DjVu

      Введение
      Развитие промышленной робототехники создало предпосылки для создания автоматизированных машиностроительных производств, практически исключающих участие в производственных процессах человека. При этом одной из основных задач исключения человека из процесса производства ставится, как правило, снижение трудоемкости, освобождение человека от монотонных и вредных условий труда.
      Однако в человеческой деятельности, т.е. в системе "человек-природа", "человек-общество" всегда существовали процессы, в которых участвовать человеку опасно вообще для жизни или не менее опасно взаимодействовать или воздействовать на них:
      ликвидация пожаров, завалов, обвалов, военная деятельность, избавление от взрывоопасных предметов, нейтрализация террористической деятельности и т.п.
      Существуют также среды, в которых нахождение человека должно быть исключено ( радиоактивная,подводная, космическая, горнодобывающая, токсические).
      Для того, чтобы человек мог воздействовать на процесс без непосредственного участия или работать в среде без непосредственного в ней нахождения создаются роботы, которые помогли бы создать при необходимости системы: человек-робот-процесс (среда) или робот-процесс (среда).
      Развитие робототехники началось с отраслей, имеющих наиболее жесткую детерминированную среду и процессы, в частности, машиностроения. По мере развития сенсорных средств, а главное систем управления, робототехнические системы стали создаваться и для немашиностроительных отраслей, В первую очередь такие системы требуются в отраслях и областях деятельности человека, где его нахождение или участие опасно для жизни или здоровья. В других случаях использование робототехнических систем позволяет экономить значительные средства на.подготовительных роботах, например, в строительстве.
      В представленном информационном материале даны технические характеристики и описания роботов, предназначенных для работы в немашиностроительных отраслях, в частности, для работы в подземных средах, при строительстве тоннелей и в стрюительной индустрии.
     
      I-I. Термины и определения
      Поскольку в различных источниках информации нет однозначных определений и терминов по мобильным роботам и общепринятой классификации, в данном материале в начале предлагается ввести несколько определений, полученных на основе анализа отечественных и зарубежных источников. Неоднозначность определений создает трудности как при переводе иностранной научно-технической литературы, так и при сборе и обработке данных по производству или использованию роботов в немашиностроительных отраслях. Эти трудности могут быть устранены только после создания ГОСТов на терминологию (хотя бы временных национальных).
      Прежде всего общее понятие "робот" трактуется по-разному не только роботными ассоциациями, но и отдельными авторами. В данном материале предлагается следующее определение:
      робот - машина с автоматическим или интерактивным управлением; перепрограммируемая или самообучающаяся; манипуляционная (стационарная или подвижная) или мобильная (или одновременно манипуляционно-мобильная); имеющая несколько степеней подвижности; используемая как в детерминированных, так и в недетерминированных средах и процессах.
      По сравнению с определениями большинства источников информации [2,3,4,5,6] в предлагаемом определении можно отметить следующие особенности:
      К роботам отнесены системы с интерактивным управлением (т.е. управляемые попеременно то оператором, то автоматически). Это позволяет считать роботами не только системы, оснащенные манипуляторами, но и большой класс появившихся в последнее время устройств, называемых мобильными роботами, которые в большинстве случаев имеют именно интерактивное управление (автономные мобильные роботы, т.е. управляемые полностью автоматически, существуют пока только в лабораторных разработках).
      К роботам не отнесены устройства с ручным управлением. Это, конечно, не позволяет отнести к роботам часть мобильных систем с дистанционным ручным управлением (управляемых в течение всего времени только оператором и не имеющих автоматического управления). Но если не принять зто ограничение, то придется относить к роботам все манипуляторы с ручным управлением (а ими можно подсчитать даже портальные краны, экскаваторы и т.п.), что совершенно неприемлемо. Необходимо, однако, учитывать, что в источниках информации - мобильные системы с ручным управлением все же часто называются мобильными роботами.
      Под мобильными роботами ( в отличие от манипуляционных подвижных) предлагается понимать лишь устройства, перемещения которых производятся по неопределенной (заранее не проложенной) неограниченной траектории (см. определение "мобильный робот" ниже) Возможность классификации движущихся роботов по связи перемещения робота с определенной траекторией прослеживается в источниках
      К роботам предлагается относить только машины, обладающие несколькими степенями подвижности. Это объясняется тем, что исторически сложилось считать машины с одной степенью подвижности просто транспортными средствами.
      Отмечая, что роботы могут применяться как в детерминированных, так и в недетерминированных средах (процессах) подчеркивается, что сфера использования роботов неограничена ( в отличие, например, от промышленных роботов).
      Термин "мобильный" робот имеет в различных источниках информации следующие определения:
      - движущийся робот;
      - робот, который установлен на подвижной тележке.
      Такие определения являются определениями с неоднозначными признаками (критериями). Дело в том, что в нбвом классе машин, появившемся в последнее время и названном мобильными роботами,имеется ( на основе анализа многих источников информации) не просто перемещение робота на какое-то определенное расстояние, а перемещение робота на безрельсовых колесах, гусеницах или ногах на любое заданное человеком или программой расстояние. Это предполагает отсутствие однозначного, заранее проложенного маршрута перемещения (траектории). Такие роботы обычно обладают развитой сенсорной системой, элементами искусственного интеллекта. Признак не только большей или меньшей независимости от человека-оператора, но также и независимости от однозначной, предварительно определенной траектории содержится в самом названии таких роботов, приведенном в источнике:
      Autonomous mobile robot
      автономные мобильные роботы - это роботы, управляемые без участия человека.
      В результате сказанного выше предлагается следующее определение:
      Мобильный робот англ.: mobile robot locomative robot - робот, основным функциональным назначением которого является имитация двигательных функций ног человека; перемещения мобильного робота производятся по неопределенной (заранее не проложенной) неограниченной траектории.
      Во многих источниках информации термин "мобильный робот" является синонимом термина "робот для работы в экстремальных условиях".
      Эта синонимия верна во многих случаях, но не всегда.
      Возможность классификации движущих роботов по связи перемещения робота с определенной траекторией прослеживается в источниках [Тб , 1?}. В данном материале предлагается классифицировать все движущиеся роботы по основному признаку: по степени связи перемещения робота с определенной траекторией, т.е. движущиеся роботы, связанные с определенной траекторией (подвижные) и движущиеся роботы, не связанные с определенной траекторией (мобильные).
      Под подвижным(или передвижным) роботом предлагается понимать любую движущуюся манипуляционную систему, перемещение которой происходит по определенной (заранее проложенной) ограниченной траектории (различного вида направляющие, в том числе и рельсы, трассы: индуктивные, оптические и др.). Именно к таким системам в этом случае следует относить "передвижные промышленные роботы" (термин из ГОСТ 25686-85).
      Следует отметить, что в отраслях промышленности с детерминированными средами и процессами мобильными роботами иногда считают так называемые робокар».
      Робокар [ robocarrierj, иногда называемый также роботрайлер robotrailer или Tpauopo Ctransrob - безрельсовое напольное транспортное средство без водителя. Оно, как правило, предназначено для автоматической подачи заготовок или деталей в пределах технологической системы или производственного подразделения. Часто синонимом термина "робокар" в источниках информации является "автоматическая транспортная тележка Сautomated guided rehicle system.
      Эти устройства перемещаются по ограниченной траектории и не подходят под предлагаемое определение "мобильный робот". Но если на робокаре установлен манипуляционный робот, то он должен быть отнесен к манипуляционным подвижным роботам.
      Экстремальные условия - это или экстремальные среды или экстремальные процессы.
      Возможны различные подходы к классификации мобильных poботов.
      Необходимо отметить, что для работы в недетерминированных условиях могут в подавляющем большинстве случаев использоваться только мобильные роботы. Недетерминированные условия - это или недетерминированные среды или недетерминированные процессы.
      К недетерминированным средам предлагается относить природные среды и среды, создаваемые аварийными ситуациями как в природных условиях, так и при разрушениях сред, спроектированных и созданных человеком, т.е. при разрушениях зданий и сооружений. К действиям робота в природных средах относятся действия при горных разработках, полевых сельскохозяйственных работах, лесопосадках, разведке на местности, подводных и подземных работах, при определениях радиоактивной зараженности местности, военных действиях при разминировании и патрулировании, обслуживании слепых в качестве поводырей на улице и т.п. К действиям робота при разрушениях созданных человеком сред относятся действия по расчистке завалов, спасательных работах в разрушенных сооружениях и т.п.
      К недетерминированным процессам условимся относить каждый процесс, протекание и результат которого не зависит полностью от целенаправленной деятельности человека. Недетерминированными процессами являются все природные процессы (землетрясения, извержения вулканов и т.п.), пожары, взрывы, уборка сельскохозяйственных продуктов и т.п.
      Необходимо отметить, что в детерминированных условиях мобильные роботы используются редко. Детерминированные условия - это или детерминированные среды и (или) детерминированные процессы.
      К детерминированным средам условимся относить среды, проектируемые и создаваемые человеком (производственные, бытовые и другие помещения и здания, строительные площадки и другие сооружения). К детешинированньм процессам условимся относить каждый (.процесс, протекание и результат которого полностью зависит от целенаправленной деятельности человека (деятельности по непосредственному осуществлению процесса, управлению процессом и т.п.).
      К примерам использования мобильных роботов в детерминированных условиях относится, например, обслуживание атомных электростанций и других сооружений, пребывание в которых опасно для человека; обслуживание людей в быту в качестве роботов-уборщиков, роботов-саделок и т.п.
      Мобильные роботы можно классифицировать по функциональному назначению (рис.1-2)1
      Мобильные транспортные роботы - мобильные роботы, которые служат в основном для транспортирования грузов. Они имитируют двигательные функции ног человека и являются, по существу, интеллектуальными транспортными средствами.
      Мобильные манипуляционные роботы - мобильные роботы, несущие на себе манипуляторы. Они имитируют двигательные функции как ног, так и рук человека.
      Мобильные информационные роботы - мобильные роботы, несущие на себе различные контрольно-измерительные приборы.
      В источнике [2] предложено все роботы подразделять на манипуляционные, мобильные и информационные. В источнике Е21 под информационным роботом понимается робот, основное функциональное назначение которого - производить обработку информации от внешних источников, передавать результаты на дисплей или другие приборы, а также автоматически вырабатывать на основе этих результатов необходимые управляющие сигналы. Однако такое деление роботов представляется спорным. Ведь те особенности, которые указываются в качестве основных для информационных роботов, имеют все роботы (и манипуляционные, и мобильные), обладающие элементами искусственного интеллекта, т.е. это особенности, говорящие скорей об уровне развития системы управления робота, о том, насколько совершенен "мозг" робота. И отнеся к роботам чисто информационные системы (без функций имитации двигательных функций человека) мы будем логически вынуждены отнести к роботам и все вычислительные машины с элементами искусственного интеллекта, если они вырабатывают любые управляющие сигналы и имеют систему обратной связи с окружающими объектами. Также, логически, к роботам придется отнести все контрольно-измерительные приборы, если сигналы от них поступают по каналам связи на любой вычислительный комплекс, управляющий какими-либо процессами.
      По степени независимости от участия человека-оператора в контуре управления все мобильные роботы могут быть классифицированы на две большие группы: с автоматическим управлением (автономные роботы); с интерактивным управлением (телеоператоры, телероботы).
      Мобильные роботы с автоматическим управлением - роботы, управление которыми осуществляется системой управления без участия человека в контуре управления.
      Для того, чтобы совершать действия без участия человека (обычно в недетерминированной, изменяющейся среде) роботы должны обладать искусственным интеллектом. В связи с этим, в отличие от других роботов, мобильные роботы с автоматическим управлением в источниках информации обычно называются автономными. Автономные мобильные роботы - это роботы, способные сами (в зависимости от сигналов от датчиков) принимать решение в изменяющейся обстановке. Иногда они называются также самообучающимися мобильными роботами . Необходимо отметить, что термин "автономный робот" в источниках информации трактуется не однозначно: в некоторых источниках так называется весь класс мобильных роботов, а в некоторых - часть роботов с интерактивным управлением.
      Роботы с интерактивным управлением следует признать системами более высокого интеллектуального уровня, чем автономные роботы, т.к. возможности человеческого разума на уровне принятия решения в критических ситуациях превосходят в настоящее время самые развитые системы искусственного интеллекта.
      Мобильные роботы с интерактивным управлением - это роботы, которые могут работать,и в автоматическом режиме, и управляться человеком-оператором. В отличие от биотехнических систем (систем с ручным управлением), интерактивные системы имеют устройства памяти для автоматического выполнения определенных действий. Поскольку зти роботы управляются человеком-оператором дистанционно, то синонимами для "мобильного робота с интерактивным управлением (или, мобильного интерактивного робота) являются дистанционно управляемый мобильный робот: телеробот; телеоператор с интерактивным управлением.
      Следует отметить, что если на мобильном роботе с интерактивным управлением установлен манипуляционный робот (основное функциональное назначение которого имитация двигательных функций рук человека), то такая система в источниках информации может иметь название как робот, так и манипулятор с интерактивным управлением. Ниже рассмотрены типы роботов с интерактивным управлением;
      -Мобильный робот с автоматизированным управлением - мобильный робот, в котором автоматические режимы работы чередуются во времени с ручными режимами работы.
      — Мобильный робот с супервизорным управлением supervisory-aontrolled robot - мобильный робот, в котором все задачи заданного цикла операций выполняются автоматически поэтапно, но переход от одного этапа к другому может осуществляться только после подачи человеком-оператором необходимой целеуказательной команды.
      —Мобильный робот с диалоговым управлением - мобильный робот, который обладает свойствами к адаптации или даже элементами искусственного интеллекта и может помимо выполнения различных запрограммированных действий вццавать рекомендации человеку-оператору по возможным способам действия (исходя из заложенного в память робота задания и на основании результатов оценивания им обстановки в зоне его действия) [21. Диалоговое управление предполагает разнообразные формы общения оператора с системой управления робота на языках любого уровня, включая подачу комацд голосом, текстом и т.п. [91. Робот может опротестовать неосторожные действия человека-оператора. Робот может запрашивать человека о помощи, если ему недостает данных для выполнения требуемой операции [21.
      Часто в источниках информации все системы ( и манипуляционные и мобильные), в которых человек находится в контуре управления, объединяются в одну группу дистанционно управляемых систем.
      Обычно вся группа дистанционно управляемых систем называется телеоператорами [teleoperator J. Дословный перевод приставки "tele " - удаленный, т.е. под телеоператором можно понимать любую малину, которой человек управляет на расстоянии. В данном материале, естественно, рассматриваются только телеоператоры, выполняющие функции, аналогичные функциям конечностей человека. Поскольку развитие телеоператоров пошло от дистанционно управляемых манипуляторов, то иногда в источниках информации синонимом
      термина tele operator считается demote manipulator (т.в. телеманипулятор). Однако развитие мобильных систем потребовало распмрение понятия "телеоператор" и включения в него не только манипуляционных, но и мобильных устройств без манипуляторов.
      1-2. Состояние и прогнозы создания мобильных роботов
      Создают мобильных роботов для работы в экстремальных условиях придается такое важное значение, что реализация их создания в капиталистическом мире ставится на уровень решения правительственных органов [13 . В Японии в 1983 г. в качестве одного из государственных проектов промышленных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства торговли и промышленности начал реализовываться проект по созданию "роботов для работы в экстремальных условиях". Созданная для проведения и ускорения научно-исследовательских работ "Ассоциация по исследованиям в области робототехники для работ в экстремальных условиях (аетеа) включила в себя 18 корпораций и 2 некоммерческие организации. Программа рассчитана на 8 лет. Общая стоимость работ - 20 млрд. иен.
      Целью работ является разработка техники, необходимой для создания и практического применения роботов, обладающих подвижностью и универсальностью на том уровне, который бы позволил выполнять работы в атомной промышленности, мировом океане или в бедственных ситуациях без непосредственного участия человека. Наряду с разработкой роботов, принято решение провести научно-исследовательские и опнтно-конструкторские работы по созданию базовой техники общей для всэх областей применения робототехники.
      В Европе с участием трех стран (Франции, Италии, Испании) выполняется проект fecREKA по усовершенствованию мобильных роботов двух типов AMPI и АМР2. Проект ставит задачей создание мобильных роботов с целью обеспечения безопасных условий труда или действий, связанных с разведкой в опасных зонах, ликвидаций производственных аварий, осуществления антитеррористических действий, предотвращения и тушения пожаров, а также ликвидации бедствий.
      Проект был одобрен в качетве общеевропейского проекта на совещании министров стран ЕЭС в Лондоне в июне 1986 г.
      так же как и японская ассоциация "artra" при усовершенствовании робота ставится одновременно задача не только создать мобильный робот или систему роботов, как таковых, но и создать предпосылки: конструкторские, технологические, производственные для создания роботов третьего поколения, т.е. одновременно отработать и создать более совершенные датчики, особенно системы технического зрения, более совершенные движители, системы управления. Всю работу планируется реализовать в три этапа.
      I этап включает разработку задания и требований на функциональные подсистемы, определение принципов действий и предварительных технических характеристик подсистем, предварительные исследования для выявления граничных значений параметров в критических ситуациях.
      П этап включает разработку технического проекта систем и подсистем, проведения исследований, моделирования.
      Ш этап включает разработку рабочей документации, изготовление, испытание, осуществление авторского надзора при эксплуатации.
      Первый этап заканчивался в 1987 г. Сроки выполнения последующих этапов будут определяться по результатам выполнения предыдущих; опытный образец планируется изготовить в 1991 г. Общая стоимость работ составляет 460 млн французских франков.
      Однако по данный, представленным на симпозиуме "Искусственный интеллект и робототехника для армии США" (ноябрь 1985 г. Остин штат Техас) ? 17], уже в настоящее время изготовлены мобильные телеуправляемые роботы, число которых по разный странам распределено как указано в таблице I-I.
      Наибольшее употребление из рассмотренных систем падает на двухгусенечные, четырех- и шестиколесные.
      Каждый из рассмотренных МР был разработан, изготовлен и эксплуатировался во вредных средах, каждая из которых считалась автономной и по условиям эксплуатации неадекватной. Соответственно отсутствовала координация работ среди разработчиков. Однако схожесть задач и выполнений требований, которье эти МР должны были осуществлять, привнесли и схожесть в конструкцию транспортных средств, а также методам их эксплуатации. Например, рассмотрение выполняемых операций, для которых предназначались дан-ньв МР в соответствующих отраслях областях или средах, (табл. 1-3) показывает, что многие операции могут быть осуществлены любьш из нескольких средств. Более того на большинстве МР могут быть обнаружены одни и те же или аналогичные элементы сенсорных устройств и оборудования (табл. 1-4).
      Анализ и систематизация характерных особенностей и технических характеристик 69 наименований мобильных роботов позволил создать техническую характеристику "обобщенных МР" (табл. 1-5).
      8 исследования, проведенные японской ассоциацией промышленных роботов ( лед ) по прогнозированию развития роботостроения в непроизводственных сферах (июнь 1984 г.), было включено 196 тем [15]. Исследование проводилось методом "Делфи" и охватывало период до 2000 года. Результаты исследования показали, что нз -15 направлений наибольшее число тем будет проводиться по исследованию и разработке промышленных ресурсов моря, в строительстве, производстве земляных работ, для противопожарных мер профилактики и тушения пожара, сфере обслуживания, здравоохранения. Эти же исследования показали, что наиболее вероятное время начала- Разработок — 1969 г., а внедрение этих работ в 1993 г.
      Из 198 тем в зависимости от прогнозируемого временного интервала были выбраны темы, которые можно разделить на три группы. Первая группа - это темы к разработке крторых планировалось приступить в 1987 г.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ