Глава 2. Программные роботы - роботы первого поколения

1. Элементы конструкции

Знакомство с робототехникой естественно начать с самых простых, программных роботов, которые исторически возникли раньше других (в начале 60-х годов) и поэтому относятся к первому поколению. Программные роботы - это роботы, функционирующие по жестким программам, формируемым в процессе их предварительного обучения человеком. Основным недостатком таких роботов является то, что для их нормальной работы необходимо, чтобы условия функционирования (местоположение и ориентация объектов манипулирования, расположение препятствий и т. п.) были строго определенными и неизменными. Даже незначительные изменения этих условий могут привести, как мы убедимся, ниже, не только к существенному снижению качества работы, но и к полной потере работоспособности или даже к аварийным ситуациям, приводящим к поломке робота. В подобных случаях приходится вмешиваться человеку, который переобучает (т. е. перепрограммирует) робота таким образом, чтобы в новых условиях он снова оказался работоспособным.

Несмотря на указанный недостаток, роботы первого поколения широко применяются во многих отраслях производства. Это объясняется, главным образом, тем, что программные роботы в отличие, например, от обычных автоматов обладают существенно более богатым разнообразием движений исполнительных механизмов и возможностью быстро перестраиваться на новый тип работы путем изменения программы в процессе переобучения робота человеком. Благодаря этим качествам роботы первого поколения способны выполнять некоторые простые операции, присущие человеку, занятому сугубо физическим трудом.

А могут ли эти роботы выполнять более сложные операции (например, сборку конструкции по чертежу), требующие привлечения интеллекта? Ответ на этот вопрос отрицательный: не могут. Программные роботы для этого слишком примитивны: их взаимодействие с внешним миром минимально (и к тому же осуществляется с помощью человека-оператора), а элементы интеллекта вообще отсутствуют.

После этих предварительных замечаний перейдем к более подробному описанию элементов конструкции, способов обучения и управления, а также вопросов эксплуатации и применения роботов первого поколения.

Программные роботы конструктивно очень похожи на станки с числовым программным управлением. В самом деле, и у тех и у других основными конструктивными элементами являются датчики, запоминающее устройство, программирующее устройство, исполнительные приводы и механизмы. Отличие роботов первого поколения от станков с числовым программным управлением заключается в основном в исполнительных механизмах: в случае роботов - это обычно многозвенный манипулятор со сменными схватами, в случае станков - инструмент (резец, фреза и т. п.).

Наша ближайшая цель состоит в том, чтобы ознакомиться с основными конструктивными элементами современных программных роботов с точки зрения их устройства и особенностей функционирования. Состав и характеристики этих элементов в дальнейшем можно будет сравнивать с таковыми для роботов второго и третьего поколений. Это позволит нам наглядно представить эволюцию конструкции и технических параметров роботов от поколения к поколению.

Датчики. Информационно-измерительная система программных роботов состоит из датчиков внутренней информации, служащих для измерения характеристик реального движения исполнительных механизмов и контроля за функционированием отдельных подсистем робота. (Датчики внешней информации, служащие для контроля за состоянием внешней среды, в роботах первого поколения практически не используются. Они широко используются, как мы увидим ниже, в роботах второго и третьего поколений.)

Датчики внутренней информации обычно устанавливаются в исполнительных приводах и механизмах роботов. Они предназначены главным образом для определения линейных и угловых перемещений звеньев исполнительных механизмов робота, а также скоростей их изменения. Например, датчики перемещений, установленные в "суставах" манипулятора, позволяют в каждый момент времени знать его реальную конфигурацию (т. е. взаимное расположение звеньев). Подобного рода датчики служат источниками сигналов обратной связи о реальном положении исполнительных механизмов. Эти сигналы вместе с информацией о желаемом (программном) положении и движении подаются на входы исполнительных приводов, вырабатывающих необходимые воздействия.

Каковы основные требования, предъявляемые к датчикам внутренней информации? Это малогабаритность и простота конструкции; высокая надежность (т. е. большой срок безремонтной службы); устойчивость по отношению к изменению температуры, влажности, вибрации, электрических колебаний и других условий функционирования; простота настройки и ремонта; малая стоимость. Смысл этих требований понятен каждому и не нуждается в комментариях. В качестве датчиков внутренней информации обычно используются потенциометры, сельсины, кодовые датчики, аналого-цифровые преобразователи и другие устройства.

Запоминающие и программирующие устройства. Запоминающее устройство предназначено для записи и хранения в течение необходимого времени программы движений, которая формируется человеком в процессе обучения робота с помощью программирующего устройства. Объем памяти определяется главным образом объемом и сложностью тех программных движений, которым робот обучается.

Возможность физического осуществления запоминающего устройства как искусственного органа для хранения информации, вряд ли вызовет у кого-либо сомнения. Действительно, эту функцию может выполнять, например, магнитная лента, на которой запись, хранение и считывание информации производится примерно так же, как в обычном магнитофоне. Практически в качестве запоминающего устройства программных роботов кроме магнитной ленты могут использоваться и другие средства "запоминания", а именно: магнитные барабаны, перфоленты, а также электронно-лучевые трубки.

Программирующее устройство служит для построения (в процессе обучения) и воспроизведения (в процессе эксплуатации) нужной программы движения исполнительных механизмов робота. Оно представляет собой пульт или рукоятку управления, связанные с исполнительными приводами каналов управления по каждой из обобщенных координат робота.

С целью более детального ознакомления со спецификой работы запоминающего и программирующего устройства роботов первого поколения рассмотрим, например, обучение робота операции высокочастотной закалки. Эта операция состоит в следующем. С конвейера снимается деталь, помещается в печь, и включается источник тока высокой частоты. Затем, спустя определенный промежуток времени, деталь вынимают из печи, переносят и опускают в ванну для охлаждения. Описанная операция состоит из ряда элементарных операций, каждая из которых представляет собой шаг программы движения манипулятора. Элементарными операциями являются "захват детали", "перенос детали в заданную точку", "включение источника тока", "съем детали", а также выдержка времени между отдельными элементарными операциями. В процессе обучения человек, нажимая кнопки ручного управления, перемещает манипулятор в нужные положения. При этом в запоминающее устройство вводится информация трех типов: о последовательности элементарных операций в пределах одного шага программы, о положении (или перемещении) исполнительного манипулятора робота, а также о времени "отработки каждого шага. Если информация первого типа является, по существу, дискретной, то информация второго и третьего типа является непрерывной. Тип информации определяет форму ввода и хранения ее в запоминающем устройстве.

Исполнительные приводы. Под приводами обычно понимают двигатели вместе с системой передачи управляющих сил или моментов на исполнительные механизмы робота. В зависимости от используемого вида энергии исполнительные приводы можно подразделить на гидравлические, в которых применяется жидкость (например, вода, масло и т. п.), пневматические, в которых используется газ (например, воздух), и электрические, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую. Говоря об эффективном приводе для роботов, не следует забывать и о мускульном двигателе, в котором осуществляется прямое превращение химической энергии в механическую. Мускульный двигатель все еще самый распространенный. Если взять количество механической энергии, производимой мускулами всех людей и животных, то она пока еще в несколько раз больше, чем энергия от всех двигателей, созданных людьми. Кроме того, мускульный двигатель, как показывает опыт, является весьма эффективным, работающим с большим коэффициентом полезного действия, чем, скажем, электрический двигатель.

Но самое удивительное, и в этом нужно сознаться, - это то, что до сих пор до конца не понятен принцип действия мускульного двигателя. Есть много гипотез и моделей, но пока ученым не удастся воспроизвести искусственно процесс сокращения мускульного волокна, до тех пор нельзя считать этот принцип понятым.

Проблема создания мускульного двигателя - это одна из важнейших задач ближайшего будущего, решив которую, люди получат в руки эффективный механический двигатель. Естественно ожидать, что такой двигатель будет портативен и поэтому немедленно найдет применение в качестве привода исполнительных механизмов роботов.

Исполнительные механизмы. Характерным конструктивным элементом роботов, отличающим их от конструкции общеизвестных машин и автоматов (например, от станков с числовым программным управлением), являются их исполнительные механизмы. В качестве исполнительных механизмов роботов первого поколения используются многозвенные манипуляторы вместе с механизмом схвата, а также самоходные тележки с колесным, гусеничным или шагающим шасси. Именно эти исполнительные механизмы, обладающие большим числом степеней свободы, придают роботам большую универсальность и функциональную гибкость (маневренность), позволяющую выполнять самые разнообразные манипуляционные и транспортные операции.

Технические характеристики большого семейства роботов первого поколения соответствуют физическим возможностям рабочих, занятых ручным трудом. Для исполнительных манипуляторов программных роботов (манипуляционных роботов) типичными являются следующие характеристики:

1) число степеней свободы - 3-7;

2) скорость перемещения - 1 м/сек;

3) грузоподъемность - 20 кг;

4) зона обслуживания: радиус - 1,5 м, высота - 1,5 м;

5) точность позиционирования схвата - 1 мм;

6) число точек позиционирования - 200 (исключая роботы с контурной системой управления).

Предметы удерживаются специальным механизмом схвата, смонтированным на конце манипулятора. В большинстве промышленных манипуляционных роботов механизм схвата выполнен в виде 2-5 деталей, напоминающих пальцы руки, но без суставов. Для удержания плоских и стеклянных предметов используются магнитные и вакуумные схваты с присосками. Недавно появились сообщения о разработке механизма схвата, состоящего из пяти пальцев, имеющих сочленения, сходные с кистью человеческой руки.

Для транспортировки предметов программные роботы оснащаются самоходными механизмами колесного, гусеничного и шагающего типа. Особое внимание в последнее время уделяется шагающим аппаратам, имеющим обычно от двух до восьми ног. Интерес к подобного рода исполнительным механизмам обусловлен присущей им повышенной проходимостью в условиях бездорожья (горная, болотистая местность и т. п.) Чем больше у робота ног, тем больше вариантов походок, т. е. правил чередования постановки ног. Разным походкам соответствуют разные возможности увеличения скорости ходьбы робота и преодоления им препятствий.

Знакомство с роботами первого поколения мы начали с довольно скучной, чисто технической стороны, касающейся описания элементов их конструкции. Наверное, для читателя интересен и другой, управленческий аспект робототехники - стиль обучения (программирования) подобных роботов, принципы управления ими, особенности их эксплуатации и применения. Вооружившись представлением о конструкции роботов первого поколения, перейдем к рассмотрению этого круга вопросов.