Чтобы понять хотя бы приближенно масштаб проблемы, проведем следующий опыт. Оторвитесь на мгновение от книги и посмотрите вокруг. Зафиксируйте расположение предметов в комнате, на столе, на диване.
Теперь закройте глаза, встаньте со стула или кресла и, не открывая глаз, пройдитесь по комнате, возьмите какой-нибудь предмет, скажем, вазу с цветами и переставьте ее на несколько метров в сторону, на другой стол или тумбочку. Ну как, получилось? Независимо от успеха вашего "манипуляционного акта" вы можете себе представить, какие трудности подстерегают движущуюся руку робота и сколько проблем приходится решать его системе управления.
Попробуйте мысленно проговорить про себя все, что вы проделывали: встать, сделать шаг правой ногой, сделать шаг левой ногой, поднять руку, раздвинуть пальцы, подвести пальцы к вазе, сомкнуть пальцы до соприкосновения с вазой, сдвинуть пальцы так, чтобы сила трения между поверхностью пальцев и вазы была больше, чем вес вазы (иначе ваза выскользнет из пальцев), поднять руку с вазой, повернуться на нужный угол и т. д. и т. п. Это и будет своеобразная программа для робота, правда, очень укрупненная. Такие команды, как "встать", "сомкнуть до соприкосновения" или "сделать шаг правой", сами представляют собой целую программу, или, точнее говоря, на языке программистов, стандартную подпрограмму. Затем эти команды нужно преобразовать в пневматические или электрические импульсы соответствующим мышцам, те, в свою очередь, в соответствующие перемещения, углы и моменты и все это проделать с поистине ювелирной точностью. Современный промышленный робот первого поколения обеспечивает точность позиционирования до 0,1 миллиметра. Чтобы представить себе нечто подобное, попробуйте с закрытыми глазами с расстояния хотя бы сантиметров 30 попасть иголкой в точку в конце данной фразы. Не получилось? Ну что ж, попробуйте еще раз. Опять не получилось? Не отчаивайтесь, попробуйте представить, как "тяжко" промышленному роботу, который должен сделать то же самое с расстояния около двух метров, со скоростью несколько метров в секунду при весе иглы несколько килограммов или даже десятков килограммов.
Это тем более трудно сделать, ибо для промышленного робота первого поколения обучающий его оператор является единственным источником внешней информации о требуемых действиях. Это поводырь нашего механического слепого. Информация вводится в виде программы работы в память робота, и он выполняет поставленную задачу в автоматическом режиме, не получая уже никакой дополнительной информации извне.
Существует несколько основных способов составления и ввода программы в память робота.
Во-первых, можцо рассчитать программу движения в виде отдельных команд и кадров и затем ввести ее в память робота. Во-вторых, можно осуществить обучение робота путем однократного "образцового" выполнения задачи в режиме ручного управления манипулятором с пульта путем нажатия кнопок и рычагов. В-третьих, можно обучить робота нужным движениям, взяв его механическую руку и проведя по всем необходимым точкам траектории.
Программирование по первому принципу очень похоже на программирование ЭВМ, только вместо адресов данных и команд арифметических и логических операций ЭВМ используются "адреса" точек пространства и команды "манипуляционных операций": поворот рук вправо (влево), выдвижение втягивание, поднятие - опускание, размыкание - смыкание схвата, вращение кисти вправо - влево и т. п. Программа представляет собой набор таких команд и выполняется циклически необходимое количество раз.
Обучение по второму принципу представляет собой "программирование в реальном времени". Оператор с помощью рычагов и кнопок, расположенных на пульте управления робота, принуждает его к выполнению тех или иных движений. Эта совокупность движений записывается в память робота и воспроизводится нужное количество раз.
Третий принцип обучения больше всего походит на обучение ребенка. Как часто, исчерпав терпение, мы говорим малышу: "Да не так, а вот так..." - и проводим его ручкой с ложкой от тарелки ко рту, мелом на доске или пальцем по клавишам пианино. Точно так же можно научить и робота. Опытный сварщик проводит сварочным аппаратом, закрепленным на руке робота, по оптимальной траектории шва. Движение записывается в память робота, и работа закипела. Обученный робот функционирует автономно под управлением мозга, в память которого заложена программа движений.
В простейших роботах используется цикловая система управления, движения осуществляются "от упора до упора". Программоносителем такой системы управления является специальный барабан, усеянный штырьками.
При воспроизведении барабан поворачивается, штырьки включают приводы, приводы "приводят в движение" всю систему. Такие системы управления называют позиционными.
Непрерывная система управления базируется на принципе магнитофона, записывающего на магнитную ленту совокупность электромагнитных импульсов. Эти импульсы посылают приводы, когда рука робота проводится по заданной траектории.
Наиболее "прогрессивным" способом программирования робота является первый из описанных выше, когда программа робота составляется подобно программе для ЭВМ. Дело в том, что составление такой программы для робота можно поручить... другой ЭВМ. А при "массовом производстве" программ это дает немалый эффект. Вот пример подобного программирования.
Рассмотрим технологический цикл нанесения многослойного покрытия на деталь сложной формы "воронка". Воронка имеет "хвост" - удлиненную часть детали и основание - полый конус. В цеху имеется длинная ванна со специальным составом, над которой расположен "мост" для просушивания очередного слоя покрытия. Технология покрытия заключается в следующем. Подойдя к очередной воронке, рабочий берет ее за "хвост" и опускает в ванну, затем переходит к следующей детали. Следующая деталь находится в ванне. Взяв деталь за "хвост", рабочий вынимает ее из ванны и помещает на "мост", где деталь проходит сушку, затем переходит к следующей детали. Дойдя до конца ванны, рабочий возвращается обратно и, смотря по тому, где находится первая деталь, помещает ее либо в ванну, либо на мост для сушки. После десяти таких окунаний деталь готова. Она помещается на транспортер для движения на склад. Укрупненная программа такой операции будет выглядеть примерно следующим образом:
1. Двигаясь далее вдоль ванны, дойти до позиции "мост".
2. Взяв деталь за "хвост", поместить ее в ванну для мокрой обработки.
3. Ждать 10 секунд.
4. Двигаясь далее, дойти до позиции "мост".
5. Взять деталь под "мостом" за "хвост", поместить ее на "мост" для просушки.
6. Повторить 10 раз.
7. Поместить деталь в тару для транспортировки на склад.
8. Взять следующую группу деталей.
9. Вернуться к пункту 1.
Получается примерно так, как в известной детской считалочке:
Еду дальше, вижу мост.
Под мостом ворона мокнет.
Взял ворону я за хвост,
Положил ее на мост
Пусть ворона сохнет.
Еду дальше, вижу мост,
На мосту ворона сохнет,
Взял ворону я за хвост,
Положил ее под мост
Пусть ворона мокнет.
И т. д.
РАБОТА ЗАКИПЕЛА!
Присматриваясь к стремительным и своеобразным движениям промышленного робота, мы еще и еще раз убеждаемся в известной истине: движение не только функционально, оно и эмоционально. То чудится нам в этом движении скрытая угроза, то видится неведомая птица, важно попивающая водицу из металлической лужицы, то паукообразное насекомое, строящее свое гнездо, то вдруг предстает перед нами странный, таинственный шаманский танец, подчиненный идеальному ритму.
Эти танцевальные "па" роботов подсказали специалистам по рекламе отличный фокус: женский танцевальный ансамбль ритмично воспроизводил производственные движения роботов. Причем девушки с особой грацией копировали вроде бы монотонные движения своих стальных "партнеров". И получился в сочетании с ритмичной музыкой очень неожиданный номер.
Короткий этот "фильм-концерт" показывала своим гостям на международной выставке "Автоматизация83" финская фирма "Розенлев" - давний торговый партнер нашей страны.
"Мы избрали средства кино, чтобы представить модульную систему роботов, - говорит один из руководителей компании, Матти Ламми. - Модули - это узлы, в совершенстве освоившие те или иные виды движения - прямолинейные, вертикальные, вращательные... Они легко упаковывают в тару и телевизоры, и хлебные изделия, и бревна, распиленные по лучу лазера. Как в детском конструкторе, из модулей можно создавать поистине универсальные роботосистемы..."
Область возможных и экономически выгодных применений роботов первого поколения весьма широка.
Они успешно применяются для обслуживания станков, печей, прессов, технологических линий, сварочных аппаратов, литейных машин и т. п. Они эффективно осуществляют установку, транспортировку, упаковку изделий, простейшие сборочные операции, сварку, литье под давлением, термическую и механическую обработку. Особенно широко они применяются в машиностроении и металлургии.
Сейчас нет, пожалуй, такой области промышленного производства, где бы робот не попробовал свои силы, а попробовав, не завоевал бы престижного положения.
Наибольшее число роботов первого поколения работает в автомобильной промышленности. Волжский автомобильный завод, завод имени Лихачева, автомобильный завод имени Ленинского комсомола не только применяют, но и сами разрабатывают и строят промышленные роботы и автоматизированные комплексы.
Среди автомобильных фирм Европы лидирующее положение по применению роботов занимает давний партнер СССР - компания "Фиат". С 1973 года компания работает над проблемой использования роботов в сварочных операциях - сварка автомобильных корпусов модели 132. В связи с подтверждением экономической эффективности такого применения в 1975 году была создана сварочная линия, на которой обрабатывались корпуса модели 131. В результате полученного опыта инженеры пришли к заключению, что сварка с использованием роботов дает значительно меньший процент брака, чем при сварке обычными универсальными сварочными аппаратами. Однако применение роботов требует большой точности работ на предварительных стадиях сборки.
Сразу после осуществления "прихватки" кузов проходит через автоматический контрольно-проверочный пункт, показывающий наличие отклонений по размерам.
На участке завершения изготовления кузовов модели 131 размещается 23 робота-сварщика модели "Юнимейт", которые в час выполняют 620 сварочных соединений на 50 автокузовах, то есть каждый робот в час выполняет работу одного сварщика за смену. Сборка кузовов с четырьмя и двумя дверями выполняется на одной конвейерной линии. Это является единственным изменением программы, хотя "Юнимейт" способен действовать в соответствии с большим количеством программ, что необходимо, если на одной конвейерной линии изготавливается две или три модели автомобилей с различной формой корпусов. Но пока на этой линии "Фиат" данное качество робота "Юнимейт" не используется.
Первоначально два из двадцати трех роботов на этой линии сварки были оставлены в качестве резерва на случай выхода из строя одного из действующих роботов. Они были запрограммированы на работу по любой из используемых программ. Однако практика подтвердила высокую надежность, и два указанных робота были перепрограммированы на регулярную работу.
В составе линии пятнадцать роботов типа "Юнимейт-2000" и шесть "Юнимейт-4000".