Дипломатическая академия МИД РФ
Кафедра государственного управления и информационных технологий.
Курсовая работа
на тему «Домашние роботы».
Выполнил: студентка 1 курса дневного
отделения факультета Мировая
Экономика группы №3 Черникова Т.Г.
Проверил: профессор Ваньков Б.М.
Москва 2006
Содержание.
Введение………………………………………………………….…………3
Глава 1: Роботы для развлечения………………..………………………..4
Глава 2: Роботы-пылесосы………………………………..……………….7
Глава 3: Сторожевые или охранные роботы…………………..…………9
Глава 4: Андроиды…………………………..……………………………12
Глава 5: Умный дом………………………………………………………15
Заключение………………………………………………………………..26
Список используемой литературы……………………………………….27
Введение.
В своей курсовой работе я бы хотела рассмотреть тему домашних роботов и уделить некоторое внимание системе «Умный дом», которая, на мой взгляд, в некоторой степени близка домашним роботам. В последнее время популярность роботов растет с небывалой скоростью. Роботизация домашнего хозяйства теперь не представляется нам чем-то из области фантастики, это вполне реально и даже облегчает нашу жизнь, избавляя от массы хлопот. К 2007 году количество домашних роботов превысит 4 миллиона, и они смогут охранять дома, мыть окна, чистить бассейны и заниматься мелкими хозяйственными делами. По словам специалистов, к концу 2010 года роботы будут ухаживать за пожилыми людьми и инвалидами, а также смогут заменить хирургов, пожарных, саперов и сантехников. Кроме того, появятся первые человекообразные роботы.
^ Глава 1: Роботы для развлечения.
SDR 4X.
В Японии создан 60-сантиметровый робот, который пляшет и поет. Синтетическое существо предназначено для удовлетворения потребности человека в общении. Возможно, поэтому робот тоже напоминает человека: у него есть ноги, голова, руки, которыми он жестикулирует и даже бедра, которыми он трясет в ритме исполняемой песни. Компания Sony, создавшая новое чудо техники, обещает, что существо, известное пока под не слишком привлекательным для маркетинга именем SDR 4X, вскоре научится распознавать лица, поддерживать нехитрый разговор и даже вставать на ноги после случайного падения.
Sony AIBO.
Sony уже торгует роботом-собакой по имени AIBO, стотысячная популяция которого уже распространилась по всему миру. Вы покупаете AIBO еще щенком, который почти ничего не умеет. Он ни в чем не уступает своим живым собратьям. Бросьте ему розовую косточку – он найдет и принесет вам. Киньте мяч – и он станет с ним играть. Заслышав музыку, щенок начнет танцевать, может и сам по вашей просьбе включить интернет-радио, mp3 или CD. И вот, проводя с вами день за днём, собака развивается: начинает узнавать вас в лицо, отличает ваш голос от голосов других людей, понимает новые слова, запоминает трюки, которым вы её обучили. AIBO подстраивается под ваш распорядок дня, не шаля по ночам и не тревожа ваш полуденный сон. Вам не понадобятся больше ни будильник, ни органайзер. Ведь электронная собачка предупредит вас обо всём звонком, музыкой или лаем. В ваше отсутствие она может слоняться по дому и, заметив что-то необычное, выслать вам фотографию или звук на мобильный телефон или электронную почту.
R100.
Небольшой R100 (высота 44 см, максимальный диаметр 28 см, вес 7,9 кг) больше всего похож на матрешку. У него три колеса (два передних и одно заднее колесо), на которых он движется со скоростью 60 см/сек, обходя препятствия. R100 ориентируется благодаря оптической системе из двух камер, что обеспечивает стереоскопический эффект и позволяет определить расстояние до объекта. Кроме того, у робота есть шесть датчиков, расположенных по периметру в горизонтальной плоскости. Они позволяют ему экстренно остановиться при угрозе столкновения с каким-нибудь объектом. Робот умеет распознавать лица знакомых ему людей и их голоса, понимает порядка 100 фраз, сам умеет произносить около 300 фраз. Направленные микрофоны R100 позволяют ему отыскивать источник звука. Поэтому он умеет поворачивать голову к собеседнику и может следовать за ним в течение разговора. Тактильные сенсоры, расположенные на голове робота, позволяют ему чувствовать прикосновения хозяев, определять их характер — поглаживание или шлепок — и вести себя соответственно. "Мозги" робота — это маломощная система на базе Intel 486DX4-75, а все вычисления, связанные с распознаванием образов, речи, принятием решений выполняются на базовом персональном компьютере, с которым R100 связан по радиоканалу. В целом, никакой особой пользы, кроме хорошего настроения, от R100 нет, однако, он может включать и выключать свет, отопление, бытовую технику, если всё это подключено к домашнему контроллеру.
^ Глава 2: Роботы-пылесосы.
Trilobit
ROBOKING
^ Робот-пылесос от Panasonic
Пожалуй, самые распространённые сегодня, полезные каждой домохозяйке роботы - это пылесосы. Инфракрасные датчики следят, как за типом поверхности (паркет или ковёр), чтобы выбрать подходящую щётку или режим работы, так и за тем, чтобы пылесос не скатился кубарем вниз по лестнице. Можно купить робот-пылесос ROBOKING от LG. Свой вариант предлагает и Panasonic. Или, скажем, Trilobit от Electrolux за 1600 долларов - Робот-пылесос ориентируется в пространстве так же, как летучая мышь, — при помощи ультразвука: покрытый тонкой золотой пластиной акустический локатор с большим количеством микрофонов улавливает вибрации на частоте 60 тысяч Гц, а полукруглая форма даёт роботу угол обзора в 180 градусов. Таким образом, Trilobite быстро определяет стены, ножки стульев, дверные проемы и ступеньки. Он легко преодолевает провода, кабели и границу "пол - ковёр". Внешне Trilobite больше всего похож на круглую диванную подушку, а его небольшие размеры (высота 13 см и диаметр 35 см) позволяют ему с лёгкостью убирать даже под кроватями и столами. Робот движется на двух колёсах, каждое из которых имеет свой двигатель, а всего у Trilobite — четыре двигателя. Максимальная скорость уборки — 40 квадратных сантиметров в секунду. Притом, что человек с пылесосом на самом деле убирает пыль только с 60% доступной площади, Trilobite охватывает 95%. Во время уборки в электронных "мозгах" робота-пылесоса формируется некая "карта местности". Кроме того, робот вычисляет, сколько времени ему потребуется для уборки. Когда аккумуляторы робота "садятся", Trilobite сам находит зарядное устройство (charging station) и едет заряжаться. Если батареи "сели" прежде, чем робот закончил чистку, Trilobite — как только зарядится — автоматически возобновляет уборку с того самого места, где он ее прекратил. К сожалению, робот не может сам выгрузить собранную пыль и, хотя мешки для сбора пыли не нужны — есть "коробка многоразового использования для пыли" (reusable dust box) — её хозяевам придётся вытряхивать самим. Управлять роботом-пылесосом нужно при помощи LCD-дисплея — можно выбрать одну из трёх программ уборки: обычную, быструю и "местную", то есть на площади до двух квадратных метров.
^ Глава 3: Сторожевые или охранные роботы.
iRobot-LE.
iRobot Corporation представила универсального домашнего робота-тележку iRobot-LE, управлять которым можно из любой точки мира через любой web-браузер. «iRobot-LE позволяет занятым профессионалам быть в двух местах одновременно, - говорит Хелен Грейнер (Helen Greiner), президент и соучредитель iRobot Co. - Вы управляете iRobot-LE через Интернет, видите изображение и слышите звуки, которые он получает, на своем компьютере. Вы можете бродить по своему дому в Бостоне, сидя перед ноутбуком в Сан-Франциско. Вы можете проверить, как справляется с детьми няня и увидеть своими глазами все, что происходит в доме в режиме реального времени». Для этого робот оборудован всем необходимым: видеокамерой, микрофонами, двигателем, позволяющим даже самостоятельно подниматься по стандартным лестницам, бортовым компьютером класса Pentium II, беспроводным доступом в Интернет, датчиками и сенсорами, предотвращающими столкновения и даже позволяющими почувствовать запах гари. В качестве бортовой операционной системы используется Linux.
MARON-1.
MARON-1 корпорации Fujitsu тоже имеет видеокамеру, инфракрасные датчики и подключение к Интернету. Он может управляться с телефона и работать, как телефон, подключаться к бытовой аппаратуре и сообщать владельцу о том, что обнаружил какое-то движение в квартире в его отсутствие. Цена робота - около 2500 долларов. Встроенная ОС - Windows CE 3.0.
ApriAlpha.
Основное предназначение шарообразного робота — управление домашними сетями, в которые вскоре будут объединяться вся бытовая электроника и средства связи. Среди функциональных особенностей робота можно отметить способность читать вслух входящие электронные письма и распознавать лица 100 человек. Управлять роботом, а, следовательно, и всей инфраструктурой электронного дома можно с сотового телефона (японского стандарта i-mode). Он может отсылать готовые снимки на сотовый телефон и содержит ифракрасный порт и порт Bluetooth для связи с бытовой техникой.
Banryu.
Четвероногий, похожий на крокодила, Banryu (Turn Dragon) от Sanyo может работать домашним охранником. Он слоняется по дому в отсутствие хозяина, регистрируя подозрительные движения, шумы и, в случае необходимости, извещая хозяина о подозрительных событиях. У Banryu есть уникальная особенность — распознавание запаха. Разработчики полагают, что новый сенсор — это одно из первых устройств, с помощью которого роботы смогут с высокой точностью идентифицировать специфические ароматы. С таким датчиком робот может обнаружить запах горелого — тот самый, что предшествует пожару.
^ Глава 4: Андроиды.
Способность удерживать равновесие и, собственно ходить, и были самыми главными проблемами появления на свет «универсальных роботов общего применения». Непросто было до мельчайших деталей разобраться с техникой хождения на двух конечностях, разработать легкие и мощные сервомоторы и достаточно мощные компьютеры, чтобы успевать обрабатывать поступающие данные от всех датчиков и выдавать команды на сервомоторы в реальном времени. Теперь всё это есть.
ASIMO.
Наиболее популярен и разрекламирован средствами массовой информации андроид ASIMO (Advanced Step in Innovative MObility) фирмы Honda. ASIMO твёрдо стоит на ногах. Он ходит, поднимается и спускается по лестницам, танцует и самостоятельно поднимается, если вдруг упадет на пол. Он узнает людей по лицам, запоминает их имена и при следующей встрече обращается к человеку по имени, распознаёт жесты и слова. Рост 120 см. Годовая аренда робота обойдется в сумму около 170 тысяч долларов.
Wakamaru.
Производятся компанией Mitsubishi Heavy Industries. Большое внимание разработчиками уделено внешности Wakamaru - чего стоят одни брови, придающие роботу немалое очарование. Помимо того, робот наделен прекрасными манерами и сложной программной начинкой, позволяющей запомнить по именам 10 человек и приветствовать их по имени, приветливо помахивая рукой-манипулятором. Что же до практичных функций Wakamaru, то их у него две - он предназначен для охраны дома и обязанностей личного секретаря. В случае если в ваше отсутствие в дом проберется незнакомый человек, Wakamaru немедленно уведомит вас путем посылки на мобильный телефон сообщений и фотографий. Он напомнит пожилым людям о том, что пора принять таблетки, проверит, нет ли утечки газа, и сообщит по телефону, если ваш близкий человек вдруг потерял сознание и не отвечает на жесты Wakamaru. Робот может отвечать на телефонные звонки, записывать голосовые сообщения, запоминать ваше расписание на день, будить вас и рассказывать погоду. Когда же Wakamaru свободен от своих обязанностей он будет бродить по дому в поисках собеседника, или просто присядет посмотреть телевизор. За железного друга ростом чуть менее метра желающим придется выложить около 14000 долларов, кроме того, обновление программного обеспечения будет стоить около 85 долларов в месяц.
Repliee Q1.
Совсем недавно японцы создали робота, практически совсем неотличимого от человека. Это женщина по имени Repliee Q1. Вместо кожи у нее не твердый пластик, как у обычных роботов, а эластичный силикон. Многочисленные датчики и сервомоторы позволяют андроиду поворачиваться и реагировать на события совсем, как человек. Repliee Q1 умеет моргать глазами, женственно двигать руками и делает вид, что дышит. Пока женщина-робот может только сидеть, но в ее теле имеется 31 силовой привод. Питание приводов осуществляется от воздушного компрессора, а запрограммированы они таким образом, что движения андроида неотличимы от человеческих. Движения тела робота построены на компьютерном анализе движений человека. Алгоритм совершенствуется, когда Repliee Q1 наблюдает за настоящими людьми и действует независимо от них. Андроид способен общаться с человеком и реагировать на прикосновения.
^ Глава 5: Умный дом.
Система Умный Дом обеспечивает механизм централизованного контроля и интеллектуального управления в жилых, офисных или общественных помещениях. С инсталляцией подобной системы дома или на работе каждый пользователь получает возможность:
В рамках общей среды обитания задавать параметры собственной индивидуальной среды (свет, температура воздуха, звук и т.д.), в т.ч. сценарии работы системы
Осуществлять управление необходимой системой (освещение, климат, видеонаблюдение и т.п.)
Получать доступ к информации о состоянии всех систем жизнеобеспечения дома (находясь внутри него или удаленно)
Общая схема системы управления выглядит следующим образом:
Центральный процессор управления/главный блок управления
Датчики (температуры, освещенности, задымленности, движения и др.)
Управляющие устройства (диммеры, реле, ИК-эмиттеры и др.)
Интерфейсы управления (кнопочные выключатели, пульты ИК и радиопульты, сенсорные панели, web/wap интерфейс)
Собственная сеть управления, объединяющая вышеуказанные элементы
Управляемые устройства (светильники, кондиционеры, компоненты домашнего кинотеатра и др.)
Вспомогательные сети (Ethernet, телефонная сеть, дистрибуция аудио и видеосигнала)
Программное обеспечение проекта
Основная функция центрального процессора - управление подчиненными ему устройствами с использованием следующих интерфейсов: Ethernet, RS-232, RS-485, IR, аналоговых и цифровых входов/выходов и др. Также центральный процессор управления содержит многозадачную операционную систему, инструментальные средства программирования и в некоторых случаях Web сервер. Датчики располагаются в определенных местах квартиры, которые непосредственно или через промежуточные устройства связаны единой сетью. Интерфейсы управления осуществляют общее управление системами Умный дом.
Общий алгоритм работы системы Умный Дом:
По собственной сети управления информация от датчиков или интерфейсов поступает к центральному процессору управления.
Программное обеспечение центрального процессора обрабатывает полученную информацию и генерирует команды для управляющих устройств.
Команды поступают как по собственной сети, так и по вспомогательной. Способы генерации команд, а также форма и состав отображаемой информации о состоянии систем закладывается на этапе разработки программного обеспечения с учетом требований проекта.
^ Управление системой Умный дом.
Удобство и легкость управления всем многообразием оборудования и систем, объединенных Умным домом в единый организм, является одним из главных достоинств системы.
Для общения с системой и управления ею, используется все многообразие средств от традиционных кнопочных выключателей различного дизайна до сенсорных видео панелей. Причем выключатели и пульты управления не связаны с конкретным светильником, телевизором, кондиционером.
Кнопочная панель, оснащенная микроконтроллером, и подключенная к системе УД, способна управлять не только освещением в данном помещении, но и во всем доме, а также, например, климатом или громкостью звучания музыки. Функциональность каждой кнопки задается программно и может быть изменена по желанию хозяина.
Сенсорные панели являются многофункциональным интерактивным органом управления системой и контроля над состоянием вашего дома или офиса.
Интуитивно понятный интерфейс пользователя системы Умный Дом создается в соответствии с пожеланиями и вкусами хозяина дома. На сенсорных видео панелях отображается план любого помещения или окружающей территории, выводятся картинки с видеокамер. Легким прикосновением к экрану можно изменить режимы работы кондиционеров, включить ландшафтное освещение или полив газонов.
Видео панели могут быть стационарными или переносными, различного размера и дизайна.
Управлять системой можно с помощью персонального компьютера или ноутбука, подключенного к системе Умный Дом через локальную сеть или через сеть Интернет
Бурно развивающиеся технологии дистанционного доступа через сети Интернет или мобильные системы позволяют контролировать и управлять процессами, происходящими в доме, находясь далеко от него.
Для повышения комфортности система управления Умный Дом может иметь набор типовых "сценариев" автоматизированной работы с фиксированными предустановленными настройками.
В одну систему автоматизации связываются освещение, розеточная сеть, охранные системы и климатические установки, что позволяет контролировать и изменять условия комплексно, не задумываясь каждый раз, в какой комнате включить или выключить свет, как изменить режим работы котельной, выключены ли утюг или другие нагревательные приборы.
Эти настройки определяются хозяином, исходя из возможных жизненных ситуаций, и программируются на стадии установки Системы.
При работе системы Умный Дом по любому "сценарию" хозяин может оперативно изменить параметры работы всех устройств помощью любого пульта управления.
Установите режим " Ночь", и Система отключит основное освещение в местах общего пользования, включит ночную подсветку, отключит или переведет в экономный режим работы неиспользуемых потребителей электроэнергии (телевизоры, теплые полы, кондиционеры), включит режим охраны периметра квартиры или дома. Тем самым обеспечивается экономный и безопасный режим работы оборудования. Об аварийных ситуациях система оповестит хозяина через встроенные акустические системы.
Или установите режим "Гости", и система обеспечит наилучшую освещенность и комфортные климатические условия в гостевых помещениях, звуковое и видео сопровождение, изменение световых сцен по заранее заданным программам. Ограничит доступ в некоторые помещения, например спальни, винный погреб.
В режиме "Никого дома нет " все устройства и подсистемы будут переведены в наиболее безопасный и энергосберегающий режим функционирования, при котором отключены все потребители электроэнергии, кроме дежурных устройств (холодильник, телефон, охранная система) и естественно самой системы. В этом режиме Умный Дом осуществляет контроль состояния инженерных коммуникаций и систем, отслеживает попытки несанкционированного доступа в помещения или на территорию. Производится имитация присутствия людей – включение и выключение света в вечернее время в различных помещениях, в соответствии с обычным ритмом, открытие и закрытие жалюзи, включение музыки. Об аварийных и чрезвычайных ситуациях Умный Дом оповестит хозяина с помощью телефонного звонка или SMS-сообщения, а если ему будет поручено, дозвонится до специальных служб (милиция, пожарная часть).
^ Домашний кинотеатр.
Для управления домашним кинотеатром подключенного к системе Умный Дом, n-ое количество пультов ДУ уже не понадобится. Его заменяет единый пульт управления или сенсорная панель. Программирование сценария позволяет выполнять перечень команд с помощью одной кнопки. Так, при активизации функции «просмотр фильма» опускается моторизованный экран, потолочный лифт выдвигает спрятанный в нише проектор, закрываются светонепроницаемые жалюзи на окнах, гаснет свет.
Функция мультирум распределяет аудио- и видеосигнал, позволяя прослушивать источник сигнала (один или несколько) в независимых зонах (комнатах), управлять источником из любой зоны и регулировать громкость. Во время просмотра фильма Умный Дом создает условия для Вас и Ваших гостей, поддерживая необходимую температуру и проветривая помещение, и при желании может переводить все телефонные звонки на автоответчик.
Климат-контроль.
Система управления климатом используется для поддержания и изменения параметров температуры, влажности и циркуляции свежего воздуха снаружи и внутри помещений. Работу системы обеспечивает набор различных средств: приточная вентиляция, кондиционеры, электрическое или водяное отопление, теплые полы.
Для управления параметрами используются разнообразные датчики, фиксирующие текущее состояние климата в Вашем доме, переключатели и панели. Последние применяются для установления режима работы климатических систем и для отображения полученных показателей. Можно настроить индивидуальный климат для каждого жильца дома или квартиры, разделив помещение на условные зоны. Находясь вне дома и направив сообщение по телефону или Интернету, теперь можно обеспечить комфортные условия у себя дома заблаговременно.
Установив систему Умный дом у Вас появляется возможность:
Осуществить подогрев комнат в соответствии с желаемой температурой
Установить более низкую температуру в помещении, например, в ночное время
Запрограммировать необходимый температурный режим
Настроить более экономичный режим работы компонентов климат-контроля
Установить функцию оповещения в случае сбоев работы системы (протечек воды, излишнего давления в трубах)
^ Управление освещением.
Работа систем освещения в комнатах, целом здании или на прилегающей территории подчинена различным кнопочным выключателям, кнопочным панелям, оснащенным микроконтроллером, и сенсорным панелям. Также каждая клавиша выключателя программируется для выполнения набора функций, задавая режимы: «Гости», «Все ушли» и др. Автоматический режим работы системы освещения осуществляется с помощью различных датчиков, наружных и внутренних, и таймеров для программируемого включения и выключения светильников в заданное время.
Система Умный дом предлагает Вам:
Включение/отключение света из любого места Вашего дома при неограниченном количестве светильников в помещениях – от квартиры до гаража
Регулирование яркости свечения ламп
Воспроизведение заранее заданных световых сценариев (в зависимости от присутствия в помещении человека, времени суток – например, «вечер», года – «зима», освещенности)
Обеспечение энергосберегающего режима освещения
Интеллектуальное управление светом значительно экономит энергоресурсы. Они могут быть перераспределены в пользу самого энергопотребляющего на данный момент оборудования. Помимо функции снижения пиковой нагрузки, это увеличивает ресурс работы светильников.
Безопасность.
Система безопасности Умного Дома представляет собой комплекс функций по обеспечению комфорта Вашей жизнедеятельности. Сюда относятся: охранная и пожарная сигнализация, контроль доступа, состояния инженерных подсистем, видеонаблюдение и т.д.
Текущее состояние охраняемых зон контролируют проводные и беспроводные датчики (например, датчики окон, дверей, движения, задымленности). В зависимости от типа сигнала они вызывают соответствующую реакцию управляющей системы. Если датчик фиксирует угрозу возникновения пожара, система принимает решение отключить электроэнергию, отправить на мобильный телефон хозяину SMS-сообщение или оповестить его о случившемся через Интернет. В случае несанкционированного вторжения, система также передает тревожный сигнал на пульт охраны, включает звуковую и световую сигнализацию, информирует хозяина с помощью телефонного звонка.
Система Умный дом гарантированно обеспечит Вам разрешение любых форс-мажорных ситуаций, предложив:
Контроль допуска в здание (для хозяев: использование карточек с индивидуальным кодом, считывание отпечатков пальцев; для гостей – аудио- или видеодомофон)
Контроль несанкционированного доступа в Ваше помещение, принятие необходимых мер в случае вторжения (предупреждение по громкоговорящей линии, блокировка дверей, вызов охраны, дозвон в специальные службы) и ограничение проникновения в отдельные помещения (для детей и обслуживающего персонала)
Система видеонаблюдения (запись и выведение изображения на монитор, телевизор, компьютер или через Интернет) снаружи здания и в помещениях
Специализированный контроль и автоматическая ликвидация сбоев в работе инженерных систем (в случае протечек воды, утечки газа). Работа систем пожаротушения, вентиляции
^ Вызов официанта.
Современное оборудование и безупречный сервис составляют на сегодняшний день доминанту современного ресторанно-гостиничного бизнеса. Вызов официанта в ресторане с использованием систем Умный Дом, - это оперативность заказа блюд и даже контроль его выполнения.
Вызов официанта осуществляется с помощью:
специальной кнопки на столике посетителей
ЖК-дисплея
Официант получает сигнал вызова от клиента, находясь либо в зале, либо в служебном помещении. Более предпочтительным и удобным сервисом для посетителя, хотя и дорогостоящим, является непосредственный заказ блюда с помощью ЖК-монитора (в ресторанах элитной категории). Он предусматривается как на клиентских столиках, так и у администратора. Это позволяет избегать повторных сигналов к вызову. Клиенту можно не сомневаться, что его заказ принят и находится в стадии обработки.
Оформить заказ можно и из номера гостиницы. Тогда сигнал о вызове поступает с индивидуального пульта клиента на централизованный диспетчерский пульт либо ЖК-дисплей.
Заключение.
В своей курсовой работе я рассмотрела тему домашних роботов и системы Умный дом. В данной работе описано, как Умный Дом обеспечивает механизм централизованного контроля и интеллектуального управления в жилых, офисных или общественных помещениях. Также показано, что домашние роботы делятся на несколько подгрупп в зависимости от их назначения, а именно: роботы для развлечения, роботы-пылесосы, сторожевые или охранные роботы и андроиды. В конце 2003 года в употреблении находились 691 тысяча роботов, предназначенных для развлечений или обучения. Главным образом, это такие игрушки, как Sony Aibo. К 2007 году рынок развлекательных роботов расширится примерно на два с половиной миллиона единиц. Увеличение количества роботов на Земле исследователи связывают не только с развитием технологий, но и с удешевлением роботов (за последние 12 лет их стоимость в среднем упала вдвое), а также с увеличением инвестиций в эту область.
Список используемой литературы:
http://www.membrana.ru/
http://news.bbc.co.uk/
http://www.itogi.ru/
http://www.news.battery.ru/
http://www.zdnet.ru/
http://www.intelkey.ru/
www.ronl.ru
Долгопрудненский Авиационный Техникум
Реферат по гидравлике
по теме: “ ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ “
Выполнил: СуровМ.А.
Проверил: Козловский А.Ю.
Долгопрудный 2002 г.
Оглавление
1. Введение ………………………………………………..1
2. Что такое робот………………………………………...9
3. Робототехника не роботы……………………………..10
4. Истоки робототехники………………………………...10
5. Рука робота……………………………………………..14
6. Классификаця роботов…………………………………15
7. Что могут делать современныероботы ……………….17
8. Список использумой литературы………………………18
ВведениеВ течение длительноговремени в различных отраслях производства сосуществовали, почти не смешиваясь ине влияя друг на друга, два разнородных вида производства.
Первый вид — это высокоавтоматизированноеи высокоэффективное массовое производство, которое базируется навысокопроизводительных поточных и автоматических линиях, многопозиционном имногоинструментальным технологическом оборудовании. Широкомасштабная автоматизация автомобильной, тракторной, подшипниковой, часовой промышленностии других отраслей, начатая еще в 50-е годы, привела повсеместно к созданию«безлюдных» производств в масштабах участков и даже цехов. Однако такиепроизводства до недавнего времени базировались в основном на специальномоборудовании, которое не обладало «гибкостью», способностью переналаживаться навыпуск разнообразной продукции. В результате при смене объектов производстваподавляющая часть технологического оборудования, оснастка и инструментысписывались независимо от физического состояния.
Второй вид—это неавтоматизированноесерийное и индивидуальное производство, которое всегда базировалось науниверсальном технологическом оборудовании с ручным управлением, ручной или механизированнойсборке, контроле, транспортировке и складировании изделий. Такое производствообладает высокой «гибкостью» с точки зрения выпуска разнообразнейшей продукции, однако малопроизводительно,требует непосредственного участия человека вовсех элементах производственного процесса преимущественно на уровне ручноготруда.
Сейчас такому «сосуществованию» приходит конец, таккак ни один из названных видов производства не может существовать в сложившихсятрадиционных формах.
Революционные преобразования массовогопроизводства диктуются высокими темпами научно-технического прогресса, быстройсменяемостью объектов производства. Растягивание сроков выпуска конкретноймодели автомобиля, трактора, электродвигателя до сроков, сопоставимых сосроками предельного износа производственного оборудования, означает отставаниев техническом прогрессе. А списывать огромное количество специальногооборудования после нескольких лет или месяцев работы губительно для экономики.
Поэтому высокоавтоматизированному«безлюдному» массовому производству требуется «гибкость», т. е. возможность периодической мобильной перестройкина крупномасштабный выпуск иной продукции.
Не менее значительные коренные преобразованиядолжно претерпеть серийное и индивидуальное производство, и движущими здесьявляются в первую очередь факторы социальные.
Быстрый рост образовательного, культурного,материального уровня трудящихся, когда подавляющая часть рабочих имеетобразование не ниже среднего, существенно изменил наши требования к условиям работыи содержательности трудовых процессов.
Ручной труд, особенно малоквалифицированный,монотонный и
тяжелый,становится все более непривлекательным, не престижным,
нежелательным,особенно для молодежи. Поэтому тот техническийарсенал средств неавтоматизированного производства, который составляет сейчас его основу, уже в обозримом будущемстанет социально неприемлемым, социально невозможным. Иными словами,переналаживаемому производству необходимы автоматизация, «безлюдность» при выполнениии технологических, и вспомогательных процессов.
Таким образом, к двум традиционным видам производстванеобходимо добавить третий—гибкое автоматизированноепроизводство, которое призвано обеспечить выпуск разнообразнейшей продукции,как на универсальных станках, но без участия человека, так и на автоматическихлиниях.
Есть все основания полагать, что именно предстоящеедесятилетие станет переломным этапом в развитии техники производств,историческим рубежом между эпохами господства неавтоматизированного и автоматизированного производства. Потому что именно сейчас для этого созрели, с одной стороны,острейшая социальная необходимость, с другой — необходимыенаучно-технические предпосылки, связанные с появлением и развитием многихновейших средств автоматизации.
К ним относятся в первую очередь автоматическиесистемы управления на основе средств вычислительной техники и промышленныероботы, которые призваны революционизировать производство, поднять его накачественно более высокий уровень.
Появление и развитие промышленных роботов,безусловно, явились одним из крупнейших достижений науки и техники последнихлет. Они позволили расширить фронт работ по автоматизации технологических ивспомогательных процессов, открыли широкие перспективы создания автоматическихсистем машин для гибкого, переналаживаемого производства.
Промышленные роботы избежали периода недоверия инедооценки, трудностей становления. Наоборот, ни одному техническому средству не доставалось даже авансомстолько восторженных похвал, ни одному не уделялось столько внимания. Об этомможно составить представление хотя бы по материалам данной книги. В нашейстране за короткие сроки создана целая сеть специализированных предприятий иорганизаций по роботостроению во многихмашиностроительных и приборостроительных министерствах. Если в десятойпятилетке было выпущено около6 тыс., в одиннадцатой — почти 50,то в двенадцатой пятилетке намечено выпустить около 100 тыс.промышленных роботов.
Казалось бы, сочетание безусловной прогрессивности иповышенного внимания должно было обеспечить триумфальное шествие роботов, ихвесомый вклад в решение задач интенсификации производства, сокращения ручныхработ и т. п. Однако пока этого не происходит.
Возьму на себя смелость утверждать, что роботизация производства переживает сейчас серьезныйкризис, который выражается в явном несоответствии между затратами сил исредств, с одной стороны, и реальной их отдачей—с другой. Икризис вызван не какими-то вдруг открывшимися недостатками промышленныхроботов, а допущенными просчетами в осуществлениитехнической политики в области роботизации.
Автор книги приводитнекоторые данные об этом. Согласно проведенному анализу в Англии 44 %фирм,/> занявшихся роботизацией производства, объявили онеудачах, и цифра эта представляется скорее заниженной, потому что далеко невсякая фирма отважится признаться в своих просчетах. Половина из указанных фирмобъявила о прекращении работ по роботизации производства.
По нашему мнению, создавшаяся в настоящее времяситуация обусловлена комплексом объективных и субъективных факторов.
Идет становление принципиально новогонаучно-технического направления, и трудности и неудачи здесь неизбежны.Промышленные роботы имеют слишком короткую историю,чтобы обладать одними достоинствами и не иметьнедостатков в конструкциях и практике применения.
Однако дело не только в этом.На протяжении длительного времени промышленные роботы рассматривались с позицийне действенного средства повышения эффективности производства, а лишь как некийэквивалентный заменитель человека на производстве, призванный высвободить егоот монотонных и тяжелых, непривлекательных ручных работ. Именно такая концепцияробота как «железного человека» со стальными мускулами и мощным электронныммозгом, который не прогуливает и не устраивает забастовок, а работает неутомимокруглосуточно и круглогодично, проходит красной нитью через всю книгу П. Скотта.
Безусловно, эта красивая легенда, обещавшая одниммахом избавить рабочих от ручного труда, а руководителей от множества забот итрудностей в случае немедленного приобретения и применения в большом количествероботов, оказалась в определенный момент необыкновенно привлекательной. Онаискусно стимулировалась промышленными фирмами, вложившими немало средств ворганизацию выпуска промышленных роботов, подогревалась средствами массовойинформации. И в этом мощном «роботоажиотаже»до поры до времени тонули трезвые голоса.
Разумеется, концепция «очеловечивания»промышленных роботов сыграла определенную положительную роль на ранних этапах роботостроения благодаря простоте и наглядности,особенно для тех, кто не знал глубоко тонкостипроизводства, но обладал правом решать. Это помогало становлению новогонаправления, убирало многие препятствия с пути немногих в то время энтузиастов, ускоряло разработки, создание первых поколенийконструкций.
Но впоследствии, когда промышленные роботы сталивыходить на широкую дорогу производственного применения, именно концепция«робот заменяет человека» в отрыве от конечных задач и остального арсеналатехнических средств производства явилась источником множества трудностей инеудач сегодняшнего дня.
Прежде всего она глубоко ошибочна в сущности. Роботне может заменить человека. Человека может заменить лишь другой человек,желательно более сильный, квалифицированный, добросовестный.
В разнообразии функций и возможностей, подвластныхчеловеку, в том числе в сфере производства, роботы в состоянии взять на себялишь считанное число функций, которые во многих случаях не превышают возможности таких традиционных средствмеханизации и автоматизации, как ленточные транспортеры, вибрационныезагрузочные устройства, обычные манипуляторы с цикловым управлением, которыеизвестны уже десятки лет. Более того, все те отличительныесвойства по сравнению с человеком, которые мы восторженно приписываем промышленнымроботам, на самом деле Обычные свойства любых технических средств производства.Ленточный транспортер тоже заменяет человека, высвобождая его от тяжелогоручного труда, вообразите себе армаду,грузчиков с мешками на плечах, бегущих рысью через весь цех. Ленточныйтранспортер не курит, не прогуливает и не требует квартиры для семьи или местав детском саду, но никому в голову не приходило подобными аргументамиобосновывать применение данных транспортеров, например, по сравнению с цепнымиконвейерами.
Сложившееся у широких слоев населения под влияниемсредств массовой информации идеализированное представление о роботах, которыеякобы способны полностью заменить людей на производстве и позволяют вкратчайшие сроки осуществить «технологическую революцию», перестроить основыпромышленного производства и т. и., неотражает реального положения дел. В действительности же осуществляемое быстрымитемпами массовое внедрение роботизированных систем во многом дестабилизировалопромышленное производство и породило немало серьезных проблем. Это произошлопотому, что реальные возможности роботов были преувеличены и некоторыеобразцовые примеры преподносились как типичные. Такое упрощенное и неточноепредставление о роботах небезвредно хотя бы потому, что маскирует проблемы, скоторыми приходится сталкиваться на практике, и может побудить потребителейсделать необоснованный выбор.
Превратное понимание роботизации, нацеливание ее нена решение коренных проблем повышения эффективности производства (качество,производительность, себестоимость), а лишь на имитацию некоторых ручныхдействий человека в надежде, что все остальное приложится, тоже не стольбезобидны, как это может показаться.
Во-первых, отсюда лишь один шаг до роботизации радисамой роботизации. И как следствие—разочарование и дискредитация, потому чтопроизводство с его суровыми законами неизбежно отторгает дорогие, тихоходные ималонадежные конструкции. Во-вторых, и самиразработчики, действуя по принципу «лишь бы робот, лишь бы манипулировал»,начинают искать самые легкие, а не самые эффективные пути.
Ведь с точки зрения возможностей повышенияэффективности производства различные типы роботов далеко не равнозначны. Так,их применение на операциях сварки, окраски, нанесения гальванопокрытий, очисткипозволяет существенно повышать качество продукции прежде всего за счетстабилизации технологических режимов. Производительность оборудованияповышается здесь за счет «многорукости»,быстродействия, увеличенной грузоподъемности, человек полностью выводится израбочей зоны и избавляется от труда в неблагоприятной среде.
В то же время при загрузке металлорежущих станковпромышленные роботы на качество изделий не влияют. По производительностиоборудования, как правило, получаетсяпроигрыш, так как ручная загрузка деталей массой до 3—5 кгвыполняется человеком в несколько раз быстрее. Следовательно, выигрыш можнополучить лишь по фонду заработной платы, да и то незначительный,так как один рабочий обслуживает 2—3станка с ЧПУ и без роботов. Почему же тогдаподавляющее большинство разработок адресуется не сварке, окраске,гальванопроизводству, а загрузке металлорежущих станков или прессов, т.е. наименее перспективным направлениям? Ответ один —если подходить к роботизации как к задачеимитации действий человека, то так проще, легче,удобнее.
Длительное времябольшинство промышленных роботов создавалось как конструкции напольного типа,что явилось следствием вольного или невольного подражания человеку, которыйстоя обслуживает станок.
По нашим данным, промышленные роботы напольнойконструкции составляют 53 % общего количества, еще 39%—скреплением на базовых узлах оборудования и лишь 8 % — подвесныеконструкции (портальные и т. д.).
Между тем напольные конструкции —самые нерациональные и неэкономичные, так как требуют значительныхдополнительных площадей, вызывают психологическое напряжение при наладке иобслуживании, имеют минимальные возможности «многостаночного» обслуживания.
А ведь промышленные роботы могут работать «внизголовой», и даже лучше!
Робот роботу рознь! И хотя автор высказывает этуочевидную мысль, но во всем остальном содержании книги какой-либо отличительнойчерты между роботами транспортно-загрузочными и технологическими не проводится,перспективность и эффективность промышленных роботов рассматриваются как некаявсеобщая и в общем бесконфликтная категория.
Практика сегодняшнего дня развеивает подобныеиллюзии. На сегодняшний день потенциально эффективными являются прежде всегороботы для точечной и шовной сварки, в том числе в автомобильнойпромышленности. Но и здесь опыт внедрения говорит о тяжелом и сложном процессеповышения мобильности роботов, их быстродействия и надежности в работе, которыйнеобходимо пройти, пока потенциальные возможности не станут реальностью.
По сравнению с традиционными поточными и автоматическимисварочными линиями автомобильной промышленности роботизированныекомплексы должны по идее обеспечивать значительно большую гибкость работыоборудования: при переходе к выпуску любой новой модели автомобиля в принципедостаточно ввести необходимые изменения в программу, с помощью которойосуществляется управление роботом. В действительности, однако, столь гибкиесистемы пока еще не существуют. На сегодняшний день роботизированные комплексыприспособлены к выпуску весьма ограниченного числа видов продукции. Если,например, квалифицированному рабочему для перехода от одной производственнойоперации к другой практически требуется всего несколько секунд, топерепрограммирование роботов или при наличии требуемой программы их переналадкав связи с переходом к производству автомобиля с другим типом кузова, хотя ипрежней модели, представляет собой достаточно сложный процесс. Реальные сдвигив этой области произойдут лишь с внедрением впроизводство новых поколений промышленных роботов, обладающих значительнобольшим объемом «памяти», и с разработкой более совершенных языковпрограммирования. Достаточно малейшей неисправности одного из роботов, и работана всей линии автоматически прекращается.Оборудование, таким образом, простаивает, причем зачастую при определениипричины отказа и степени серьезности неисправности представители ремонтныхслужб делают неточные заключения и прогнозы, завышая или занижая предполагаемыезатраты времени, необходимого для устранения неисправности.
Не случайно поэтому на многих промышленныхпредприятиях в конце каждой конвейерной линии дополнительно устанавливаютоборудование, позволяющее выполнять вручную теоперации, которые не смог осуществить тот или иной вышедший из строя робот.Подобные действия, в результате которых доля ручного труда на роботизированных участках в короткий срок возрастаетдо 30—40 °/о, нередко становятся поводом для серьезныхпроблем.
К настоящему времени миф онепогрешимости и всемогуществе промышленных роботов, согласно которомуавтоматизация производства сводится к его роботизации, замене рабочих напроизводстве промышленными роботами, ничего, кроме вреда, не приносит.Концепция эта подразумевает, что технологические процессы, конструкции икомпоновки машин остаются в основном на прежнем уровне, но высвобождаются отнеобходимого присутствия человека. Это неверно. Содержание любого процессапроизводства составляли и будут составлять технологические процессы полученияматериалов, их обработки, контроля и сборки изделий, материализованные вконструкциях и компоновках машин, аппаратов иих систем. Именно в них закладываются все потенциальные возможности качества иколичества выпускаемой продукции,экономической эффективности производства. Никакая автоматика и робототехника неможет дать более того, что заложено в технологии.
Между тем все технологические процессы неавтоматизированного производства обладают невысокимпотенциалом из-за низкой интенсивности,отсутствия концентрации операций, их совмещенияво времени. Одностороннее замещение функций человека в системах, которыедесятилетиями складывались применительно к ограниченным возможностям,бесперспективно.
Немалое количество автоматизированного роботизированного оборудования, спроектированного высококвалифицированнымиразработчиками, оказалось неудачным лишь потому, что все усилия разработчиковбыли направлены на «искоренение» ручных операций, а вопросы качества продукции,быстродействия машин и их надежности в работе упускались из виду. Иначе говоря,правильные общие лозунги типа «ручной труд—на плечи машин»иногда понимаются формально и прямолинейно, а автоматизацию пытаются свести ксозданию технических средств, имитирующих ручные действия человека приманипулировании или управлении машинами. В результате появляется новая техника,работающая, как сейчас модно говорить, по «безлюдной технологии», но громоздкаяи дорогая, малопроизводительная и ненадежная, а в итоге экономическинеэффективная.
Автоматизация производства есть комплекснаяконструкторско-технологическая задача создания новой техники, принципиальноотличной от технического арсенала средств неавтоматизированного производства.
Генеральное направление комплексной автоматизациипроизводственных процессов — не в замене человека при обслуживании известных машини аппаратов, а в создании высокоинтенсивных технологическихпроцессов и высокопроизводительных средств производства, которые были бы вообщеневозможны при непосредственном участии человека.
Правильное понимание сущности автоматизации, основной направленности работ в этой областиявляется необходимой предпосылкой формирования научных принципов и научныхоснов технической политики в области роботизации на производственном уровне.
Особенностью современного этапа научно-техническогопрогресса является то, что определяющим фактором при разработке новой техники становится ограниченность материальных илюдских ресурсов. Необходимо так выбирать ограниченноеколичество объектов разработки, чтобы при реальных возможностях получатьнаибольшие социально-экономические результаты.
В стратегическом плане это означает поворот кпервоочередному техническому перевооружению именно тех звеньев производства,где мы можем добиться результатов благодаря применению прогрессивнойтехнологии, новых методов и процессов,—-концентрацииопераций, многопозиционной и многоинструментнойобработки или сборки.
В тактическом плане это означает избегатьтиражирования тех технических средств роботизации, которые не обеспечиваютвысоких конечных результатов или эти результаты односторонние, напримерсокращение времени ручного обслуживания. При этом в конкретных производственныхусловиях следует руководствоваться наряду с известными методами расчетов иобоснований рядом принципов технической политики.
Первый принцип—принципдостижения конечных результатов: средства роботизации должны не простоимитировать или замещать действия человека, а выполнять производственныефункции быстрее и лучше, лишь тогда они будут по-настоящему эффективными.Изменение численности какой-либо категории работающих или замена ручногоманипулирования автоматическим— не цель и не результат.
Анализ работ по автоматизации показывает, что 60— 70 % экономического эффекта получается благодаря более высокойпроизводительности автоматизированного оборудования по сравнению снеавтоматизированным; 15—20 %— за счетповышения или стабилизации качества и лишь 10—15%—благодаря экономии фонда заработной платы. Поэтому припланировании и обосновании работ по роботизации необходимо предварительнопроанализировать, как могут повлиять намечаемые мероприятия на качество иколичество выпускаемой продукции; численность обслуживающего персонала.
Именно такие факторы обеспечили приоритетное развитие технологических промышленныхроботов, которые позволяют получить выигрыш по всем источникам эффективностиблагодаря улучшению качества изделий, повышению производительности машин, сокращению численности производственного персонала,работающего в тяжелых и вредных условиях производства.
Второй принцип технической политики при роботизациипроизводства — принцип комплексности подхода. Все важнейшие компонентыпроизводственного процесса—объекты производства, технологии, основное ивспомогательное оборудование, системы управления и обслуживания, кадры,удаление отходов — должны быть рассмотрены и в конечном итоге решены нановом, более высоком уровне. Иногда достаточно упустить из поля зрения хотя быодин компонент производственного процесса, например конструкцию изделия, и всясистема мероприятий по автоматизации оказывается неэффективной. Тем болеенеперспективны попытки сводить автоматизацию лишь к преобразованию отдельныхкомпонентов, скажем, созданию сложных и дорогих систем микропроцессорногоуправления при сохранении отсталой технологии, а таких примеров немало. Ипромышленные роботы, и автоматизированные системы управления должныразрабатываться и внедряться с учетом прогресса технологии и конструкции и вкомплексе приспосабливаться к требованиям производства — лишь тогдаони будут эффективными.
Третий принцип технической политики при автоматизациипроизводства — принцип необходимости: средства роботизации, включаясамые перспективные и прогрессивные, должны применяться не там, где их можноприспособить, а там, где без них нельзя обойтись.
Значимость современных средств электроники ивычислительной техники — не только и не столько в замене функций человека приобслуживании известных машин, но прежде всего в открывающихся возможностяхсоздания на их основе средств производства, которые раньше не могли бытьсозданы.
Подавляющее большинство универсальных металлорежущихстанков, прессов, сварочных установок однопозиционные и одноинструментные. В них одновременно обрабатывается лишь одноизделие одним инструментом. Это объясняется ограниченными возможностями человека, который не может одновременноуправлять несколькими процессами или объектами. Применение современнойэлектроники позволяет создавать оборудование с высокой степенью концентрациитехнологического процесса, со многими одновременно действующими механизмами и инструментами. Поэтому техническаяполитика, особенно при создании роботизированныхпроизводственных систем для серийного производства, должна быть направлена впервую очередь на проектирование, внедрение многоинструментныхи многопозиционных машин с дифференциацией иконцентрацией операций, которые в десятки раз производительнее обычного однопозиционногооборудования и где ручные, нероботизированныеоперации невозможны. Не нужно устраивать конкуренцию с человеком там, где он«врос корнями»; следует терпеливо искать в качестве первоочередных объектовроботизации такие, где человек в паре с действующимимеханизмами конкурировать с роботом не сможет.
Наконец, четвертый принцип — принципсвоевременности: внедрение и тиражирование недостаточно созревших технических решений недопустимы.
К сожалению, зачастую, упоенные широкимиперспективами роботизации, мы стремимся к быстрейшему тиражированию конструкциироботов, едва-едва доведенных до уровня «способных функционировать».
В конечном итоге внедрение дорогих, малонадежных итихоходных систем и средств автоматизации приводит лишь к их дискредитации.
На развитие роботизации как нового научно-техническогонаправления несомненно повлияло и то обстоятельство, что первоначальносозданием промышленных роботов стали заниматься специалисты по вычислительнойтехнике, технической кибернетике и т. д., которые ранее производственными вопросамиавтоматизации не занимались и вполне искренне верили, что самое главное — 370 создать конструкцию робота, прежде всего систему егоуправления, и комплекс управляющих программ для процессов манипулирования,имитирующих действия человека, а остальное, как говорится, будет делом техники.К такой формации специалистов по робототехнике принадлежит и автор книги.По-видимому, совсем не случайно, что автор, приводя множество фамилий и адресовразработчиков конструкций, схем, математическогообеспечения, не рассматривает ни одного конкретного примера производственного,цехового внедрения промышленных роботов,ограничиваясь лишь общими положениями ирекомендациями.
Промышленные роботы не являются чем-тосверхъестественным. Их внедрение может быть эффективнымили убыточным, сокращать кадровый дефицит или обострять его—всезависит от конкретных условий.
Значимость промышленных роботов не в замене человекапри обслуживании известных машин. Они явились тем недостающим звеном, котороепозволило объединять разрозненноетехнологическое оборудование в комплексные гибкие автоматизированныепроизводственные системы машин и приборов. Именно таким системам принадлежитбудущее. Поэтому промышленные роботы будут и впредь развиваться и завоевывать все новые позиции, как бы мы нистарались дискредитировать их поспешными и непродуманными действиями. Однако неследует смешивать перспективы с реальными возможностями сегодняшнего дня. Оченьспорно с учетом несовершенства конструкции и неподготовленности производства, а также допущенных ошибок, чтобыпромышленные роботы уже в ближайшее время могли существенно повлиять на общийуровень ручных работ на производстве, тем более на уровеньпроизводительности труда во всех возможных приложениях.
И тем не менее будущее за промышленными роботами.Придет время, когда без промышленной робототехники представить себе ипроизводство, и быт будет столь же трудно, как сегодня без автомобиля илителевизора.
Сейчас технический уровень промышленных роботов растетстремительными темпами. Прогресс роботостроения сегодня как залог успехов роботизации завтра — таковлейтмотив книги, с которым нельзя не согласиться. Раскрыть будущее промышленныхроботов с позиций уже не научной фантастики, а конкретного научного анализа ипрогнозирования — это важнейшая, увлекательная задача.
1.Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием позволитьпричинить вред человеку.
2.Робот должен исполнять приказы, отданные человеком, за исключением тех случаев,когда эти приказы нарушили бы первый закон:
3.Робот должен защищать себя, если это не нарушает первогоили второго законов.
Хотя А. Азимов в то время и не осознавал, но именнотогда впервые появилось в печати слово «робототехника». Джо Энгельбергер, основатель фирмы «Юни-мейшн», считающийся отцом современнойпромышленной робототехники, отметил, что три закона А. Азимова до сегодняшнегодня остаются теми стандартами, которым припроектировании должны следовать специалисты по робототехнике.
Что такое робот ?
До настоящего времени не выработано единой концепцииотносительно того, из чего же состоит робот. Даже в отношении сравнительнонедавно появившегося понятия «промышленный робот» нет международного соглашенияо его определениях—границы термина устанавливаются весьма произвольно.Например, в Японии роботом называется устройство, действующее по принципувзять-положить, т. е. простая механическаярука, движения которой ограничены механическими упорами. Однако на Западеподобное устройство, не обладающее гибкостью (если кто-нибудь не передвинетупоры), считается особым видом жесткого автомата, а не роботом.
Итак, когда же мы имеем дело с робототехнической системой, акогда просто с традиционной формой автоматики?
Например,поставлена задача: отрезать кусок от большого металлического листа. Рассмотримкак саму операцию резания, так и манипулирование с листом. Варианты решенияэтой задачи в соответствии с уровнем сложности используемых технических средствможно представить в такой последовательности.
1.Человек вручную сгибает лист вперед-назад, пока не отломится кусокметаллического листа.
1 Лист разрезается с помощью ручного инструмента.
БИОГРАФИЯ РОБОТОТЕХНИКИ
О чем вся эта суета.Основы робототехники
Робототехника, не роботыЭта книга о потенциально широкой областиробототехники, а не только о тех роботах, которые существуют уже сейчас.Другими словами—эта книга была написана в то время, когда вокругсоздания и применения роботов бушевали страсти, и если бы она была посвященатолько тем их образцам, которые имелись на период написания, тогда то, что высейчас читаете, безнадежно устарело бы.
Темпыразвития робототехники связаны с успехами в области совершенствованиявычислительных машин. Часто цитируемыестатистические данные в отношении их сводятся к следующему. Если быавтомобилестроение развивалось так же быстро, как вычислительная техника, тотридцатилетней давности автомашина «Ролле Ройс» стоила бы сейчас 2 фунтастерлингов, на весь срок эксплуатации хватило бы заправки одной пинты бензина имашина развивала бы достаточную тягу для движения на крутом подъеме. Этотпример в какой-то степени показывает, как быстро сейчас движется впередробототехника. Однако, хотя техника иусложняется с большей скоростью, тем не менее принципы, лежащие в основебыстрого развития, изменяются сравнительно медленно. Овладение этими принципамии является ключом к раскрытию секретов нового мощного «взрыва» робототехники.
Истоки робототехники
Человечество стремилось создать механическое подобие себя задолго до того, как были начаты первыеработы в этом направлении, которые в конце концов привели в начале 60-х годов куспешному применению промышленных роботов.
В течение всей истории человечество в своемвоображении создавало машины, наделенныеспособностью чувствовать (по крайней мере частично). В древних греческих мифахбога огня Гефеста сопровождали, помогая ему,две живые статуи из чистого золота. Позднее он построил бронзового гиганта Талуса для охраны острова Крит от вражескогонашествия. Более двух тысяч лет назад ГероиАлександрийский в «Трактате о пневматике» описал множество автоматов, таких,как движущиеся фигуры и поющие птицы,—прямо древнегреческий «Диснейленд». Интересно, что эти замечательные игрушкиоставались единственным реальным применением пневматики.
Примерно в 1500 г. Леонардо да Винчи построил дляЛюдовика XII механического льва, который при въезде короля в Миланвыдвигался, раздирал когтями грудь и показывал герб Франции. Такие постоянноусложняющиеся механические автоматы оставались модными и на протяжениипоследующих четырех столетий. Но слово «робот» вошло в английский язык лишь вначале двадцатого века после того, как появилась пьеса Карела Чапека «.R U. R.» (Россумские универсальные роботы). В пьесе «роботы»выращивались биологическим путем, и их нельзя было отличить от людей, разве чтотолько по отсутствию эмоций. Сам термин был образован от чешского слова “работа”,означающего принудительный
труд,и от слова «работник», означающего раб. Хотя эти создания в пьесе получили бысегодня скорее название «андроиды», чем«роботы» (которые, как теперь считается, должны быть механическими),неправильное употребление этого слова стало повсеместным.
Слово «роботикс»(робототехника) придумано мастером научной фантастики писателем Айзиком Азимовым. В рассказе «Скиталец», появившемсяв марте 1942 г. в сборнике «Поразительная научная фантастика», А.Азимов впервые выдвинул три знаменитых закона робототехники.
1.Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием позволитьпричинить вред человеку.
2.Робот должен исполнять приказы, отданные человеком, за исключением тех случаев,когда эти приказы нарушили бы первый закон:
3.Робот должен защищать себя, если это не нарушает первогоили второго законов.
Хотя А. Азимов в то время и не осознавал, но именнотогда впервые появилось в печати слово «робототехника». Джо Энгельбергер, основатель фирмы «Юни-мейшн», считающийся отцом современнойпромышленной робототехники, отметил, что три закона А. Азимова до сегодняшнегодня остаются теми стандартами, которым припроектировании должны следовать специалисты по робототехнике.
Что такое робот»
До настоящего времени не выработано единой концепцииотносительно того, из чего же состоит робот. Даже в отношении сравнительнонедавно появившегося понятия «промышленный робот» нет международного соглашенияо его определениях—границы термина устанавливаются весьма произвольно.Например, в Японии роботом называется устройство, действующее по принципувзять-положить, т. е. простая механическаярука, движения которой ограничены механическими упорами. Однако на Западеподобное устройство, не обладающее гибкостью (если кто-нибудь не передвинетупоры), считается особым видом жесткого автомата, а не роботом.
Итак, когда же мы имеем дело с робототехнической системой, акогда просто с традиционной формой автоматики?
Например,поставлена задача: отрезать кусок от большого металлического листа. Рассмотримкак саму операцию резания, так и манипулирование с листом. Варианты решенияэтой задачи в соответствии с уровнем сложности используемых технических средствможно представить в такой последовательности.
1.Человек вручную сгибает лист вперед-назад, пока не отломится кусокметаллического листа.
2. Лист разрезается с помощью ручного инструмента.
3.Лист разрезается с помощью инструмента с каким-либо силовым приводом.
4.Лист разрезается на специальном оборудовании под управлением человека.
5.Режущий станок автоматически выполняет заданную последовательность резки,которую нельзя изменить; загрузку листа осуществляет человек либо поточная линия.
6.Устройство типа «взять-положить» берет лист из единственного фиксированногоположения и загружает в станок, который затем отрезает лист в заданной последовательности. Положение листа для захватаи последовательность операций резки могут быть изменены путем механическойпереналадки станка.
7.Простой робот с позиционной системой управления забирает лист из произвольногоположения и загружает его в станок, который вырезает один из несколькихвозможных профилей и конфигураций (возможных в зависимости от того, откударобот берет лист).
8.Робот с контурным управлением по сплошной траектории мягко берет один из многихлистов и с управляемым ускорением загружает его в станок, который вырезает одиниз многих сложных профилей.
9.Вся робототехническая система является частьюзначительно большей системы, управляемой компьютером. Виды профилей могутизменяться в зависимости от номенклатуры производимых изделий.
10.Вся робототехническая система использует значительный объем визуальной итактильной информации, например, для поиска листа.
Уровни с первого по шестой считаются (на Западе) жесткой (или специализированной)автоматизацией, хотя ясно, что на шестом уровне уже достигается значительнаягибкость. Седьмой уровень представляет собой простейшую робототехническую систему, поскольку возможность изменениязапрограммированных движений манипулятора позволяет классифицировать его какробот. Далее, металлорежущий станок может быть снабжен устройством числовогопрограммного управления (ЧПУ). Такой автоматический станок управляется мини- или микрокомпьютером с использованиемпредварительно записанной последовательности операций механической обработкидеталей. Однако, хотя его и можно перепрограммировать, станок с ЧПУ нельзяотнести к роботам, поскольку он может, например, только резать металл.Устройства уровней 9 и 10 уже находят ограниченное применение на заводах,однако их широкое распространение сдерживается необходимостью решения рядапроблем.
Сейчас приняты различные определения роботов. Какправило, роботами называют механизмы, которые целиком или частично имитируютчеловека—внешность, действия, иногда то и другое. Что жекасается определений промышленного робота, то они различаются по степениобщности. Например, Японская ассоциация промышленных роботов подразделяетроботы по уровню сложности на шесть классов: ручные манипуляторы; устройстватипа «взять-положить»; программируемые манипуляторы; роботы, обучаемые вручную;роботы, управляемые на языке программирования; роботы, способные реагировать наокружающую среду.
В Европе и США термин «промышленный робот» не включаетпервые два класса японской трактовки. Британская ассоциация по робототехнике(БАР) определяет робот как «перепрограммируемое устройство, предназначенное дляманипулирования и транспортировки деталей, инструментов или специализированнойтехнологической оснастки посредством вариабельныхпрограммируемых движений по выполнению конкретных производственных задач».Определение, используемое Американским институтом по робототехнике, в основном схоже с трактовкой БАР ихарактеризует робот как «перепрограммируемый многофункциональный манипулятор, предназначенный для перемещения материалов, деталей, инструментовили других специальных устройств посредством программируемых движений длявыполнения разнообразных задач».
Таким образом, термином «робот», как он трактуется наЗападе, не охватываются такие устройства, как дистанционно управляемыеманипуляторы (телеоператоры), искусственные конечности,основанные На принципах бионики, или протезы,поскольку эти устройства управляютсячеловеком, хотя они и основаны на той же технологии, что и роботы. Отнесениеяпонцами к роботам устройств типа «взять-положить» и ручных манипуляторовсерьезно затрудняет сравнение статистикипроизводства и использование роботов в Японии, Западной Европе и США. Однакодля того чтобы преодолеть эту путаницу, японцы предложи-
литермин мехатроника, делающийакцент на взаимосвязи механики и электроники как главной особенности всех видовэтой техники.
Рука роботаВполне вероятно, что в один прекрасный день мобильныероботы получат широкое распространение, но в настоящее время уровень развития,которого достигли промышленные роботы, лучше всего характеризуется понятием«механическая рука», прикрепленная к полу,стене, потолку или к машине, снабженная специальным рабочим органом, которымможет быть захват или какой-нибудь инструмент, например сварочный илипокрасочный пистолет. Рука приводится в движение гидравлическим, электрическим,а иногда и пневматическим приводом в заранее запрограммированнойпоследовательности движений под управлением контроллера (управляющего устройства), который, как правило, основан намикропроцессоре и способен определять положение руки благодаря устройствамобратной связи в каждом узле.
Роботов обычно программируют операторы, передвигая руку в нужной последовательности либопутем воспроизведения этой последовательности с помощью устройствадистанционного управления. Некоторые сложные роботы могут программироватьсянепосредственно голосом, отдачей приказаний передвинуться на заданноерасстояние и в заданном направлении. Новейшие образцы роботов оснащенысенсорной обратной связью и способны реагировать на происходящее внепосредственной близости от них. Для увеличения протяженности рабочегопространства, в котором может действовать рука, роботы устанавливают нанаправляющие или рамы и тем самым сообщают им ограниченную подвижность.Диапазон размеров весьма велик— от миниатюрных сборочных роботов,способных маневрировать в пространстве объемом около десяти кубических сантиметров,до роботов, созданных фирмой «Ламбертон Ро-ботикс» в Шотландии, которые могут перемещатьпоковки массой до 1,5т. впространстве объемом в несколько кубических метров.
Тем не менее огромное большинство промышленных роботовможно уподобить человеку, который слеп, глух, нем, однорук, со связанными изалитыми бетоном ногами. Но несмотря на эти«невероятные увечья» робота уже внеславыдающийся вклад в производство. Однако этостало возможным только благодаря что среда, в которой она работает, вплоть донашего времени специально «строилась» для нееи не является идентичной среде, в которойчеловек выполнял ту же работу.
Классификация роботовКроме классификации роботов по конфигурации рукишироко используются и другие классификационные принципы.
Роботы с жесткой и изменяемой последовательностьюперемещений. Устройства такого типа, действующие по принципу «взять-положить»,хотя, строго говоря, не относятся к роботам, тем не менее часто называютсяроботами с жесткой последовательностью перемещений. Ход в каждом направлениидвижения по оси определен установкой механических жестких упоров, а датчики,как правило, представлены конечными выключателями, которые могут восприниматьтолько конечные точки, а не промежуточные. Такие устройства нельзяперепрограммировать на выполнение новой задачи. Они должны быть зановопереналажены и отлажены, как традиционные автоматические механизмы.
Роботы с изменяемой последовательностью перемещений могут выполнять различные задачи илипоследовательности операций по новой программе. Однако в настоящее времясозданы устройства типа «взять-положить», которые включают различные жесткиеупоры по соответствующей программе. Например, у робота «МХУ Сеньер» фирмы «АСЕА»установлены на каждой оси семь упоров, каждый из которых может управляться посвоей программе, что позволяет выполнять сложные последовательности. Крометого, конечно, в промышленности всегда существует соблазн относить к роботамлюбые манипуляционные устройства типа«взять-положить».
. Роботы соследящей системой и без нее. Роботы сизменяемой последовательностью перемещений должны обладать способностьюостанавливать отдельный узел руки в любой точке траектории. Существуют дваподхода к решению этой задачи. При простейшемтехническом решении контроллер просто посылает энергию к узлу, как толькополучен сигнал, что руке требуется занятьнужную позицию. При использовании некоторых специальных электрических моторов(шаговых двигателей и т. д.). такой подход приемлем, но в целом управление соткрытым контуром без обратной связи относительноинформации о действительном положении того илииного узла весьма неточно — рука робота может где-нибудь застрять и совсемперестать двигаться. Поэтому во всех роботах, кроме учебных, используют другоерешение задачи, которое предполагает размещение на каждом узле сервомеханизма,эффективно контролирующего фактическое положение узла и положение, котороеконтроллер «хочет», чтобы узел занял, а затем перемещающего руку до тех пор,пока положения не совпадают. Роботы, использующие управление с замкнутым контуром, называются роботами со следящейсистемой или просто сервороботами.
Роботы с позиционными и контурными системами (действующие от точки к точке и по сплошнойтраектории управления). Два типа контроллеров, используемых в промышленныхроботах, обладают следующей особенностью. У многих роботов первых поколенийкомпьютерной памяти хватало для запоминания лишь дискретных точек впространстве, по которым должна двигаться рука. Траектория движения руки междуэтими точками не задавалась, и ее нередко трудно было предсказать. Такие роботыс позиционным управлением еще широко распространены и вполне пригодны для такихработ, например, как точечная сварка. С уменьшением стоимости запоминающихустройств появилась возможность увеличить число запоминаемых точек. Многиеизготовители используют термин многоточечное управление, если в компьютернойпамяти можно хранить очень большое число дискретных точек.
Длянекоторых видов работ (покраска распылением и дуговая сварка) необходимо, чтобырука робота, следуя по траектории, управлялась непрерывно. Такие роботы сконтурным управлением в действительности разбивают сплошную траекторию набольшое число отдельных близко расположенных друг от друга точек. Положенияточек записывают во время программирования или вычисляют при фактическомдвижении путем интерполяции, например между двумя точками для образованияпрямой линии. Эти роботы можно рассматривать как естественное развитие систем спозиционным управлением. Фактически существует«серая зона», в которой системы многоточечного управления могутаппроксимировать сплошную траекторию системы, если рука робота неостанавливается в каждой дискретной точке, а плавно проходит через них.
Роботы первого, второго, третьего поколений. К роботам первого поколения обычно относят «глухие,немые и слепые роботы», которые нашли широкое распространение на предприятиях.Роботы второго поколения, которые совсем недавно появились в лабораториях,сейчас можно встретить и на заводах. Роботы второго поколения очень похожи нароботы первого поколения. Используют различную сенсорную информацию обокружающей среде, чтобы корректировать свое поведение при выполнениипроизводственной операции (что соответствует наиболее сложному, шестому классув упомянутой ранее японской классификации роботов). Сенсорные системы включаютустройства технического зрения и тактильные датчики, обеспечивающие «ощущениекасания».
Некоторые роботы второго поколения называют интеллектными роботами. Но этот термин следовало быотнести к роботам третьего поколения, которых нет еще даже в лабораториях.Сейчас только начались исследования по созданию роботов, наделенных «здравымсмыслом». Тем не менее такие исследования действительно приведут к созданию такназываемых интеллектных роботов, которые будутнаделены «чувствами» и способностью распознавать объекты внешнего мира и, таким; образом, в перспективе станут в какой-то степениобладать способностью действовать самостоятельно.
Несмотря на все многообразие классификационныхпризнаков, существуют «серые зоны». Например, один простой датчик еще не делаетустройство роботом второго поколения. Необходимо, чтобы датчик значительновлиял на действия робота. Но что значит «значительно»? Более того, дажепринятые определения отличаются друг от друга. Некоторые специалисты относят кпервому поколению роботов устройства типа «взять-положить», так что все прочиетипы робототехнических устройств оказываютсяпередвинутыми на одно поколение «вверх».
Вполне возможно, что в конечном итоге только роботов второго поколения можно будет считать настоящимироботами, относя первое поколение к программируемым устройствам, обычным манипуляторам и т. п.
Что могут делать современные роботыПрименениесовременных промышленных роботов увеличиваетпроизводительность оборудования и выпуск продукции, улучшает качествопродукции, заменяет человека на монотонных и тяжелых работах, помогаетэкономить материалы и энергию. Кроме того, они обладают достаточной гибкостью,чтобы использовать их при выпуске продукции средними и малыми партиями, т. е. в той области, где традиционные средстваавтоматизации неприменимы. Мелкосерийная продукция имеет большой рынок. Исследования показывают, что подавляющее большинстводеталей, закупаемых даже военными организациями, были выпущены партиями менее 100штук, а в Великобритании согласно проведенным оценкам примерно 75 %всех металлических деталей выпускалось партиями менее 50штук.
Роботы еще необладают многими важнейшими качествами, присущими человеку, например неспособны к разумному реагированию нанепредвиденную обстановку и изменение рабочейсреды, к самообучению на основе собственного опыта, использованию тонкойкоординации системы «рука — глаз». Роботы с захватами или подобные им применяютсядля выполнения манипуляционных операций,например при удалении заусенцев, литье, очистке слитков, ковке, термообработке,точном литье, обслуживании станков на погрузке-разгрузке, формовке, упаковке,размещении деталей в палеты и складировании.
Руки роботов вместо захватов могут оснащатьсяразличными инструментами для выполнения работ, начиная с покраски распылением,нанесения клеевых и изоляционных покрытий и кончая сверлением, зенкованием, закручиванием гаек, шлифовкой,пескоструйной очисткой. Кроме того, роботы можно использовать для точечной идуговой сварки, тепловой обработки и резания с помощью пламени или лазера, атакже при очищении с помощью водяных струй. Следуетотметить, что первоначальные иллюзии о возможности создать универсальный робот,способный выполнить почти любую работу — от сборки до точечной сварки,теперь в значительной степени развеяны. В настоящее время роботы приобретаютспециализацию, становясь покрасочными роботами, сварочными роботами, сборочнымироботами и т. д.
Наконец, в отношении потенциальной замены рабочих«стальными воротничками» следует помнить, что робот может заменить только того,кто «работает, как робот». Однако недалеко то время, когда роботы смогутзаменить людей не только на утомительной, повторяющейся или тяжелой работе, нои на работах, которые, как считалось раньше, требуют сноровки, приобретаемой сопытом. Поэтому вполне понятно, что у многихраспространение роботов вызывает беспокойство в связи с возможным ростомбезработицы .
С появлениемсложных робототехнических устройств нельзяболее утверждать, что роботы просто заменят людей на непривлекательныхработах, однако человечеству грозитдеградация, если оно, опасаясь безработицы,будет продолжать
Список используемой литературы :
Книга В.И.Захарова и М.П. Васильева “Промышленные роботы”
www.ronl.ru
Министерство образования и науки Украины
ДонГТУ
Кафедра АЭМС
Реферат
на тему: «Роботы»
Выполнил ст. гр. ЭМС-05-2
Бабичев С.А.
Проверил
Закутный А.С.
Алчевск 2008
СОДЕРЖАНИЕ
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ
3. РОБОТ CKBOT
4. РОБОТЫ AQUAJELLY И AIRJELLY
5. РОБОТ TETWALKER
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Робот(от чешск.robota) — автоматическое устройство с антропоморфным действием, которое частично или полностью заменяет человека при выполнении работ в опасных для жизни условиях или при относительной недоступности объекта.
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, а также в других тяжёлых или небезопасных для человека условиях.
Промышленный робот— автономное устройство, состоящее из механического манипулятора и перепрограммируемой системы управления, которое применяется для перемещения объектов в пространстве в различных производственных процессах.
Промышленные роботы являются важными компонентами автоматизированных гибких производственных систем (ГПС), которые позволяют увеличить производительность труда.
Одним из первых примеров удачной массовой промышленной реализации бытовых роботов стала механическая собачка AIBO корпорации Sony.
В сентябре 2005 в свободную продажу впервые поступили первые человекообразные роботы «Вакамару» производства фирмы Mitsubishi. Робот стоимостью $15 тыс. способен узнавать лица, понимать некоторые фразы, давать справки, выполнять некоторые секретарские функции, следить за помещением.
Всё большую популярность набирают роботы-уборщики, по своей сути - автоматические пылесосы, способные самостоятельно прибраться в квартире и вернуться на место для подзарядки без участия человека.
Изобретатель Пит Редмонд (Pete Redmond) создал робота RuBot II, который может собрать кубик Рубика за 35 секунд.
Существует также направление моделизма, которое подразумевает создание роботов. Сейчас моделисты делают как радиоуправляемых роботов, так и автономных. Проводятся соревнование по нескольким основным направлениям. Среди соревнований автономных роботов стоит упомянуть бег на скорость по белой линии, борьбу сумо, робо-футбол.
· Aibo
· ASIMO
· i-SOBOT
· REEM-B
· SCORBOT-ER 4u
· STAIR
· Twendy-One
· Wakamaru
2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ
Появление станков с числовым программным управлением (ЧПУ) привело к созданию программируемых манипуляторов для разнообразных 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. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Ее название «Unimation» (Юнимейшн) является сокращением термина «Universal Automation»(универсальная автоматика).
В 1962 году в США были созданы первые промышленные роботы «Юнимейт» и «Версатран». Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку. Некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса.
«Юнимейт» имел 5 степеней подвижности с гидроприводом и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. Перемещение объектов массой до 12 кг осуществлялось с точностью 1,25 мм. В качестве системы управления использовался программоноситель в виде кулачкового барабана с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд управления, и кодовые датчики 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 технологические роботы, выполняющие такие операции как высокоскоростные резание, окраска, сварка. 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. Этому способствовали объективные предпосылки развития промышленного производства.
В составе робота есть механическая часть и система управления этой механической частью, которая в свою очередь получает сигналы от сенсорной части. Механическая часть робота делится на манипуляционную систему и систему передвижения.
Манипулятор — это механизм для управления пространственным положением орудий и объектов труда.
Манипуляторы включают в себя подвижные звенья двух типов:
· звенья, обеспечивающие поступательные движения
· звенья, обеспечивающие угловые перемещения
Сочетание и взаимное расположение звеньев определяет степень подвижности, а также область действия манипуляционной системы робота.
Для обеспечения движения в звеньях могут использоваться электрические, гидравлический или пневматический привод.
Частью манипуляторов (хотя и необязательной) являются захватные устройства. Наиболее универсальные захватные устройства аналогичны руке человека — захват осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской. Для захвата же множества однотипных деталей (что обычно и происходит при применении роботов в промышленности) применяют специализированные конструкции.
Вместо захватных устройств манипулятор может быть оснащен рабочим инструментом. Это может быть пульверизатор, сварочная головка, отвёртка и т. д.
Для перемещения по наклонным, вертикальным плоскостям используются системы аналогичные «шагающим» конструкциям, но с пневматическими присосками.
Управление бывает нескольких типов:
1.Программное управление— самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются. Для программирования таких роботов могут применяться среды программирования типа VxWorks/Eclipse или языки программирования например Forth, Оберон, Компонентный Паскаль, Си. В качестве аппаратного обеспечения обычно используются промышленные компьютеры в мобильном исполнении PC/104 реже MicroPC. Может происходить с помощью ПК или программируемого логического контроллера.
2.Адаптивное управление— роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д.
3. Основанное на методах искусственного интеллекта.
4. Управление человеком (например, дистанционное управление).
Современные роботы функционируют на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом.
Иерархия системы управления роботом подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим поведением робота, расчётом необходимой траектории движения манипулятора, поведением отдельных его приводов, и слои, непосредственно осуществляющие управление двигателями приводов.
Подчинённое управление служит для построения системы управления приводом. Если необходимо построить систему управления приводом по положению (например, по углу поворота звена манипулятора), то система управления замыкается обратной связью по положению, а внутри системы управления по положению функционирует система управления по скорости со своей обратной связью по скорости, внутри которой существует контур управления по току со своей обратной связью.
Современный робот оснащён не только обратными связями по положению, скорости и ускорениям звеньев. При захвате деталей робот должен знать, удачно ли он захватил деталь. Если деталь хрупкая или её поверхность имеет высокую степень чистоты, строятся сложные системы с обратной связью по усилию, позволяющие роботу схватывать деталь, не повреждая её поверхность и не разрушая её.
Управление роботом может осуществляться как человеком-оператором, так и системой управления промышленным предприятием (ERP-системой), согласующими действия робота с готовностью заготовок и станков с числовым программным управлением к выполнению технологических операций.
Среди самых распространённых действий, совершаемых промышленными роботами можно назвать следующие:
· перемещение деталей и заготовок от станка к станку или от станка к системам сменных палет;
· сварка швов и точечная сварка;
· покраска;
· выполнение операций резанья с движением инструмента по сложной траектории.
Промышленный робот является устройством, производящим некие манипулятивные функции, схожие с функциями руки человека.
· достаточно быстрая окупаемость
· исключение влияния человеческого фактора на конвейерных производствах, а также при проведении монотонных работ, требующих высокой точности;
· повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества;
· возможность использования технологического оборудования в три смены, 365 дней в году;
· рациональность использования производственных помещений;
· исключение воздействия вредных факторов на персонал на производствах с повышенной опасностью;
3. РОБОТCKBOT
Если этого робота ударить ногой, он рассыплется на три части. Далее эти части оживут и, ползая как гусеницы, начнут сближаться. Через весьма приличное время трём кускам бота наконец удаётся состыковаться, после чего тот встаёт на ноги, готовый к дальнейшей работе
На выставке Wired NextFest 2008, прошедшей в конце сентября – начале октября в Чикаго, был показан забавный робот ckBot, которого можно было бы принять за художественный проект с техническим уклоном. Но он –часть серьёзной работы, чьи плоды однажды могут пригодиться сразу в нескольких прикладных областях.
Любопытно, что все три части робота идентичны (каждая построена из пяти блоков, обладающих моторизованным сочленением, допускающим поворот деталей на 180 градусов). Это не мешает им в нужный момент определиться, какие из них станут ногами, а какая — туловищем.
Американские инженеры назвали это умение "Самосборка после взрыва" (Self-reassembly After Explosion), впрочем, уточняя, что "взрыв" – это просто некое сильное воздействие, не важно, какой природы.
Построил эту машину Марк Йим (Mark Yim), адъюнкт-профессор инженерии в университете Пенсильвании (University of Pennsylvania) и его коллеги из лаборатории модульных роботов (Modular Robotics Lab).
Как вы уже, наверное, догадались, каждый модуль ckBot обладает своими "мозгами", батарейкой, электромоторчиками и системами связи.
Добавим лишь, что между собой части робота стыкуются при помощи магнитов, а ищут они друг друга благодаря встроенным цифровым камерам и мигающим светодиодным маякам. Кроме того, у каждой части есть акселерометр для "чувства равновесия" как при самостоятельном движении, так и в составе полного робота.
Легко представить, что оснащённый различными датчиками самособирающийся робот пригодится как военным (для разведки, например), так и учёным (изучение планет), или ремонтникам (проникновение в труднодоступные части больших установок).
Что может при этом робота "раскидать" — не вполне понятно. Да и неважно. Главное — рассыпавшись, бот может вернуть себе первоначальный вид. Правда, в нынешнем варианте дроида рановато выпускать на настоящее поле боя, пусть сперва набьёт шишек (смотрите видео до конца).
Логично спросить: "К чему такие сложности?" Дело в том, что, по общему замыслу проекта, ckBot и ему подобные машины должны собираться из куда большего количества модулей. При этом фигура, которую они образуют, зависит только от выбранной программы, а таковых внутри модулей может быть запасено немало. Хотите — получите "змею", желаете — "кошку" или "собаку".
Помните змейку Рубика (Rubik's Snake)? Тот же принцип, только всё крутится само. Так что новый бот мог бы стать классной игрушкой. Но Марк видит для него другое поле деятельности.
Непрерывно трансформируемый робот ("самореконфигурируемый" по определению создателей) пригодится там, где нужно проявлять гибкость в зависимости от ситуации. Скажем, в узкую щель может проползти "змея", какую-то механическую работу лучше поручить андроиду, а на большое расстояние путь катится "колесо".
Да, цепочка блоков ckBot может замкнуться и, меняя форму получившегося обода, катиться со скоростью до 1,6 метра в секунду. Это самый быстрый способ передвижения для ckBot, установили американские исследователи.
СkBot напомнил нам о целом ряде его идеологических предшественников. Вспомним, к примеру, робота из университета Корнелла (Cornell University).
Этот аппарат мог не просто собираться из абсолютно идентичных кусочков, но и строить свои копии. Правда, бот тот стоял на месте, а очередные детальки для сборки его собрата ему надо было класть в строго определённое место.
Получается, что группа под руководством Йима сумела "освободить" такого самосборщика, придав ему и его блокам не только способность к перемещению, но и умение находить друг друга. Осталось только научиться делать такие блоки всё более "умными" и мощными, и вперёд — отпускайте фантазию на волю.
4. РОБОТЫAQUAJELLY И AIRJELLY
Природа не устает удивлять нас красотой своих «технологических» решений – а мы не устаем удивляться. Немудрено, что она то и дело вдохновляет дизайнеров и инженеров на то, чтобы, по возможности, не изобретать все с нуля, а воспользоваться ее дарами. Так поступили и разработчики «роботов-медуз», покоряющих воду и воздух с фантастической красотой и грацией.
Таким путем пошли и разработчики компании Festo, создатели интереснейших роботов – AquaJelly и AirJelly, обратившие свое внимание на древнейших представителей фауны, медуз. Разумеется, к этому приложены самые современные технологии, доступные человечеству.
AquaJelly, по сути, представляет собой искусственную медузу, которую приводит в движение электромотор и адаптивная механическая система. Она состоит из полупрозрачной полусферы и восьми щупалец, а центр ее занимает водонепроницаемая емкость, в которой укрыт и двигатель, и пара Li-Ion батарей, и сервоприводы.
По структуре своей каждое щупальце повторяет анатомию рыбьих плавников: оно «колышется» под влиянием перистальтических сил в заполняющих ее «сосудах», и совершает волнообразные движения. Движение же самой AquaJelly в трехмерном пространстве обеспечивает контролируемое перемещение центра ее тяжести. «Медуза» самостоятельно следить за состоянием своих аккумуляторов и поддерживает связь с зарядным устройством, при необходимости подзаряжаясь.
Связь поддерживается и с другими AquaJelly в пределах доступности. Находясь на поверхности воды, робот использует для коммуникации экономную радиосвязь – но основной способ связи под водой – это свет. Одиннадцать инфракрасных излучателей позволяют «медузам» взаимодействовать на расстояниях до 0,8 м. Это, конечно, не слишком далеко, но все же не позволяет медузам сталкиваться друг с другом.
В «нагрузку» к сенсорам, отслеживающим состояние окружающей водной среды, AquaJelly несет набор датчиков, следящих за ее внутренним состоянием, а чувствительный манометр позволяет роботу «осознавать» глубину своего погружения с точностью до нескольких миллиметров.
Но еще более интересна другая разработка инженеров из Festo – «воздушная медуза» AirJelly. Если AquaJelly чувствует себя в воде, как рыба, то AirJelly покоряет воздушную среду, используя похожие схемы. Конечно, для целей полета этот робот использует свой особый «пузырь», который заполняется легким гелием. В остальном он устроен примерно так же – хотя, на наш взгляд, впечатляет еще больше своего водного собрата.
5. РОБОТTETWALKER
TETwalker – это пирамида из шести стержней, соединённых узлами.
В каждом узле находится электроника и электродвигатели, способные в широких пределах менять длину стержней.
Потому правильным тетраэдром данный робот является только находясь в покое. Зато когда робот хочет попутешествовать, он меняет свою форму, так, что центр тяжести выносится за предел опоры.
Тут же следует опрокидывание на бок. Но поскольку все стороны машины совершенно равнозначны – никакого "падения" нет – так робот и двигается.
Каждый узел в вершине пирамиды может нести камеры и сенсоры, так что перед нами работающий прототип робота для исследования других планет.
Его авторы считают, что подобный способ передвижения выгоден, так как этот робот принципиально не может опрокинуться на склоне.
Даже если он скатится в кратер, то спокойно продолжит работу. А если стенки не слишком крутые – сможет и подняться наверх. Надо ли говорить, что обычный марсоход (с колёсами), если перевернётся на камне, то тут же и заканчивает своё "выступление".
Однако, полагают создатели TETwalker, куда интереснее будет, когда нанотехнологии и микромеханика позволят уменьшить размеры такого тетраэдра в десятки, а может и в сотни раз.
Все технологические предпосылки к такому радикальному сокращению уже есть или намечаются в ближайшей перспективе.
И если каждый узел такого робота дополнить стыковочным механизмом – мириады подобных машин смогут формировать ту самую "живую амёбу", меняющую форму в зависимости от условий, а также заживляющую пробоины.
Она же сможет автоматически собираться в радиотелескоп или круглый планетоход типа "перекати-поле".
Миниатюрные и сравнительно простые процессоры таких модулей смогут объединяться в единый компьютер, возможно, похожий на нейронную сеть.
"Мы не жили бы долго, если бы наши тела работали, как современные космические корабли, — рассказал глава проекта доктор Стивен Кёртис (Steven Curtis). – Когда у нас возникает травма, новые клетки заменяют повреждённые. Подобным образом неповреждённые единицы роя объединятся, продолжая выполнение миссии, несмотря на обширное повреждение".
Да, авторы проекта предлагают называть такие корабли-роботы роями, хотя, учитывая, что его элементы будут соединены между собой, больше подошло бы определение многоклеточный организм.
Как бы то ни было, нынешний треугольный робот – наглядный пример, как может работать одна клетка такого робота-роя.
Он не только ходил (если можно применить к нему такое слово) по полу лаборатории в центре Годдарда, но уже успел побывать на испытаниях в Антарктиде.
В январе 2005 года машина оказалась на научной станции Макмердо (McMurdo), где условия во многом напоминают Марс.
Тест показал, что некоторые изменения улучшат работу робота. Например, размещение двигателей в середине распорок, а не в узлах, упростит конструкцию узлов и увеличит их надёжность.
Когда этот проект будет трансформироваться к микро— и наномасштабам, то телескопические стержни можно будет заменить на свёртывающиеся металлические ленточки или углеродные нанотрубки, что позволит "клеткам" будущей единой машины сжиматься почти до соприкосновения узлов, а значит, можно будет отправить на орбиту в одном запуске большее их количество.
Также в рамках данного проекта специалисты развивают новое программное обеспечение, позволяющее треугольникам собираться в "разумные" (до некоторой степени) машины.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Робот
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Промышленный Робот
3. http://www.prorobot.ru/
4. http://www.membrana.ru/articles/technic/2008/10/20/192500.html
5. http://www.popularmechanics.ru/part/?articleid=4182&rubricid=4
6. http://www.membrana.ru/articles/technic/2005/03/30/203400.html
superbotanik.net
Реферат по дисциплине «Мобильные роботы»
Выполнил студент Бобров С.В.
Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики
Кафедра Информационные Системы
Москва 2005
Введение
Создание промышленных роботов-манипуляторов, способных заменить человека на многих участках современного производства, а также автоматических систем, которые могут быть использованы в условиях, опасных для человека, является актуальной научной и технической проблемой. Одним из важных классов роботов являются шагающие роботы, предназначенные для перемещения по труднопроходимой местности.
Хотя колесные транспортные средства в настоящее время явно преобладают, известно, что при ходьбе по неподготовленной поверхности существенные преимущества имеют шагающие системы передвижения. Шагающий аппарат при движении использует для опоры лишь некоторые точки на поверхности в отличие от колесных и гусеничных машин, имеющих непрерывную колею. Кроме того, шагающий аппарат существенно меньше повреждает почвенный покров, что может оказаться важным для некоторых районов.
Однако указанные преимущества шагающего аппарата определяют его высокую сложность. Большое число управляемых степеней свободы аппарата требует сложной компоновки, разработки высокоэффективных приводов, специальной организации стоп, рассеивающих энергию удара, и т.д. Система управления должна обеспечить переработку информации о местности, принятие решений о характере движения, контроль за их реализацией. Именно создание системы управления аппаратом – центральная проблема шагающего робота, так как опыт создания даже самых сложных систем автоматического управления невозможно непосредственно использовать для построения системы управления шагающим роботом.
Композиционная концепция и биологический подход в построении роботов
Анализируя существующие виды движителей, можно заметить, что нет ничего более совершенного, чем природные системы. Их адаптивная способность потрясает. Если касаться только шагающих систем, то видно, что их мобильность значительно выше, чем у созданных человеком транспортных средств.
Человек, совершенствуя природу на базе создания комбинированных шагающих механизмов с другими типами движителей, способен создать более производительные и высоко адаптивные транспортно-технологические машины.
Природа не создала колеса просто потому, что система рычагов более приспособлена для передвижения по естественному грунту. Этому способствуют свойства опорно-двигательного аппарата шагающего движителя: дискретность колеи и наличие нерабочего пространства ног. Под дискретностью колеи понимают прерывистость контакта движителя, в данном случае с поверхностью передвижения. Под рабочим пространством ног понимается пространство, окружающее корпус, точки которого достижимы для опорного элемента шагающего движителя. Эти свойства шагающего движителя позволяют предполагать высокую опорную и профильную проходимость для искусственных шагающих средств передвижения. Кроме сильно пересеченной местности, для обычного транспорта непроходимой является и среда, приспособленная для обитания человека: здания с узкими проходами, резкими поворотами, лестничными маршами.
Слепое копирование природных объектов без глубокого изучения их поведения, как правило, не позволяло создать работоспособные конструкции, которые можно было бы использовать в практике: например, лесная машина фирма “Табержек”, робот лаборатории транспортных систем АН СССР. Эти машины не оправдали надежды конструкторов и не показали динамических качеств, характерных для насекомых.
В этом ключе интересно рассмотреть композиционную концепцию построения шагающих роботов, т.к. эта концепция сходна с физиологическими моделями управления движением в живых организмах. Сходство это основано на исследованиях российских ученых, проводимых в Институте проблем передачи информации. Поэтому, можно полагать, что композиционная концепция является биологическим подходом в робототехнике.
В соответствии с этой концепцией низший уровень управления локомоционным процессом может быть представлен как результат коллективной работы независимых замкнутых систем автоматического регулирования (регуляторов). Какие-либо связи между отдельными регуляторами (горизонтальные связи) отсутствуют. Иными словами, шагающий робот как единый автомат может быть представлен композицией некоторого количества элементарных независимо функционирующих автоматов, а локомоционный процесс результатом совместного действия этих автоматов. Каждый автомат решает свою собственную задачу и таким путем вносит свой вклад в формирование локомоционного процесса.
Каждый элементарный автомат представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования и управляет только одним суставом. В то же время отдельный сустав в различных фазах цикла движения ноги может управляться несколькими различными регуляторами. Одноименные суставы всех ног управляют одним из параметров походки, например, таким как длина шага, высота тела робота относительно опорной поверхности или же скорость передвижения робота. Управление всеми суставами робота осуществляется параллельно, что обеспечивает высокий уровень распределенности системы управления.
Влияние на отдельный автомат действий остальных автоматов представляется как возмущающее воздействие внешней среды. Цель автомата как регулятора состоит в компенсации этих возмущений. Выходной сигнал сенсорной системы, который используется в цепи обратной связи регулятора, содержит в себе также и информацию о действиях других автоматов, так что отдельный автомат воспринимает действия других автоматов посредством сенсорной системы, а не путем каких-либо каналов связи между регуляторами. В этом случае внешняя среда отдельного автомата состоит из остальных автоматов и внешней среды робота в целом.
Желаемые параметры походки робота задаются более высоким уровнем системы управления и остаются постоянными в процессе ритмичной ходьбы. Такой подход к проблеме шагающих роботов существенно упрощает управление локомоционным процессом и делает его более наглядным.
Реализация предлагаемого подхода для построения шагающих роботов может быть достигнута путем решения проблемы сенсорных систем для автоматов. Эта проблема была решена путем применения наборов датчиков, объединенных в сенсорную систему, способную измерять каждый параметр походки.
Исследование кинематики биологических механизмов
Человечество всегда в проектировании стремилось к созданию себе-подобного механизма – прямоходящего, но бипедализм людей значительно сложнее в локомоционном плане, чем шести- или четвероногость и требует развития более сильного вестибулярного аппарата и очень серьезных систему управления на его основе, поэтому наибольшее распространение получили «многоногие» роботы. Поскольку биологический подход к разработкам наиболее сложный (требуется всестороннее изучения биологических механизмов), но в то же время и наиболее простой (не нужно изобретать велосипед – все уже давно придумано природой) было проведено изучение передвижения насекомых.
В качестве объекта исследований выбран рыжий таракан (пруссак). Тараканы (Blattodea) — один из наиболее древних отрядов крылатых насекомых. Они появились в первой половине каменноугольного периода (около 300 млн лет назад), когда на Земле царил тёплый и влажный климат. В то время тараканы были самой многочисленной и разнообразной группой насекомых. Но “процветают” они и сейчас. Так что эти насекомые вдвое старше знаменитых динозавров и в отличие от них совсем не собираются вымирать. Его ноги – тот универсальный биологический объект изучения для создания шагающей машины.
Используя кинокамеру, можно проследить бег таракана, предварительно его засняв. Для этого таракана помещают в стеклянную пробирку и, закрепив ее, снимают бегающего таракана кинокамерой. После этого с кинокамеры все переписывается на компьютер, где с помощью компьютерной программы PINNACLE замедляется бег таракана и создается фильм “Тараканий бег”. Теперь можно проследить всю кинематику его бега. Работая в программе PINNACLE, создаются отдельные кадры бега таракана, с помощью которых прослеживается кинематика движения его ног при беге.
Исходя из полученных снимков, рассмотрим способ формирования походки рыжего таракана. Основным типом его походки является походка 3—3 (трешками).
В каждый момент своего движения таракан стоит на трех ногах: передней и задней левой и средней правой (или наоборот). Каждая пара ног выполняет различную функциональную нагрузку, и это отражается на их длине. Передняя пара ног наиболее короткая, цепляясь попеременно за неровности грунта, тянет тело вперед. Средняя и самая длинная — задняя пара конечностей при разгибании в коленном суставе толкают тело таракана вперед. Он идет так, что всегда опирается на три ноги, образующие опорный треугольник, внутри которого располагается центр тяжести его тела.
Если проследить движение задних ног таракана, то можно выявить интересную закономерность в движении бедра правой и левой ноги. На экране монитора четко видно, что при движении бедро правой и левой ноги таракана все время образует одну линию. Эту закономерность можно также использовать при проектировании движения шагающего робота.
Однако таракан не всегда использует походку трешками, в какие-то моменты он переходит на галоп, правда, на очень короткий момент.
Чаще всего он использует сильное отталкивание двумя задними ногами в первый момент движения для развития скорости, а затем переходит на обычную походку трешками. Использование этого шага для передвижения робота не вполне удобно, так как очень усложнится его управление, а если масса робота велика, то усилия для движения задних ног потребуются очень большие, что не вполне можно выполнить.
Для шагающего робота в процессе выноса ног должен осуществляться контроль высоты положения стоп над поверхностью. Если высота любой из стоп становится меньше допустимой, то производится подъем ноги до достижения нужной высоты, а затем продолжается вынос ног вперед. Конец движения определяется одним из следующих условий:
Во время вспомогательной фазы должно происходить восстановление горизонтального положения и заданной высоты платформы, а также смещение центра тяжести в зону равновесия;
Зона достаточной устойчивости может быть определена через разность усилий в максимально и минимально нагруженных опорах, которая не должна превышать допустимой величины. Введение центра тяжести шагающего устройства в зону допустимой устойчивости достигается путем задания горизонтального движения платформы, что задается блоком поддержания равновесия.
Исследование бега таракана позволило сделать следующие выводы. Непрерывная походка типа 3—3 образуется в результате слияния фаз прерывистой походки. Непрерывная походка экономичнее прерывистой и обеспечивает большую скорость перемещения при тех же динамических нагрузках, однако, она может использоваться только для перемещения по сравнительно ровной поверхности.
Для общей ориентации шагающей машины в пространстве необходимо применять комплекс управляющих алгоритмов, представляющих многоуровневую иерархическую систему.
Следует отметить, что кинематика шагающего робота позволяет существенно уменьшить возможность потери проходимости, будет более маневренной, сможет проходить по сильно пересеченной местности. Опорные элементы шагающего робота имеют значительно большую зону возможных контактов с поверхностью передвижения по сравнению с колесом или гусеницей.
Пример шагающего аппарата
В качестве достойного примера шагающей машины можно рассмотреть разработку Донецкого Национального Технического Университета – шагающий аппарат «Катарина».
Шагающий аппарат содержит корпус, снабженный шестью ногами. В центре корпуса расположен гироскопический датчик, сообщающий системе управления информацию об ориентации корпуса по отношению к вектору силы тяжести; в передней части укреплен оптический дальномер, доставляющий информацию о поверхности, по которой перемещается шагающий робот. Шестиугольный корпус служит как носитель (основа) для шести конечностей, а также для рабочей платформы. Внутри корпуса размещается микропроцессорная система управления и силовая часть.
Каждая конечность имеет три степени свободы, и приводится в действие с помощью двигателя с механизмом (передача, коробка передач, редуктор). В нижней части конечности находятся три датчика усилия для измерения реакции силы ноги.
Основные характеристики шагающего аппарата “Катарина”:
· высота корпуса – 10 см; · длина стороны – 17 см;
· общая масса – 21 кг; · размер конечности – 40,5 см;
· масса конечности – 2.8 кг; · масса корпуса с микропроцессором – 3,8 кг;
· скорость – около 0,4 км/ч; · полезная нагрузка – 5 кг;
· длина бедра – 13,4 см; · длина голени – 20,2 см;
· поверхность касания конечности – 28,3 см2.
Система управления шагающим аппаратом формирует и исполняет управляющие сигналы, обеспечивающие движение аппарата с автоматической адаптацией: к малым неровностям поверхности по командам оператора (или верхнего уровня), задающего основные характеристики ходьбы и движение корпуса аппарата. На входы системы поступают сигналы от следующих датчиков, установленных на макете: шести датчиков контакта стопы с поверхностью; датчиков усилий, развиваемых ногами; гировертикали; оптического дальномера. Ее выходы (выходы блока преобразователей координат) являются входами блока усилителей следящих систем (БУСС), состоящего из 18 отдельных усилителей, на входы которых поступают сигналы с 18 позиционных датчиков углов поворота звеньев ног.
Система управления состоит из следующих крупных блоков: блока управляемых генераторов шаговых циклов, который содержит шесть идентичных генераторов, формирующих в плоскости некоторых вспомогательных декартовых координат замкнутые пространственно-временные кривые шагового цикла каждой ноги; блока линейного преобразования координат, который обеспечивает геометрическую привязку шаговых циклов к корпусу и конечностям аппарата и их масштабирование; блока маневрирования, который по командам от верхнего уровня деформирует шаговые циклы ног так, чтобы обеспечить требуемое пространственное положение корпуса аппарата; блока преобразователей декартовых координат концов ног в угловые координаты звеньев ног, который состоит из шести идентичных нелинейных трехмерных следящих систем, обеспечивающих формирование сигналов на входы блока усилителей следящих систем, а также учет границ рабочих зон ног.
Блочное построение системы управления с относительно небольшим числом каналов связи блоков друг с другом обеспечивает удобство работы с системой, позволяет вести настройку и проверку качества работы отдельных блоков, а также легко контролировать функционирование в целом.
История создания «многоногих» роботов
Однако не менее интересно вернуться к истории создания первых шагающих роботов. Существует несколько вариантов историй современных механизмов — обычная, которую мы изучаем по курсу физики, и неофициальная — история человеческих фантазий, которую можно проследить по множеству фантастических романов, кинофильмов, исторических материалов. И совсем не ясно, за какой из них — истина. Взять хотя бы рисунки Леонардо Да Винчи, по которым построили велосипед и вертолет, или произведения Жюля Верна, в которых присутствовало большое множество неизвестных его современникам устройств, ничего особенного на сегодняшний день не представляющих. И вы думаете, читая или смотря кинофильмы о роботах, киборгах, андроидах и прочих новомодных устройствах, их не увидят наши потомки? Отнюдь. Не так давно прошла новость о том, что в Японском Национальном институте современных промышленных наук и технологий (AIST) при сотрудничестве компании Kawada Industries был создан очередной робот человеческого типа. У него такой же рост (154 см) и вес (58 кг). Он может самостоятельно ходить, садиться, ложиться и вставать, и даже носить груз, правда, пока не слишком тяжелый — 6 кг. Но, как вы понимаете, это не предел. Поэтому весьма правдоподобным представляется появление в течение ближайших 10-20 лет первого человекоподобного существа с развитым искусственным интеллектом.
Но первыми кончено были идеи. На рисунке из XVIII века изображена машина, передвигающаяся с помощью ног и колес (авторство рисунка не установлено). Причем главным движущим механизмом являются именно ноги. Думается, это была традиционная для того времени идея, поскольку люди перемещались на телегах, каретах и т.п. И что первое придет в голову, если захочется модернизировать данный вид транспорта?
Вторая, более знаменитая идея, принадлежит Джорджу Муру (The Steam Man — 1893 год) — это был андроид образца XIX века. Правда, реализоваться данный проект не смог, хотя и получил большую известность.
В 1983 году имела место еще одна очень интересная идея — совмещение лошади и велосипеда — The Mechanical Horse (рис.3). Принадлежит она Л. А. Риггу. Вслед за механизацией телеги или кареты изобретатель предложил модернизацию лошади. Интересно, почему проект заморозили?
И действительно, во время первой мировой войны данные футуристические идеи стали реализоваться. Первым стало появление уже сконструированного и собранного механизма Walking Machine, показанного на рисунке. Данная машина передвигалась только с помощью большого количества ног, работающих практически по принципу гусеничного механизма...
Другой вариант — это шагающий трактор, разработанный в это же время. Как мы можем видеть, сзади у механизма находятся две шагающие ноги, приводящие механизм в движение, а спереди — колеса. Получается телега наоборот. Это была первая реализация сочетания механических ног и колес в одной.
На какое-то время в истории шагающих машин наступило затишье вплоть до технологического прорыва 60-70-х. На рисунке вы можете увидеть изобретение 1966 года, реализованное МакГи и Франком в университете Южной Калифорнии. К этому стоит добавить, что это первое изобретение подобного рода, предусматривающее компьютерное управление. Называется оно Phoney Poney.
В 1968 году Р. Мошер завершил работу над созданием настоящего четырехногого монстра с ручным управлением под названием General Electric Walking Truck. Кстати, его изображение можно часто увидеть на многих научных и околонаучных сайтах. Что интересно, у Phoney Poney, так же, как и у General Electric Walking Truck, было по четыре ноги.
В 1973 году целая команда советских ученых завершила работу над практической реализацией шестиногой машины (доктор наук, профессор В.С. Гурфункель, доктор наук А. Ю. Шнейдер, доктор Е.В. Гурфункель и коллеги).
1977 год был весьма урожайным на всевозможные реализации шагающих роботов. Началось своего рода соревнование между США и СССР, что было нормально для того времени. С американской стороны выступал тот же МакГи со своей командой, с советской — профессор Гурфункель и коллеги. Причем русские «шестиноги» назывались очень просто — «Маша». Их мы можем увидеть на рисунках.
В ответ на «Машу» МакГи и команда предложили свою версию шестиногого робота, которая весила всего… 136 кг.
С 1976 года по 1979 в исследовательском центре Komatsu Ltd. (Япония) разрабатывался супер-робот. Таким образом, можно отметить, что, начиная с этого периода, к гонке среди разработчиков присоединяются японцы. Устройство под названием ReCUS (Remotley Controlled Underwater Surveyor) имело восемь ног, 8 метров длины, 5,35 ширины и 6,4 метра высоты. Весить такая конструкция должна была порядка 29 тонн. Максимальная скорость — 0,07 м/с. До нас же дошли только чертежи.
В 1979 году к московским разработкам профессора Гурфункеля присоединился Санкт-Петербург (тогда Ленинград). Там был также разработан и сконструирован «шестиног», но с гораздо более скромными параметрами: вес — 40 кг, длина — 60 см, ширина — 25 см, высота ног — 20 см. И, кстати, такое стремление к минимализму очень свойственно для многоногих устройств. Во-первых, они проще в реализации. Во-вторых, в большинстве своем такие устройства имели чисто научное значение.
Но вместе с тем в период 1980-1983 гг. американцы продолжили развитие тяжелых роботов с большим количеством ног. Изобретатели Сазерленд и Спрулл создали машину длиной в 2,4 метра, развивающую скорость 0,11 м/с.
Далее свою веху в историю вписывают японцы. Живаялегенда — TITAN III и TITAN IV (TITAN — аббревиатураот Tokyo Institute of Technology, Aruku Norimono). Ноги TITAN III были оснащены специальными сенсорами, которые были связаны со специальной электронной системой управления, именуемой PEGASUS (Perspective Gait Supervisory System). Данная система позволяла адаптировать движение механизма относительно изменений поверхности. Этот этап можно смело назвать этапом внедрения интеллекта в шагающие машины. Длина ног у TITAN III была 1,2 м и весил он 40 кг. Глядя на рисунок, нельзя не вспомнить персонажа мультипликационного фильма «Тайна третьей планеты». Может быть, TITAN III был прототипом...
Назначение шагающих роботов, роботы-андроиды
А зачем собственно нужны шагающие роботы? В таких механизмах есть практическая необходимость. Вспомните хотя бы забуксовавшие колесные машины — эту частую картину при бездорожье. Шагающие механизмы лучше преодолевают препятствия, и в этом их главное преимущество.
Японские разработки TITAN III и TITAN IV принадлежат Токийскому технологическому институту (Tokyo Institute of Technology) — одни из первых шагающих механизмов с искусственным интеллектом, позволяющим преодолевать несложные препятствия. Так, TITAN IV в 1985 году в Government Pavilion of the Science Exhibition at Tsukuba в полугодовой период опытов прошел около 40 километров по поверхности с тремя степенями сложности. Эта модель весила около 160 килограмм, а длина одной ноги (всего их было шесть) составляла около 1 м 20 см. Причем интересно, что такая махина развивала скорость 40 см/с. TITAN IV был прототипом для множества последующих разработок японских изобретателей. Перечислять нет смысла, так как их много.
Начиная с этого момента, шагающие роботы стали разрабатываться и для практических целей, например, для исследования морских глубин. Акваробот (Aquarobot) разрабатывался в лаборатории роботов в Port Harbour Research Institute Министерства транспорта Японии на протяжении четырех лет (1985-1989).
Расстановка сил среди стран, конструирующих шагающие механизмы, несколько изменилась. В основном, это связано с тем, что ушли русские (у нас тогда, если вы помните, началась перестройка, а потом развал СССР), но при этом достаточно интересные разработки стали появляться и в Англии, в 90-х присоединилась Канада. А лидерами стали, конечно же, японцы и американцы.
Кстати, сейчас такие роботы-многоножки активно используются для различных прикладных целей.
Если не говорить о шагающих роботах, а только об их конечностях, то мы можем найти еще одно применение данным разработкам, а именно — в медицине. Еще в 1948 году русский профессор Н. А. Бернштейн нарисовал человека с протезами, повторяющими скелет ноги, но с электрическими двигателями, что являлось разработкой НИИ Протезии. Стоит отметить, что сразу после войны это было очень насущным изобретением, к сожалению, не имевшим практического продолжения в будущем. В 60-е годы General Electric развила данную идею, но в варианте полноценного скелета с гидравлическим управлением. Точно такая же попытка была и с русской стороны в России (Ленинград, 1970 год).
Основной задачей ученых являлось все-таки создание человекоподобного робота. И нужно сказать, что — это только одна из ветвей развития шагающих механизмов. Ведь, согласитесь, роботы с большим количеством ног больше похожи на насекомых как внешне, так и по способу передвижения. А вот создание двуногих машин — это ближе к рассказам фантастов, которыми зачитывались в детстве наши ученые и изобретатели.
На самом деле сейчас наиболее доступны материалы по истории шагающих механизмов. Удивительно, но она существует. Настоящее скрыто под завесой тайны. Лишь иногда проскакивают новости, которые могут настораживать. Например, майки с датчиками температуры (электроника вживлена в ткань, следовательно, ее можно вживить в любой полимерный материал), робот учится кунг-фу, самообучающиеся игрушки роботы-собаки и так далее. Будущее шагающих механизмов мы уже знаем из фантастики. Все предсказания сбываются с точностью как у Жюля Верна.
Что удивительно, если бы технологии шагающих механизмов развивались чуточку быстрее, то мы бы совершенно по-другому представляли себе сейчас луноход. Сейчас же мы приступим непосредственно к андроидам, будущим человекоподобным киборгам.
Двуногие машины имеют не менее богатую историю, по сравнению с другими шагающими механизмами. Но исторический обзор начнем с 1964 года, когда ленинградскими учеными была создана кинематическая модель Чебышева с двумя ногами. Советские ученые внесли не очень большую лепту в историю создания двуногих машин. Так, в 1990 году в Москве профессором Формальским и доктором Ленским была создана модель двуногого робота, очень похожего внешне на данную кинематическую модель. Но такого прогресса в данной сфере разработок, как в Японии, в СССР, конечно, не было.
В 1969 году Иширо Като (Япония) показал миру антропоморфный двуногий механизм WAP-1. Интересным в данной разработке было то, что мышцы сделаны из резины или каучука и устройство приводилось в движение с помощью пневматики за счет воздействия на «искусственные мускулы». Это очень новаторская идея, которая совмещает в себе и простоту, и гениальность. Иширо Като работал при поддержке специальной исследовательской лаборатории гуманоидов (Humanoid Research Laboratory) при Waseda University (Токио). Интересен сам факт существования таковой в конце 60-х, в то время как для Японии это были не лучшие годы. И нужно сказать, результат очевиден, поскольку за Иширо Като стоит большая часть истории современных двуногих машин.
Уже в 1970 году появилась усовершенствованная модель WAP-2. В ней были разработаны специальные управляемые приводы, при этом под подошвы робота встраивались специальные датчики давления, что позволяло осуществить автоматический контроль положения.
В 1971 году состоялось сразу две премьеры, а именно — WAP-3 и WL-1. Обе они равноценны по значимости в истории шагающих механизмов. WAP-3 — это продолжение модели WAP-2, но, в отличие от предшественника, он имел спереди центр тяжести, что позволяло наклоняться и перемещаться не только по ровной поверхности, но и спускаться/подниматься, например, по лестнице. Таким образом, это был первый в мире робот, способный перемещаться не только по горизонтальной плоскости. WL-1 — это модель, управляемая мини-компьютером. Она так же, как и WAP-3, имела центр тяжести, расположенный спереди, но при этом могла менять направления ходьбы, что стало возможным за счет внедрения мини-компьютера.
В 1972 году в МГУ была разработана модель под именем «Рикша». В движение она приводилась с помощью двух ног, но между тем имелось еще и четыре колеса.
В 1973 году в Японии (Иширо Като) стартовал проект WABOT-1, целью которого было создание полностью функционирующего антропоморфного робота. Помимо систем контроля управления, в WABOT-1 были встроены видео- и звуковая системы, которые позволяли оценивать расстояние до объектов и направление к ним. Таким образом, это одна из первых роботов-машин, которая имела «глаза» и «уши». Ко всему прочему WABOT-1 имел внешние рецепторы и звуковоспроизводящую систему (умел говорить). То есть, первый андроид был создан в 1973 году.
В 1980 году Иширо Като разработал WL-9DR, управляемый с помощью 16-разрядного мини-компьютера. При этом если в предыдущих моделях «обдумывание» механизмом каждого шага составляло более чем 45 секунд, то в варианте WL-9DR на один шаг тратилось всего десять секунд. Роботы учатся ходить! И скорость у них измеряется пока в странной величине — сек/шаг.
И в 1983 году появилась модель WL-10 и на «обдумывание» шага тратилось около четырех с половиной секунд (если быть точным — 4,4 сек/шаг). В модели WL-10R применялись новые типы серво-механизмов и материалов. Значительно добавлена степень свободы у членов робота. WL-10R мог свободно поворачиваться, ходить вперед и назад. Теперь стали насущны еще одни параметры для шагающих механизмов, а именно — степени свободы.
1984 год. Команда ученых токийского университета создает двуногого робота с восемью степенями свободы. При этом данный робот уже имел автономное питание от источника постоянного тока.
В 1985 году Иширо Като создает WL-10RD. Теперь робот затрачивает от 2 до 5 секунд на каждый шаг. При совместной работе с Hitachi Ltd. модель WL-10R находит свое продолжение и в другом варианте — WHL-11 (Waseda Hitachi Leg-11). В WHL-11 был добавлен компьютер и гидравлический привод.
Как мы понимаем, роботы уже научились ходить, говорить… А вот главным событием было появление WASUBOT (аббревиатура от WAseda SUmitomo roBOT) от того же Иширо Като. WASUBOT — это робот-музыкант, который играет на пианино. Фотография, представленная на рисунке, обошла весь мир.
С тех пор прошло много времени. Роботы научились думать, ходить, говорить, видеть, слышать и даже самообучаться. Думаю, читали новость о том, что в Китае робота обучают кун-фу. При этом дополнительно при таком «обучении» можно усовершенствовать четкость движений механизмов и приводов.
Современные компьютерные технологии позволяют улучшить системы управления. Современные химики создают отличные полимерные материалы, которые могут являться заменителем кожи. При этом в такие материалы можно встраивать электронику. Так что в «Терминаторе-4» может играть уже не Шварценеггер, а реальный терминатор.
Заключение
И в заключение хочу остановиться на одной из современных разработок в области шагающих роботов: «Шагающее кресло» под кодовым названием WL-16 создано совместно с Tmsuk, фирмой по производству роботов. Две его «ноги» приводятся в движение при помощи 12 приводов, работающих от аккумуляторной батареи. Робот может носить человека, весящего до 60 килограмм. Этот шагающий робот, специально приспособлен к переноске людей. Его создатели утверждают, что с помощью робота инвалиды смогут передвигаться по лестницам или по неровной поверхности. Создатель робота Атсуа Таканиши — 45-летний профессор университета Васеда в Японии — говорит, что всю жизнь мечтал создать машину, похожую на героя мультика из его детства. Машина способна подстраиваться под седока и двигаться гладкой походкой, даже если сидящий на ней человек ерзает в кресле. Сам Таканеши предпочитает называть свое детище «шагающим креслом», и надеется создать технологическое подспорье для инвалидов — кресло, управляемое джойстиком и способное передвигаться по лестнице. По словам директора Tmsuk Йоичи Такамото, для построения работающей модели на основании нынешнего прототипа понадобится около двух лет.
Как сказал герой известного фильма: «Я пришел не рассказать, как все закончится – я пришел сказать, что все только начинается».
www.ronl.ru
