Электронный "мозг" для роботов

Решая многочисленные задачи, связанные с созданием и производством робототехнических систем для самых различных отраслей промышленности, ученые и конструкторы заботятся и о том, чтобы роботы были оснащены надежными устройствами, которые безотказно и с молниеносной быстротой могли бы перерабатывать огромную информацию о внешнем мире. А чтобы такая информация приносила необходимую пользу, нужно не только уметь ее собирать, но и перерабатывать, осмысливать, выбирать наиболее подходящий к случаю вариант поведения. Для этого необходимо иметь гораздо более емкий, чем у обычного манипулятора, электронный "мозг".

Мы уже привыкли к компьютерам, которые стали поистине "мозгом" современной автоматики. Сменяя и превосходя друг друга способностями, главным образом, в скорости вычислений, они прочно обосновались сегодня в вычислительных центрах, в научных институтах и на производстве.

Современная компьютерная техника надежно управляет и движением, и работой межпланетных станций и кораблей, удаленных на миллионы километров от Земли. Системы с ЭВМ успешно применяются для управления промышленными объектами, атомными реакторами, гидро- и теплоэлектростанциями...

ЭВМ стали помощниками человека и в его интеллектуальной деятельности, увеличив мощь нашего интеллекта.

А можем ли мы одну из современных ЭВМ использовать для управления роботами, например, в режиме попеременного подключения? Конечно, можем! Но большого эффекта от этого не получим. Помимо того, что это было бы очень дорого, мы не смогли бы достичь и необходимой оперативности в управлении. Практика применения роботов показала, что им нужен такой электронный "мозг", который бы при малых габаритах обладал способностью хранить в памяти нужный набор программ и, кроме того, мог бы быстро видоизменять их. Необходимость такого электронного "мозга" сейчас общепризнана. А компьютеры нужны сегодня для диспетчеризации и контроля работы оборудования при управлении производством.

Ученые и конструкторы разработали, а промышленность наладила производство микромодулей - миниатюрных электронных устройств. Из них, как из кирпичиков, можно собрать компактный, но обладающий большими возможностями "мозг" роботов - микроЭВМ. Такие микроЭВМ можно разместить, например, в "кисти" манипулятора, и он станет "думать" еще и "рукой". Эти "умные" миниатюрные электронные машины наделяют искусственным интеллектом роботов, "мозг" которых машинным способом моделирует окружающий мир и принимает решения.

Современные микропроцессоры настолько малы, что едва заметны на ладони. Выполнены они на кремниевом кристалле размером в квадратные миллиметры или их доли. Кристалл этот заключен в керамический корпус с двумя рядами металлических выводов, которые внешне напоминают небольшого паучка.

На кремниевом квадратике, на площади всего в одну клетку тетрадного листа, размещаются десятки тысяч взаимодействующих элементов. Рассмотреть их можно только с помощью сильного микроскопа. Увеличивая количество таких рабочих элементов до сотен тысяч, миллионов, можно повысить вычислительную мощь микропроцессоров и микроЭВМ. Их внедрение в современную технологию и, в частности, для управления роботами, повышает возможности и интеллектуальные способности роботов.

Микропроцессоры и микроЭВМ наделяют роботов способностью принимать решения, хранить в памяти инструкции и автоматически регулировать свои действия. Они работают гибко и осмотрительно, адаптируясь к сложившейся обстановке. Наблюдая за действием таких роботов, поистине удивляешься их способностям. Они самостоятельно сортируют детали, производят сборочные операции. Механические "пальцы" робота, крепко зажав деталь, относят ее в нужную ячейку ящика, точно соответствующую конфигурации детали. Микропроцессор наделил робот и элементами технического зрения. Транспортная тележка-робот автоматически движется по цеху и внезапно останавливается, когда срабатывает бампер безопасности: на полосе появилось препятствие. Движением и остановкой этого транспортного робота управляет микроЭВМ, получая информацию от датчиков слежения.

Робот, управляемый микропроцессором, чутко реагирует на любое, даже незначительное изменение обстановки. Он, например, сумеет найти чуть сдвинутую в сторону деталь, донести ее точно до места назначения, адаптируясь к сложившейся обстановке. Как мозг человека посылает сигнал руке, что ей надо делать, так и система управления роботом (микропроцессор или микроЭВМ), работающая по заложенной в нее программе, вырабатывает программу для робота. Эта программа может быть сложной, и в ней может быть предусмотрено несколько способов выполнения одного и того же действия - какой из них выбрать, робот решает сам, используя информацию своих датчиков. И чтобы изменить его "поведение", надо изменить программу, хотя это может происходить и автоматически (в этом случае робот самообучается). Этому роботу по плечу те задачи, перед которыми пасуют обычные роботы-манипуляторы, предназначенные для выполнения строго определенной, заданной программы.

Весьма характерен такой пример. Современный станок способен работать практически без вмешательства человека, и лишь процессы закрепления заготовки в шпинделе и снятия готовой детали долгое время не поддавались автоматизации. Это происходило потому, что на станках вытачиваются разные детали - не только, скажем, валы, но и втулки. Так вот, заготовку вала надо закреплять определенным способом, а заготовку втулки - немного иначе. Человек это "немного" даже не замечает, а для традиционного автооператора, рассчитанного на работу с валами, "взять" втулку - задача уже непосильная. Все, что может традиционная автоматика,- это подать деталь определенной конфигурации из одного строго определенного места в другое, тоже строго определенное. И вот для выполнения этих операций было решено внедрить в производство простой, надежный и умелый робот "Электроника НЦТМ-01" с микропроцессорной управляющей вычислительной системой "Электроника НЦ80-01Ц".

Проследим за тем, как справляется со своими обязанностями такой робот. "Рука" робота повернулась и зависла над одной из ячеек железного ящика и стала медленно опускаться. Робот еще "не знал", что поступило на обработку, и опасался сломать манипулятор, натолкнувшись с разгона на металл. Щелчок - робот приостановился, записывая в свою память высоту заготовки, затем медленно стал сжимать металлические "пальцы-захваты". Заготовка, стоящая возле края ячейки, чуть шевельнулась, сдвигаясь в центр. Щелчок - робот сжал захваты и записал в память диаметр заготовки. Манипулятор приподнялся, описал дугу, поднес заготовку к шпинделю, развернул ее в горизонтальное положение, медленно стал вставлять в шпиндель и ...промахнулся: отливка была тяжелой, рычаги манипулятора слегка изогнулись под нагрузкой, и торец заготовки не попал в отверстие шпинделя. Тогда робот стал нащупывать нужное положение и, в конце концов, добился своего. Записав в память показания датчиков, соответствующие этому положению, он мягко "дожал" деталь до упора и дал команду станку закрепить ее. Затем разжал "пальцы", убрал манипулятор и включил станок.

С остальными заготовками робот управлялся куда быстрее. Ведь он уже имел "опыт". Он без "раздумий" останавливал манипулятор с заготовкой точно на нужной высоте и с первого раза попадал в шпиндель станка. А когда все детали были выточены и на столике возле станка появился новый ящик с заготовками уже других деталей, робот сам, без помощи человека, перестроился на работу с ними...

Об удивительных способностях робота "Электроника НЦТМ-01" говорит и такой пример. Человек шагнул к станку и оказался на пути быстро поворачивающейся механической "руки". Казалось бы, авария неминуема. Но ...ничего не случилось: робот, встретив препятствие в самом неожиданном для себя месте, мгновенно остановился и даже не сделал никаких попыток его обойти - ведь шпиндель станка никак не мог тут оказаться, значит, продолжать самостоятельные действия было опасно. Естественно, робот не знал, как ему поступить, и чтобы не нанести вреда себе или окружающим просто прекратил работу. А на экране дисплея, стоящего возле станка, засветилось слово: "Авария". Затем на клавиатуре дисплея, который служит для управления роботом, набрали соответствующую команду, и манипулятор возобновил работу.

Роботы, оснащенные микропроцессорами и микро-ЭВМ, собирают автомобили. Один из роботов выхватывает своими заостренными "пальцами" из довольно большой стопки клиновидных ремней самый верхний. Он "знает" местонахождение ремня, а также, какой он на ощупь. Еще ни разу не взял что-то другое. Робот крепко зажимает его своими "пальцами" и спешит к конвейеру, где его ждет двигатель в сборе с генератором. С тщательностью аккуратного человека, он надевает ремень на три шкива, затем натягивает его и закрепляет. Двигатель, "почувствовав", что его обслужили, продвигается по конвейеру дальше к следующему роботу. Проходит немного времени, и вот уже двигатель установлен на автомобиль.

Этот "мастер" по установке клиновидных ремней имеет "видящие" железные захваты, оснащен микропроцессорами и устройствами памяти, программами, которые координируют и контролируют жестко фиксированный рабочий процесс.

В цехе сборки автомобилей бок о бок трудятся и другие роботы. Один из них укладывает в багажник запасное колесо. Другой закрывает крышку багажника. Третий - трехшарнирный робот - помогает при установке радиатора. Он выбирает детали радиатора, которые берет с других конвейеров, и, подняв их, передает на следующий пост, где они соединяются вместе, тоже с помощью робота.

Свои обязанности по сборке радиаторов робот выполняет с четкой последовательностью, неуклонно следуя всем инструкциям, заложенным в микропроцессорах и устройствах памяти. Каждая вспышка света, которая доходит до "мозга" робота от других конвейеров, несущих детали радиатора, преобразуется им в механические движения.

Ловко и быстро выполняет свои функции и робот, устанавливающий аккумулятор. Каждые 25 секунд он захватывает аккумулятор, поднимает его над конвейером и плавно опускает в нужном месте. Его "помощник" - гайковерт - в мгновение ока обеспечивает необходимые крепления. Здесь роботы крепят и баки для горючего, устанавливают трансмиссию, закрепляют задний мост и амортизаторы, привинчивают колеса.

Роботы могут даже монтировать трубопроводы системы питания и тормозов.

Десятки проворных промышленных роботов, оснащенных микропроцессорами и микроЭВМ, не зная усталости, сваривают кузова автомобилей, производят их окраску, грациозно устанавливают лампочки на приборных панелях, измеряют с помощью лазерных "глаз" дверные просветы у автомобилей.

Некоторые машины делают свою работу тоньше, чем роботы, но ни одна из них не сравнится с роботом по универсальности.

Микропроцессоры и микроЭВМ большой эффект дают и в других технических устройствах. Их мы сегодня встречаем и на животноводческих фермах в автоматических системах управления кормораздачей. Они "узнают" каждую корову, содержащуюся на ферме, "помнят", сколько килограммов та съела сегодня из кормушки, и регулируют выдачу фуража по норме.

Микропроцессоры и микроЭВМ можно увидеть и в самых, казалось бы, неожиданных ролях. Они, например, добавлены к пистолету-датчику, который автоматически измеряет прочность бетона и почти мгновенно определяет его качество. Здесь измерительная часть и микроЭВМ заключены в одном компактном корпусе. Иначе говоря, микрокомпьютер встроен в прибор - автоматический измеритель, который не перегружает внимание оператора данными промежуточных вычислений, а показывает ему необходимый конечный результат. Подобные приборы без микропроцессоров и микроЭВМ вообще были бы немыслимы.

Микропроцессоры и другие электронные устройства активно стали заявлять о себе буквально всюду, во всех областях техники. Они помогают снижать токсичность выхлопа автомобильных газов и экономить горючее.

Возможных сфер применения микроэлектроники сегодня насчитывается около двадцати тысяч.

С каждым годом микроэлектроника "умнеет", обзаводится все более емкой памятью, что создает необходимые условия для создания новой робототехники, способной "чувствовать", "видеть", подчиняться командам человеческого голоса...