МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Д. В. Журавлев, Д. И. Наумов, М. А. Сиваш

МОБИЛЬНЫЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ

Монография

Воронеж 2020

1

ВВЕДЕНИЕ

Еще в I веке до н. э. существовали изобретения, машины и произведения, которые можно было рассматривать как предшественников роботов и робототехники, какими мы знаем их сегодня. Их автором был Герон Александрийский, греческий математик и инженер, что объясняет его «прозвище» Механикус. В своей работе «Автоматы» («The book of machines») Герон описывает различных «роботов». Некоторые из них могли автоматически открывать двери храма или воспроизводить музыку. Можно даже сказать, это был первый древний умный дом. Помимо его проектов для катапультоподобного оружия, Механикус особенно запомнился своим эолипилом, также известным как «двигатель Герона». Это первый тепловой двигатель, предшественник парового. Прародитель робототехники разработал более 100 чертежей для роботов и машин.

В 1495 году эрудит и признанный гений во многих сферах Леонардо да Винчи разработал то, что, вероятно, было первой человекоподобной машиной. Его механический рыцарь умел сидеть и выполнять другие функции: поднимать забрало и полностью двигать руками. Движения осуществлялись с помощью сложной системы шкивов и тросов. Действительно ли да Винчи построил робота или только спроектировал его, не может быть доказано исторически. В любом случае, роботизированные рыцари, построенные в соответствии с планами, были полностью работоспособны.

Робототехника – это подотрасль техники и науки, которая включает в себя машиностроение, электротехнику, компьютерные науки и др.

Робототехника занимается проектированием, строительством, эксплуатацией и использованием роботов и компьютерных систем для их управления, сенсорной обратной связи и обработки информации. Робот – это устройство, которое реализует взаимодействие с физическим миром на основе датчиков, исполнительных механизмов и обработки информации.

Различают такие виды роботов:

Коллаборативные роботы или коботы, которые становятся все более важными. В растущем числе областей промышленности обычные промышленные роботы заменяются или поддерживаются совместными. Коботы работают вместе с людьми в производственных процессах и не отделяются от своих человеческих коллег защитными устройствами, как типичные промышленные роботы. По сравнению с традиционными промышленными роботами, совместные роботы меньше, могут быть использованы более гибко, и их легче программировать.

Коботы не заменяют людей на рабочих местах, они дополняют их. Примером может служить компания Paradigm Electronics в Канаде: производительность труда была увеличена на 50 процентов с помощью cobots, и ни одно рабочее место не было потеряно. Сотрудники выполняют новые задачи в новых областях деятельности, таких как программирование станков и контроль качества в конце автоматического производственного процесса. Эксперты из

3

Boston Consulting Group предполагают, что в будущем использование роботов позволит повысить производительность труда каждого сотрудника до 30 процентов.

Промышленные роботы – это программируемые машины, которые используются для обработки, сборки или обработки заготовок в промышленных условиях. Большинство этих роботов состоит из манипулятора, захвата, различных датчиков и блока управления. Они также могут выполнять действия автономно в зависимости от того, как они запрограммированы.

В этой ключевой отрасли робототехники машины уже более 50 лет играют важную роль в автоматизированных производственных процессах, делая рабочие процессы более эффективными, безопасными, быстрыми и гибкими. Первый промышленный робот Unimate был интегрирован в производственный процесс компании General Motors в 1961 году. Робот использовался для того, чтобы извлекать части инжекционного метода литья. В 1973 году первый промышленный робот начал работать на VW в Вольфсбурге, Германия. Собственная разработка, прозванная «Робби» своими человеческими коллегами, была использована в производственном процессе для Passat.

Сервисный робот это машина, которая предоставляет услуги для людей. Проводится различие между использованием для частных лиц и профессиональных приложений. Роботы пылесосы и газонокосилки стали применяться в частной сфере.

Специфика операций, условия эксплуатации и функциональное назначение мобильного робота определяют его конструктивные особенности, степень сложности системы управления, массогабаритные характеристики и состав специального оборудования.

Кмобильному роботу предъявляются следующие общие требования:

•Робот должен иметь высокие подвижность и проходимость в городских условиях, внутри зданий и сооружений, в зонах разрушений, на пересеченной местности, как на твердых гладкихпокрытиях, так и на дефор-

мируемых грунтовых основаниях;

• Робот должен надежно действовать как в неподготовленных естественных условиях, так и в среде, специально приспособленной для обитания человека (внутри домов, в транспортных коммуникациях), вписываться в городские транспортные потоки или двигаться в составе транспортных колонн;

• Конструкция робота должна обеспечивать еговысокую мобильность и быстрое развертывание при выполнении спецопераций [20].

Авторство по главам: Журавлев Д. В. – главы 1, 2, 4, 5, Приложения 1-11; Наумов Д. И. – главы 1, 2, 3, 5, Приложения 1-11; Сиваш М. А. – главы 2, 4, 5.

4

1. ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Предмет робототехники – это создание и применение роботов и других средств робототехники различного назначения. Возникнув на основе кибернетики и механики, робототехника в свою очередь породила новые направления развития и самих этих наук. Для кибернетики это связано прежде всего с интеллектуальным управлением, которое требуется для роботов, а для механики с

– многозвенными механизмами типа манипуляторов.

Термин «робот» можно определить как универсальный автомат для осуществления механических действий [2], подобных тем, которые производит человек, выполняющий физическую работу. При создании первых роботов и вплоть до сегодняшнего дня образцом для них служат физические возможности человека. Именно стремление заменить человека на тяжелых работах и породило сначала идею робота, затем первые попытки ее реализации (в средние века) и, наконец, обусловило возникновение и развитие современной робототехники и роботостроения. Термин «робот», как известно, славянского происхождения. Его ввел известный писатель К. Чапек в 1920 г. в своей фантастической пьесе «R.U.R.» («Россумовские универсальные роботы»), где так названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах. Название «робот» образовано от чешского слова robota, что означает тяжелый подневольный труд.

Робот – это машина автоматического действия, которая объединяет свойства машин рабочих и информационных, являясь, таким образом, принципиально новым видом машин. В достаточно развитом виде роботы аналогично человеку осуществляют активное силовое и информационное взаимодействие с окружающей средой и благодаря этому могут обладать искусственным интеллектом и совершенствовать его. Правда, пока еще роботы очень далеки по своим интеллектуальным возможностям от человека.

При решении проблемы создания роботов одним из естественных путей является копирование человека и живой природы вообще. Однако не менее важен и поиск принципиально новых путей, определяемых возможностями современной техники. Пример первого подхода — создание механических рук шарнирного типа и захватных устройств со сгибающимися пальцами. Примеры второго подхода — использование электромагнитного поля для ориентации и взятия предметов и, наконец, колесный ход вместо шагания. Аналогичные примеры можно найти и применительно к сенсорным системам (создание «сверхчувственных» органов наряду с копированием органов чувств животных).

От ранее известных видов машин роботы принципиально отличаются своей универсальностью (многофункциональностью) и гибкостью (быстрым переходом на новые операции). Под универсальностью понимается универсальность рабочих органов робота и их движений, хотя сегодня до универсальности руки человека роботам еще далеко (правда, это компенсируется возмож-

5

ностью быстрой смены рабочих органов робота в процессе выполнения операций).

Универсальность роботов предполагает возможность целенаправленных действий, которые требуют определенных интеллектуальных способностей. Это открывает широкие возможности использования роботов в качестве как основного технологического оборудования (на сборке, сварке, окраске и т.п.), так и вспомогательного – для замены рабочих, занятых на обслуживании такого оборудования. Универсальность роботов дает возможность автоматизировать принципиально любые операции, выполняемые человеком, а быстрота перестройки на выполнение новых операций при освоении новой продукции или иных изменениях в производстве позволяет сохранить за автоматизируемым с помощью роботов производством по крайней мере ту же гибкость, которую на сегодня имеют только производства, обслуживаемые человеком. Роботы потому и появились лишь во второй половине XX столетия, что именно сейчас н а- зрела необходимость в таких универсальных и гибких средствах, без которых невозможно осуществить комплексную автоматизацию современного производства с его большой номенклатурой и частой сменяемостью выпускаемой продукции, включая создание гибких автоматизированных производств.

Самые ранние роботы, как мы знаем, были созданы в начале 1950-х годов с помощью Джордж К. Девола, изобретателя из Луисвилла, штат Кентукки. Он сам придумал и запатентовал перепрограммируемый манипулятор под названием «Unimate». В течение следующего десятилетия он пытался продать свой продукт в промышленной сфере, но не преуспел. В конце 1960-х годов бизнесмен / инженер Джозеф Энглбергер приобрел патент на робота Devol и смог модифицировать его в промышленного робота и сформировать компанию для производства и торговли роботами, названную Unimation. За свои усилия и у с- пехи Энглбергер стал известен в отрасли как «отец робототехники».

Ученые также добились большого прогресса в создании новых роботов. В 1958 году в Стэнфордском Научно-исследовательском институте Чарльз Розен возглавлял исследовательскую группу в разработке робота под названием «Shakey». «Шейки» был гораздо более продвинутым, чем предыдущий Unimate, который был сконструирован для специализированного, промышленного использования. «Shakey» мог покружить по комнате, понаблюдать за происходящим своими «глазами». Ему дали такое имя из-за шаткости и грохота при движении.

Принятие решений по-прежнему оставалось огромной проблемой для промышленных роботов. В 1981 году Consight был первым роботом, который использовал визуальные датчики и искусственный интеллект для принятия решений в режиме реального времени, таких как выбор и сортировка 6 различных типов автозапчастей с конвейерной ленты.

Медведь, полу-гуманоидный военный робот 2005 года остановил след для следующих поколений военных роботов по всему миру. Робот поменял свои

6

ноги на гусеницы типа танкера, чтобы обеспечить лучшую скорость и эффективность на полях сражений.

В 2012 году Бакстер – человекоподобный промышленный робот с двумя руками и мониторной головкой – начал сотрудничать и работать с людьми в исследовательских лабораториях и заводских цехах. Он выполнял ряд задач: упаковка и погрузо-разгрузочные работы. Робот является предшественником для ряда гуманоидных промышленных роботов сегодня.

Подавляющее большинство роботов имеют несколько общих качеств. Прежде всего, почти у всех подвижный корпус. Некоторые из них имеют только моторизованные колеса, а другие – десятки подвижных сегментов, обычно выполненных из металла или пластика. Как и кости в вашем теле, отдельные сегменты соединены вместе с суставами.

Роботы вращают колеса и шарнирно соединяют сегменты с какимто приводом.

Некоторые роботы используют электрические двигатели и соленоиды в качестве исполнительных механизмов; некоторые гидравлическую систему; а другие используют пневматическую систему (систему, приводимую в действие сжатыми газами). Роботы могут использовать все эти типы привода.

Робот нуждается в источнике питания для приведения в действие приводов. Большинство роботов имеют встроенную батарею. Гидравлическим роботам также нужен насос для нагнетания гидравлической жидкости, а пневматическим роботам нужен воздушный компрессор или резервуары для сжатого воздуха.

Все приводы подключены к электрической цепи. Цепь приводит электрические моторы и соленоиды в действие сразу, и она активирует гидравлическую систему путем манипулирования электрическими клапанами.

Клапаны определяют путь надутой жидкости через машину. Например, чтобы переместить гидравлическую ногу, контроллер робота откроет клапан, ведущий от насоса для жидкости к поршневому цилиндру, прикрепленному к этой ноге. Жидкость под давлением вытягивает поршень, поворачивая ногу вперед. Как правило, для перемещения своих сегментов в двух направлениях роботы используют поршни, которые могут толкать в обе стороны.

Компьютер робота контролирует все, что связано с цепью. Для перемещения робота компьютер включает все необходимые двигатели и клапаны. Большинство роботов перепрограммируются – чтобы изменить поведение робота, вы просто пишете новую программу на его компьютер.

Не все роботы обладают сенсорными системами, и лишь немногие обладают способностью видеть, слышать, обонять или ощущать вкус. Наиболее распространенным роботизированным чувством является чувство движения – способность робота контролировать свое собственное движение. Типовая конструкция использует прорезанные колеса, прикрепленные к соединениям робота. Луч с одной стороны колесной базы светит через шлицы к датчику света на другой стороне. Когда робот двигает определенное соединение, прорезанное

7

колесо поворачивает, слоты ломают световой луч, когда колесо вращается, датчик света считывает информацию и передает данные на компьютер. Компьютер может точно сказать, как далеко сустав повернулся на основе этого рисунка. Это та же самая базовая система, которая используется в компьютерных мышах.

Это основные «гайки и болты» робототехники. Робототехники могут комбинировать эти элементы бесконечным количеством способов для создания роботов неограниченной сложности.

Ниже представлены некоторые робототехнические изделия, в различные времена становления робототехники.

История робототехники восходит к древним грекам. В греческой мифологии был, по крайней мере, один пример роботов: механические слуги греческого бога техники, огня и кузницы Гефеста.

•В 1206 году Аль-Джазари создал самую раннюю форму программируемых гуманоидных роботов, которая была автоматом. Этот автомат появился в виде четырех музыкантов на лодке в озере, и у него была программируемая драм-машина с колышками, которые ударялись о маленькие рычаги, которые управляли ударной установкой. У Аль-Джазари было много и других автоматов.

•Жак де Вокансон создал несколько самых известных автоматов в 1737 году. Его самой известной работой была «переваривающая утка», которая была способна имитировать настоящую утку, хлопая крыльями, есть зерно, переваривать его и испражняться.

•В 1800-х годах японский ремесленник Хисасигэ Танака (1799-1881), известный как «японский Эдисон» или «каракури Гемон», создал целый ряд чрезвычайно сложных механических игрушек, некоторые из которых подавали чай, стреляли стрелами, вынутыми из колчана. В это же время Никола Тесла продемонстрировал радиоуправляемую торпеду.

•Первым человеком, который использовал слово «робот», был автор пьесы Карел Капек в своей пьесе 1921 года, создав слово из чешского слова «robota», означающего рабство.

•В 1928 году первый японский робот Гакутенсоку был спроектирован и сконструирован биологом Макото Нисимурой.

•В 1930-х годах был создан гуманоидный робот, известный как Elektro, для выставочных целей, включая Всемирные выставки 1939 и 1940 годов.

•В 1940 году Айзек Азимов выпустил серию коротких рассказов о роботах, начиная с «странного товарища по играм»; для журнала Super Science Stories, история которого была посвящена роботу и его привязанности к ребенку, которого он был обязан защищать. В течение следующих 10 лет он выпустил еще больше рассказов о роботах, которые в конечном итоге были скомпилированы в том «I, Robot»; в 1950 году.

•Азимову вообще приписывали популяризацию термина «робототехника», который впервые был упомянут в его рассказе «Беготня» в 1942 году. Но, по-

8

жалуй, самым важным вкладом Айзека Азимова в историю робота является создание им трех законов робототехники:

1)робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред;

2)робот должен подчиняться приказам, отданным ему людьми, за исключением тех случаев, когда такие приказы противоречат Первому Закону;

3)робот должен защищать свое собственное существование до тех пор,

пока такая защита не противоречит Первому или Второму закону. Позднее Азимов добавил к этому списку «нулевой закон». Нулевой закон гласит: робот не может причинить вред человечеству, или, через бездействие, позволить человечеству прийти к вреду.

•Алан Тьюринг опубликовал книгу Computing Machinery and Intelligence, в

которой он предложил тест для определения того, обрела ли машина способность мыслить самостоятельно.

•Джордж Девол изобрел первого по-настоящему современного робота под названием Unimate, который имел цифровое управление и был программируемым, в 1954 году. Unimate был продан компании General Motors в 1960 году и установлен в 1961 году на заводе в Трентоне, штат Нью-Джерси, чтобы поднимать горячие куски металла из машины литья под давлением и укладывать их.

•В 1959 году Джон Маккарти и Марвин Мински основали лабораторию искусственного интеллекта в Массачусетском технологическом институте (MIT), а затем они покинул MIT в 1963 году, чтобы основать лабораторию искусственного интеллекта в Стэнфордском университете. После его запуска этой лаборатории Стэнфордский Научно-исследовательский институт (позже известный как SRI Technology) создал Shakey, первого мобильного робота, который знал собственные действия и реагировал на них. В том же году программа искусственного интеллекта ELIZA была создана в Массачусетском технологическом институте Джозефом Вайценбаумом. Элиза функционировала как компьютерный психолог, который манипулирует заявлениями пользователей, чтобы сформировать вопросы. Вейценбаум был обеспокоен тем, как быстро люди поверили в его маленькую программу.

•В 1969 году Виктор Шейнман, студент-механик, работающий в лаборатории искусственного интеллекта Стэнфорда (SAIL), создает руку Стэнфорда, и сегодня дизайн этой руки влияет на дизайн оружия робота.

•В 1970 году Стэнфордский университет выпустил Стэнфордскую тележку, которая была предназначена для линейного следования, но также могла управляться с компьютера по радиосвязи.

•Виктор Шейнман создал свою собственную компанию и начал продавать серебряную руку, которая была способна собирать мелкие детали с помощью сенсорных датчиков в 1974 году.

•В 1978 году был создан 4-осевой робот arm SCARA, Selective Compliance Assembly Robot Arm. Это был технологический прорыв, потому что был опти-

9

мальным решение для ряда технологических целей по быстрому переносу изделий. Он был введен к сборочным конвейерам в 1981.

•В 1981 году Takeo Kanade построил рычаг прямого привода, который был первым, имеющим двигатели, установленные непосредственно в суставах. Это изменение привело к тому, что эта конструкция стала быстрее и намного точнее, чем предыдущие роботизированные руки.

•В 1986 году LEGO и MIT Media Lab объединились, чтобы вывести на рынок первые образовательные продукты на основе LEGO. Логотип LEGO tc использовался в классах тысяч учителей начальных классов. В том же году Honda начала свою программу исследований и разработок гуманоидов для создания роботов, способных успешно взаимодействовать с людьми.

•В 1989 году в Массачусетском технологическом институте гексаподальный ходячий робот по имени Чингис, который использовал 4 микропроцессора, 22 датчика и 12 сервомоторов, был представлен группой мобильных роботов MIT, а Родни Брукс и А. М. Флинн опубликовали статью «быстрый, дешевый и бесконтрольный: вторжение робота в Солнечную систему» в журнале Британского межпланетного общества. Статья изменила исследование от создания одного, большого, дорогого робота до создания большого количества маленьких дешевых роботов, а также сделала идею создания робота несколько более доступной для среднего человека.

•В 1993 году восьминогий робот был разработан в Университете КарнегиМеллон под названием Данте для сбора данных из суровой окружающей среды, подобной тому, что мы могли бы найти на другой планете. Однако, Данте не смог собрать газы от из-за сломанного кабеля оптического волокна. В 1994 году Данте II, более надежная версия его предшественника, спустился в кратер ву л- кана Аляска Mt и завершил миссию с успехом.

•Robotuna был биомиметический робот, который был разработан, чтобы плавать и напоминал голубой плавник тунца и построен Дэвидом Барреттом для своей докторской диссертации в Массачусетском технологическом институте в 1996 году.

•Гуманоидный робот Honda P2 был впервые показан в 1996 году. P2 был неотъемлемой частью проекта развития гуманоидов Honda; более 6 футов высотой, P2 был меньше, чем его предшественники, и, казалось, был более человечным, как и в своих движениях.

•В 1997 году миссия Pathfinder приземлилась на Марсе. Его роботизированный ровер Sojourner скатился по пандусу и оказался на марсианской почве в начале июля. Он продолжал передавать данные с поверхности Марса до сентября.

•«Соджорнер» выполнял полуавтономные операции на поверхности Марса

врамках миссии Mars Pathfinder, оснащенной программой обхода препятствий. Странник был способен планировать и прокладывать маршруты для изучения поверхности планеты. Способность соджорнера ориентироваться с не-

10