1.3. Краткая история и современные задачи

Современная робототехника возникла в последние десятилетия, когда в ходе развития общественного производства появилась острая потребность в универсальных машинах-автоматах для выполнения различных манипуляционных действий. Для этого уже имелись необходимые научно-технические предпосылки прежде всего в результате развития кибернетики и вычислительной техники.

Термин "робот" славянского происхождения. Ввел его известный писатель К. Чапек в 1920 г. в своей фантастической пьесе "РУР" ("Россумские универсальные роботы"). Этим словом были названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах.

Технический термин "промышленный робот" появился в 70-х годах XX в. Однако можно считать, что корни робототехники (в другой терминологии и другого назначения) уходят в глубокую древность, когда были предприняты первые попытки создания человекоподобных устройств, подвижных культовых фигур, механических слуг и т. п.

Статуи богов с подвижными частями тела (руки, голова) были известны еще в Древнем Египте, Вавилоне, Китае. До нашего времени дошла книга Герона Александрийского "Пневматика" (I в. н. э.), где описаны механический театр марионеток и другие автоматы Древности. В качестве источника энергии в них использовались вода, пар, груз (гири).

В средние века большой популярностью пользовались различного рода автоматы, основанные на использовании часовых механизмов. Были созданы всевозможные часы с движущимися фигурками людей, животных и т. п.

К этому периоду относятся и сведения о первых подвижных механических фигурах-андроидах.

Создание андроидов достигло своего расцвета в XVIII в. одновременно с расцветом часового мастерства. Механиками-часовщиками были созданы андроиды-музыканты, рисовальщики, писцы. К ним относятся, например, "флейтист" французского механика Жака Вокансона (1709-1782) - фигура в рост человека, которая с помощью подвижных пальцев по программе исполняла 11 мелодий.

Ряд подобных автоматов был сделан швейцарским часовщиком Пьером-Жаком Дро (1721-1790) и его сыном Анри Дро (1752-1791). От имени последнего образовано само слово "андроид". Эти человекоподобные игрушки представляли собой уже многопрограммные автоматы со сменяемыми программами, которые обычно задавались с помощью сменных кулачков, устанавливаемых на вращающемся барабане или диске. Привод их осуществлялся с помощью часового механизма.

Из отечественных механизмов подобного типа надо упомянуть о знаменитых часах "яичной формы" с театральным автоматом И. П. Кулибина (1735-1818).

В 1820 г. в Петербурге был открыт "Храм очарования" А. И. Галулецкого, обслуживаемый механическими слугами.

В 1866 г. Г. И. Мезгин создал "астрономо-исторические" часы, которые помимо времени показывали четыре сценки из истории города Томска.

Идеи создания "механических" людей, начавшие было затухать с уменьшением роли часового дела в дальнейшем развитии техники, вновь возродились в XX в. на новой технической основе - электронике и электротехнике.

Американским инженером Венсли был построен управляемый на расстоянии с помощью свистка автомат "Телевокс", который помимо выполнения ряда элементарных операций мог с помощью звуковоспроизводящей аппаратуры произносить несколько фраз. Англичанином Гарри Меем в 1932 г. был создан человекоподобный автомат "Альфа", который по командам, подаваемым голосом мог садиться, вставать, двигать руками, говорить. Несколько подобных автоматов под названием "Собор" были построены в Австрии Августом Губером. Они имели управление по радио, могли ходить, говорить, выполнять различные манипуляции. Эти устройства в основном создавались в рекламных целях, хотя делались попытки использования их для различных практических целей.

Первые современные промышленные роботы типа "Версотран" были выпущены фирмой АМФ (США) в 1962 г. В то же время появились промышленные роботы "Юнимейт-1900", которые стали применяться на заводах Дженерал Моторс, Форд, Дженерал Электрик.

Хронология первых шагов промышленной робототехники за рубежом выглядит далее следующим образом: в 1967 г.- был начат выпуск роботов в Англии по лицензиям США, в 1968 г.- в Швеции и в Японии (тоже по лицензиям США), в 1971 г.- в ФРГ, в 1972 г.- во Франции, в 1973 г.- в Италии.

В 1972 г. в мире имелось уже около 3 тыс. роботов, а в 1980 г. их число превысило 20 тыс. Из них в Японии, которая сегодня занимает первое место в мире по производству и использованию промышленных роботов, имелось около 8 тыс., в США - 6 тыс. и в Западной Европе - 4 тыс.

Производством роботов в мире занято более 150 фирм, выпускающих свыше 250 различных типов промышленных роботов. Около 40 % парка роботов - это пневматические роботы грузоподъемностью до 20 кг с простым цикловым управлением. Примерно столько же более сложных гидравлических промышленных роботов в основном на большие грузоподъемности. Около 20 % - электрические роботы средней грузоподъемности 10-30 кг. Как правило, это пока все роботы первого поколения с программным управлением. И хотя такие простейшие роботы будут применяться и в будущем, уже к 1985 г., судя по прогнозам, большую часть парка роботов составят роботы второго поколения с развитыми средствами очувствления и микропроцессорным управлением, а к 1990 г. основным типом роботов станут роботы с элементами искусственного интелекта. Именно эти поколения промышленных роботов позволят в значительной мере решить проблему нехватки трудовых ресурсов в нашей стране, высвободить рабочих, занятых тяжелым и монотонным трудом, включая сборочно-монтажные, контрольно-проверочные и наладочные операции во всех отраслях промышленности, и создать комплексно-автоматизированные заводы.

Что касается мотивов применения промышленных роботов в капиталистических странах, то, например, Японская ассоциация по промышленным роботам дает такой перечень факторов, определяющих применение промышленных роботов:

• лучшее использование и экономия рабочей силы (прежде всего ввиду ее дефицита и высокого травматизма);
• потребность в создании гибкого производства;
• упрощение организации и управления производством (в том числе мобильность, организация работы в нерабочие дни и ночные часы и др.).

При этом если в Японии до последнего времени основной упор делается на широкое применение самых элементарных и дешевых специализированных промышленных роботов с простым цикловым управлением, то в США отдается предпочтение более дорогим универсальным роботам.

Сегодня практически во всех развитых в техническом отношении капиталистических странах созданы национальные ассоциации по промышленным роботам, а, например, в Японии работа в этой области возведена в ранг государственной программы, поддерживаемой и субсидируемой государством. Регулярно проводятся международные и национальные выставки и симпозиумы по промышленным роботам; выходит несколько международных журналов.

Наряду с применением роботов для автоматизации промышленности в этот же период разрабатываются роботы и манипуляторы для проведения работ под водой и в космосе, различные шагающие машины, протезы конечностей и т. п. Сегодня робототехника выросла в самостоятельное комплексное научно-техническое направление, сфера применения которого быстро расширяется, охватывая все новые и новые области человеческой деятельности.

В СССР практическое применение роботов началось в середине 60-х гг. В 1966 г. ЭНИКмаш (г. Воронеж) выпустил первый проспект на автоматический манипулятор для переноса и укладывания металлических листов. В 1968 г. был создан первый подводный манипулятор, управляемый от ЭВМ (Институт океанологии Академии наук СССР). В 1971 г. появились первые современные промышленные роботы УМ-1, "Универсал-50", УПК-1.

В девятой пятилетке (1971-1975) было создано свыше 30 типов промышленных роботов, в том числе универсальных (для обслуживания станков, прессов, для гальванического и литейного производства, для нанесения покрытий и точечной сварки), на пневмо-гидро-, электроприводах, стационарных и подвижных. В десятой пятилетке (1976-1980) работы по промышленной робототехнике были продолжены. В результате было создано более 100 типов промышленных роботов. Одновременно были развернуты работы по унификации и стандартизации промышленных роботов.

Важным этапом развития отечественной робототехники явилась организация в десятой пятилетке серийного производства роботов. О необходимости развертывания этих работ было указано в решениях XXV съезда КПСС. В результате в десятой пятилетке было организовано серийное производство более 40 типов промышленных роботов. К концу 1980 г. парк промышленных роботов в стране превысил 6 тыс., что существенно превысило плановые задания.

Были созданы первые роботизированные участки во всех основных отраслях (прежде всего для штамповки, металлообработки, литейных, кузнечных, подъемно-транспортных работ, сварки).

Параллельно с совершенствованием созданных роботов и организацией их серийного производства были развернуты поисковые работы по различным аспектам этой комплексной проблемы.

С началом одиннадцатой пятилетки (1981-1985) отечественная робототехника вступила в новый этап своего развития, подготовленный постановлением ЦК КПСС (1980 г.) "О мерах по увеличению производства и широкому применению автоматических манипуляторов в отраслях народного хозяйства в свете указаний XXV съезда КПСС", а также решениями XXVI съезда партии. Новый этап знаменуется широким внедрением промышленных роботов и манипуляторов, а также тем, что роботизация начинает приносить ощутимый экономический и социальный эффект в масштабе всей страны. При этом была поставлена задача создания и применения роботов второго поколения со средствами очувствления и широким использованием микропроцессорной вычислительной техники. Наряду с развитием роботизации в машиностроении вплоть до создания комплексно-автоматизированных цехов и заводов была также поставлена новая и не менее важная задача развертывания работ по внедрению роботов в немашиностроительные отрасли, прежде всего в горную и металлургическую промышленности, строительство, сельское хозяйство, легкую и пищевую промышленность, транспорт.

Сегодня общее число роботов и манипуляторов, используемых в немашиностроительных отраслях, пока еще не велико, но ведутся интенсивные работы в этой области. Предварительный анализ немашиностроительных отраслей показал, что примерно 20 % предприятий в отношении применения роботов и манипуляторов не имеет существенной специфики по сравнению с машиностроительным производством. Однако для нужд основной части предприятий немашиностроительных отраслей предстоит создать целый ряд новых специальных типов роботов. Начальным этапом этих работ является всесторонний анализ технологических процессов с целью обоснованного определения потребностей в роботах, требований к ним и технико-экономического их обоснования.

Наряду с роботами широкое применение получили манипуляторы с различными вариантами полуавтоматического и ручного управления, а также однопрограммные (не перепрограммируемые) автоматические манипуляторы (автооператоры механические руки). Все эти более простые, с меньшими возможностями, но соответственно более дешевые устройства, исторически являющиеся предшественниками роботов, также играют важную роль в системе комплексной автоматизации различных работ.

В 1982 г. было заключено Генеральное соглашение по промышленной робототехнике между странами - членами СЭВ, на основании которого развивается специализация и кооперация этих стран в области создания, производства и применения средств робототехники.

Особую важность проблемы роботизации различных отраслей народного хозяйства отметил и июньский (1983 г.) Пленум ЦК КПСС. Пленум охарактеризовал переход к интенсивному развитию промышленности как главный путь к качественному сдвигу в производительных силах. Именно он сулит технологический переворот во многих сферах производства. Пленум определил, что решающее значение приобретает сейчас единая техническая политика по осуществлению автоматизации производства.

Как уже говорилось, робототехника - это новое комплексное научно-техническое направление, возникшее на стыке ряда наук и прежде всего на стыке механики и кибернетики. Что касается собственно роботов, то они являются хорошим примером того, как сумма ранее известных частей (манипуляторы, ЭВМ, сенсорика) Дает новое качество. В научном плане это принципиально новый тип технического устройства, которое в своем достаточно развитом варианте обладает искусственным интеллектом, способностью воспринимать окружающую среду и активно воздействовать на нее, изменяя ее в соответствии с определенными априорными целями и самоусовершенствуясь в ходе данного процесса.

При решении проблемы создания роботов одним из естественных путей является изучение и техническое моделирование процессов деятельности человека и живой природы вообще. Однако полное копирование их нецелесообразно и очень важен поиск новых путей с учетом возможностей современной техники. Пример первого подхода - создание механических рук с вращательным соединением шарнирного типа и захватных устройств со сгибающимися пальцами. Пример второго - создание для той же цели телескопических механизмов, использование электромагнитного поля для ориентации и взятия предметов, колесный ход вместо шагания. Аналогичные примеры имеют место и при решении проблемы очувствления, адаптивного и интеллектного управления.

Создание роботов с искусственным интеллектом и изучение их эволюции - само по себе фундаментальная проблема, имеющая самостоятельное научное значение. Однако сегодня существует и целый ряд важнейших практических народнохозяйственных задач, решение которых может получить существенное ускорение или даже качественно новый характер при использовании подобных роботов. Одним из примеров является проблема изучения и хозяйственного освоения глубин океана, а также изучение дальнего космоса, где нужны автоматы, способные длительное время автономно функционировать, выполняя самые разнообразные, в том числе и непредвиденные действия в заранее неизвестной обстановке. Очевидна принципиальная возможность решения такой задачи именно с помощью роботов. При этом весьма важно придать способность последним к взаимо- и саморемонту. Это реально осуществимое уникальное качество роботов позволит в принципе неограниченно увеличивать их ресурс и надежность (за счет введения определенной избыточности аппаратуры, включая запасные части и т. п.). Причем данное свойство в значительной степени распространяется и на сами объекты за счет их обслуживания такими роботами.

Наряду с фундаментальной научной проблемой создания роботов с искусственным интеллектом перед робототехникой стоят и задачи сегодняшнего дня, связанные с созданием, совершенствованием и освоением производства роботов первого и второго поколений для нужд народного хозяйства в широких масштабах.

Выше были рассмотрены общие понятия о роботах как об объектах робототехники. Однако сами по себе роботы являются не самоцелью, а средством для создания комплексно автоматизированных производств, объектов и процессов различной физической природы. Поэтому в робототехнике условно можно выделить две основные задачи: создание собственно роботов и создание основанных на них систем и комплексов различного назначения.

Роль роботов в таких системах и комплексах может быть различной. Роботы могут играть основную роль, когда они выполняют главные функции, или же вспомогательную роль, когда роботы обслуживают оборудование, выполняющее основную функцию.

Такие машины, как роботы, способны решить проблему комплексной автоматизации современного производства и в силу своей универсальности автоматизировать любые работы с возможностью быстрой переналадки на новые операции. Существующие традиционные средства автоматизации дают только узкоспециализированные частные решения.

Создание роботизированных производств, в свою очередь, требует параллельной работы в двух разных направлениях:

• разработка новых технологий, оборудования и производства в целом, основанных на применении роботов;
• роботизация действующих производств и объектов.

Первое направление в перспективе ведущее. Суть второго состоит применении промышленных роботов на действующих производствах с учетом реально ограниченных возможностей изменения последних, но с весьма существенной модернизацией. Однако сегодня, на начальном этапе решения рассматриваемой проблемы, именно это второе направление является основным при создании роботизированных производств в плане технического перевооружения и реконструкции промышленных предприятий.

Первое же направление - создание новых производств (в том числе и принципиально нереализуемых при участии человека технологических процессов) - выливается в большую комплексную проблему, охватывающую все отрасли промышленности, и не только промышленности. Для решения этой проблемы требуется, в свою очередь, решение многих задач, в том числе создание новых технологий и нового оборудования, рассчитанного уже не на человека, а полностью на использование промышленных роботов, а также разработка принципов организации и управления для целиком роботизированных предприятий. Последнее имеет иерархическую структуру с автоматическим управлением внизу и переходом на автоматизированное управление на верхних уровнях иерархии управления.

Использование робототехнических систем и ЭВМ в широком плане является основой создания гибких автоматизированных производств с минимальным числом работников управления и обслуживающего персонала.