ими до сих пор находят применение во многих моделях промышленных роботов.

Один из первых в ANL манипуляторов для обслуживания атомных станций был разработан в 1948 г. под руководством Р. Герца. Устройство этого манипулятора, известного как ANL Model-1, показано на рис. 1.7. Это был первый двунаправленный копирующий манипулятор. Благодаря силовому очувствлению оператор, который находился за толстой перегородкой в специальном помещении, имел возможность не только наблюдать на экране перемещение управляемого им копирующего манипулятора, но и ощущать руками величину усилий, развиваемых захватом манипулятора. Таким образом, манипулятор ANL Model-1 позволял использовать в качестве обратной связи как визуальную, так и силовую информацию. Использование силовой обратной связи в контурах управления двухсторонними копирующими манипуляторами позволило значительно упростить процесс управления на расстоянии и расширить функциональные возможности дистанционных управляемых манипуляторов. В 1948 г. Миллс разработал однонаправленный копирующий манипулятор, так называемую "модель А". Исполнительная система этого манипулятора была реализована на электромоторах с переключательными электронными схемами в цепях управления. Манипулятор Миллса обладал большой мощностью и мог легко перемещать тяжелые объекты, "неподъемные" для копирующего манипулятора Герца. С 1950 г. в ANL стали проводиться экспериментальные работы по созданию систем дистанционного управления копирующими манипуляторами со стационарной телекамерой в контуре визуальной обратной связи. В 1954 г. Р. Герц разработал общие принципы копирующего манипулятора, в котором двунаправленная передача усилий (от оператора к рабочему органу манипулятора и от манипулятора кооператору) осуществлялась электрическим способом, а не механическим, и построил первый экспериментальный образец. Таким образом был разработан и реализован первый двунаправленный сервомеханизм^*. В это же время был завершен финансируемый АЕС проект создания мобильного аппарата с манипулятором на борту, а в 1958 г. был построен мобильный манипулятор, который мог ориентироваться с помощью установленной на борту телекамеры

^* (Подобные сервомеханизмы являются обязательным компонентом современных роботов с элементами искусственного интеллекта.)

Рис. 1.7. Копирующий манипулятор для обслуживания атомных реакторов ANL Model-1. 1 - пружина подвески; 2 - неподвижная опора; 3 - ось покачивания запястья вверх-вниз; 4 - направление движения губок захвата; 5 - ось вращения запястья; 6 - ось вращения руки; 7 - ведомый манипулятор; 8 - изолирующая перегородка; 9 - ведущий манипулятор

Занимаясь исследованиями в области создания перспективных манипуляторов для обслуживания атомных электростанций, компания General Electric провела цикл работ по проекту "Handyman", которыми руководил Р. С. Мозер. Реализация проекта привела к созданию шагающего манипулятора. Этот манипулятор, получивший название "Exsosceleton", подобно человеку, имеет четыре конечности (руки и ноги). Каждая из конечностей приводится в движение от электрогидравлических приводов, а весь механизм работает в копирующем режиме. Несмотря на то что информация о результатах работ по проекту "Handyman" долгое время принадлежала к числу секретных, принципы построения шагающих манипуляторов "Exsosceleton" послужили мощным стимулом для развития многих современных направлений исследований в области перспективных моделей роботов. Еще один принцип построения, получивший широкое распространение в современных очувствленных роботах, был предложен Р. Герцем в 1965 г. Он построил копирующий манипулятор с электромеханической системой приводов, к головной части которого была прикреплена телекамера. Телекамера перемещалась вместе с захватом манипулятора, что давало возможность оператору наблюдать на экране своего телевизора за предметами, расположенными в непосредственной близости от захвата.