Предисловие

Одним из важнейших признаков развития человеческой цивилизации является стремление человека переложить часть своих функций на машины. С течением времени люди изобретали все новые и новые устройства для того, чтобы освободить себя от монотонных, тяжелых, вредных и опасных работ. В какое-то время возникла захватывающая идея: а нельзя ли создать искусственное существо, которое, подобно человеку, самостоятельно ориентировалось бы в окружающей среде, планировало свои действия и исполняло их? Поначалу такие существа встречались только в научно-фантастических романах, и назывались они роботами. Однако бурное развитие вычислительной техники в середине прошлого столетия позволило приступить к созданию роботов, существующих в реальности. В настоящее время тысячи ученых и инженеров во всем мире трудятся над созданием роботов – искусственных существ, в той или иной степени копирующих и замещающих человека.

Наибольшее применение роботы находят в промышленности. Они используются в таких областях как литье, сварка, обработка давлением, окраска, сборка, загрузка станков, транспортировка деталей и т.д. Имеется ГОСТ, дающий определение промышленного робота: «Промышленный робот – автоматическая машина, стационарная или передвижная, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций» (ГОСТ 25686-85). Термин «манипулятор» тот же ГОСТ определяет следующим образом: «Манипулятор – управляемое устройство или машина для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве, оснащенное рабочим органом». Другими словами, манипулятор можно представлять себе как искусственную руку, снабженную рабочим органом. Примерами рабочего органа могут быть схват (механический аналог человеческой кисти), сварочные клещи, окрасочный пистолет, сборочный инструмент.

В связи с тем, что наиболее распространенным видом роботов являются манипуляционные роботы, именно им посвящено данное учебное пособие.

Манипуляционные роботы применяются при перемещении грузов (рис. ??), при сборке (рис. ?), сварке (рис. ?), загрузке деталей в печь (рис. ?), выполнении сортировочных работ (рис. ?)

Манипуляционные роботы находят и будут находить применение в медицине (рис. ?), на кухне (рис. ?). Манипуляционные роботы на мобильных платформах использовались при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС (рис.?).

Многозвенные роботы в виде робота-змеи могут применяться для проникновения в труднодоступные зоны в различных экстремальных ситуациях, например, при пожарах, землетрясениях и т.д.

Ученые из норвежского исследовательского фонда SINTEF создали робота-змею по имени Anna Konda, который сам является пожарным шлангом.  Длина робота составляет 3 метра, а вес — 70 килограммов. Он герметично подключается к стандартному пожарному рукаву и может доползти с ним на "хвосте" до труднодоступных мест в горящем здании, проникнуть через разломы в стене или в межэтажные перекрытия, вообще — туда, куда пожарным-людям или не добраться, или туда, где просто опасно находиться, не только из-за огня, но и из-за ядовитой среды (на предприятиях, например).  Красота проекта в том, что робот берёт энергию для своего движения непосредственно от пожарного рукава, ведь в нём развивается давление до 100 атмосфер.  Anna Konda содержит 20 гидравлических приводов, работающих на воде, и набор клапанов, управляемых компьютером, что позволяет ему вести себя как живая змея.  Управляется робот дистанционно, оператором (на носу робота есть видеокамера), но робот этот всё же не просто манипулятор. Внутри "змеи" спрятано достаточно электронных "мозгов", чтобы она могла действовать самостоятельно. Так оператор-человек может приказать роботу переместиться до конкретной точки, а машина самостоятельно выполнит задание, выбирая стратегию обхода препятствий.  Мощности робота достаточно не только, чтобы вползти по лестнице, но и приподнять автомобиль, проломить не слишком толстую стену (благо внешний корпус робота очень прочный).  Создатели Anna Konda говорят, что машина может пробраться в аварийные туннели и не только начать там тушение пожара, но, к примеру, доставить несколько дыхательных масок запертым там людям.

Вместе с тем следует сказать и о роботах, используемых в других областях народного хозяйства. Робототехнические системы самых разнообразных конструкций нужны для исключения ручного труда в прачечных и красильных, при мусороуборке, на других бытовых объектах, при очистке и мойке наружных стен и окон многоэтажных зданий, инспекции стен и опор для выявления трещин. Нужны роботы для взятия проб грунта, камня, биологических объектов в недоступных и труднодоступных для человека местах (в глубинах морей и океанов), на космических объектах, а также в опасных и зараженных местах на Земле.

Немецкая исследовательская группа Festo представила первый в мире робот-птицу SmartBird (рис. ?), которая поразительно точно имитирует полет настоящей птицы – чайки. В перспективных планах Festo на базе протитипа SmartBird сделать аппарат для использования на рынке перевозок. Модель робота-птицы настолько точно имитирует полет птицы, чайки в частности, что квази-соплеменницы этой робота-птицы сбиты с толку и принимают ее за сородича. Революционная конструкция SmartBird (“Умной птицы”) позволяет ей взлетать, летать, парить и садиться.

В настоящее время интенсивно развивается микро- и наноробототехника. Технологическая исследовательская группа из университета Ватерлоо разработала первого в мире летающего микроробота (рис. ?), способного манипулировать объектами на микроскопическом уровне [http://www.infuture.ru/article/1961]. Изобретение микророботов предоставляет исследователям больше контроля над микросредой, позволяя им перемещать и устанавливать крошечные объекты с намного большей точностью. Микроробот преодолевает силу гравитации посредством левитации, питаемой от магнитного поля. Он движется и манипулирует объектами с помощью магнитов, прикреплённых к микрозахватам. Робот управляется дистанционно сфокусированным лазерным лучом. Его можно использовать для микро-манипулирования, технологии, которая требует точной установки микро объектов. Микро-манипулирование включает микро-сбор механических деталей, обработку биологических образцов и даже микрохирургию.

Ученые университета графства Essex (Великобритания) разработали робота-рыбу (рис. ?), которая может плавать как настоящая рыба и которая является автономной. В роботе-рыбе воспроизведены различные режимы движения – движение, поворот, ускорение, торможение. Робот способен изгибать свое тело на значительный угол за очень короткое время (приблизительно 90°/0.20сек). В настоящее время ученые работают над тем, чтобы рыба могла изменять свое поведение в изменяющемся окружении.

Разработка и испытание роботов вызвало бурное развитие дисциплин, относящихся к области искусственного интеллекта. Интеллектуальные роботы должны самостоятельно функционировать в неструктурированной среде, ставить перед собой задачи и определять методы их решения.

Целью данного учебного пособия является сообщение читателю в доступной форме сведений, необходимых для формирования представления о том, на каких идеях и математических теориях строится разработка интеллектуальных роботов, с какими проблемами сталкиваются их разработчики и какими методами они пользуются для их разрешения. Практически все роботы можно рассматривать как систему твердых тел, для описания движения которых могут использоваться законы классической механики. Описываются современные методы управления динамическими системами в различных средах.

Учебное пособие предназначено для студентов, магистрантов и аспирантов, изучающих дисциплины, связанные с теорией управления и интеллектуальной обработкой информации. Оно может быть полезно всем, кто изучает теоретическую механику, теорию управления, дисциплины, связанные с искусственным интеллектом.