Возникновение и развитие современной робототехники

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 (рис. 1.3 и 1.4). 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 Эрнста" по фамилии его создателя г. Эрнста [1]. Согласно современному определению, это был прообраз очувствленного робота с адаптивным управлением, что позволило ему, например, находить и брать произвольно расположенные предметы.

Рис. 1.3. Горячая камера с копирующим манипулятором

Рис. 1.4. Современный копирующий манипулятор "Маскот" фирмы "Телеробот" (Италия)

В 1962 г. на рынке США появились первые роботы марки "Версатран" (фирмы "Америкэн мэшин энд фаундри"), предназначенные для промышленного применения (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Один их первых промышленных роботов "Версатран"

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" (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Один их первых промышленных роботов "Юнимейт"

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. е. снабженные сенсорными системами, главными из которых являются системы технического зрения (СТЗ).

Первые промышленные роботы с развитым очувствлением и микропроцессорным управлением появились на рынке и получили практическое применение в 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 моторе" (система "Консайт").

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 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 (рис. 1.7) [2].

Рис. 1.7. Один из первых отечественных подводных роботов "Манта" с техническим зрением и манипулятором, управляемым от ЭВМ

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 рис. 1.11 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.

Рис. 1.11. Интеллектуальный автономный антропоморфный робот Asimo

("Хонда мотор", Япония)

Рис. 1.10. Экзоскелетон

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 рис. 1.12 показан микроманипулятор для точного позиционирования образцов в электронном микроскопе.

История гибкой автоматизации началась в 1955 г. с появления станков с ЧПУ. Именно такого типа автоматическое технологическое оборудова­ние 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.

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 уже приближается к 50% парка.

УСТРОЙСТВО РОБОТОВ