5.3. От мечты к реальности

В средине XX века в мощном потоке автоматизации проиводства- у станка -втретились: копирующие человека автоматы - андроиды и киберы.

Фантастика, экзотика, реальность - вот путь, который прошло человечество к созданию промышленных роботов.

Теперь займемся роботами. В основном работающий робот представляет собой программно-управляемый многоцелевой манипулятор. В нем довольно сложная механическая конструкция (плечо, кисть, захватное устройство с исполнительным механизмом) сочетается с развитыми средствами контроля и управляющим устройством. Только с широким внедрением микропроцессоров в системы управления появилась возможность использовать роботы в промышленности. Одним из первых промышленных манипуляторов в США был поворотный механизм с захватом для удаления заготовок из печи. Его разработал Бэббит в 1892 г. Более прямыми предшественниками современных роботов можно считать краскораспылительные машины, разработанные в конце 30-х годов в США, например машины Полларда (1942 г.) и Розелунда (1944 г.).

6. Практическая робототехника

6.1. Создание промышленных роботов

Первые роботы, с которых началась современная робототехника, появились сразу после второй мировой войны. Дебют роботов-манипуляторов связан с началом ядерной эпохи. Первые манипуляторы назывались телеоператорами. Такие устройства позволяли оператору проводить на безопасном расстоянии такие работы, как перемещение радиоактивных веществ. В конце 40-х годов в Окриджской и Аргоннской национальных лабораториях были начаты исследовательские программы по созданию дистанционно управляемых механических манипуляторов для работы с радиоактивными материалами. Разрабатывались манипуляторы копирующего типа, предназначенные для точного воспроизведения движений руки и кисти человека-оператора. Первый автоматический электромеханический телеоператор разработан в 1947г. С его помощью оператор мог, глядя через прозрачный экран, работать с сосудами, наполненными радиоактивными материалами. Комната, где помещались исполнительные механические руки, была изолирована от внешнего пространства, а оператор находился в безопасной зоне. В систему входили задающий и копирующий манипуляторы. Задающий манипулятор приводился в движение человеком-оператором, при этом копирующий манипулятор воспроизводил с максимальной точностью все движения задающего. Этот первый манипулятор не обеспечивал никакой обратной связи по силе, вследствие чего операции типа вращения гаечного ключа или позиционирования предметов на поверхности были трудновыполнимы. В 1948 г. фирма General Electric разработала телеоператор (Handy Man), в котором силовая обратная связь обеспечивалась отработкой приводами задающего устройства сил, воздействующих на манипулятор. Оператор мог перемещать этим манипулятором тяжелые или опасные объекты, манипулируя маленьким рычажком. Информация с рычажка преобразовывалась в сигналы управления исполнительным механизмом. Благодаря силовой обратной связи оператор также воспринимал силы, воздействующие на схват.

Вскоре вслед за манипуляторами копирующего типа были разработаны более сложные системы, способные выполнять многократно повторяющиеся операции в автономном режиме.

Идея создания первого общепромышленного робота возникла в начале 50-х годов. Американский изобретатель Джордж Девол, наблюдая за работой квалифицированных рабочих, был поражен тем, что большую часть своего рабочего времени они тратят на операции типа "взял-установил". Он задался целью создать универсальную машину, которая могла бы выполнять широкий ассортимент вспомогательных операции, В 1960 г Джордж С. Девол сконструировал, а в 1961 г. получил патент на устройство, названное им «программируемое шарнирное устройство для переноски»-манипулятор, функционирование которого задавалось программой (следовательно, могло изменяться) в виде последовательности элементарных движений, определенных командами этой программы. Дальнейшее совершенствование Деволом совместно с Джозефом Ф. Энгелъбергером этого замысла привело к созданию первого промышленного робота, выпущенного в 1959 г. фирмой «Юнимейшн». Основная идея при создании этого устройства заключалась в совмещении манипулятора с компьютером, что позволило получить машину, которую можно было «обучать» автоматическому выполнению разнообразных работ. От специализированных автоматических машин эти роботы отличались возможностью смены выполняемых операций при изменении условий производственного процесса. Изменение выполняемых роботом операций осуществлялось путем относительно недорогого перепрограммирования и переоснащения пульта оператора. Эта разработка является одним из первых примеров робота, способного адаптироваться к неполностью определенной внешней обстановке, а к 1966 г. удалось изготовить (практически вручную) и внедрить в производство около 70 промышленных роботов.

Такая работа велась во многих странах, например в 1954 г. в Англии был выдан патент К. Кейварду на "программное транспортное устройство". Однако эта идея не получила материального воплощения. В 1966 г. норвежский изобретатель Оле Мулаг разработал и запатентовал первый окрасочный робот.

Цифровые управляющие устройства, используемые в роботах в настоящее время, появились сначала в станках с числовым программным управлением (ЧПУ). В 1953 г. Массачусетский технологический институт представил первый фрезерный станок с ЧПУ, разработанный при поддержке ВВС США. Информация о размерах обрабатываемой детали хранилась в цифровой форме на бумажной ленте, а оптический считыватель преобразовывал закодированную информацию в сигналы управления станком. Главная особенность новой технологии заключалась в том, что для обработки новой детали требовалось немногим больше действий, чем просто зарядить в станок новую перфоленту. Это событие ознаменовало рождение гибкой технологии, при которой оборудование просто перепрограммировалось для выполнения множества задач. Принципы цифрового управления и силового очувствления были сведены воедино Эрнстом в концепции «Механическая рука, управляемая от ЭВМ». Телеоператор, снабженный тактильными датчиками, выполнял задачу под управлением ЭВМ, обрабатывавшей информацию, поступавшую с этих датчиков.

Крупнейшие фирмы США «Юнимейшн» и «Американ машин энд Фаундри» разработали роботы «Юнимейт» и «Версатран». За ними рядами двинулись в производство когорты роботов: «Аутохэнд» и «Флексимен», «Праб», «Аутобот» и «Трансфербот», «Мобилити», «Трансива», «Минитрен» и т. д. и т. п. Предприниматели поняли, что использование робота сулит немалые прибыли. В одной из статей, посвященных появлению роботов на заводах США, в частности, говорилось: «В металлообрабатывающей промышленности появился новый тип производственного рабочего. Он не состоит в профсоюзе, не пьет кофе в обеденный перерыв, работает по двадцать четыре часа в сутки и не интересуется пособиями или пенсионной оплатой. Он осваивает новую работу за несколько минут и всегда выполняет ее хорошо. Он никогда не жалуется на жару, пыль и запахи и никогда не получает увечий на работе. Он - промышленный робот».

В 60-х годах стало очевидно, что гибкость программируемых роботов-этого нового мощного промышленного инструмента - может быть существенно повышена за счет использования средств очувствления. В начале 60-х годов Эрнст разработал управляемую с помощью компьютера механическую» руку с тактильными датчиками. Это устройство, названное МН-1, могло «осязать» блоки, с которыми оно работало, и использовало поступающую с датчиков информацию для управления захватным устройством, что позволяло укладывать блоки без помощи оператора. Система состояла из манипулятора АNL Model-8 с шестью степенями свободы, управляемого с помощью устройства обмена компьютером ТХ-0. Позднее эта исследовательская разработка стала частью проекта МАС, по которому в состав системы вводилась еще и телевизионная камера. В тот же период Томович и Бони разработали опытный образец охвата с датчиками, измеряющими давление при соприкосновении с объектом, по которому формировался сигнал обратной связи на мотор силового привода. Как только охват входил в контакт с объектом, с датчиков давления в компьютер поступала информация о размерах и весе объекта манипулирования. В 1963 г. фирма «Америкэн Мэшин энд Фаундри Компани» (АМР) начала выпуск промышленного робота VERSATRAN. В этом же году был начат ряд разработок промышленных роботов, таких, как эдинбургский и роэмптонский манипуляторы.

В 1966 г. Маккарти со своими коллегами в Лаборатории искусственного интеллекта Станфордского университета (SAIL) создал робот-манипулятор с визуальным (ТВ-камеры) и слуховым (микрофоны) очувствлением, который выполнял команды, подаваемые голосом. Ими была продемонстрирована система, которая воспринимала устные команды, «видела» разбросанные на столе блоки и манипулировала этими блоками в соответствии с полученными инструкциями. При помощи робота, оборудованного цифровой телекамерой и микроЭВМ, была решена головоломка по складыванию кубиков с разноцветными гранями в столбик. Дальнейшее развитие технического зрения было сделано Уичмэном.

В этот же период Пайпер провел исследования, касающиеся кинематики управляемого компьютером манипулятора, а Кан и Рот исследовали вопросы динамики и управления манипулятором с ограничениями. Последние применили релейное управление, обеспечивающее максимальное быстродействие.

Среди первых применений манипуляторов было использование механических исполнительных устройств на погружаемом аппарате при подводной прокладке силовых кабелей.

1969 г. фирма «Дженерал Электрик» закончила разработку экспериментальной шагающей платформы для вооруженных сил США - одну из наиболее необычных разработок в области робототехники. Создание этих манипуляторов положило начало ряду наиболее серьезных исследований в области робототехники. Этот этап современной робототехники был ознаменован созданием многих интересных конструкций, которые применялись для практических целей.

Одновременно промышленные роботы начали развиваться и в других странах, Ошеломляющий прогресс в области теоретической и практической робототехники был сделан в Японии. Первым роботом, примененным в Японии, был робот Versatran закупленный в 1967 г. автомобильной фирмой Toyota. Позже, в 1968 г. фирма Kawasaki Heavy Industries в сотрудничестве с Unimate (США) начал выпускать роботы. Робототехническому буму способствовала большая поддержка новой отрасли со стороны японского правительства, университетов, других отраслей промышленности, в результате чего Япония вышла на первое место в мире по использованию роботов и их продаже. Так фирма FANUC владеет более чем 55 % мирового рынка.

История развития робототехники в СССР с первых шагов была связана с именем академика И. И. Артоболевского. Основатель научной школы в теории машин и механизмов, он видел будущее робототехники и активно занимался разработкой наиболее актуальных проблем.

Во второй половине 50-х годов советская школа теории механизмов и машин начала заниматься проблемами роботов и манипуляторов. В марте 1958 года на Втором всесоюзном совещании по основным проблемам теории механизмов и машин выдающийся советский ученый И. Артоболевский поставил проблему стыковки науки о механизмах и кибернетики. Он указал на работы по созданию биоэлектрической системы управления механической рукой, которые были выполнены коллективом ученых Института машиноведения.

В июле 1965 года в Москве был созван первый симпозиум по теории и принципам устройства манипуляторов. Симпозиум открывался докладом А. Кобринского и Ю. Степанова, освещающим основные проблемы теории манипуляторов. В 60-х годах практические модели подобных устройств разрабатывали многие специалисты нашей страны.

В 1968 г. сотрудники ЦНИИ робототехники и технической кибернетики в Ленинградском политехническом институте при участии ученых Ленинградского института авиационного приборостроения и Института океанологии АН СССР разработали подводный автоматический манипулятор с управлением от ЭВМ.

В 1968 г. был образован Научный совет АН СССР по теории и принципам устройства роботов и манипуляторов Руководителями первых разработок в области промышленной робототехники были П. Н. Белянин, Я. А. Шифрин, Б. Н. Сурнин, Г. Н. Рапопорт. В 1971 г. началось серийное производство первых отечественных промышленных роботов УМ-1 созданных под руководством П. Белянина и Б. Роди-на, применяемых на предприятиях нашей страны.

В это же время были начаты работы по созданию промышленных роботов числовым программным управлением (ЧПУ): робот «Универсал-50» под руководством Б. Сурина, а также робот УПК-1 под руководством В. Аксенова.

Большой вклад в разработку проблем робототехники внесли Д. Е. Охоцимский, Е. П. Попов, Ю. Г. Козырев и другие ученые и специалисты.

В 1976-1982 годах в промышленность нашей страны было внедрено около 10 тысяч отечественных автоматических манипуляторов. К 1990 г. народное хозяйство получило еще 40-45 тысяч промышленных роботов. По их количеству наша страна занимала второе место в мире после Японии.