- Вот вы сказали про массовое производство, - возражает первый специалист, - а нам кажется, что эксплуатация роботов наиболее подходит для небольших предприятий с многономенклатурным, мелкосерийным производством. Только тогда с наибольшим эффектом используется "гибкость" робота, то есть простота переналадки циклограммы движения: изменение траектории, скорости, ускорения, нагрузки и, наконец, смены рабочего инструмента.
Самое существенное в применении промышленных роботов - это перспектива комплексной автоматизации производства, возможность создания интегрированных производственных систем, так сказать, заводов-роботов, где целые роботизированные участки, цеха и производства будут функционировать автоматически, без участия человека. При этом они будут обладать основными достоинствами роботов - гибкостью, простотой переналадки.
Из этих реплик специалистов вытекает основной вывод: применение роботов в современных условиях оказывается весьма выгодным.
КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ?
"Существует традиционный принцип, который можно выразить так: наука начинается с измерения и вычисления. Эта традиция идет от физики. В действительности же наука начинается с классификации", - говорит Д. Поспелов, специалист в области роботов и искусственного интеллекта.
Если считать эту книгу введением в науку роботологию, то нам не миновать этапа классификации роботов.
Скажем сразу, что единой научно обоснованной классификации роботов пока нет. Классифицировать их можно по самым различным признакам. Каждая группа специалистов выдвигает свои принципы классификации.
Представители организаций, разрабатывающих и внедряющих силовые установки и механические манипуляторы роботов, предлагают классифицировать их по кинематическим, геометрическим и энергетическим характеристикам. По кинематическим параметрам роботов делят в зависимости от скоростей перемещения. По геометрическим - в зависимости от размеров их функциональных органов, прежде всего манипуляторов, и, таким образом, диапазонов их перемещений. По энергетическим - на группы по грузоподъемности: до 5 килограммов (груз, перемещаемый человеком одной рукой) о г 5 до 40 килограммов (перемещаемый двумя руками) и более 40 килограммов (для перемещения необходимы усилия нескольких человек).
Разработчики систем управления роботами предлагают свою классификацию, учитывающую степень участит человека в процессе управления. Тут роботы подразделяются1 на два большие класса: биотехнические и автономные.
К первому - биотехническим роботам - относятся те, которые управляются человеком, так сказать, по копирующему принципу. Это так называемые экзоскелетоны, то есть механические силовые каркасы, надеваемые непосредственно на человека. Сюда же относятся и роботы без человека, управляемые оператором с пульта управления, и полуавтоматические роботы, когда человек с пульта оперативно меняет только программы движений. Эти устройства лишь условно относятся к классу истинных роботов, так как их интеллект полностью или частично заменен интеллектом оператора.
Второй класс - истинные роботы. Это автономные, то есть работающие без участия человека, автоматические устройства с искусственным электронным мозгом. Здесь шкала классификации обусловлена степенью интеллектуальности робота, то есть мощностью компьютера и гибкостью программного обеспечения, составляющего основу управляющего устройства.
Специалистам, занимающимся внедрением роботов, представляется естественным делить их по сферам применения или "обитания". Так же, как представители животного мира обитают на земле и под землей, в воздухе и океане, так и роботы служат человеку на земле и в космосе, в океане и под землей, в пустынях Азии, в Арктике и Антарктиде.
Наиболее многочисленна "популяция" производственных роботов: промышленные и сельскохозяйственные, транспортные и строительные, медицинские и бытовые.
Можно даже изобразить своеобразное генеалогическое древо роботов. Возрастая на почве кибернетики, оно держится на трех мощных корнях: компьютерах, телеметрических датчиках и механических манипуляторах. Три мощные ветви образуют это древо: исследовательские роботы, производственные роботы и роботы бытовые.
Можно было бы и дальше плодить нескончаемые предложения о принципах классификации роботов. Мы не станем этого делать, нам важно было лишь показать, как велика "популяция" роботов, как сильно затронула роботология основные сферы научной и производственной деятельности человека.
"Эволюция роботов, которая началась в той точке, в которой эволюция живых существ достигла, так сказать, своего предела, а именно, с появлением человека, обещает, по крайней мере сейчас, даже превзойти человека в определенных областях. В противоположность эволюции живых существ, которая является, по существу, процессом проб и ошибок, эволюция роботов представляется в настоящее время заранее тщательно продуманным процессом". Так писалось еще в 1970 году по поводу разработки интеллектуальных роботов.
Специалисты по проблемам роботологии твердо "держат руку на пульсе" эволюции своих детищ. Потому в противоположность узкоспециальным классификациям они выдвигают свою уже ставшую привычной в других сферах классификацию поколений.
К первому поколению промышленных роботов относят простые манипуляторы с минимальным интеллектом, способные обучаться и выполнять заранее заданную циклограмму движений.
Второе поколение так называемых очувствленных роботов характеризуется наличием всевозможных датчиков - органов чувств, это датчики положения руки робота, датчики усилия - как бы осязание робота, оптические датчики своеобразное зрение, микрофоны - его слух и так далее...
Третье поколение роботов - это роботы "интеллектуальные", которые призваны не только и не столько воспроизводить механические движения, подобные человеческим, сколько решать сложные интеллектуальные задачи: распознавание формы, положения деталей, сборка узлов из произвольно расположенных компонентов, чтение чертежей и контроль качества изделий.
Эта классификация, отражающая развитие роботов и расширение сфер их применения, настолько проста и органична, что мы примем ее как основу этой книги.
Итак, поколения роботов, О них и пойдет речь в следующих главах.
РОБОТ
АНДРОИДОВИЧ
АВТОМАТОВ
ДЕТСТВО
Поколения современных промышленных роботов принято отсчитывать от первого, хотя в принципе числовая шкала в положительную область начинается с ноля.
"Неужели существует нолевое поколение роботов?" - спросит читатель. Как это понимать?
Да, существует. Каждая идея и любое ее техническое воплощение имеют свою нолевую фазу, так сказать, утробное развитие проблемы. Абсолютный ноль робототехники глубоко погружен в историческое прошлое человечества. Промышленный робот как механический соратник человека ведет свою родословную от первых приспособлений, помогавших людям обустраивать свою жизнь. 7 - 8 тысяч лет до нашей эры, в эпоху неолита, человек применял первые инструменты для сверления отверстий в камне. 3 - 4 тысячи лет до нашей эры появился гончарный круг - дальний родственник всех современных токарных и карусельных станков. Во II веке до нашей эры появились водяные часы: вода, вытекавшая из сосуда, поднимала поплавок, указывающий время на вертикальной шкале Их автор - живший в Александрии механик Ктезибий.
В античном мире прароботы существовали в виде оживших статуй и всевозможных "чудесных" машин.
Стоило бросить несколько монет в открытый зев каменного грифона, как "священная" вода сама собою изливалась из его глаз. Двери храма открывались, как сказал бы современный инженер, "автоматически", когда жрец возжигал огонь на алтаре перед храмом. Движущиеся статуи Герона Александрийского Старшего и других механиков эпохи эллинизма зачастую являлись объектами мистического поклонения.
Вероятно, одно из первых автоматических устройств, копирующих, или, как сейчас говорят, моделирующих, конструкцию живого "механизма", было создано другом древнегреческого философа Платона, жившего около 400 г. до н. э., который вошел в историю под именем Архитаса из Тарента. Он, как повествует легенда, изготовил деревянного голубя, который, по свидетельству пораженных современников, летал как настоящий.
Совершенно естественно, что рассказы о предках современных промышленных роботов сильно замешены на мифах и легендах. Таково уж свойство памяти человеческой - она не столько бесстрастно фиксирует факты, сколько мечтает, предвосхищая сегодняшнюю реальность, отображая прошлое в будущем.
Первое "достоверное" упоминание об использовании промышленного робота встречается еще у Гомера в его знаменитой "Илиаде". Он описывает изготовленную из золота женщину, которая помогает богу-кузнецу Гефесту. Заметим, что ее потомки активно орудуют в современном кузнечно-прессовом производстве.
Овладев энергией "падающей воды" и "дующего ветра", человек ощутил прелесть механических помощников, наделенных собственной силой. В изобилии стали появляться разнообразные станки и приспособления.
В XIX веке был создан неизменный помощник человека, спутник промышленного производства - токарный станок.
Другие изобретатели концентрировали свои силы на создании так называемых андроидов - автоматических устройств, копирующих внешний вид и движения человека.
Отзвуки этих устремлений докатились до нас в виде сведений, достоверность которых вызывает естественное сомнение. Так, имеются упоминания, что еще в XIII веке у архиепископа города Регенсбурга Альбертуса Магнуса был механический "страж", который стоял у дверей его покоев в монастыре. Андроид был сделан из воска, дерева, металла и кожи. Предание говорит, что он приветствовал посетителей, расспрашивал их о делах, шутил с ними, пока епископ не приглашал их войти. Согласно этой легенде один из учеников епископа, молодой философ Томас Аквинский, стал так досаждать андроиду своими философскими вопросами, что тот однажды, найдя дубинку, изрядно поколотил его.
XVI век подарил миру часы с пружинным приводом, изобретенным в Германии часовщиком П. Хейнлейном.
В них впервые использовались принципы и отдельные механизмы, получившие впоследствии широкое распространение в разнообразнейших автоматах.
Одним из мастеров, создававших такие миниатюрные автоматы, был Хуанело Тариано, инженер, служивший у императора Карла V, властителя Испании и Нидерландов. Когда Карл V в 1556 году передал бразды правления своему сыну, а сам удалился в монастырь, Тариано и там развлекал его игрушечными солдатиками, которые фехтовали, и пастушкой, игравшей на лютне. Легенда гласит, что он создал также "полноразмерного" андроида, который каждый день появлялся на улицах Толедо, закупая провизию для своего хозяина. И хотя это почти наверняка миф, улица в Толедо, где жил Тариано, до сих пор носит название "улица деревянного человека".
В 1675 году изобретатель X. Гюйгенс из Голландии построил первые маятниковые часы.
Увидев успехи механиков, на поле автоматизации вышли мыслители, чтобы собрать богатый урожай. Было совершенно необходимо осмыслить, упорядочить и превратить в стройную теорию накопленное изобилие прагматических фактов.
Знаменитый французский философ Рене Декарт одно время увлекался андроидами и даже создал механическую женщину, названную Франсиной. Во всяком случае, еще в 1637 году он писал, что наступит время, когда человечество создаст "бездушные механизмы", которые будут вести себя подобно людям. Он же одним из первых высказал конструктивную мысль о подобии животных машинам: "...ничуть не покажется странным тем, кто знает, сколько различных автоматов или самодвижущихся машин может произвести человеческое искусство, пользуясь при этом немногими частями, в сравнении со множеством костей, мускулов, нервов, артерий, вен и всех других частей, находящихся в теле каждого животного". Тогда же ученые пытались приложить известные законы механики к объяснению явлений, происходящих в живом организме.
В XVII-XVIII веках заметны три основных направления интенсивных поисков. Первое связывают с именами гениальных математиков Л. Эйлера и Д. Бернулли, которые применили законы механики к объяснению некоторых физиологических явлений. Второе - с именем французского врача и философа Ж. де Ламетри, который издал в 1747 году в Лейдене знаменитый трактат "Человек-машина". В нем он, говоря о человеке, в частности, писал: "По сравнению с обезьяной и умнейшими животными он представляет то же, что планетные часы Гюйгенса с часами императора Юлиана. Если для отметки движения планет нужно было больше инструментов, колесиков, пружин, чем для показания времени на часах, если на создание флейтиста Вокансону понадобилось больше искусства, чем на утку, то на создание механического человека, способного говорить, нужно было бы еще больше; нельзя думать, что такую машину невозможно создать, в особенности руками какого-нибудь Прометея..." Третье направление принадлежит механикам-изобретателям, воспроизводившим на практике эти витавшие в воздухе идеи.
Наиболее достоверно известно о совершенных автоматах, созданных французским изобретателем и инженером Жаком де Вокансоном (1709-1782), принесших ему широкую известность. Он был даже избран во Французскую академию. В числе его блестящих творений был пастух, который играл на флейте. Сам изобретатель в это время аккомпанировал ему на тамбурине. Флейтист в сидячем положении вместе со своим пьедесталом достигал 170 сантиметров в высоту. Он играл двенадцать разных пьес, "производя звуки вдуванием воздуха изо рта в отверстие флейты и изменяя ее тоны действием пальцев на отверстия инструмента".
Другой андроид Вокансона играл левой рукой на провансальской свирели, правой - на бубне и прищелкивал языком по обычаю провансальских свирельщиков.
Наконец, жестяная утка того же механика - едва ли не самый совершенный из всех известных автоматов - не только подражала с необычайной точностью всем движениям, крику и манерам поведения своего оригинала: плавала, ныряла, плескалась в воде, но даже клевала пищу с жадностью живой утки и выполняла до конца при помощи скрытых внутри ее химических веществ обычный процесс пищеварения. Эту утку, состоящую из тысячи движущихся деталей, позже видел Гёте, который описал ее в своем дневнике. Все эти автоматы были публично показаны Вокансоном в Париже в 1738 году.
В это же время в промышленности появились станки со сложными механизмами для изготовления деталей сложной конфигурации. В двадцатых годах XVIII века русский изобретатель Андрей Нартов создал автоматический суппорт, перемещающий резец вдоль обрабатываемой детали для токарно-копировальных станков. Он же предложил станок с применением сменных зубчатых колес для нарезки крупных винтов. В 1765 году русский механик И. Ползунов изобрел регулятор питания парового котла в виде поплавка, "автоматически" поддерживающего уровень воды.