|
От редакции
Промышленные роботы как ключевой элемент гибких автоматизированных производств нашли широкое применение как у нас в стране, так и за рубежом. Общепризнано лидирующее положение Японии в этой области. Автор настоящей книги Э. Накано, один из ведущих специалистов в робототехнике, представил в своей монографии довольно обширный и во многом оригинальный материал по промышленным роботам. При этом материал излагается таким образом, что книга может быть использована и как вводный курс теоретических основ робототехники, и как инженерно-справочное пособие по элементной базе и отдельным устройствам промышленных роботов. Отсутствие до сих пор в Советском Союзе переводных работ подобного типа по промышленной робототехнике дает основание считать, что предлагаемая монография вызовет интерес у читателей.
Предисловие
Опираясь на самые современные достижения науки и техники, робототехника развивается непрерывно и стремительно. В процессе развития она вбирает в себя все новые и новые научные направления, что чрезвычайно затрудняет проведение строгой систематизации научных основ робототехники. Попытка автора представить собственную систематизацию принципов науки о роботах привела к написанию данной книги.
В основу книги легли лекции по робототехнике, которые автор на протяжении шести лет читал в Университете Хосиба. При определении структуры книги автор руководствовался собственным опытом и вкусом. Книга состоит из семи глав, в которых рассматриваются фундаментальные принципы и основные понятия почти всех научных направлений, имеющих важное значение для развития робототехники, — от анализа исторических предпосылок появления роботов до прогнозирования направлений дальнейшего прогресса производства и применения роботов; от простейших исполнительных элементов (приводов) до систем искусственного интеллекта. Наряду с изложением общих принципов автор стремился наиболее полно отразить самые последние результаты, полученные в каждой из областей науки о роботах. Из множества вопросов, имеющих непосредственное отношение к робототехнике, он счел целесообразным уделить наибольшее внимание техническим элементам и устройствам, составляющим основу любой робототехнической системы. Поэтому самые большие главы книги посвящены детальному изложению особенностей построения приводов и исполнительных систем для роботов, включая методы управления ими, а также основам проектирования и анализа манипуляционных механизмов и механизмов передвижения роботов в пространстве, в том числе разработке алгоритмов управления этими механизмами.
Автор выражает свою признательность коллегам из отдела робототехники Научно-нсследовательского центра проблем механики, где и зародилась мысль о написании книги. Самые теплые слова он адресует сотрудникам издательства Юме я», чьн настойчивость и терпение привели к тому, что автору наконец удалось преодолеть привычку бесконечно затягивать начатое дело, — и книга увидела свет,
Эйдэи Накано
История развития робототехники
В данной главе представлены самые изначальные сведения о роботах — искусственных существах, сходных по внешнему виду и функциональным возможностям с человеком или иным живым существом. Прослеживается история зарождения н формирования идеи создания механических людей — от человекоподобных андроидов древних мифов и легенд до роботов и киберов, населяющих страницы современных научно-фантастических романов. Рассказывается о первых попытках человека практически реализовать эту идею и в качестве примеров приводятся знаменитые андроиды, театральные куклы и «живые игрушки» — творения искусных мастеров «золотого века» механики. Анализируются причины невиданного подъема промышленной робототехники. Обсуждаются отличительные особенности так называемых интеллектуальных роботов, а также основные направления научных исследований, целью которых является создание роботов с элементами искусственного интеллекта.
Механические существа
Упоминание о «живых» существах, созданных руками человека, и своим внешним видом и поведением напоминающих людей или каких-либо живых существ, можно встретить во многих древних мифах и легендах. Если тщательно проанализировать легенды и мифы о рукотворных механических существах, то нетрудно заметить, что речь, по существу, идет либо о существах, наделенных фантастической физической силой, способных летать, жить под землей и под водой, либо о существах, беспрекословно подчиняющихся человеку и выполняющих за него самую тяжелую и изнурительную работу.
Первое упоминание о «искусственном человеке» — медном великане по имени Талое — датируется III в. до н. э. Не менее древним прообразом робота является глиняный колосс Голем, обладавший чудовищной физической силой.
Дошедшие до нас достоверные сведения о механических людях, созданных человеком, относятся к I в. и связаны с именем Герона Александрийского. Этот известный древнегреческий механик сконструировал устройство, с помощью которого «оживали» статуи, установленные в храме Дионисия: стоило на жертвеннике храма запылать огню, как фигуры бога Дионисия и его жены Ариадны начинали двигаться. Особого внимания заслуживают механические люди и животные, созданные искусными мастерами средних веков. К их числу относится «Петух, машущий крыльями» (XIII в.):
ровно в 12 часов петух расправлял крылья и трижды возвещал о наступлении полдня. Трепет и восхищение вызывала фигурка грозного царя эфиопов: механический царь приветствовал восход солнца громким возгласом. Но наибольшую известность получили сохранившиеся до наших дней «Порхающая утка» французского механика Жака де Вокансона (рис. 1.1) и четыре механических человека (андроида), авторами которых являются швейцарские часовщики Пьер-Жак Дро и его сын Анри Дро. Образцом высочайшего технического мастерства может служить андроид «Писец» Пьера-Жака Дро (рис. 1.2): сидящая за столом девочка аккуратным почерком выписывает буквы, слова и даже может нарисовать собаку. При этом она плавно покачивает головой и опускает веки в такт движения руки. Пораженные зрители готовы были поверить чему угодно, но только не тому, что перед ними механизм, собранный руками обыкновенного смертного.
1) Успехи механиков вдохновили знаменитого французского философа и врача Офре Ламетри на создание системы механического материализма и сенсуализма. Он рассматривал человеческий организм как самозаводящугося машину, подобную часовому механизму.
2) «Кондзяку моиогатари» — сборник легенд, преданий и народных рассказов, крупнейший памятник японской классической литературы XII в. — Прим. перев.
3) Эдо — период в истории Японии с 1603 по 1867 гг., когда г. Эдо (современный Токио) являлся резиденпией сегунов династии Токугава. — Прим. перев.
Такие куклы поражали воображение зрителей на спектаклях кукольного театра «Такэда Каракури дза» еще в 1669 г.
Рис. 1.3. «Девушка, пьющая чай».
Первое упоминание о механических людях в японской литературе встречается в сборнике легенд III в. 2) Настоящие «механические люди» (андроиды) в виде механических кукол «каракури» появились в Японии в эпоху Эдо8). Ученый-энциклопедист того времени Комакава Синрай составил атлас чертежей известных ему театральных кукол, и таким образом до нас дошли сведения об устройстве этих сложных и чрезвычайно точных механизмов. На основе схем, представленных в списке, профессор Хокурийского университета Татикава Седзи создал копию куклы «Девушка, пьющая чай» (рис. 1.3). Любуясь этой замечательной копией, можно лишь догадываться об искусстве старых театральных мастеров. Наблюдая за движениями «Девушки, пьющей чай» или взмахами прозрачных крыльев механической стрекозы, японцы восхищались тончайшей работой своих механиков ничуть не меньше, чем европейцы восторгались искусством отца и сына Дро. Как в Европе, так и в Японии «механические люди» служили эталоном высочайшего мастерства и продуктом самых совершенных технологий своего времени.
Роботы
Впервые слово «робот» появилось в пьесе чешского писателя Карела Чапека, написанной им в 1920 г. и носящей название R. U. R. (Rossums Universal Robots). Механические люди, или роботы, внешне подобные человеку, отличаются от него целым рядом качеств, которые превращают эти существа в живую машину. Роботы не чувствуют боли, не испытывают человеческих чувств. Они созданы людьми только для того, чтобы выполнять порученную работу, и в этом смысле не только не уступают людям, но и превосходят их по искусности и физической силе. В обществе им отводилась роль чернорабочих и солдат. Предприимчивые промышленники в погоне за прибылью налаживают массовое производство роботов. Сами люди тем временем перестают трудиться, и, по выражению одного из героев пьесы, наступает «сплошная сумасшедшая скотская оргия». В конце концов роботы «от ужаса и страданий обретают душу», прозревают и восстают. Таков сюжет пьесы.
Спустя семь лет после премьеры R. U. R. американский инженер Дж. Венсли сконструировал первый в мире робот «Televox».
х) Робот — от чешского robot — машина с так называемым антропоморфным (человекоподобным) действием.
Благодаря внешнему сходству с человеком и способности выполнять элементарные движения по команде, подаваемой человеком, он стал экспонатом Всемирной выставки в Нью-Йорке. В Японии первый робот был создан в 1928 г. под руководством д-ра Ниеи-мура Макота и был назван «Естествоиспытатель». Оснащенный электродвигателями, он мог менять положение рук и головы. Впоследствии этот примитивный механизм стали считать родоначальником отечественного роботостроения в Японии.
В наше время популярность роботов столь велика, что онн являются непременными персонажами практически любого сов-временного научно-фантастического произведения. Среди этих произведений, пожалуй, самое непосредственное отношение к реальным проблемам робототехники сегодняшнего дня имеет роман Айзека Азимова «Я, робот», в котором американский фантаст сформулировал характерные черты поведения роботов, известные во всем мире как «три принципа Азимова».
Говоря об истории роботов, необходимо упомянуть и о комиксах, мультфильмах и полнометражных кинолентах. В первую очередь следует отметить созданные в Японии сериалы научно-фантастических комиксов, таких, как «Железнорукий Атом» и «Железный человек № 28». Не исключено, что японские научно-фантастические комиксы о взаимоотношениях людей и роботов сыграли определенную роль в формировании психологических факторов и таким образом способствовали поразительному расцвету робототехники в этой стране.
Условия становления и развития робототехники
Как и любая новая область науки или техники робототехника возникла не на пустом месте. Своему появлению на свет роботы обязаны, в частности, компьютеризации производства, автоматизации технологических процессов, а также огромному опыту, накопленному в процессе эксплуатации станков для механической обработки с числовым программным управлением (ЧПУ). Прототипами современных роботов являются механические или полуавтоматические протезы, а также копирующие манипуляторы.
Вычислительная техника
История вычислительной техники ведет свое начало от простейших счетных механизмов. В глубокой древности единственным вычислительным инструментом человека были пальцы рук. По мере усложнения счетных операций для их выполнения стали применять веревку с завязанными на ней узелками, а также мелкие камушки или другие схожие между собой предметы. Для удобства камешки помещали в специальный ящик с ячейками. Некоторые народы пользовались пятеричной системой счисления.
Так, в древнем Китае появился один нз первых в истории человечества вычислительных инструментов — пятеричные счеты «со-робан». Следующий качественный скачок в развитии вычислительной техники — появление принципиально новых счетных устройств — произошел лишь в конце XVI в. Именно тогда великий французский ученый Блез Паскаль построил первую суммирующую машину. Правда, она могла выполнять только простейшие арифметические действия — сложение и вычитание. Но уже в конце XVII в. немецкий философ, математик Готфрид Вильгельм Лейбниц создал машину, умеющую делить и умножать. Наконец, в XIX в. в Англии была разработана счетная «Аналитическая машина», структурные особенности которой на целое столетие предопределили направление развития вычислительной техники. Эта машина имела почти все те функциональные блоки, из которых состоят современные ЭВМ, а ввод данных осуществлялся с помощью перфокарт. Ее создатель — английский механик Ч. Бэббидж — вошел в историю вычислительной техники как «отец вычислительной машины» Основы, заложенные Ч. Бэббиджем, получили дальнейшее развитие и практическое воплощение в целом ряде аналогичных по структуре механических счетных устройств. В их числе следует упомянуть устройство умножения французского математика Леонглля, вычислительную машину «Миллионер» Отто и Стэйга, специализированный «непосредственный умножитель» Р. Фурье, суммирующий механизм Барроуза, «счетную машину» Одона и др.
Первые успехи в практической реализации простейших счетных устройств пробудили интерес к теоретическим принципам построения вычислительных машин. В 1854 г. английский математик и логик Джордж Буль разработал основы математической логики и создал так называемую булеву алгебру. Булево исчисление легло в основу реализации всех выполняемых современными ЭВМ вычислительных и логических операций. В 1936 — 1937 гг. английский математик Алан Мотисон Тьюринг ввел концепцию «абстрактной вычислительной машины», способной с помощью простейших операций считывания и сдвига выполнять вычисления произвольной сложности ’). Логическим завершением периода формирования теоретических основ вычислительной техники явились работы известного американского математика Джона фон Неймана. Именно ему принадлежит идея записи в память ЭВМ программы решения какой-либо задачи на этой ЭВМ. При изменении условий или содержания задачи достаточно всего лишь составить новую программу путем четкой последовательности инструкций для вычислительной машины и записать ее в память, не изменяя конструкции самой ЭВМ. Таким образом, появилась возможность решать различные по классу и сложности задачи на одной и той же ЭВМ, способной к выполнению лишь самых примитивных операций. Другими словами, благодаря принципу хранимых программ вычислительные машины стали действительно универсальными. Первыми компьютерами, в которых фоннейма-новский принцип получил практическое воплощение, были вычислительная машина на электромагнитных релейных схемах Эйкена (1944 г.) и электронная вычислительная машина ENIAC, разработанная в 1947 г. под руководством Эккерта и Морли).
Чтобы подтвердить правильность и практическую значимость своих предложений, Дж. фон Нейман в 1945 г. приступил к созданию ЭВМ EDVAC, работающей в соответствии с принципом хранимой программы, а затем предложил проект вычислительной машины IAC, в которой в отличие от традиционной фоннейманов-ской архитектуры некоторые вычислительные операции выполнялись с частичным совмещением во времени, т. е. параллельно.
Не менее важное значение для развития вычислительной техники и роботов имела другая работа Дж. фон Неймана — «Общая и логическая теория кибернетических автоматов», опубликованная в 1951 г. и посвященная принципам построения управляющих и вычислительных автоматических устройств.
Начиная с первых работ фон Неймана теория и практика электронных вычислительных машин развиваются поразительными темпами. За прошедшие десятилетия в области технологии проектирования и изготовления ЭВМ достигнуты поразительные успехи: существенно уменьшилась стоимость ЭВМ, увеличилась емкость запоминающих устройств, повысилась скорость вычислений, появились разнообразные по области применения и функциональным возможностям операционные системы и языки программирования, а также самые различные аппаратные вычислительные средства и соответствующее программное обеспечение. За короткий период сменились четыре поколения вычислительных машин. Если основу машин первого поколения составляли электронновакуумные лампы, второго поколения — транзисторы, третьего — интегральные схемы, то элементной базой ЭВМ четвертого поколения стали сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) (рис 1.4). Особенно важную роль сыграло появление микропроцессоров и микропроцессорных наборов БИС, без которых создание современных мобильных роботов было бы невозможным.
Стремительное развитие аппаратных средств вычислительной техники и прогресс в области архитектуры ЭВМ привели к усложнению структуры и укрупнению функций программного обеспечения вплоть до появления сложнейших машинно-независимых программных систем. Среди программных систем, имеющих непосредственное отношение к робототехнике, в первую очередь следует отметить языки управления роботами и операционные системы робототехнических комплексов1). К наиболее перспективным языкам, на базе которых возможна реализация специализированных операционных систем, работающих в реальном масштабе времени, и управляющих языков, можно отнести С и FORTH. Заметим, что современный компьютер, даже в совокупности с самыми сложными системами программного обеспечения, все еще уступает человеку в умении запоминать разнородную информацию, делать выводы на основании суждений и принимать обоснованные решения. В целях дальнейшего расширения функциональных возможностей ЭВМ и совершенствования их интеллектуальных способностей министерство промышленности и внешней торговли Японии предложило в 1982 г. проект крупномасштабных исследований по «Созданию ЭВМ пятого поколения». Этот проект послужил стимулом для интенсификации работ по созданию компьютеров следующего поколения в США и многих европейских странах. Содержание понятия «ЭВМ пятого поколения» еще не приобрело ясных очертаний и будет уточняться по мере реализации проекта создания новых ЭВМ. Однако уже сейчас заслуживает внимания появившийся в результате исследований по созданию ЭВМ новых поколений язык PROLOG, предназначенный для построения программных систем с элементами искусственного интеллекта.
Средства автоматизации производства
и станки с числовым программным управлением
Мощным толчком к созданию средств автоматизации изготовления различных видов изделий послужила промышленная революция — переход от мануфактуры к машинному производству. Особенно быстрыми темпами автоматизация производства осуществлялась в Новом Свете. В 1907 г. на заводе Форда был разработан и внедрен так называемый производственный комплекс Т-типа — родоначальник современных автоматических поточных линий.
Конечной целью автоматизации производства, определяющей направление его развития, является уменьшение затрат труда и высвобождение рабочих рук за счет создания автоматических производственных систем. Одним из самых замечательных результатов, достигнутых в процессе эволюции средств автоматизации, явилось изобретение автоматических станков. Наиболее интенсивный период развития мирового станкостроения приходится на годы второй мировой войны. Американские компании, занятые производством военной авиационной техники, осознав необходимость создания новых высокоточных и более производительных станков для механической обработки сложных деталей самолетов, приступили к исследованиям в области станкостроения. Реализация одной из исследовательских программ разработки новых обрабатывающих станков для авиационной промышленности осуществлялась под руководством Дж. Парсонса. В 1948 г. Парсоно высказал мысль о возможности числовых управлений станками для механической обработки В 1952 г. в результате сотрудничества группы Парсонса с Массачусетским технологическим институтом был построен первый в мире станок с числовым программным управлением (станок с ЧПУ), Это был фрезерный станок с числовым программным управлением по трем степеням подвижности. Убедившись в эффективности таких станков, американские авиационные компании приступили к их практическому освоению. Согласно некоторым данным, на военных заводах США в 1955 г. было установлено около 100 фрезерных станков с ЧПУ.
В Японии научные исследования в области станкостроения стали носить систематический характер только к 1957 г. В то время главные научные силы станкостроения были сосредоточены в Токийском технологическом университете, исследовательских отделах фирм Fujitsu и Bokuno Frezer, а также в испытательной лаборатории Института технологий промышленности (ныне Научно-исследовательский центр проблем механики). В результате работ, проводимых этими и другими коллективами, в Японии появились собственные станки о ЧПУ. К этому моменту в области мирового станкостроения был сделан следующий шаг: в 1959 г. фирма Сагпу and Trakker создала первый в мире обрабатывающий центр — обыкновенный станок с ЧПУ, объединенный с устройствами для автоматической замены обрабатывающего инструмента.
Принципы управления современными промышленными роботами, программируемыми обучением по первому циклу, аналогичны тем, что использовались в первых станках с ЧПУ. Отличительная особенность станков с ЧПУ заключается в том, что данные, необходимые для обработки деталей в соответствии с предварительно заданным чертежом, наносятся на бумажную перфоленту, которая вводится в систему управления станком через специальное устройство считывания перфолент. С помощью одной перфоленты можно управлять обработкой любого количества одинаковых деталей; заменяя по мере необходимости одну управляющую перфоленту другой, на одном к том же станке можно обрабатывать множество различных по форме и материалу деталей. Последовательность подготовки программ и управления работой станка с ЧПУ схематически показана на рис. 1.5
Что касается программирования промышленных роботов, го в данном случае вместо подготовки управляющей перфоленты человек, как правило, непосредственно проводит руку робота с инструментом по рабочей траектории, при этом узловые точки траектории записываются в память устройства управления, которое затем может воспроизвести запомненную траекторию требуемое число раз. Такой способ программирования является специфическим для роботов. Он получил название обучение по первому рабочему циклу, или просто обучение Записанные в память координаты узловых точек преобразуются в цифровую форму, поэтому и робот, и обрабатывающие станки могут управляться с помощью одинаковых устройств ЧПУ.
¦¦¦ Заметим, что промышленная робототехника не ограничилась в своем развитии тем, что унаследовала от станкостроения основные принципы числового программного управления. Она и по сей день продолжает заимствовать конструктивные и алгоритмические решения, появляющиеся по мере совершенствования станков с ЧПУ. В частности, в более сложных современных роботах для повышения точности и плавности перемещения захвата по рабочей траектории широко используются принципы числового программного сервоуправления, а управление одновременным перемещением по двум и более степеням подвижности осуществляется посредством интерполяции заданной траектории. Прежде чем эти технологические решения были взяты на вооружение разработчиками промышленных роботов, они прошли апробацию в станках с ЧПУ.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
