Введение. Хронология появления роботов
Идея искусственных созданий человеком впервые упоминается в древнегреческом мифе о Кадме, который, убив дракона, разбросал его зубы по земле и запахал их, а потом из этих зубов выросли солдаты. В другом древнегреческом мифе говорится о скульпторе Пигмалионе, который вдохнул жизнь в созданную им статую – Галатею. Также в мифе про Гефеста рассказывается, как он создал себе различных слуг. Еврейская легенда повествует о глиняном человеке – Големе, который был оживлён пражским раввином (махараль ми-Праг Йехудом Бен Бецалелем (1509 г.) при помощи каббалистической магии.
Но те, первые, попытки автоматизации пока не касались напрямую процессов механической обработки деталей и получения готовых изделий. Да и самого понятия «Производство» в его современном понимании тогда не существовало.
Следует отметить, что для современного человека характерно крайне отрицательное отношение к утомительному однообразному физическому труду, связанному с повышенной утомляемостью и отсутствием интеллектуальной составляющей. Современный человек в производственных условиях также старается максимально снизить риск травматизма. Когда-то в достижении этого людям помогали всевозможные бронекостюмы и скафандры. Однако и они предполагали прямое участие человека при осуществлении тех или иных непосредственных действий в промышленной обстановке. С развитием техники и кибернетики необходимость непосредственного присутствия рабочего при выполнении того или иного задания начала постепенно снижаться.
Тогда в промышленности появились роботы-манипуляторы, предназначенные для выполнения самых различных функций.
Впервые о промышленных роботах заговорили еще в девятнадцатом веке, однако до эпохи роботизации и автоматизации было еще достаточно далеко – лишь во второй половине двадцатого века в промышленность активно стали внедряться сложные компьютерные системы. Инновационный вид оборудования получил широкое распространение по нескольким причинам. Главная из них – возможность работать в условиях, в которых человек не может находиться в принципе. Во-вторых, уровень и качество выпускаемых продуктов при широкой роботизации производственного процесса заметно выше, чем когда речь идет об использовании человеческого труда. Кроме того, роботизированное производство менее затратно. И, наконец, производительность таких машин превышает в разы человеческие возможности, особенно при длительном режиме работы. В свою очередь, к числу недостатков человеческого труда относится большая вероятность субъективных ошибок.
Исторически появление станков с числовым программным управлением (ЧПУ) привело к созданию программируемых манипуляторов для автоматизации операций по загрузке и разгрузке станков. В 1954 году американский инженер Д. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт. Вместе с Д. Энгельбергом в 1956 г. они организовали первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Ее название «Unimation» (Юнимейшн) является сокращением термина «Universal Automation» (универсальная автоматика). Уже в 1962 году в США были созданы первые промышленные роботы «Юнимейт» и «Версатран». Их сходство с человеком ограничивалось наличием механической части (манипулятора), лишь отдаленно напоминавшей человеческую руку. Некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса.
Робот «Юнимейт» имел 5 степеней подвижности и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. Перемещение объектов массой до 12 кг осуществлялось с погрешностью позиционирования, равной 1,25 мм. В качестве системы управления использовался командоаппарат в виде кулачкового барабана с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд управления, и датчики конечного положения. В режиме обучения оператор задавал последовательность точек, через которые должны пройти звенья манипулятора в течение рабочего цикла. Робот запоминал координаты точек и мог автоматически перемещаться от одной точки к другой в заданной последовательности, многократно повторяя рабочий цикл. На операции разгрузки машины для литья под давлением «Юнимейт» работал с производительностью 135 деталей в час при браке 2%, тогда как производительность ручной разгрузки составляла 108 деталей в час при браке до 20%.
Робот «Версатран», имевший три степени подвижности и управление от магнитной ленты, мог у обжиговой печи загружать и разгружать до 1200 раскаленных кирпичей в час. В то время соотношение затрат на электронику и механику в стоимости робота составляло 75% и 25%, поэтому многие задачи управления решались за счет механики. Сейчас это соотношение изменилось на противоположное, причем стоимость электроники продолжает снижаться. Предлагаются необычные кинематические схемы манипуляторов. Быстро развиваются специализированные роботы, выполняющие такие операции как скоростное резание, раскрой древесины, окраска, склеивание, сварка и т.п. Появление в 70-х гг. микропроцессорных систем управления и замена специализированных устройств управления на программируемые контроллеры позволили снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение в промышленности.
Были проведены исследования рынков сбыта на базе 15 автомобилестроительных и 20 прочих производственных предприятий. Выяснилось, что существует огромное количество простых, но неудобных, утомительных, нежелательных для человека, операций, которые можно было поручить новой машине-роботу. Производство роботов вначале было связано с автомобильной промышленностью. Крупносерийный же выпуск роботов был освоен в 1975 году. Сейчас в мире производством роботов занято около 200 фирм: в Японии – 70, в США – 30, остальные – в Европе. Лидирующими здесь странами являются Россия, Италия, Швеция, Германия.
Появление слов «Робот» и «Робототехника» произошло благодаря писателям-фантастам. Так в 1920 году чешский писатель Карел Чапек подарил нам слово «Робот», впервые употребив его в фантастической пьесе «Россумские универсальные роботы (Р.У.Р.)», откуда и взяло начало слово «робот» (от чешского robot), где эти машины выполняли самую тяжелую и опасную работу. Там это автоматическое устройство с антропоморфным действием, которое частично или полностью заменяет человека при выполнении работ в опасных для жизни условиях, при относительной недоступности объекта или для другого аналогичного использования.
Он считал, что человекоподобный робот (после его создания) станет первым универсальным инструментом, так как сможет пользоваться широчайшим набором любых технических средств, уже сделанных человеком для себя; при этом он придерживался субъективного мнения, что рано или поздно роботы выйдут из повиновения человеку и захватят весь мир.
В 1940 году писатель-фантаст Айзек Азимов придумал слово «Робототехника», как особую сферу науки, производства и искусства. Он же оптимистично считал, что путем встраивания электронных блокирующих схем в системы управления можно обеспечить их «хорошее» поведение.
Робот может управляться оператором, либо работать по заранее составленной программе. Использование роботов позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд на производстве, в строительстве, при работе с тяжёлыми грузами, вредными материалами.
Предшественниками промышленных роботов были различные устройства для манипулирования на расстоянии объектами, контакт с которыми человека невозможен, либо опасен (вреден) для здоровья. Это манипуляторы с ручным или автоматизированным управлением, повторяющие действия человека, движения его руки. С 1950 г. они применялись в атомной промышленности, а так же в глубоководных исследованиях, в металлургии и т.д. Для работы с радиоактивными материалами стали разрабатывать механические манипуляторы, которые копировали движения рук человека, находящегося в безопасном месте.
В качестве примера на рис. 1.1 изображен манипулятор копирующего действия, с помощью которого оператор мог работать с радиоактивными изотопами и другими вредоносными образцами. Оператор, находясь вне герметично замкнутой камеры, производил необходимые манипуляции с помощью исполнительного органа. При этом требуемые движения его точно обеспечивались посредством задающего органа руками человека.
1 – корпус камеры; 2 – биологическая защита; 3 – исполнительный орган манипулятора; 4 – задающий орган манипулятора; 5 – окно; 6 – транспортер подачи объектов; 7 – дверь для ремонта; 8 – дверь в камер
Рис. 1.1. Копирующий манипулятор для безопасной работы оператора с вредными веществами
В 1960 г. дистанционно управляемая тележка с манипулятором, телекамерой и микрофоном применялась для осмотра местности и сбора проб в зонах высокой радиоактивности, а в 1979 г. в МВТУ им. Н. Э. Баумана по заказу КГБ был создан аппарат для обезвреживания взрывоопасных предметов – сверхлёгкий мобильный робот МРК_01.
Примерно в тот же период в нашей стране был создан дистанционно управляемый аппарат «Луноход-1» (рис. 1.1), предназначенный для научного исследования поверхности Луны.
Рис. 1.2. Первый в мире лунный самоходный аппарат «Луноход-1»
В его конструкцию входили: уголковый отражатель для лазерной локации Луны с Земли, остронаправленная антенна для пересылки изображения поверхности Луны, полученного телекамерами, малонаправленная антенна, служащая для приема команд с Земли и отправки телеметрии, телекамеры системы для управления движением «Лунохода-1» с Земли, штыревые антенны (принимающие команды с Земли в полосе частот, отличной от малонаправленной антенны), выносной спектрометр для определения химического состава лунного грунта, мотор-колеса для передвижения по поверхности Луны, крышка приборного отсека в закрытом состоянии (в лунную ночь она закрыта и предохраняет отсек от переохлаждения, а в лунный день открыта и солнечные батареи, расположенные на её внутренней стороне накапливают энергию), телефотокамеры, предназначенные для съёмки панорам лунной поверхности.