Т

Оглавление

I.        ВВЕДЕНИЕ        

II.        ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ РОБОТОТЕХНИКИ        

1.        Предыстория робототехники        

2.        Возникновение и развитие современной робототехники        

3.        Развитие отечественной робототехники        

III.        ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДСТВ РОБОТОТЕХНИКИ В        

ПРОМЫШЛЕННОСТИ        

1.        Классификация технологических комплексов с применением роботов        

IV.        ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ РОБОТОТЕХНИКИ В НЕМАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ И В НЕПРОМЫШЛЕННЫХ        

ОТРАСЛЯХ        

1.        Робототехника в немашиностроительных отраслях промышленности        

2.        Робототехника в непромышленных отраслях|        

V.        ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА        

1.        Экстремальная робототехника в промышленности        

2.        Космическая робототехника        

3.        Подводные роботы        

4.        Военная робототехника        

5.        Микроробототехника        

VI.        СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ        

РОБОТОТЕХНИКИ        

1.        Социально-экономическая эффективность применения        

средств робототехники        

2.        Техника безопасности в робототехнике        

VII.        РОБОТОТЕХНИКА ЗАВТРА        

ЛИТЕРАТУРА        

Используемые ресурсы:        

Приложение        

1. ВВЕДЕНИЕ

Предмет робототехники —  это создание и применение роботов, других средств робототехники и основанных на них технических систем и комплексов различного назначения. Возникнув на основе кибернетики и механики, робототехника в свою очередь породила новые направления развития и самих этих наук. В кибернетике это связано, прежде всего, с интеллектуальным управлением и бионикой как Источником новых, заимствованных у живой природы идей, а в механике — с многостепенными механизмами типа манипуляторов.

Робот можно определить как универсальный автомат для осуществления механических действий, подобных тем, которые производит человек, выполняющий физическую работу. При создании первых роботов и вплоть до наших дней образцом для них служат возможности человека. Именно стремление заменить человека на тяжелых и опасных работах породило идею робота, затем первые попытки ее реализации (в средние века) и, наконец, обусловило возникновение и развитие современной робототехники и роботостроения.

На слайде показана функциональная схема робота. В общем виде она включает исполнительные системы — манипуляционную (один или несколько манипуляторов) и передвижения (транспортную), информационно-управляющую, сенсорную, дающую информацию о внешней среде и систему связи с оператором, а также с другими взаимодействующими с роботом машинами. Исполнительные системы в свою очередь состоят из механической системы и системы приводов. Механическая система манипулятора — это обычно кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев с угловым или поступательным перемещением, которая заканчивается каким-нибудь рабочим инструментом или захватным устройством.

Со временем понятие робот расширилось и под ним часто стали понимать любую автоматическую машину, заменяющую человека и чем-то напоминающую его разумное поведение.

В настоящей публикации термин "робот" будет использоваться в приведенном ранее стандартизованном смысле, из данного определения робота следует, что — это машина автоматического действия, которая объединяет свойства машин рабочих и информационных, являясь, таким образом, принципиально новым видом машин. В достаточно развитом виде роботы аналогично человеку осуществляют активное силовое и информационное взаимодействие с окружающей средой и благодаря этому могут не только обладать искусственным интеллектом, но и совершенствовать его. Правда, пока роботы еще очень далеки по своим интеллектуальным возможностям от человека. При этом от ранее известных видов машин роботы также принципиально отличаются своей универсальностью (многофункциональностью) и гибкостью (быстрым переходом к выполнению новых операций).

В основе универсальности роботов лежит универсальность его рабочих органов, хотя сегодня до универсальности руки человека им еще далеко. Правда, это компенсируется возможностью быстрой смены рабочих органов робота в процессе выполнения операций.

Универсальность роботов предполагает возможность выполнения ими различных целенаправленных действий, которые требуют определенных интеллектуальных способностей. Это открывает широкие возможности использования роботов в качестве как основного технологического оборудования (на сборке, сварке, окраске и т. п.), так и вспомогательного — для замены рабочих, запятых обслуживанием такого оборудования.

Универсальность роботов позволяет автоматизировать принципиально любые операции, выполняемые человеком, а быстрота перестройки на выполнение новых операций при освоении новой продукции или иных  изменениях в производстве сохраняет у автоматизируемого с помощью роботов производства ту же гибкость, какую сегодня имеют только производства, обслуживаемые человеком. Роботы потому и появились лишь во второй половине XX столетия, что именно сейчас назрела необходимость в таких универсальных и гибких средствах, без которых невозможно осуществить комплексную автоматизацию современного производства с его большой номенклатурой и частой сменяемостью выпускаемой продукции, включая создание гибких автоматизированных производств.

Дальнейшее развитие робототехники привело к расширению сферы ее применения, включая создание с ее помощью новых технических систем, принципиально невозможных при участии или даже присутствии человека.

Термин "робот", как известно, славянского происхождения. Его ввел известный писатель К. Чапек в 1920 г. в своей фантастической пьесе "R.U.R." ("Россумовские универсальные роботы"), в которой так названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах. Название "робот" образовано от чешского слова robota, что означает тяжелый подневольный труд.

Помимо роботов для тех же целей широкое применение получили манипуляторы с ручным управлением (копирующие манипуляторы, телеоператоры и т. п.) и с различными вариантами полуавтоматического и автоматизированного управления, а также однопрограммные (не перепрограммируемые) автоматические манипуляторы (автооператоры и механические руки). Эти устройства явились в значительной степени предшественниками роботов. Появились они главным образом для манипулирования объектами, непосредственный контакт с которыми для человека вреден или опасен (радиоактивные вещества, раскаленные болванки и т. п.). Однако, хотя появление роботов существенно сузило сферу их применения, эти простые средства механизации и автоматизации не потеряли своего значения. Все они сегодня вместе с роботами входят в общее понятие средств робототехники.

Как уже было отмечено, объективной причиной возникновения и развития современной робототехники явилась историческая потребность производства в гибкой автоматизации с устранением человека из непосредственного участия в машинном производстве и недостаточность для этой цели традиционных средств автоматизации. Поэтому задачей робототехники наряду с созданием собственно средств робототехники является разработка основанных на них систем и комплексов различного назначения. Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов, принято называть роботизированными. Роботизированные системы, в которых роботы выполняют основные технологические операции, называются робототехническими.

Как уже отмечалось, наряду с внедрением в действующие производства роботы открывают широкие перспективы для создания принципиально новых технологических процессов, не связанных с весьма обременительными ограничениями, налагаемыми непосредственным участием в них человека. При этом имеются в виду как действительно очень ограниченные физические возможности человека (по грузоподъемности, быстродействию, точности, повторяемости и т. п.), так и требуемая для него комфортность условий труда (качество атмосферы, отсутствие вредных внешних воздействий и т. д.). Сегодня непосредственное участие человека в технологическом процессе зачастую является серьезным препятствием для дальнейшей интенсификации производства и создания соответствующих новых технологий.

Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и, прежде всего, в машиностроении. Предназначенные для этой цели роботы называют промышленными роботами (ПР). Не менее широкие перспективы имеют роботы в горнодобывающей промышленности, металлургии и нефтяной промышленности (обслуживание бурильных установок, монтажные и ремонтные работы), в строительстве (монтажные, отделочные, транспортные работы), в легкой, пищевой, рыбной промышленности.

Наряду с использованием в промышленности роботы применяются и в других областях народного хозяйства и вообще человеческой деятельности: на транспорте (включая создание шагающих транспортных машин), в сельском хозяйстве, медицине (протезирование, хирургия — стерильная, дистанционная, обслуживание больных и инвалидов), в сфере обслуживания, для исследования и освоения океана и космоса и выполнения работ в других экстремальных условиях (стихийные бедствия, аварии, военные действия), в научных исследованиях.

Применение роботов не только приносит конкретный технико-экономический эффект, связанный с повышением производительности труда, сменности работы оборудования и качества продукции, но и является важным средством решения социальных проблем, позволяя освобождать людей от тяжелого, опасного и монотонного труда.

2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ РОБОТОТЕХНИКИ

1. Предыстория робототехники

Робототехника уходит корнями в глубокую древность, в те времена, когда впервые возникли идеи и были предприняты первые попытки создания человекоподобных устройств, подвижных статуй, механических слуг и т. п. Статуи богов с подвижными частями тела (руками, головой) появились еще в Древнем Египте, Вавилоне, Китае.

В "Илиаде" Гомера божественный кузнец Гефест выковывает механических служанок. Аристотель упоминает о приводимых в движение с помощью ниток куклах-марионетках, из которых создавались целые механические театры. До нас дошли книги Герона Александрийского (I в. До н. э.), в которых описаны подобные и многие другие автоматы древности. В качестве источника энергии в них применялись вода, пар, гравитация (гири).

В средние века большой популярностью пользовались различного рода автоматы, основанные на использований часовых механизмов. Были созданы всевозможные часы с движущимися фигурами людей, ангелок и т. п. К этому периоду относятся сведения о появлении первых подвижных человекоподобных механических фигур — андроидов. Так, андроид алхимика Альберта Великого (1193—1280) представлял собой куклу ростом с человека, которая, когда стучали в дверь, открывала и закрывала её, кланяясь при этом входящему.

Кстати, в Средние века было высказано предположение о возможности создания гомункулуса — живого человечка средствами алхимии.

Создание такого гомункулуса химическим путем, в колбе, описывает Гете в "Фаусте":

Нам говорят "безумец" и "фантаст",

Но, выйдя из зависимости грустной,

С годами мозг мыслителя искусный

Мыслителя искусственно создаст.

Работы по созданию андроидов достигли наибольшего развития в VIII в. одновременно с расцветом часового мастерства. Механиками часовщиками были созданы андроиды-музыканты, рисовальщики, писцы. К ним относится, например, "флейтист" французского механика Жак де Вокансон (1709 — 1789) — фигура ростом с человека, которая подвижными пальцами исполняла 11 мелодий с помощью заложенной в нее программы.

Целый ряд человекоподобных автоматов был создан швейцарскими часовщиками Пьером-Жаком Дро (1721—1790) и его сыном Анри Дро (1752 1791). От имени последнего позднее было образовано и само название "андроид". Эти человекоподобные игрушки представляли собой многопрограммные автоматы с оперативно сменяемыми программами. Программы задавались с помощью сменных кулачков, устанавливаемых во вращающемся барабане, и других подобных механических устройств. Привод осуществлялся от часового механизма (слайд).

Из отечественных устройств подобного типа назовем знаменитые часы "яичной" формы с театральным автоматом И. П. Кулибина (1735—1818).

В 1820 г. в Петербурге был открыт "Храм очарований" А. И. Галулецкого, обслуживаемый механическими слугами. В 1866 г. И. Мезгин создал "астрономо-исторические" часы, которые помимо времени показывали четыре сценки из истории г. Томска. Интерес к созданию "механических" людей, начавший было затухать вместе с ослаблением роли часового дела, в дальнейшем вновь возродился в XX в. благодаря развитию электротехники и электроники. Американский инженер Венсли построил управляемый на расстоянии, с помощью свистка, автомат "Телевокс", который мог не только выполнять ряд элементарных операций, но и произносить с помощью звукозаписывающей аппаратуры несколько фраз. Англичанин Гарри Мей в 1932 г. создал человекоподобный автомат "Альфа", который по командам, подаваемым голосом, садился и вставал, двигал руками, говорил. Несколько подобных автоматов под названием "Сабор" были созданы в Австрии Августом Губером. Они управлялись по радио, могли ходить, говорить, выполнять различные манипуляции. В основном такие устройства создавались в рекламных целях, хотя делались попытки использовать их и для различных практических задач.

Хотелось бы напомнить, что в 1937 г. на Всемирной выставке в Париже демонстрировался радиоуправляемый подвижный робот, созданный советским восьмиклассником В. Машкевичем. К этому времени уже окончательно "прижился" термин "робот", а идеи робототехники все более энергично использовались в научно-фантастической литературе.

2. Возникновение и развитие современной робототехники

Как уже было сказано, современная робототехника возникла во второй половине XX столетия, когда в ходе развития производства появилась реальная потребность в универсальных манипуляционных машинах-автоматах, подобных "механическим людям", описанным К. Чапеком, и одновременно возникли необходимые для их создания научно-технические предпосылки и, прежде всего, кибернетика и вычислительная техника.

Современными предшественниками роботов явились различного рода устройства для манипулирования на расстоянии объектами, непосредственный контакт человека с которыми опасен или невозможен. Это манипуляторы с ручным или автоматизированным управлением. Первые появившиеся устройства такого рода были пассивными, т. е. механизмами без приводов, и служили для повторения на расстоянии движений руки человека целиком за счет его мускульной силы. Затем были созданы манипуляторы с приводами и управляемые человеком различными способами вплоть до биоэлектрического.

Впервые такие манипуляторы были созданы в 1940 — 1950 гг. для атомных исследований, а затем и для атомной промышленности. Подобные устройства стали применяться в глубоководной технике, металлургии и ряде других отраслей промышленности.

Первые, полностью автоматически действующие, манипуляторы были созданы в США в 1960 — 1961 гг. В 1961 г. был разработан такой манипулятор, управляемый от ЭВМ и снабженный захватным устройством, очувствленным с помощью различного типа датчиков — контактных и фотоэлектрических. Этот манипулятор МН-1 получил название "рука Эриста" по фамилии его создателя г. Эрнста [1]. Согласно современному определению, ото был прообраз очувствленного робота с адаптивным управлением, что позволило ему, например, находить и брать произвольно расположенные предметы.

В 1962 г. на рынке США появились первые роботы марки "Версатран" (фирмы "Америкэн мэшин энд фаундри"), предназначенные для промышленного применения.

Одновременно возник термин "промышленный робот" (Indastrial Robot), по-видимому, предложенный этой фирмой. В то же время в США появились роботы "Юнимейт-1900", которые получили первое применение в автомобильной промышленности на заводах фирм "Дженерал моторс", "Форд" и "Дженерал электрик".

Хронология дальнейшего развития производства роботов такова:

- в 1967 г. начат выпуск роботов в Англии по лицензии США;

- в 1968 г. — в Швеции и Японии (тоже по лицензиям США);

- в 1971 г. — в ФРГ, в 1972 г. — во Франции; в 1973 г. — в Италии.

Динамика роста парка роботов в мире выглядит следующим образом:

В среднем парк роботов в мире возрастает в год на 20 — 30%, и в 1998 г. он превысил 1 млн. шт.

За последние 10 лет XX столетия стоимость промышленных роботов упала в 5 раз при одновременном улучшении их технических характеристик. В результате возросла экономическая эффективность использования роботов.

Первое место в мире по производству и применению роботов уверенно занимает Япония, где сосредоточена большая часть мирового парка роботов. Далее следуют США, Италия, Франция, Швеция. Большая часть этого парка используется в промышленности, примерно половина — для выполнения основных технологических операций, где требуются наиболее сложные роботы. Доля таких роботов неуклонно растет.

Технический прогресс в развитии роботов направлен, прежде всего, на совершенствование систем управления. Первые промышленные роботы имели программное управление, в основном заимствованное у станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Из станкостроения были взяты и приводы. Эти роботы получили название роботов первого поколения. Второе поколение роботов — это очувствленные роботы, т.e. снабженные сенсорными системами, главными из которых являются системы технического зрения (СТЗ).

Первые промышленные роботы с развитым очувствлением п микропроцессорным управлением появились на рынке и получили практическое применение и 1980 1981 гг. прежде всего на сборке, дуговой сварке, контроле качества для взятия неориентированных предметов, например, с конвейера. К их числу относятся снабженные системами технического зрения роботы "Пума", "Юнимейт", "Ауто-плейс", "Цинциннати милакрон", сборочные робототехнические системы фирм "Хитачи", "Вестингауз" (система "Апас"), "Дженерал моторс" (система "Консайт"). Доля таких устройств в общем парке роботов неуклонно растет и приближается к 50 % несмотря на то, что они в несколько раз дороже роботов с программным управлением и значительно сложнее в обслуживании. Однако это окупается неизмеримо большими функциональными возможностями, а, следовательно, и более широкой областью применения.

На рубеже XXI в. робототехника подошла к следующему этапу своего развития — созданию интеллектуальных роботов. Это стало естественным этапом совершенствования роботов, соответствующим исходной идее появления подобных устройств как заменителей людей в их профессиональной деятельности. (Разумеется, ни о каком техническом воспроизведении человека вообще, включая все его основные функции и духовный мир, речь при этом не идет.) Интеллектуальный робот — это робот конкретного назначения, в основных функциональных системах которого используются методы искусственного интеллекта, что позволяет расширить сферу применения робототехники практически на все области человеческой деятельности. Пока такие роботы — в основном еще предмет научных исследований и лабораторных испытаний, однако первые их образцы уже начинают появляться на рынке.

В 1967 г. в США (Станфордский университет) был создан лабораторный макет робота, снабженного техническим зрением и предназначенного дли исследования и отработки системы "глаз-рука", способной распознавать объекты внешней среды и оперировать ими в соответствии с заданием [1].

В 1968 г. в СССР (Институтом океанологии Академии наук СССР совместно с Ленинградским политехническим институтом и другими вузами) был создан телеуправляемый от ЭВМ подводный робот "Манта" с очувствленным захватным устройством, а в 1971 г. — следующий его вариант с техническим зрением и системой целеуказания на телевизионном экране (слайд) [2].

В 1969 г. в США (Станфордский научно-исследовательский институт) в рамках работ по искусственному интеллекту был разработан экспериментальный макет подвижного робота "Шейки" с развитой системой сенсорного обеспечения, включая техническое зрение, обладавшего элементами искусственного интеллекта, что позволило ему целенаправленно передвигаться в заранее неизвестной обстановке, самостоятельно принимая необходимые для этого решения .

В 1971 г. в Японии также были разработаны экспериментальные образцы роботов с техническим зрением и элементами искусственного интеллекта: робот "Хивип", способный самостоятельно осуществлять механическую сборку простых объектов по предъявленному чертежу , и робот ЭТЛ-1.

В этот же период и в ряде других стран создаются подобные экспериментальные установки так называемых интегральных роботов, включающих в себя манипуляторы, управляющие ЭВМ, различные средства очувствления и общения с человеком-оператором, которые предназначены для проведения исследований в области искусственного интеллекта и создания интеллектуальных роботов [1].

Одновременно были развернуты работы в новой специфической области робототехники, занимающейся построением шагающих машин как принципиально нового транспортного средства повышенной проходимости, образцом для которого являются ноги животных и человека. Были созданы экспериментальные образцы четырех- и шестиногих транспортных машин, а также протезов ног человека, так называемых экзоскелетонов, для парализованных и тяжелобольных [3, 4].

В конце XX в. возродился интерес к роботам-андроидам. В отличие от их первых реализаций последние достижения робототехники сделали возможным создание подобных устройств для обеспечения вполне реальных потребностей. На слайде показан образец такого робота. Он способен двигаться по лестнице и преодолевать другие препятствия, выполнять весьма сложные манипуляции и вести диалог с человеком. Робот предназначен для домашних работ, может быть гидом, экскурсоводом и т.п. Его вес — 43 кг, скорость ходьбы — до 1,6 км/час.

Наряду с описанным ранее процессом интеллектуализации робототехники еще одной общей тенденцией ее развития стала миниатюризация. Оба эти направления соответствуют общей тенденции развития техники в целом. Процесс миниатюризации техники начался с информационно-управляющих систем на базе микроэлектроники. Затем уже на рубеже XXI в. началась миниатюризация сенсорных и исполнительных (силовых) систем на базе трехмерных технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС). В робототехнике эта тенденция проявляется созданием микророботов различного назначения, от промышленных и медицинских до военных. На слайде показан микроманипулятор для точного позиционирования образцов в электронном микроскопе.

Как уже упоминалось во введении, одним из основных направлений применения роботов, которое в значительной мере определяет и проблематику, и темпы развития современной робототехники в целом, является комплексная автоматизация производства, создание гибких автоматизированных производств, прежде всего, в машиностроении. Роботы как универсальное гибкое средство для выполнения в первую очередь мани-пуляционных действий — важный компонент таких производств.

История гибкой автоматизации началась в 1955 г. с появления станков с ЧПУ. Именно такого типа автоматическое технологическое оборудова-ние с быстросменяемыми программами работы является основой для создания гибких, т. е. быстро перестраиваемых на выпуск новой продукции, производств. Однако для реализации идеи гибкой автоматизации необходимо было выполнение еще ряда условий. Этим и объясняется то, что первые станки с ЧПУ распространялись очень медленно. За первые 10 лет их доля в общем парке станков в технически передовых странах не достигла и 0,1%. Ситуация резко изменилась в 1970-е гг. с появлением следующего важнейшего компонента гибкой автоматизации — микропроцессорных систем управления, обеспечивших резкое снижение стоимости систем ЧПУ и повышение их надежности.

Роботы как еще один обязательный компонент гибкой автоматизации появились в промышленности, как уже было указано, несколько раньше. В результате возникли все необходимые компоненты для развития гибких автоматизированных производств, а именно: технологическое оборудование с программным управлением, микропроцессоры как универсальное гибкое средство для обработки информации и роботы как универсальное гибкое средство для манипуляционных действий, требующихся как для выполнения ряда основных технологических операций (сборка, сварка, окраска и т. п.), так и многочисленных вспомогательных операций по обслуживанию различного технологического оборудования.

Одновременно роботы начинают все более широко проникать и в другие отрасли хозяйства, включая горное дело, металлургию, строительство, транспорт, легкую и пищевую промышленность, сельское хозяйство, а также в медицину, сферу обслуживания, освоение океана и космоса, военное дело.

В последние годы все более быстрыми темпами растет доля парка роботов, занятых вне промышленности — в сфере обслуживания, в быту, (сервисные роботы — уборщики, продавцы, вахтеры, игрушки и т.д.), она (доля) уже приближается к 50% парка.

Почти во всех технически развитых странах созданы национальные ассоциации по робототехнике. В ряде стран имеются финансируемые государством национальные программы по этой проблеме. Развиваются такие программы на международном уровне.

3. Развитие отечественной робототехники

Первые серьезные результаты по созданию и практическому применению роботов в СССР относятся к 1960-м гг. В 1966 г. в институте ЭНИКмаш (г. Воронеж) был разработан автоматический манипулятор с простым цикловым управлением для переноса и укладывания металлических листов. Первые промышленные образцы современных промышленных роботов с позиционным управлением были созданы в 1971 г. (УМ-1, "Универсал-50", УПК-1). В 1968 г., как уже упоминалось, был создан первый управляемый ЭВМ подводный автоматический манипулятор. В 1971 г. в Ленинградском политехническом институте были построены образцы интегральных роботов, снабженных развитой системой очувствления, включая техническое зрение и речевое управление (слайд) [2]. В том же году в Ленинграде состоялся первый Всесоюзный семинар, посвященный роботам, управляемым ЭВМ.

Начиная с 1972 г. работы в области робототехники приняли плановый характер в масштабе страны. В 1972 г. постановлением Госкомитета СССР по науке и технике была сформулирована проблема создания и применения роботов в машиностроении как государственно-важная и определены основные направления ее решения. В следующем году была утверждена первая программа работ, которая охватила основные отрасли промышленности и ведомства, включая Академию наук и высшую школу. В соответствии с этой программой к 1975 г., были созданы первые 30 серийно пригодных промышленных роботов, в том числе универсальных (для обслуживания станков и прессов, для нанесения покрытий и точечной сварки) на пневмо-, гидро- и электроприводах, стационарных подвижных.

В следующие годы эта работа была продолжена на основе новой пятилетней программы. Было создано более 100 марок промышленных роботов и организовано серийное производство 40 марок. Одновременно были начаты работы по унификации и стандартизации промышленных роботов в соответствии с программой Госстандарта СССР.

Фундаментальные и поисковые работы в области робототехники были развернуты на основе программ Академии наук и высшей школы, которые были увязаны с комплексной программой Госкомитета СССР по науке и технике.

К концу 1980 г. парк промышленных роботов в стране превысил 6000 шт., что находилось, например, на уровне парка роботов США, и составлял более 20% парка роботов в мире, а к 1985 г. превысил 40 тыс. шт., в несколько раз превзойдя парк роботов США и достигнув 40% мирового парка.

Первые промышленные роботы второго поколения со средствами очувствления появились в отечественной промышленности на сборочных операциях в приборостроении с 1980 г. Первый промышленный робот с техническим зрением МП-8 был создан в 1982 г. [2].

В 1975 г. впервые был начат выпуск инженеров по робототехнике в Ленинградском политехническом институте в рамках существующих специальностей. В 1981 г. была введена новая специальность инженера-электромеханика — "Робототехнические системы"— и организована подготовка специалистов в ряде ведущих вузов страны.

С распадом СССР вся эта плановая работа по развитию отечественной робототехники на государственном уровне была прервана. Прекратилось серийное производство роботов. Их парк сократился более чем на порядок вместе с сокращением производства в стране в целом. В результате к 1995 г. разработки и применение роботов в России сузились до задач обеспечения невыполнимых без роботов работ в экстремальных ситуациях (стихийные бедствия, аварии, борьба с террористами и т. п.). Правда, в этой сфере отечественная робототехника не только не потеряла ранее достигнутого научно-технического уровня, но и продолжает развиваться, в том числе и благодаря участию в различных международных проектах и программах. На рубеже 2000 г. начали возрождаться отраслевые и ведомственные научно-технические программы по робототехнике, и межотраслевые программы по отдельным особо государственно-важным ее аспектам, начал восстанавливаться парк роботов и в промышленности. Все это позволяет прогнозировать в ближайшее время возрождение отечественной робототехники в полном объеме по мере восстановления нашей экономики и народного хозяйства в целом.

3. ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДСТВ РОБОТОТЕХНИКИ В

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1. Классификация технологических комплексов с применением роботов

Задача робототехники наряду с созданием собственно средств робототехники заключается и в создании технических систем и комплексов, основанных на использовании этих средств. Как было отмечено при изложении истории развития робототехники, несмотря на непрерывное расширение сферы применения роботов основной областью их применения по-прежнему пока остается промышленность и, прежде всего, машиностроение и приборостроение. Здесь появились первые роботы и сосредоточено до 80% всего мирового парка роботов. Напомним, что роботы, применяемые в промышленности, получили наименование промышленных роботов (ПР). Они подразделяются на технологические, которые выполняют основные технологические операции, и вспомогательные, занятые на вспомогательных операциях по обслуживанию основного технологического оборудования. Технологические комплексы с такими роботами называются роботизированными — роботизированными технологическими комплексами (РТК). Термин "робототехнические системы" (РТС) означает технические системы любого назначения, в которых основные функции выполняют роботы.

Начнем рассмотрение вопросов применения средств робототехники и промышленности с классификации технологических комплексов. В основу положим следующие признаки:

тип производственного подразделения;

степень изменения производства, связанная с применением ПР;

вид технологического процесса;

количество выполняемых технологических операций;

тип и количество используемого основного технологического оборудования;

тип и количество используемых ПР;

серийность и номенклатура продукции;

компоновка комплекса;

 принцип управления комплексом;

степень участия (функции) человека в комплексе.

В табл. 1 представлена основанная на этих признаках классификация технологических комплексов применительно к машиностроению. Воспользуемся ею для рассмотрения применения в этих комплексах роботов.

Таблица 1. Классификационные признаки и соответствующие им основные типы технологических комплексов с роботами

Тип производственного подразделения (табл.1, п. 1). Здесь классификационным признаком служит количество выполняемых технологических операций. Простейшим типом, который лежит в основе более крупных комплексов, является технологическая ячейка (ТЯ). В ней выполняется всего одна основная технологическая операция (помимо вспомогательных). При этом количество единиц технологического оборудования и ПР в составе ТЯ не регламентируется. В частности, в ТЯ может совсем отсутствовать технологическое оборудование помимо ПР, когда основную операцию выполняет ПР, или, наоборот, могут отсутствовать самостоятельные ПР, когда последние объединены с основным технологическим оборудованием.

Следующим более крупным типом является технологический участок (ТУ). На нем выполняется несколько технологических операций, которые объединены технологически оборудованием или организационно управлением. Эти операции могут быть одинаковыми или различными. Если различные операции технологически последовательно связаны, то такой участок представляет собой технологическую линию (ТЛ).

Технологический участок представляет собой совокупность ТЯ, но может и не иметь их. Например, участок может включать несколько единиц технологического оборудования, обслуживаемых одним ПР (неподвижным с размещением оборудования вокруг ПР или мобильным, перемещающимся вдоль ряда единиц оборудования).

Следующим типом комплекса является цех, состоящий из нескольких участков. Пределом развития роботизированного производства является комплексно роботизированное предприятие.

В состав участков и цехов помимо технологических ячеек обычно входят еще склады, транспорт (в том числе и на базе ПР) и системы контроля качества продукции.

Классификация технологических комплексов по степени изменения производства, связанного с применением ПР (табл.1, п. 2). Такое изменение, очевидно, будет максимальным для создаваемых новых производств, основанных на новых технологиях, и минимальным для действующего производства, автоматизируемого на базе серийных ПР.

Классификация по виду технологического процесса (табл. 1, п. 3). Она не исчерпывается приведенным перечнем типовых для современного состояния областей применения ПР в машиностроении.

Классификация по типу и количеству используемого основного технологического оборудования (табл.1, п. 4). Здесь определены два уже названных ранее основных варианта: ПР, выполняющие основные технологические операции (сборку, сварку, окраску и т. д.), или вспомогательные роботы, обслуживающие основное технологическое оборудование.

Серийность и номенклатура продукции (табл. 1, п. 5). Они определяются в данном случае объемом партий продукции, которые можно изготавливать без переналадки комплекса, а номенклатура — широтой перечня выпускаемых видов (типов) продукции. Оба эти показателя имеют существенное влияние на эффективность применения ПР. В частности каждый технологический комплекс характеризуется предельными значениями этих параметров, вне рамок которых данный комплекс оказывается экономически невыгодным вплоть до целесообразности перехода от гибких комплексов к специальным автоматам (при большой серийной и узкой номенклатуре) или даже к использованию рабочих вместо ПР (в противоположном предельном случае единичного производства).

Классификация по типу размещения технологического оборудования и ПР (табл. 1, п. 6). Приведены основные (базовые) типы компоновок. При простой линейной компоновке оборудование располагается в один ряд (по линии), а при наиболее сложной объемной компоновке — на нескольких этажах (уровнях).

Классификация по типу управления (табл.1, п. 7). Она включает рассмотренные ранее централизованный, децентрализованный и комбинированный способы управления. Централизованное управление осуществляется устройством группового управления, а децентрализованное реализуется с помощью местных устройств управления, связанных друг с другом для взаимной координации.

Классификация по степени участия человека (табл. 1, п. 8). Здесь указаны два случая участия человека в работе: когда человек непосредственно выполняет некоторые технологические операции (основные или вспомогательные) и когда он участвует в управлении комплексом.

4. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ РОБОТОТЕХНИКИ В НЕМАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ И В НЕПРОМЫШЛЕННЫХ

ОТРАСЛЯХ

1. Робототехника в немашиностроительных отраслях промышленности

Помимо машиностроения и приборостроения средства робототехники все более широкое применение получают в угольной и горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, строительстве, легкой и пищевой промышленности, на транспорте. Важность развития робототехники в этих областях очевидна уже из того факта, что здесь используется большая часть трудовых ресурсов страны, а степень автоматизации ниже, чем в машиностроении. Сегодня развитие применения средств робототехники в немашиностроительных отраслях происходит, прежде всего, путем использования опыта машиностроительных отраслей по применению роботов на тех же или аналогичных операциях — для обслуживания основного технологического оборудования, на погрузо-разгрузочных работах, при выполнении таких основных операций, как нанесение покрытий, сварка, сборочно-монтажные работы и т. п. Опыт создания и применения роботов и неавтоматических манипуляторов, специально предназначенных для этих отраслей, пока невелик. Общее количество используемых в немашиностроительных отраслях роботов и манипуляторов не превышает 20% их общего парка. Анализ показывает, что только за счет использования роботов общепромышленного применения эта величина может быть увеличена примерно вдвое.

Однако для основной части производств в этих отраслях требуются роботы специальных типов. В табл. 2 приведены примеры применений средств робототехники в немашиностроительных отраслях. Анализ технических требований к роботам, необходимым для этих отраслей, и условий их эксплуатации показывает, что в отличие от машиностроения здесь значительно меньше возможностей для применения роботов с чисто программным управлением, а требуются прежде всего роботы очувствленные с адаптивным управлением. Это объясняется тем, что в немашиностроительных отраслях существуют значительно большая неопределенность и изменчивость, как параметров объектов манипулирования, так и внешней среды в целом. Здесь требуется большая доля мобильных роботов (в том числе для передвижения на открытой местности), роботов повышенной грузоподъемности и для работы в экстремальных условиях.

В горном деле важной задачей является создание робототехнических комплексов для безлюдной выемки полезных ископаемых. Это позволит высвободить сотни тысяч горняков от работы в тяжелых и опасных подземных условиях, повысить в 4 — 10 раз производительность труда, существенно снизить себестоимость добычи и свести к минимуму потери руды. В состав таких комплексов должны входить роботы для установки крепиопалубки в забое, роботы — бурильщики шурфов, роботы-взрывники, роботы — погрузчики горной породы, роботы для проведения выработок. Подобные роботы должны быть мобильными, снабжаться, как правило, развитой системой очувствления, включая техническое зрение, несколькими манипуляторами и иметь взрывобезопасное исполнение.

Таблица 1. Примеры использования средств робототехники в немашиностроительных и непромышленных отраслях хозяйства

Быстро расширяется применение средств робототехники в легкой и пищевой промышленности. На швейных фабриках роботы осуществляют раскрой тканей и обработку деталей одежды. Роботы используются для укладки в ящики и упаковки сахара-рафинада, хлебобулочных изделий, изделий парфюмерии, для раскладки конфет в коробки и т. д.

2. Робототехника в непромышленных отраслях|

В конце табл. 2 приведены примеры применения робототехники в некоторых непромышленных отраслях. Широкие возможности для комплексной автоматизации и роботизации открывает робототехника в сельском хозяйстве. Основные особенности применения здесь средств робототехники заключаются в большой территориальной протяженности и разобщенности предприятий, сезонности работ, сильной зависимости от погодно-климатических условий, в непосредственном контакте с животными и растительными организмами, имеющими большую разбросанность характеристик и существенные специфические требования к взаимодействию с ними.

Одна из важных задач в полеводстве создание роботов для вождепния тракторов, комбайнов и других машинно-тракторных агрегатов с высвобождением работников самой массовой здесь профессии — трактористов. Роботы-трактористы должны быть приспособлены для замены тракториста на его стандартном рабочем месте. Это позволит оперативно использовать такие роботы в серийных машино-тракторных агрегатах, заменять трактористов при выполнении работ особо опасных (внесения ядохимикатов и т. п.) или утомительных (вождение культиваторов и прореживателей строго по рядкам растений и т. п.), осуществлять групповое вождение тракторов и других машин с роботами водителями за трактором-лидером, ведомым трактористом. Замена трактористов роботами позволит повысить производительность агрегатов, сменность, ритмичность и качество работы, снизить расход топлива.

Одна из наиболее трудоемких отраслей сельскохозяйственного производства— овощеводство и картофелеводство. Производительность труда на ряде операций здесь ограничена физическими возможностями человека. Например, для укладки рассады в высаживающий аппарат требуется несколько сажальниц на каждой рассадочной машине, которые должны работать в ритме примерно одна операция в секунду в условиях тряски, пыли, при различной погоде.

В теплицах применение мобильных роботов позволяет комплексно автоматизировать большой круг работ по подготовке почвы, высеву семян, опрыскиванию химикатами, сбору готовой продукции (рассады, овощей, фруктов), ее сортировке и укладке в тару.

Аналогичные задачи необходимо решать на стационарных пунктах послеуборочной обработки овощей и картофеля, включая их сортировку, отделение примесей и некондиционных экземпляров.

В животноводстве и птицеводстве требуются, в частности, роботы для выполнения следующих работ:

основные технологические операции: дозированная раздача кормов, разбрасывание подстилки, уборка навоза, дезинфекция помещений, взвешивание животных;

механизированное доение коров;

дефектоскопия и сортировка яиц в неорганизованных потоках с по следующей укладкой в тару.

Большие перспективы имеет робототехника в медицине, в том числе в хирургии, протезировании, для реабилитации и обслуживания больных и инвалидов.

На основе достижений робототехники создаются все более совершенные искусственные конечности — протезы рук и ног, имеющие приводы, встроенные микропроцессорные устройства управления и биологические обратные связи. Созданы искусственные скелеты с приводами, так называемые экзоскелетоны (экзо означает "внешний"), для парализованных людей.

В ряде стран (США, Япония, Швеция) созданы так называемые сервисные (бытовые, персональные) роботы для обслуживания больных и инвалидов, детей, для использования в домашнем хозяйстве для уборки помещений, работы на кухне, прислуживания за столом, охраны квартиры, выполнения работы швейцара, обслуживания телефона, радио- и телевизионной аппаратуры и т. п. Такие роботы имеют техническое зрение, обладают слухом, дистанционными и тактильными датчиками, могут вести диалог с человеком в объеме сотен фраз, снабжены системами радиоуправления и передвижения. В США создан робот — ночной сторож ("Центурион-1"). Он имеет колесный ход, инфракрасную систему обнаружения людей, устройство для лишения нарушителя подвижности с помощью ультразвука, веселящего или парализующего газа, электрических разрядов.

В целом робототехника в немашиностроительных и непромышленных отраслях, как уже отмечено, развивается сегодня прежде всего на базе опыта, накопленного в машиностроении, и в той же последовательности: изучение потребностей и определение технических требований к роботам, создание и отработка типовых роботизированных технологических ячеек, создание на их основе крупных базовых комплексов и, наконец, тиражирование последних в рамках отраслей.

5. ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА

1. Экстремальная робототехника в промышленности

Одно из назначений робототехники — выполнение различного рода работ в экстремальных внешних условиях либо опасных и вредных для человека, либо вообще полностью исключающих его присутствие. Соответствующий раздел робототехники получил наименование "экстремальная робототехника".

Под экстремальными условиями понимаются как аварийные ситуации, включая стихийные бедствия, так и штатные экстремальные ситуации, определяемые технологией производства. По мере интенсификации производства удельный вес и тех, и других неуклонно растет. Это относится, в частности, к атомной энергетике и промышленности, химической, металлургической, горнодобывающей отраслям промышленности, подводным работам, освоению космоса, военному делу.

Экстремальные условия определяются, прежде всего, внешними условиями работы (радиация, сильные электромагнитные поля, экстремальные значения температуры, давления и т. д.).

Помимо внешних условий экстремальные ситуации характеризуются и определенным перечнем специфических работ, подлежащих выполнению. Эти работы включают сотни различных технологических операций. Их примерный перечень применительно к чрезвычайным наземным ситуациям приведен в табл. 3 Как следует из этого списка, основным типом технических систем, требующихся для выполнения перечисленных операций, являются робототехнические системы (РТС), благодаря харак торной для них многофункциональности и гибкости позволяющих оперативно выполнять различные технологические операции. Кроме них для выполнения отдельных типовых технологических операций требуется довольно широкая номенклатура специальных технологических систем, с которыми РТС должны взаимодействовать.

Примерами таких специальных технических систем могут служить строительные, строительно-дорожные, транспортные, погрузо-разгрузочные машины —  экскаваторы, бульдозеры, краны и т. д., но в специальном исполнении, предназначенном для работы в экстремальных внешних условиях.

Наиболее важными характеристиками РТС для рассматриваемой области их применения являются способы управления, перемещения и энергопитания. Сегодня основным способом управления этими техническими системами является комбинация дистанционного автоматизированного управления со стороны человека-оператора и местного автоматического управления. Перемещение к месту работы может обеспечиваться специальными транспортными средствами (краны, вертолеты и т. п.) или собственной системой передвижения (мобильные РТС). Энергопитание может быть автономным, кабельным или комбинированным.

Таблица 3. Примерный перечень работ и входящих в них технологических операций в экстремальных условиях

По характеру выполняемых операций все РТС можно объединить в 2 группы: инспекционные и технологические. Инспекционные системы (разведчики) часто снабжаются манипуляторами и другими исполнительными устройствами. Последние предназначаются для расчистки проходов, взятия проб, поиска и взятия отдельных объектов, выполнения различных операций с органами управления основного технологического и другого оборудования и отдельных технологических операций с помощью сменного инструмента. Технологические РТС предназначены для выполнения различных технологических операций обычно с помощью сменных рабочих органов, включая укрепленные па шасси бульдозерные отвалы, грейферы, сварочные аппараты и т. п.

Основная тенденция развития рассматриваемой техники — создание автономных и телеуправляемых мобильных РТС с развитой сенсорикой, адаптивным и интеллектуальным управлением. Работы в этой области ведутся крупнейшими машиностроительными фирмами, включая "Джеперал Электрик", "Вестингауз", "Мартин Мариетта", "Катерпиллер", "Джеперал Дайнамикс", "Сименс", "Мицубиси". Основной формой организации этих работ являются государственные (США, Япония, Франция, Англия) и международные программы и проекты.

Решение проблемы создания РТС для экстремальных условий связано со следующими особенностями:

сложность (экстремальность) внешних условий, зачастую находящихся на пределе возможностей современной техники;

сложность, многообразие, нечеткость (изменчивость) подлежащих выполнению функций, приводящие к большой номенклатуре требующихся технических средств при, как правило, единичном характере потребностей в этой технике;

межотраслевой характер проблемы, как с точки зрения потребителей, так и производителей требуемых технических средств.

С учетом этих особенностей в основу проектирования средств экстремальной робототехники должны быть положены следующие принципы. Первый — функциональная и конструктивная унификация технических средств на основе их модульного построения. Второй принцип — согласованность требований к рассматриваемым техническим средствам и к их техническому окружению, с которым эти средства должны взаимодействовать, из условий максимума общей технико-экономической эффективности.

Первый принцип был рассмотрен ранее. Что касается второго, то для объектов внешней среды он означает необходимость учета их взаимодействия с рассматриваемыми робототехническими средствами. Такой учет может повысить эффективность разрабатываемых средств в 5 — 7 раз. Важные дополнительные требования, которые следует предъявлять к объектам внешней среды для облегчения функционирования технических средств, предназначенных для работы в экстремальных условиях, направлены на обеспечение выполнения этими средствами следующих действий:

передвижение, в том числе при наличии разрушений и препятствий;

выполнение различных манипуляционных операций с органами управления технологическим оборудованием и контроля за ним;

проведение демонтажных и ремонтных работ с этим оборудованием;

расчистка и уборка разрушений, очистка от вредных веществ.

Управление такими роботами — дистанционное супервизорное и автономное адаптивное, включая автоматический обход и преодоление препятствий, обзор местности, поиск определенных объектов и т. д.

2. Космическая робототехника

Космическая робототехника — перспективное направление развития космонавтики в том числе для работ в дальнем космосе, на Луне и в околоземных орбитах. Возникнув на стыке пилотируемой и беспилотной космонавтики, она быстро сформировалась в самостоятельное направление, во многом определяющее перспективы развития космонавтики в целом. Робототехника расширяет функциональные возможности беспилотных космических аппаратов, доводя их в пределе до уровня современных пилотируемых аппаратов. В пилотируемой космонавтике робототехника позволяет в значительной степени освободить космонавтов от тяжелых и опасных работ, особенно в открытом космосе и в условия интенсивных ионизирующих излучений, и превратить обитаемые космические аппараты в периодически посещаемые. В целом космическая робототехника открывает новые горизонты не только для развития традиционных средств космонавтики, но и для создания принципиально новых типов космических аппаратов, совмещающих достоинства пилотируемых и беспилотных.

Космическая робототехника уже сегодня позволяет резко повысить эффективность космических систем, снизить расходы на их эксплуатацию, существенно расширить их функциональные возможности, на порядок увеличить ресурс и надежность, повысить безопасность космонавтов.

Перечислим области применения роботов в космосе:

- работа в открытом космосе (свободно летающие роботы для сборочных, погрузо-разгрузочных и спасательных работ, инспекции неизвестных объектов и т. д.);

- работа на поверхности планет и других космических тел;

- работа снаружи и внутри космических кораблей (их обслуживание, регламентные и ремонтные работы).

Соответственно можно выделить 3 основных типа космических роботов: свободнолетающие, напланетные и роботы космических кораблей (обслуживающие).

Космические роботы и управляемые оператором неавтоматические манипуляторы имеют, как правило, электромеханические приводы. При этом в отличие от роботов, применяемых в обычных земных условиях, мощность приводов космических роботов на несколько порядков меньше при той же массе объектов манипулирования. При этом неизбежно пропорционально снижается быстродействие робота из-за соответствующего уменьшения ускорений при перемещении объектов, обладающих определенной инерцией. Но этой ценой достигается существенное снижение массы и энергопотребления роботов, что, как известно, особенно важно для космической техники.

На слайде показана система бортовых манипуляторов многоразового космического корабля "Буран" [2]. Манипуляторы шарнирные с шестью степенями подвижности имеют электрические приводы. Длина манипулятора — 15,3 м, усилие в захватном устройстве — 5 кгс. Наибольшая масса объекта манипулирования  — 3 г. Линейная скорость с грузом — до 0,03 м/с, без груза — 0,6 м/с. Погрешность позиционирования— 5 мм. В исходном положении манипуляторы крепятся вдоль корабля с помощью ложементов.

Захватные устройства манипуляторов — сменные. На кисти каждого манипулятора укреплена телевизионная камера. Кроме того, на корпусе корабля размещено несколько телевизионных камер и осветителей, и том числе 4 подвижные камеры находятся по краям грузового отсека, откуда с помощью манипуляторов берутся и куда помещаются транспортируемые кораблем грузы.

Устройство управления манипуляторов с пультом управления размещено в кабине корабля. Система управления манипуляторами обеспечивает ручной, полуавтоматический и автоматический режимы управления. Для ручного управления оператор использует 2 задающие рукоятки, каждая из которых имеет 3 степени подвижности. Одна (левая) рукоятка служит для управления перемещением рабочего органа манипулятора, а другая (правая) — для его ориентации.

В полуавтоматическом режиме осуществляется интерактивное управление, при котором оператор использует готовые управляющие подпрограммы, оперативно выбирая и последовательно вводя их в действие в ходе выполнения конкретного задания. В полностью автоматическом режиме управление ведется без участия оператора, за которым, однако, сохраняется функция контроля с возможностью вмешательства и любой момент в ход выполнения программы.

Основные функции системы манипуляторов космического корабля определяются его назначением по транспортировке грузов в своем грузовом отсеке с Земли на околоземную орбиту и обратно. Соответственно, с помощью манипуляторов должны осуществляться следующие операции:

выемка грузов из грузового отсека и перенос их в сторону от корабля;

манипулирование этими грузами с целью их пристыковывания к другим объектам или развертывания (раскрытия) для самостоятельной работы на орбите (антенные системы, солнечные батареи и т. п.);

захват свободно летающих объектов и помещение их в грузовой отсек;

инспекция объектов, находящихся на околоземной орбите;

сборочно-монтажные и ремонтные работы с объектами на околоземной орбите.

3. Подводные роботы

Исследование и освоение глубин океана и морского дна — еще одна важная сфера экстремальной робототехники, перспективность которой аналогично космосу связана, прежде всего, с тяжелыми и опасными для человека внешними условиями. Следствием последних является низкая эффективность работы водолазов. Назначение подводных роботов аналогично назначению роботов космических.

В настоящее время в мире создано более тысячи подводных роботов от микророботов с массой менее 1 кг до больших — более 1000 кг. По назначению их можно разделить на следующие группы:

информационные роботы для исследования океана, мониторинга, поиска затонувших судов и других объектов;

технологические роботы для выполнения различных технологических силовых операций — обслуживание подводных сооружений (буровых скважин, трубопроводов, кабелей), строительно-монтажные работы, бурильные работы, очистка и окраска подводной части кораблей;

спасательные работы;

военные и военно-технические роботы (минирование и разминирование, поиск и извлечение неразорвавшихся торпед, бомб, боевое охранение акваторий, вооруженная борьба с объектами противника и т. д.).

Подводные роботы делятся на свободно плавающие, привязные и донные. Они могут быть обитаемыми и без операторов на борту. Привязные роботы соединены кабель-тросом с кораблем. Через кабель осуществляется энергопитание и двусторонняя связь. Один из первых отечественных роботов-геологов этого типа, "Манта". Робот снабжен двумя гидравлическими манипуляторами грузоподъемностью 50 кг с 7 степенями подвижности.

В состав схемы входят пульт управления с устройством целеуказания на телеэкране и бортовой вычислитель на базе ЭВМ. Бортовой вычислитель обеспечивает автономное выполнение роботом следующих директив оператора в супервизорном режиме управления:

- взять объект, указанный оператором на телеэкране;

- перенести этот объект ближе к телекамере и положить в бункер или в любую заданную на телеэкране точку пространства;

- искать объект вслепую (на ощупь) в заданном квадрате (в случае плохой видимости из-за замутнения воды и других причин).

В этом режиме обеспечивается автоматический обход манипулятором встречающихся препятствий.

4. Военная робототехника

Важным разделом экстремальной робототехники является робототехника для вооруженных сил. В нее входят следующие по назначению типы средств робототехники:

- боевые;

- боевого обеспечения;

- специально-технического обеспечения;

- тылового обеспечения.

Основными специфическими видами средств робототехники для вооруженных сил являются:

- мобильные роботы наземного, воздушного и водного базирования;

- роботы-водители и роботы-пилоты для различных видов боевых и транспортных машин;

- роботы и другие средства робототехники для обслуживания вооружений и военной техники.

Основными факторами эффективности применения робототехники в вооруженных силах являются:

- применяемость в экстремальных условиях, не допускающих участие людского персонала;

- повышение быстродействия, точности и стабильности основных характеристик вооружения и военной техники;

- исключение ошибок операторов (от усталости, влияния неблагоприятных факторов внешней среды, стрессовых ситуаций, перерывов в тренировках и т. п.);

- сокращение численности личного состава и выведения его из зон, опасных для жизни и здоровья;

- снижение потерь личного состава;

- упрощение собственно вооружения и военной техники;

- меньшая стоимость.

Важным условием повышения эффективности военной робототехники является комплексная унификация номенклатуры требуемых средств робототехники и их основных комплектующих систем.

Хотя на вооружении армий в мире находятся десятки образцов военных робототехнических систем, широкому применению робототехники в вооруженных силах препятствуют следующие недостатки современной робототехники.

Исполнительные системы и, прежде всего, манипуляционные имеют неудовлетворительные массо-габаритные параметры, во много раз уступающие аналогичным параметрам человека.

Неудовлетворительные интеллектуальные возможности информационных и управляющих систем.

В связи с последним сегодня первоочередными направлениями применения робототехники в вооруженных силах являются:

- создание мобильных роботов-разведчиков, саперов, охранников и тому подобных легких роботов;

- создание стационарных роботов для обслуживания вооружения и военной техники;

- применение средств робототехники для обеспечения безэкипажного функционирования традиционных подвижных средств военной техники.

На первом этапе этой работы будут созданы роботы в значительной степени с дистанционным управлением с последующим наращиванием их интеллекта и соответственно количества автоматически выполняемых операций.

Развитие интеллектуальной робототехники позволит повысить эффективность вооружений и военной техники не менее чем в 2 — 3 раза.

5. Микроробототехника

Выше было отмечено, что микроробототехника — это новое быстро развивающееся направление в робототехнике, возникшее в русле общей тенденции миниатюризации техники на базе новых трехмерных технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС). К ним относятся микроприводы. Одновременно развивалась и микросенсорика. Были созданы измерители перемещения, скорости, положения в пространстве и т. д. с размерами в единицы мм. Это позволило создать первые микроманипуляторы и роботы соответствующих размеров. Основное назначение микророботов в настоящее время — обследование малых замкнутых полостей, выполнение в них транспортных операций и микроманипуляций. Области применения микророботов, такие как: диагностические и технологические микрооперации в промышленности, включая биотехнологии и биоинженерию, обследование трубопроводов и технологические операции в них, медицина (внутреннее обследование, доставка медикаментов и других средств, микрохирургия, внутриполостная и внутрисосудистая хирургия).

Быстро развивается микроробототехника военного назначения: микророботы — разведчики, диверсанты и т. п. К их специфическим достоинствам относятся трудная обнаруживаемость и возможность использования большими группами.

Наряду с термином микроробот существует термин мини-робот. Хотя четкой границы между ними нет, принятого считать, что мини-роботы — это роботы с габаритными размерами в сотни, а микророботы в десятки миллиметров. Меньшие размеры будут иметь нанороботы будущего, которые, по-видимому, определят заключительный, физически еще реализуемый участок размерного ряда роботов.

6. СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

РОБОТОТЕХНИКИ

1. Социально-экономическая эффективность применения

средств робототехники

Рассмотрение вопроса об эффективности и, соответственно, перспективности какого-либо нового научно-технического направления или нового вида техники необходимо начинать с сопоставления его с основными целями общества, а затем уже переходить к оценке его чисто экономической эффективности. Действительно, могут быть такие научно-технические идеи, которые, давая определенное и даже очень большое повышение эффективности конкретного производства, принципиально несовместимы с общей целью и принципами нашего общественного производства или в чем-то противоречат им.

Например, применение конвейера и некоторых видов полуавтоматического оборудования, повышая производительность, резко ослабляет творческий характер труда. Организация производства на конвейере ведет к такой дифференциации операций, при которой работающие на нем люди выполняют однообразные, монотонные движения фактически без необходимости приложения каких-либо интеллектуальных усилий. Тем не менее дифференциация и упрощение трудовых операций имеют важное положительное следствие: именно они создают предпосылки перехода к полностью автоматическому производству в том числе с использованием промышленных роботов, что позволяет вообще исключить труд человека при их выполнении.

И так, рост производительности труда и, соответственно, расширение объема производимого совокупного продукта в целом ряде случаев ведут к обеднению содержания груда и, соответственно, снижению его престижности. Выход из указанного противоречия заключается в переходе к принципиально новым техническим решениям, позволяющим освободить человека от однообразных, физически тяжелых и лишенных интеллектуального содержания операций.

Дальнейший рост производства на основе использования достижений современной науки и техники ограничивается также возможностями человека. Это касается увеличения интенсивности технологических процессов, возрастания числа процессов, протекающих в агрессивных и вредных для человека средах (химия, атомная энергетика и др.). Для того чтобы снять подобные ограничения, опять-таки, необходимо передать часть трудовых операций новым техническим средствам. Не менее существенные ограничения возникают и в отношении управления качеством продукции. Практика показывает, что в производстве с преобладанием ручного труда практически невозможно гарантировать стабильно высокое качество продукции.

Робототехника относится именно к тем научно-техническим направлениям, с помощью которых могут быть преодолены указанные объективные противоречия в развитии современного производства между растущей специализацией трудовых операций и необходимостью усиления содержательности труда. Она, с одной стороны, избавляя человека от тяжелого и опасного труда, с другой стороны освобождает производство от непосредственного участия в нем людей и тем самым снимает связанные с их участием ограничения, препятствующие дальнейшей интенсификации производственных процессов и внедрения новых технологий, принципиально не допускающих присутствия людей.

Рассмотрим конкретные особенности оценки эффективности применения средств робототехники в производстве. Анализ результатов применения роботов в различных отраслях промышленности и типах, производств под тверждает, что они могут эффективно использоваться в условиях как мелкосерийного, так и массового производства. В массовом и крупносерийном производстве с быстрой сменой выпускаемой продукции (автомобилестроение, радиопромышленность, производство бытовых приборов и т. п.) перспективным является применение роботов для обслуживания агрегатных станков и переналаживаемых автоматических липни на операциях загрузки-выгрузки на начальных и конечных позициях линий, для внутрицехового транспортирования. Использование роботов позволяет осуществлять комплектацию и запуск таких линий в более короткие сроки. Роботы можно эффективно применять, в частности, для замены специального вспомогательного оборудования на отдельных операциях в автоматических технологических комплексах в период модернизации или замены пою оборудования. В этом случае отпадает необходимость останавливать комплекс на длительный период, а затраты на переоснащение роботов оказываются значительно ниже потерь вследствие простоя комплекса в течение всего периода модернизации или замены специализированного вспомогательного оборудования па конкретных операциях. В серийном и мелкосерийном производстве наиболее перспективным является применение роботов в сочетании с оборудованием с ЧПУ. Это позволяет, в частности, полностью решить па базе групповой организации производства проблему изготовления изделий малыми партиями.

В любой области применения роботов их необходимо рассматривать как компонент всего производственного комплекса, включающего другое основное и вспомогательное технологическое оборудование, объединенное общей системой управления. Использование роботов оказывает существенное влияние на такие важные экономические характеристики, как производительность труда, объем производства продукции, себестоимость, рентабельность, фондоотдача.

Рост производительности груда обеспечивается, с одной стороны, увеличением объема производства, а с другой — сокращением численности производственных рабочих. Рост объема производства происходит вследствие улучшения использования оборудования, повышения его производительности и снижения брака. При этом повышение эффективности использования оборудования достигается за счет как факторов экстенсивного, так и интенсивного характера. Факторы интенсивного характера предусматривают улучшение использования оборудования в единицу времени вследствие сокращения трудоемкости вспомогательных операций (загрузки-выгрузки деталей, транспортировки и т. п.). Повышение экстенсивного показателя использования оборудования обусловлено увеличением времени его работы. В условиях роботизации рост эффективности обеспечивается сокращением различного рода потерь рабочего времени и повышением сменности работы оборудования.

Снижение брака продукции является следствием устранения влияния таких индивидуальных и субъективных факторов, как квалификация, опыт, утомляемость работающих и т. п.

В условиях роботизации происходит абсолютное и относительное сокращение численности производственных рабочих. Под относительным сокращением численности понимается возможность повысить объем производства при той же численности производственных рабочих благодаря увеличению годового эффективного фонда времени работы оборудования в результате использования роботов.

Увеличение объема производства в условиях роботизации приводит к снижению себестоимости продукции в результате уменьшения доли условно-постоянных накладных расходов на единицу продукции, сокращения непроизводительных расходов, таких как оплата сверхурочных работ и простоев рабочих, снижение потерь от брака, а также удельных затрат на содержание и эксплуатацию оборудования. Снижение себе стоимости продукции достигается за счет экономии заработной платы рабочих, высвобождаемых абсолютно и относительно. Эта составляющая является одной из самых очевидных и значительных при оценке экономической эффективности промышленных роботов. Экономия на заработной плате образуется также вследствие опережающего темпа повышения производительности труда по сравнению с темпом роста заработной платы.

Применение роботов позволяет улучшить использование производственных фондов, которое характеризуется показателями рентабельности и фондоотдачи. При этом рентабельность увеличивается вследствие возрастания общей суммы прибыли, получаемой в результате роста объема производства.

Для оценки экономического эффекта от применения роботов в конкретном технологическом комплексе необходимо провести технико-экономический анализ с учетом технических параметров всего оборудования, входящего в комплекс, основных характеристик и особенностей технологического процесса, частных организационных и технико-экономических показателей, а также социальной значимости роботизации данного процесса. В целом объектами такого анализа должны быть:

оборудование, на котором выполняются операции технологического процесса;

роботы;

вспомогательное оборудование, которое требуется для эксплуатации комплекса;

транспортно-складские системы для материалов, заготовок, готовых изделий, инструмента, оснастки, отходов производства;

запас материалов, заготовок, представляющих различного вида заделы, инструмента, технологической оснастки;

устройства обеспечения других необходимых условий нормальной эксплуатации комплекса (вентиляционные, защитные и др.);

система управления комплексом в целом;

производственные площади, занимаемые комплексом.

Все расчеты экономического характера для оценки целесообразности и эффективности применения роботов следует выполнять с учетом перечисленного полного состава объекта исследования. Кроме того, одним из важных факторов, который следует учитывать при экономическом обосновании роботизации, является надежность. Недостаточная надежность технических устройств комплекса соответственно снижает эффективность роботизации производства. В связи с этим возникает необходимость в исследовании экономической эффективности различных мероприятий по повышению надежности и выявлению оптимальной и этом отношении структуры комплекса. Например, чем универсальнее робот, тем он сложнее и менее надежен. В то же время использование в составе технологического комплекса более простых и дешевых, но менее универсальных роботов приводит к необходимости включать в состав комплекса дополнительное специальное оборудование и приспособления, компенсирующие снижение функциональных возможностей роботов. Проектирование и изготовление такого специального оборудования связаны с дополнительными затратами, а его размещение приводит, как правило, к увеличению производственных площадей, занимаемых комплексом.

Каждому сочетанию технических средств технологического комплекса в свою очередь соответствует вполне определенная структура системы управления. Различными будут для рассматриваемых вариантов как капитальные, так и эксплуатационные затраты на весь срок службы комплекса. В связи с этим возникает задача определения такого состава технических устройств, входящих в комплекс, и соответствующего программного обеспечения, которые дают минимум затрат на его проектирование, изготовление и эксплуатацию в течение всего срока службы комплекса.

Социальные аспекты роботизации, связанные с улучшением условий труда, ликвидацией тяжелых, опасных и вредных для здоровья видов работ, с повышением общей культуры производства, должны быть количественно оценены и учтены в расчетах экономической эффективности применения роботов. Например, внедрение роботов уменьшает текучестью кадров, что выражается в конкретной экономии расходов на прием-увольнение, учебу и т. д.

Необходимо учитывать и экономический эффект, связанный с тем, что роботизация позволяет уменьшить количество профессиональных заболеваний, снизить травматизм, сократить затраты на лечение и мероприятия по охране труда и технике безопасности. Учет социальных факторов в экономических расчетах позволяет более точно определять области эффективного применения роботов.

Обычно экономическую эффективность применения роботов и основанных на них технологических комплексов оценивают по годовому экономическому эффекту, который представляет собой экономию приведенных годовых затрат, получаемую в результате использования роботов в составе технологического комплекса. Эту экономию определяют из сравнения предлагаемого (нового) варианта с базовым, в качестве которого принимается лучший аналог, который может быть приобретен или воспроизведен на основе лицензии. Затем по этой величине определяют срок окупаемости затрат.

2. Техника безопасности в робототехнике

И проблеме безопасности труда при использовании роботов можно выделить следующие 2 аспекта:

- применение роботов как средства повышения безопасности производства;

- обеспечение безопасности при эксплуатации самих роботов.

Первый аспект соответствует одному из первоочередных назначений роботов — избавление людей от травмоопасного, вредного и тяжелого физического труда. При планировании внедрения роботов в производство такого рода технологические операции получают приоритет, и на таких операциях роботы применяются наиболее успешно. В машиностроении к этим операциям относятся, в частности, обслуживание кузнечно-прессового оборудования и металлорежущих станков (особенно при обработке тяжелых заготовок), оборудования в гальваническом и литейном производствах, в производстве изделий из пластмасс, а также основные технологические операции, как: сварка, окраска, погрузочно-разгрузочные и транспортные работы. В немашиностроительных отраслях такими операциями являются, например, установка крепи в забое, обслуживание отбойных и бурильных агрегатов, в горнодобывающей и угольной промышленности, обслуживание оборудования и фасовка продукции во вредной для здоровья атмосфере в химической и нефтехимической промышленности, различные манипуляционные операции в металлургической промышленности, атомной энергетике и других производствах с экстремальными условиями (вредные излучения, взрывоопасность, предельные температуры, загазованность, запыленность и т.п.

В мире накоплен определенный положительный опыт повышения безопасности труда с помощью роботов, прежде всего, в машиностроении (на штамповке, в гальваническом производстве, в производстве пластмассовых изделий, на термообработке, погрузо-разгрузочных и транспортно-складских операциях).

Второй отмеченный ранее аспект робототехники с точки зрения безопасности труда — это обеспечение безопасной работы самих роботов, которые при определенных условиях могут представлять собой источник повышенной опасности для человека, а также и для работающего с ними оборудования. Опыт свидетельствует о реальности несчастных случаев, в том числе со смертельным исходом, при работе с роботами. По данным статистики в Японии, где применение роботов достигло наибольших размеров, почти каждый третий рабочий так или иначе сталкивается с опасностями, создаваемыми роботами. В основном такая опасность вызывается следующими причинами:

- неисправность собственно роботов из-за нарушения их механическом прочности или отказов в системе управления;

- ошибки программирования и настройки, вызывающие при эксплуатации непредвиденные движения с выходом из огражденной рабочей зоны или механические повреждения робота;

- потери объекта манипулирования и другие аварийные ситуации из-за превышения допустимых динамических режимов и перегрузок;

- нарушение персоналом условий эксплуатации робота (вход в рабочую зону, особенно при отключенных средствах безопасности, отсутствие личных средств безопасности, включая каску, превышение допустимой грузоподъемности, несоответствие исполнения робота реальным условиям эксплуатации, другие нарушения технических условий на робота или технологический комплекс, в составе которого он работает);

- неправильная работа средств безопасности, которыми оборудованы робот и его рабочая зона (устройства блокировки, сигнализации, защитные ограждения и т. п.).

Статистика показывает, что большая часть несчастных случаев связана с нахождением обслуживающего персонала в рабочей зоне при программировании, настройке и ремонте роботов. Несчастные случаи во время работы робота в автоматическом режиме составляют всего единицы процентов.

Мероприятия по обеспечению безопасности роботизированных производств должны быть предусмотрены на всех этапах их создания и эксплуатации, начиная с формулирования технических требовании, и регламентированы соответствующими нормативно-техническими документами, а также специальными документами по технике безопасности.

Общие требования по безопасности при проектировании и эксплуатации роботов стандартизированы. В этих требованиях, в частности, регламентированы следующие позиции.

- Если при программировании и наладке робота требуется пребывание персонала в его рабочей зоне, то в этих режимах должно быть предусмотрено снижение скорости исполнительных устройств робота до 3 м/с.

- Пульт управления робота должен выдавать информацию о режиме его работы, срабатываний блокировок и функционировании работающего с ним технологического оборудования, наличии сбоев в работе, начале движения робота.

Регламентированы также требования к предохранительным, блокирующим и защитным устройствам, которыми должны быть оснащены роботы.

Применительно к организации технологических комплексов регламентированы:

необходимость комплексной автоматизации всех основных и вспомогательных операций с допустимостью сохранения за оператором в основном только некоторых функций управления и контроля;

наличие блокирующих устройств и ограждений, требования к ним;

планировка комплекса с учетом размеров рабочих зон роботов;

требования к организации рабочих мест операторов, к пультам управления и расположенным в других местах дополнительным органам аварийного отключения.

Применительно к эксплуатации роботов разработаны:

требования, предъявляемые к обслуживающему персоналу, и перечень его обязанностей;

инструкции по охране труда.

В обязанности обслуживающего персонала, в частности, входят проверка оборудования и блокировочных устройств перед началом работы, обязательная регистрация в специальном журнале всех неполадок и аварийных ситуаций.

7. РОБОТОТЕХНИКА ЗАВТРА

Современная робототехника как новое научно-техническое направление идейно сформировалась через несколько лет после провозглашения Винером концепции кибернетики, под ее влиянием.

Робот как машина-автомат нового типа принципиально ворвался в сложившуюся классификацию машин как что-то инородное: он может быть и технологической машиной, и транспортной, и информационной, а может и вообще выпадать из этой категории, выполняя функции технологического приспособления или средства автоматизации. Правда, и среди приспособлений робот тоже сразу же стал "возмутителем спокойствия" и породил новый термин "роботизация", который никак не вписывался в понятие "автоматизация". До этого были известны манипуляторы, управляемые человеком, однопрограммные автоматические манипуляторы-автооператоры, механические руки. Но, вот, появились манипуляторы с ЧПУ, их назвали роботами, и родилось новое научно-техническое направление — робототехника.

С самого начала в развитии робототехники определялись две, правда, сначала довольно слабо связанные цели — прикладная и фундаментальная. Прикладная цель была объективно обусловлена развитием современного производства, а именно переходом к комплексной гибкой автоматизации, к гибким автоматизированным производствам. Здесь одной из первоочередных задач стало создание выявленного в ходе этих работ недостающего звена в перечне компонентов таких производств, которое должно заменять человека, выполняющего различные манипуляционные операции — основные технологические и вспомогательные. Из этой задачи сразу же выделилась как задача высвобождения людей от опасных и вредных работ. Затем по мере развития робототехники, естественно, возникла задача создания средств робототехники, предназначенных для работ, которые принципиально не могут выполняться с помощью или даже просто в присутствии людей (дальний космос, глубины океана, новые интенсивные технологии и т. д.). Возникли экстремальная робототехника, медицинская микроробототехника, биоробототехника, шагающие машины и другие специальные разделы робототехники. Появилось роботостроение с международной кооперацией и специализацией. Постепенно сложились определенные принципы построения, проектирования и применения средств робототехники и основанных на них технических систем. Определились основные области применения и перспективы их расширения, основанные на реальных технических и экономических характеристиках этой техники.

Принципиальный вопрос — по какому пути идти робототехнике — в сторону повышения универсальности роботов или, наоборот, их специализации, разрешился признанием в качестве основного — модульного принципа их построения. Этот принцип позволяет промышленности оперативно поставлять даже в единичных количествах роботы, собранные из хорошо отработанных унифицированных модулей, для выполнения самых разнообразных технологических операций. Таким образом, заманчивая идея создания сравнительно небольшого семейства универсальных роботов, близких их прототипу— человеку,— была заменена идеей универсального набора компонентов роботов — модулей.

Сегодня роботы применяются практически во всех сферах человеческой деятельности, а уровень робототехники является важным показателем научно-технического, промышленного и оборонного потенциалов каждой страны.

Вторая указанная ранее фундаментальная цель робототехники — это экспериментальное изучение и воспроизведение феномена разумного поведения живых существ. В дальнейшем эта проблема привела к появлению самостоятельного научно-технического направления, получившего название "искусственный интеллект". То, что эта проблематика наиболее актуальна именно в робототехнике, вытекает из исходной идеи этой отрасли знаний, как альтернативы занятого физическим трудом человека.

Первый же опыт создания таких машин показал недостаточность, и даже примитивность современной теории и техники автоматического управления и теории информации по сравнению с задачами, решаемыми человеком при выполнении даже самых простых операций.

В связи с этим были развернуты интенсивные экспериментальные исследования с объектами типа "глаз-рука" и различных очувствленных мобильных объектов, которые продолжаются и сегодня. В последнее время к ним добавились исследования группового поведения подобных объектов (мультиагентные системы, игры роботов и т. п.).

Это направление в робототехнике непосредственно соответствует основной идее кибернетики об общности информационно-управляющих процессов в технике и в живой природе. Одна из целей этого направления — воспроизведение процесса эволюции живой природы, поскольку именно робот является технической системой, которая реализует триаду "сенсоры-мозг-активаторы", замкнутую через внешнюю среду. Именно
на базе роботов представляется возможным реализовать и исследовать известный тезис "рука создала человека". Конечным научно-техническим результатом этих исследований должны стать принципы и методика самоусовершенствования интеллектуальных технических систем типа "робот". Это позволит спустить курок эволюционного совершенствования роботов, пределом для которого, разумеется, не будут интеллектуальные способности человека. Конечно, это эмпирика, но она даст результат, гарантированный опытом развития живой природы, эволюционное развитие которой — это тоже эмпирика, метод проб и ошибок.

Однако решить эту проблему в рамках одной робототехники нереально. Здесь необходимо скоординированное взаимодействие многих смежных научно-технических направлений, хотя бы потому, что ее решение требует создания принципиально нового материально-технического обеспечения не только для информационно-управляющих систем (технические нейроподобные структуры и т. д.), но и для остальных компонентов названной выше триады — исполнительных систем и сенсоров.

Подобно тому как робототехника явилась одной из побудительных при чин и полигоном развития работ по проблеме искусственного интеллекта, она же инициировала проблему создания "искусственной мышцы", как проблему создания принципиально новых приводных исполнительных систем с, по крайней мере, на порядок лучшими массо-габаритными характеристиками, чем у подобных систем, основанных на современных электрических, гидравлических и пневматических приводах. Последние именно более чем на порядок уступают по указанным характеристикам поперечно-полосатым мышцам животных. Речь идет о принципиально новом подходе к построению приводов, также заимствованном у живой природы и основанном на параллельно-последовательной работе сотен и тысяч элементарных микроактиваторов. Аналогичная проблема перехода к микромодульному построению стоит и перед сенсорными система ми. Ее успешное решение будет иметь революционизирующее значение не только для робототехники, но и для всего машиностроения.

Что касается собственно робототехники, то, как отмечено ранее, прикладная робототехника в своем развитии практически быстро исчерпал научный задел, который был предоставлен ей, прежде всего, теорией автематического управления и информатикой, а также технический задел в виде приводов и систем ЧПУ, заимствованный у станкостроителей.

И сегодня ее дальнейший прогресс почти целиком зависит от успехов в решении перечисленных ранее фундаментальных проблем. Так сомкнулись первоначально почти не связанные два направления развития робототехники — прикладное и фундаментальное.

В начале своего развития робототехника пережила период романтизма, период "бурь и натиска", когда казалось, что еще немного и мы "схватим бога за бороду" — наступит "роботовладельческий" строй. На смену порожденных кибернетикой споров о том, может ли машина мыслить и превзойти в этом человека, разгорелись дискуссии об опасностях, которые могут принести роботы, вплоть до их бунта против человека. Затем пришли зрелость и прозрение: определился целый комплекс серьезнейших научно-технических проблем, которые стоят на пути к царству роботов. Основные из них были уже названы и, как следует из изложенного, генеральное направление дальнейшего развития робототехники — это, прежде всего, комплексная миниатюризация компонентов и интеллектуализация в виде распределенного интеллекта, пронизывающего все системы роботов от сенсорики до приводов и даже до конструктивных материалов и "кожи" роботов (интеллектуальные материалы).

Обе эти проблемы соответствуют общим тенденциям развития техники в целом, которые тесно взаимосвязаны, можно сказать, как форма и содержание. Само понятие интеллектуализации (искусственного интеллекта) могло возникнуть и приобрести реальный смысл только на определенном этапе развития миниатюризации прежде всего в вычислительной технике.

Проблема интеллектуализации возникла, прежде всего, именно в робототехнике, поскольку это соответствовало исходной идее робота.

Процесс миниатюризации изначально был связан с процессом повышения точности и разрешающей способности создаваемых изделий. Именно последнее является основанием для создания все более и более мало размерных изделий.

Процесс миниатюризации, ее первый этап, связан с механикой и порожден, как сказано, развитием технологий, повышающих точность изготовления деталей. Начался он с производства замков (слесарь — от немецкого слова schlosser— замок, затвор и его же изготовитель. Кстати, и в английском языке слово слесарь — locksmith от того же корня "замок" — lock). Затем вышли в лидеры часовщики. Именно они создали первые механические изделия счетно-решающей (вычислительной) техники — арифмометры, интеграторы и т. п. В 1950-е гг. механические интеграторы сменили электромеханические (в составе первых электромеханических вычислительных машин).

Второй этап миниатюризации начался на базе двухмерных (2D) технологий микроэлектроники, сопряженной уже с интеллектуализацией. Символ этого этапа — многослойные платы печатного монтажа. В них достигнута уже субмикронная точность.

На рубеже XXI столетия, как известно, начался третий этап миниатюризации на базе 3D микросистемных технологий. Это уже не электроника, а трехмерная электромеханика— микроэлектромеханические системы (МЭМС).

Каждый из перечисленных этапов не сменял предыдущий, а "надстраивал" над ним новый уровень. Так, ЗD-технологии развились на базе 2D технологий и добавили механику движений, но с микронным разрешением. Впереди нас ожидает уже исследуемый этап нанотехнологий с молекулярной разрешающей способностью и использование органики симбиоз живого и техники (биокомпьютеры и т. п.). После этого, очевидно, наступит последний физически возможный этап миниатюризации на атомном уровне.

Рассмотренный процесс помимо возможности создания все более мало размерных мини-, микро- и наносистем создает техническую базу для разработки нового поколения и крупномасштабных объектов вплоть до тяжелого машиностроения, наделенных принципиально новыми, в том числе интеллектуальными функциональными возможностями и техническими характеристиками.

Интеллектуализация как процесс совершенствования информационно-управляющих возможностей техники также прошла 3 этапа: программное управление, адаптивное управление и, наконец, на базе микроэлектронной техники и технологий искусственного интеллекта (ИИ) возникло интеллектуальное управление. При этом искусственный интеллект постепенно охватил все функции технических систем помимо управления. Как и в процессе миниатюризации здесь каждый последующий этап не заменял предыдущий, а поглощал его: адаптивное управление образует следующий уровень управления над программным, а интеллектуальное включает и программное управление, и адаптацию. Дальнейшее развитие искусственного интеллекта — коллективный интеллект (как у людей), а затем и превышение интеллекта естественного. Следующий качественно новый этап — искусственный разум, воспроизводящий наряду с интеллектом творческие способности (креативность) человека. Разумеется, имеется в виду узко специализированный профессиональный интеллект и разум. (Например, уже не вызывает сомнений, что скоро компьютеры переиграют самых сильных шахматистов.)

Рассматриваемый процесс миниатюризации и интеллектуализации техники начинается прежде всего с ее основных компонентов — три замкнутых в кольцо через внешнюю среду,— сенсорные, информационно-управляющие и исполнительные— компонента, затем связь и энергопитание (слайд). В общем случае их совокупность образует открытую систему, информационно и энергетически зависимую от окружающей среды, включая и другую подобную технику. (В том числе в недалеком будущем - в виде коллективов роботов.)

В основе миниатюризации этих компонентов, как уже сказано,— повышение точности изготовления деталей. Сегодня в этом процессе, по-прежнему, лидирует вычислительная техника на базе микроэлектроники: прежде всего информационно-управляющие компоненты, а за ними с определенным отставанием следует сенсорика и связь. Их общая база — 2D микротехнологии. Начавшийся качественный переход к 3D микротехнологиям особенно важен для сенсорики, а еще более для силовых компонентов - исполнительных и энергопитания. Общесистемное развитие пока сдерживают последние. Здесь происходит возврат к проблеме миниатюризации механики движений. Пока эти компоненты все еще продолжают эволюционировать на идеях прошлых веков. Но общая тенденция очевидна: технологическое сближение всех компонентов и их конструктивное объединение в мехатронные системы.

Подобно тому, как микроэлектроника, начавшись с отдельных транзисторов, диодов и других элементов, перешла к объединению их во всеболее крупные интегральные схемы в виде чипов, эволюция МЭМС так же развивается в направлении создания все более крупных технических систем, объединяющих все рассмотренные ранее функциональные компоненты в единый мехатронный конструктив.

Дальнейшая миниатюризация ведет к переходу на новый наноуровне молекулярной размерности и соответственно к аналогичному укрупнению интегральных наноэлектромеханических систем — НЭМС.

В заключение приведенного исторического обзора отметим некоторые актуальные задачи по созданию перечисленных ранее компонентов нового поколения робототехнических устройств.

Для сенсорных систем первоочередная задача — комплексирование сенсорных систем различного типа (СТЗ, УЗ, ИК, УФ, радиотехнические и лазерные дальномеры и т. д.). Необходимо также развитие химических сенсоров, что, в частности, важно для поиска взрывчатки, наркотиков, и более специальных — интроскопических.

Для информационно-управляющих компонентов наряду с дальнейшим
развитием формализуемых символьных технологий искусственного интеллекта предстоит приступить к решению проблемы создания методов работы с образной информацией и творчества (интуиции).

Для связи применительно к робототехнике одна из важных проблем — связь "оператор-робот". В нее входят задачи:

- 3D-виртуальные обобщенные сцены внешней среды;

- эффект присутствия;

 -неконтактные способы управления (с отказом от джойстиков как основного средства) через 3D-картины внешней среды, включая управление голосом, световыми метками и т. п.

К силовым компонентам (исполнительным и энергопитания) в отличие других компонентов предъявляются другие основные требования КПД и удельные массо-габаритные параметры. Эти компоненты в своем эволюционном развитии давно уже пришли к насыщению. Во всем мире идет поиск на базе 3D-технологий принципиально новых решений типа искусственных мышц и т. п.

Проведенный анализ общих закономерностей развития техники подтверждает, что рассмотренные основные направления развития робототехники — миниатюризация и интеллектуализация — соответствуют общим тенденциям в целом и, следовательно, будут реализовываться в тесном взаимодействии со всеми необходимыми для этого отраслями техники.

В заключение перечислим основные области применения робототехники, где в первую очередь будут реализовываться достижения в решении рассмотренных научно-технических проблем.

Робототехника наземного и воздушного базирования. Сюда относятся создание автоводителей и автопилотов, решение проблемы "человеческого фактора" в человеко-машинных системах, робототехнические системы для действий в экстремальных условиях, в том числе для вооруженных сил и других силовых структур, групповое применение роботов, в том числе в конфликтных ситуациях, и создание следующих интеллектуальных поколений таких роботов, ориентированных на автономное функционирование. Особенно большие перспективы связаны при этом с микроробототехникой. Летающие, плавающие, ползающие и т. п. микророботы произведут качественные изменения во многих важнейших сферах человеческой деятельности.

Био- и медицинская робототехника. С ней связана как проблематика заимствования бионических решений, так и обратный процесс внедрения робототехники в живые организмы. Начало последнему положило протезирование конечностей, затем усиление физических возможностей человека для функционирования в экстремальных условиях (активные скафандры, биоуправляемые шагающие машины и г. п.). Наконец, появились новые поколения интеллектуальных протезов и экзоскелетонов, роботы-сиделки, робототехнические системы для реабилитации инвалидов, массажисты и т. п. Однако прежде всего — это новые области применения робототехники, такие как хирургия, в том числе дистанционная, микророботы для внутрисосудистой и внутриполостной диагностики и хирургии.

Космическая робототехника. Сегодня это важнейшая часть очередного этапа развития космонавтики. К ней относится, прежде всего, освоение дальнего космоса, ближайших планет и Лупы. Космическая робототехника открывает перспективы создания принципиально новых космических объектов и систем, в том числе и в околоземном пространстве, включая наноспутники, монтажно-сборочные и регламентные работы на орбите и т. п.

Подводная робототехника. Наряду с космосом это второе направление "экспансии" человечества, в котором решающую роль должна играть робототехника нового поколения. Если человек-амфибия—это фантастика, то роботы-амфибии — это уже реальность. Достаточно напомнить их работу по обследованию затонувших кораблей, использование подводных роботов-геологов. А, ведь, это, по существу, еще только предыстория подводной робототехники.

В настоящее время еще нет ни лунных, ни других космических баз, обслуживаемых саморемонтирующимися роботами, нет и подобных подводных сооружений. Однако если сегодня основное направление развития современного машинного производства— это создание безлюдных комплексно-роботизированных предприятий, то тем более это должно относиться к освоению космоса и глубин океана.

Среди перечисленных перспективных областей применения робототехники не названа промышленная робототехника. Объясняется это тем, что, хотя в обозримом будущем основной мировой парк роботов по-прежнему будут составлять промышленные роботы, не этот уже сложившийся раздел робототехники будет определять ее развитие и рассмотренных ранее направлениях.

Как уже отмечалось, для решения рассмотренных ранее проблем необходима консолидация робототехники со смежными научно-техническими направлениями. И в этой связи назрела потребность в анализе сложившейся системы таких направлений, которые так или иначе тоже порождены идеями кибернетики и соответственно близки робототехнике. Основой такой консолидации может стать названная выше триада "сенсорика-процессор-активатор". Она появилась в технике вместе с первыми автоматами древности, затем составила основу теории автоматического управления и кибернетики, а в последние годы начинает пронизывать буквально все направления научно-технического прогресса, начиная с материаловедения (интеллектуальные материалы) и кончая компмпьютерно-сетевыми технологиями (мультиагентные системы).

Другим важным принципом для указанной консолидации может стать и системный подход к реализации названной триады, заключающийся и отказе при создании технических систем от разделения их на объект управления и управляющую систему. Перспективность такого подхода для робототехники и особенно для микроробототехники очевидна и он прогрессивно внедряется, в частности, в ходе интеллектуализации роботов. Этот принцип, основанный на использовании общесистемных критериев, начал применяться в технике давно, еще при создании первых статически неустойчивых объектов, например, в электроэнергетике ("искусственная устойчивость"), в авиации. В частности, он лежит в основе мехатроники, которая тоже входит в родственные робототехнике научно-технические направления и наиболее близка ей.

В этой связи остановимся на связях робототехники и мехатроники. Формально они уже объединены в соответствующие научное и учебное направления хотя, строго говоря, они определяются по разным квалификационным признакам. Робототехника определена по функциональному назначению, а мехатроника — по физическому составу. Однако, действительно, мехатроника и робототехника имеют много общего и довольно тесно взаимосвязаны. Многие компоненты средств робототехники можно отнести к мехатронным. В свою очередь мехатронные устройства в наиболее развитом виде реализуют как и робототехнические системы, упомянутую триаду "сенсорика-процессоры-активаторы". Из этого следует, что мехатроника должна иметь много общего с робототехникой и принципах построения и методах проектирования. К ним прежде всего относятся модульный принцип построения и упомянутый ранее системный подход к проектированию.

Мехатроника как новое научно-техническое направление возникла в результате органического слияния электромеханики и микроэлектроники в виде прежде всего автоматических технических объектов и систем. (Аналогичным образом в свое время возникла электромеханика в результате интеграции механики и электротехники.)

Мехатроника возникла как самостоятельное научно-техническое направление благодаря наличию таких объектов нового типа, которые требуют системного подхода, охватывающего образующие ее механику и микроэлектронику. В этой связи в соответствии с рассмотренной ранее общей тенденцией развития техники одним из основных направлений мехатроники в ближайшие годы станет создание микроэлектромеханических систем (МЭМС). К ним, в частности, относятся некоторые типы гироскопов, аксельрометров и других микроэлектромеханических сенсорных систем, микроэлектромашины. Поэтому одним из направлений робототехники, наиболее тесно связанным с мехатроникой, является, прежде всего, микроробототехника.

ЛИТЕРАТУРА

1. Основы робототехники. – 2-у изд., перераб. И доп. – СПб.: БХВ-Петербург , 2005. – 416 с.: ил.

2. В. П. Степанов, "Новая концепция создания промышленных роботов" ж. "Интеграл" №2 2004гю сс.13-15

Используемые ресурсы:

http://www.3dnews.ru/editorial/it_roboethics

http://www.myrobot.ru/news/2008/04/

http://www.biztimes.ru/index.php?artid=731

http://energypolis.ru/portal/archives/62-otkrytie-centra-robototexniki-v-rossii.html

http://nnm.ru/blogs/russouth/rossiyskie_razrabotchiki_pokazali_boevogo_robota/

http://www.prorobot.ru/slovarik/robotics-zakon.php

Приложение

1. Презентация: История робототехники