Мобильность

Потребности в мобильных роботах

В широком смысле понятие "робот" включает в себя прежде всего представление о некотором механическом аппарате, способном с той или иной степенью самостоятельности перемещаться в пространстве. С давних пор слово "робот" ассоциируется у людей о образом человекоподобного существа, тяжело ступающего (по земле механическими ногами. Обычно считают, что способность передвигаться без помощи человека, или мобильность, должна быть присуща любому роботу. Однако оказывается, что способность автономно целенаправленно перемещаться в достаточно сложных естественных условиях неразрывно связана со способностью быстро справляться с задачами, для решения которых требуется исключительно высокий уровень интеллекта. Более того, даже если отвлечься от проблем искусственного интеллекта, то и тогда при современном уровне развития техники построение устройств, по своим чисто механическим возможностям сравнимых с ногами человека или животного, вызывает значительные затруднения. Все механические устройства, предназначенные для передвижения в пространстве, - танки, тракторы, автомобили и другие - выполняют свои функции под непосредственным управлением человека. Не имеют принципиальных отличий от перечисленных устройств и различного рода радиоуправляемые аппараты - человек хотя и находится на расстоянии, но тем не менее контролирует каждый "шаг" дистанционно управляемых машин. На первый взгляд к числу автономных мобильных устройств можно было бы отнести новейшие электровозы с системами автоматического управления. Однако не следует забывать, что в данном случае автономность достигается за счет чрезвычайно жестких ограничений, накладываемых на условия движения: поезд движется только по рельсам, которые ко всему прочему требуется обнести надежной оградой, так как автоматика в отличие от машиниста не может подать сигнал об опасности замешкавшемуся на пути пешеходу или любопытному животному.

Потребности в мобильности роботов в производственной сфере будут быстро возрастать по мере того, как применение роботов начнет выходить за рамки обрабатывающих отраслей промышленности и распространяться на смежные виды производства, а также в непромышленных отраслях. Уже сейчас роботизация этих отраслей осуществляется довольно быстрыми темпами. Об этом, в частности, говорят данные, приведенные в докладе о тенденциях развития потребностей в робототехнике, подготовленном объединенной комиссией Общества содействия развитию промышленности и Японской ассоциацией промышленных роботов и опубликованном в марте 1982 г. Достаточно лишь беглого знакомства с цифрами, приведенными на рис. 7.3, чтобы убедиться в том, что уже сегодня удельный вес роботов, занятых в необрабатывающих отраслях, весьма значителен. Конечно, большая часть этих роботов применяется в смежных областях, например для выполнения сборочных операций на машиностроительных заводах. Хотя подобная тенденция, по-видимому, сохранится и в будущем, тем не менее, как следует из рисунка, потребности в роботах непрерывно увеличиваются и в тех отраслях промышленности, где существует потенциальная возможность роботизации вредных, опасных и однообразных операций, а также операций с повышенной точностью, быстродействием и стабильностью.

Что касается большинства не имеющих отношения к машиностроению отраслей промышленности, которые лишь недавно заявили о своих потребностях в роботизации, то условия применения роботов в этих отраслях существенно отличаются от традиционных условий внедрения и эксплуатации роботов в обрабатывающей промышленности. В связи с этим попытки роботизации таких отраслей на основе внедрения роботов, хорошо зарекомендовавших себя в обрабатывающем производстве, сопряжены с большими трудностями и зачастую не приносят желаемого эффекта.

Рассмотрим подробнее, что же представляют собой "немашиностроительные" отрасли промышленности и каковы особенности их роботизации. По-видимому, прежде всего следует перечислить те из них, которые более других нуждаются в роботизации. На основе данных анализа многочисленных официальных источников, а также собственного опыта^* автор составил следующий перечень:

^* (Автор считает одной из актуальных проблем робототехники - внедрение роботов в нетрадиционные для них области; поэтому к нему неоднократно обращались с предложениями разработать робот, ориентированный на эксплуатацию в той или иной из таких областей.)

● строительство, инженерно-строительные и строительно-монтажные работы;

● горное дело, добыча руды, проходка;

● атомная энергетика;

● космическая техника;

● морское дело, морской и речной водный промысел;

● сельское хозяйство, лесоводство;

● транспортировка грузов, складское дело, погрузочно-багажные;

● энергетика, связь;

● медицина, коммунальное хозяйство;

● швейное производство;

● деревообрабатывающая промышленность.

Роботизация технологических процессов в любой из перечисленных областей представляет собой интереснейшую исследовательскую задачу. В самом деле, несмотря на то что уже давно существует настоятельная необходимость в автоматизации перечисленных отраслей, в любой из них до сих пор не удается обеспечить надлежащего качества выполнения работ без помощи человеческих рук. Ни одна из попыток внедрения специализированных механизмов не привела к окончательной ликвидации ручного труда ни в одной из этих отраслей. В результате пришлось смириться с создавшимся положением и отказаться от практического воплощения идеи об их полной автоматизации. Однако сообщения об успехах, достигнутых в области развития робототехники, передаваемые и популяризуемые средствами массовой информации, вселяют надежду, и, как знать, может быть, именно благодаря новым роботам станет возможной автоматизация технологических процессов в нетрадиционных о точки зрения робототехники отраслях промышленности.

Возьмем, к примеру, строительно-монтажные работы. Здесь потребности в автоматизации диктуются прежде всего убытками, которые предприниматели несут в результате выплаты компенсации рабочим, получившим травмы и увечья во время работы на большой высоте. Особенно остро эта проблема стала ощущаться в последние годы в связи со старением поденных рабочих, в том числе и строителей-монтажников. Аналогичная ситуация складывается и в горнодобывающей промышленности. К сожалению, работа современного шахтера-проходчика не менее опасна, чем профессия монтажника. Достаточно только вспомнить беспрецедентную по масштабам катастрофу, которая произошла осенью 1981 г. на каменноугольных шахтах близ. г. Юбари на о. Хоккайдо. А всех трагедий, имевших место в шахтах из-за взрывов и обвалов, просто не перечесть. Добавим к этому также отнюдь не способствующие здоровью шахтера факторы, такие, как абразивная пыль, невыносимая жара, повышенная влажность, оглушающий скрежет проходческих машин и т. д. Пожалуй, трудно найти еще одну такую отрасль промышленности, где бы рабочие постоянно находились в столь же опасных и невыносимых условиях, как горняки. Поэтому необходимо во что бы то ни стало создать роботы для добычи угля в шахтах. Не менее веские аргументы безотлагательного внедрения роботов выдвигают атомная энергетика, космонавтика и акванавтика. Особенно остро стоит проблема роботизации процессов обслуживания ядерных реакторов. Конечно, помимо чисто технических проблем процесс роботизации в перечисленных отраслях сдерживается трудностями, связанными о финансированием исследовательских и проектных работ по созданию новых роботов специального назначения. Очевидно, что бремя единовременных выплат может быть облегчено в результате компромиссных соглашений, к которым производители и потребители робототехники обычно приходят после нескольких раундов двухсторонних переговоров.

Как это ни покажется парадоксальным, но факт остается фактом: по мере модернизации и интенсификации основных технологических процессов сельскохозяйственного производства оно становится все более и более травмоопасным для занятых в нем специалистов. Увеличение масштабов производства, его механизация и химизация приводят к коренной ломке традиционного уклада сельских жителей, что, по свидетельству компетентных источников, сопровождается увеличением числа случаев серьезных психических расстройств среди сельского населения. Нередки также случаи гибели людей вследствие несчастий, произошедших при работе с сельскохозяйственной техникой или в результате отравления ядохимикатами^*. Вместе с тем нельзя забывать, что сельскохозяйственный труд, как никакой другой, изобилует примитивными монотонными операциями. Далеко не самыми худшими примерами таких операций могут послужить прореживание всходов, макание виноградных завязей в раствор, обрезание лишних побегов и ростков и т. п. Все эти и многие другие операции отнимают чрезвычайно много времени, утомляют и раздражают человека и, следовательно, должны быть автоматизированы. Работы в этом направлении уже начаты. Как сообщалось, недавно во Франции был разработан мобильный автономный робот, предназначенный для автоматического удаления лишних побегов виноградной лозы.

^* (Автор данной книги принадлежит к числу тех, кто с большим сомнением и беспокойством относится к пропагандируемым методам так называемого модернизированного земледелия. И тем не менее он убежден, что в условиях применения всевозможных ядохимикатов, химических удобрений, а также средств механизации полная автоматизация наиболее опасных для человека технологических процессов может сыграть роль своеобразного аллопатического средства лечения болезни, именуемой "модернизированное земледелие".)

В связи с продолжающейся компьютеризацией и автоматизацией всех сфер человеческой деятельности в последнее время заметно возросли потребности во внедрении роботов даже в такие нетрадиционные сферы, как медицина, социальное обеспечение и коммунальное хозяйство. Возникновение и развитие этой тенденции в Японии объясняется двумя факторами. Во-первых, бурное развитие новых технологий сопровождается оттоком большой части трудоспособного населения, и в первую очередь молодежи, в современные научные отрасли. Во-вторых, происходящее в результате повышения уровня жизни "старение" населения Японии (увеличение доли пожилых людей в общей численности населения) приведет к тому, что в ближайшем будущем многие люди, достигшие преклонного возраста, не только оставят свою работу в сфере обслуживания, но и неизбежно увеличат ряды тех, кто нуждается в повышенном внимании со стороны органов здравоохранения и социального обеспечения. В создавшейся ситуации ожидается, что назревающий дефицит кадров низкой квалификации удастся компенсировать за счет внедрения роботов. В частности, роботы могли бы выполнять функции ночных сиделок у постелей немощных стариков и тяжелобольных. Уже сейчас существуют роботы, способные справиться с такого рода задачами, однако, прежде чем приступить к их широкомасштабному внедрению, необходимо тщательнейшим образом учесть все особенности предполагаемой области их использования. Конечно, ни в коем случае нельзя применять автоматы там, где необходимо чисто человеческое участие. При этом нельзя забывать, что в госпитальном деле существует много вспомогательных операций, из которых желательно и даже необходимо исключить участие человека. Одной из первых на очереди стоит транспортировка больных на процедуры и хирургические операции. В современных больницах эта операция выполняется исключительно вручную, что является причиной частых травм и физического перенапряжения пожилых санитаров, а также доставляет массу неудобств больным. Очевидно, эффективное решение проблемы транспортировки невозможно без применения специальных роботов.

Итак, с каждым годом обнаруживаются все новые и новые сферы деятельности человека, где перспективы внедрения роботов даже не рассматривались. Среди этих сфер наиболее репрезентативным примером появления потенциальных потребителей робототехники являются непромышленные предприятия. Именно в непромышленных областях от робота почти обязательно требуется умение самостоятельно передвигаться. Другими словами, характер операций, которые в первую очередь надлежит роботизировать, в непроизводственных областях обычно связан с выполнением пространственных перемещений на достаточно большие расстояния. Для того чтобы роботы могли эффективно перемещаться и выполнять поставленные перед ними задачи, они должны обладать очень высокими интеллектуальными возможностями и довольно сложным механизмом. Очевидно, настало время приступить к практической разработке мобильных роботов. По-видимому, в скором времени появятся роботы, которые будут в полной мере соответствовать нашим давним представлениям о человекоподобных существах, т. е. они будут уметь ходить или по крайней мере самостоятельно перемещаться.

♦♦♦ Заметим, что и традиционные с точки зрения робототехники отрасли промышленности могут предложить мобильным транспортным роботам немало работы, например перевозку заготовок в технологических процессах с высокой температурой окружающей среды (закалка в печах либо литье), а также транспортировку тяжелых деталей в обычных процессах механической обработки.

Типы мобильности

Можно выделить четыре принципиально различных типа мобильных роботов - наземные, воздухоплавающие, водоплавающие и подземные. Теория и практика мобильных роботов трех последних типов еще не достигли того уровня развития, чтобы говорить о них как о самостоятельных областях робототехники. Поэтому в дальнейшем речь будет идти только о мобильных роботах первого типа, т. е. роботах, способных каким-либо образом перемещаться по поверхности земли.

Наземные мобильные роботы обычно подразделяются на три больших класса: колесные наземные мобильные роботы, шагающие наземные мобильные роботы (табл. 4.1) и гибридные мобильные роботы. Последние в зависимости от обстоятельств могут либо шагать, либо катиться, либо одновременно и шагать, и катиться, т. е. пользоваться и колесами, и ногами. Помимо этих трех наиболее многочисленных классов мобильных роботов существует большое количество специализированных мобильных роботов, ориентированных на ограниченное применение. К их числу относятся рельсовые роботы, адсорбционные роботы (способные передвигаться по крутым участкам, цепляясь за поверхность с помощью вакуумных присосок), роботы на магнитной или воздушной подушке, а также не попадающие ни в одну из перечисленных групп ползающие роботы.

Таблица 4.1. Основные типы наземных мобильных аппаратов

Среди множества разнообразных типов мобильных роботов в настоящее время наибольший практический интерес вызывают колесные наземные мобильные роботы. Предложено большое количество принципов классификации колесных наземных мобильных роботов. Если воспользоваться классификацией по способу управления работой колес, то можно выделить следующие три группы колесных роботов: автомобильная группа (поворот осуществляется только за счет передних колес); группа с произвольным независимым управлением поворотом каждого колеса влево или вправо (например, кресло-каталка); группа роботов, способных перемещаться во всевозможных направлениях. Большинство применяемых на практике колесных мобильных роботов относится ко второй группе, т. е. данный метод управления оказывается наиболее важным. Что касается роботов, колеса которых могут поворачиваться в любую сторону (способных перемещаться во всевозможных направлениях), то они пока находятся на стадии экспериментальных исследований и опытных испытаний. В частности, в соответствии с долгосрочной программой создания таких роботов^* был разработан мобильный робот для автоматизации транспортных операций в пределах обычных заводских цехов. Разработка этого робота послужила одним из последних предварительных этапов на пути создания мобильного робота с произвольным выбором направления движения.

^* (Программа была составлена Японским научно-исследовательским центром проблем механики и осуществляется с 1967 г. под руководством Накано и Араи.)

Среди шагающих мобильных наземных роботов практический интерес представляют конструкции с разным числом конечностей - от многоногих шагающих аппаратов, напоминающих сороконожку, до роботов с 8, 6, 5, 4, 3 и 2 конечностями. Кроме того, в исследовательских центрах и научных лабораториях изучаются принципы создания безногих мобильных аппаратов, способных перемещаться подобно змеям или морским моллюскам. На практике потребность в шагающих аппаратах возникает в связи с необходимостью использования роботов для передвижения по местности с большим количеством препятствий или неровностей, а также там, где от него требуется умение взбираться и спускаться по ступенькам обычной лестницы.

♦♦♦ Заметим, что способы передвижения на 2, 4, 6 и 8 ногах не были изобретены специально в ходе разработки мобильных роботов. Их предложила сама природа: ведь именно так перемещаются человек и различные живые существа.

В настоящее время в Японии наиболее интенсивно ведутся работы по созданию и внедрению колесных мобильных роботов. Именно в этой области исследований Япония занимает ведущее место. На пороге своего расцвета находится и теория принципов построения двуногих шагающих роботов. В 1983 г. министерством внешней торговли и промышленности Японии была разработана и утверждена программа крупномасштабных исследований по "Созданию роботов дальнего действия". В этой программе мобильность роботов приводится первой в перечне средств и методов, реализация которых должна привести к скачкообразному увеличению границ зоны обслуживания современных роботов. Естественно, что данная программа послужит мощным стимулом для оживления исследовательских работ в области мобильных роботов.