Зная о несовершенстве роботов первого поколения, мы порой утешаем себя популярной пословицей "нет худа без добра". Примитивные роботы дисциплинируют производство, заставляют обеспечить ритмичную доставку деталей, их строгую ориентацию в пространстве с помощью специальной тары, накопителей, стеллажей, транспортных средств. Но не стоит особенно обольщаться по этому поводу. Реорганизация производственной среды может оказаться более дорогостоящей, да и большая жесткость требований к конструкции робота порождает большую цену. Скажем, для того чтобы рука робота "могла" идеально точно встретиться с движущейся по транспортеру деталью, приходится особенно тщательно "выбирать" зазоры в сочленениях, ликвидировать люфты, снижать скорость движения для уменьшения моментов инерции, повышать строгость управления, учитывая упругость звеньев.
Снижающая точность деформация механических систем промышленного робота происходит практически постоянно под действием собственной массы руки, массы перемещаемого груза и инерционных нагрузок, возникающих во время движения. Несущие звенья руки робота даже при идеально точной остановке привода изза деформации механической системы подвергаются интенсивным силовым инерционным нагрузкам. Деформация от инерционных нагрузок приводит к возникновению затухающих механических колебаний, которые снижают точность и увеличивают время самого позиционирования. Эта деформация особенно сильна в точках изменения ускорения движения по величине или направлению: в начале разгона руки и в конце разгона, в начале торможения и в конце торможения. Как говорят специалисты, деформация возникает под действием собственного кинематического возбуждения робота.
Для уменьшения вредных последствий этого явления приходится принимать соответствующие меры: уменьшать массу, длину руки, добавлять ребра жесткости, как бы дополнительные "косточки скелета", ставить упорные подшипники с ограничителями и т. п.
Необходимо учитывать также температурные деформации.
Таким образом, точность позиционирования в один миллиметр, достигаемая у современных роботов с позиционной системой управления и длиной руки 1,5-2 метра (типа "Юнимейт"), является, по-видимому, максимально возможной. Тем не менее такая точность позиционирования в некоторых случаях может оказаться недостаточной. Так вот "чувства" позволяют по-новому решить такие задачи, используя иной принцип управления. И, что самое важное, такие адаптивные роботы могут оказаться при той же точности не дороже роботов первого поколения, поскольку задача точного измерения и отработки многих координат "вслепую" требует применения прецизионных датчиков положения со сложной измерительной системой, что само по себе довольно сложно и дорого.
Известное достоинство и вместе с тем существенный недостаток роботов первого поколения - это удивительное постоянство, однообразие их движений, которое породило метафору "двигающийся как робот". Однако они отлично работают в постоянных, неизменных условиях. Но окружающая среда, в том числе и производственная, весьма динамична. И это, пожалуй, единственное ее постоянное качество.
Если в процессе производства происходит любое, самое минимальное отклонение от заранее заданных условий (упало напряжение в электросети или упала деталь с конвейера), робот первого поколения оказывается беспомощным перед этим технологическим пустяком. В лучшем случае он остановится, разинув схват, как зевака рот. В худшем случае будет продолжать работать, тыкая своей пустой рукой в воздух и не замечая, что усилия его бесполезны. Он не может адаптироваться к изменению окружающей обстановки. Для успеха совместной работы окружающая обстановка вынуждена сама адаптироваться к роботу. Но тогда непонятно, кто кому служит. Робот производству или производство роботу?
Может быть, это является причиной того парадоксального положения, при котором роботизированные комплексы, в которые вложены крупные государственные средства, оказываются "безработными" в силу малой надежности и слабой защиты от помех?
Таким образом, появление более совершенных роботов второго поколения не просто процесс естественной смены поколений, как поколений ЭВМ. Эволюция роботов - это насущное требование жизни, это, если хотите, условие их "выживания" в динамично усложняющейся производственной среде. Робот второго поколения, как говорится, "и жить торопится и чувствовать спешит".
Многие из возникающих в робототехнике проблем решаются проще, коль скоро мы снабдим нашего механического слепого если не полноценным зрением, то, по крайней мере, посохом, которым он может ощупывать дорогу.
Итак, речь идет о повышении уровня интеллекта роботов, ибо "разумность" семейства их первого поколения оставляет желать лучшего. В сущности говоря, их интеллект не выше, чем у примитивного насекомого.
Представьте себе, что на линии сборки автомобилей случается какой-нибудь перекос. Роботы этой ошибки не замечают. Их настроили на то, чтобы сверлить отверстия в дверце, а они сверлят теперь их в баке для горючего. То, что изделие установлено неправильно, их совершенно "не волнует". Кроме того, если в их электронной схеме произойдет сбой, автомат в "слепой ярости" начнет колотить своей мощной стальной лапой по чему попало. И здесь возникают уже совсем другие проблемы. Заменять человека на вредных и опасных работах - это одно, а самому быть источником опасности для человека - совсем иное.
Как же обуздать вышедшего из подчинения "железного раба"? Как обеспечить стопроцентную безопасность рабочего в роботизированном цехе? Самый совершенный помощник не заслужил права быть источником травматизма. И хотя, конечно, робот работает автоматически, однако цеха не достигли еще такого технологического уровня, чтобы работа происходила совсем без наблюдения человека. В случае конфликтной ситуации любой механизм может "забарахлить", и тогда в зоне действия его руки должен оказаться рабочий-ремонтник.
Что произойдет тогда?
Манипулятор обязан остановиться сам, автоматически... Столкновение робота с человеком может оказаться для последнего трагическим. Недаром Япония, страна, занимающая первое место в мире по применению промышленных роботов, стала и первой страной, где промышленный робот убил человека. Погибшим стал 37-летний наладчик, который подошел к агрегату, чтобы проверить его работу, но был схвачен стальной рукой робота и сунут точно под резец. Владельцы завода и их эксперты обвинили в гибели самого рабочего, который должен был подходить к станку с определенной стороны, отключая робот.
Для обеспечения безопасности в роботизированном цехе используются различные конструктивные решения: подпружиненные трапы на полу в рабочей зоне робота или соединенные с блокирующими выключателями ограждения, при открывании которых подается команда "стоп", ограждение зоны световым лучом. Вот, например, комплекс на основе робота Ум-160. Спроектирован он в Институте металлорежущих станков, а изготовлен на заводе "Станкоконструкция" для московского электромеханического объединения "Динамо". Световые лучи делят рабочую зону комплекса на "секции".
Наладчик, подходя к станку, обязательно пересекает луч света, ограждающий одну из секций. Включается система защиты, и, если манипулятор находится в той же секции, он отключается; если он вне ее, то продолжает работу, но вход в защищаемую зону кому бы то ни было запрещен. Покинув световую ограду, наладчик дублирует пересечение луча специальной кнопкой, сообщая о снятии "охраны".
Заметим, что робот, останавливающийся при появлении в рабочей зоне человека, - это уже не "слепец", но еще и не "зрячий". Простейшее очувствление зародилось еще в недрах первого поколения: робот останавливается, если в заданном месте, между пальцами схвата, не оказывается требуемой детали. Здесь все "богатство чувств" сводится к принципу "есть - нет".
Простейшая адаптация к обстановке обеспечивает роботу большие физические возможности. Так, манипулятор фирмы "То кё Кэйки" распознавал габариты и вес детали и по-разному осуществлял их подъем: легкие, до десяти килограммов, поднимал на вытянутой руке, а тяжелые, до сорока килограммов, - на втянутой руке. Алгоритм "адаптации" заключается в следующем: захват объекта, определение веса, движение при втянутой или вытянутой руке.
Кроме того, что робот, обладающий теми или иными чувствами, безопаснее, удобнее и точнее робота первого поколения, он обладает еще рядом специфических достоинств. Он может выполнять операции, которые и "не снились", если бы он мог видеть сны, роботу, лишенному чувств. Такие производственные обязанности, как операции с неориентированными изделиями переменной формы и размера или изделиями, движущимися по транспортеру, не могут быть выполнены без очувствления. Процедуры автоматической сборки также требуют, чтобы робот чувствовал усилия, с которыми вгоняется, например, болт в отверстие, иначе или отверстие, или болт может оказаться поврежденным; чтобы робот видел, куда нужно загнать щетку электромотора и почему она туда не входит. Казалось бы, проблема проста: создать аналог человеческого глаза - и порядок.
Но как раз этот-то "порядок" и недостижим на сегодняшний день. А если и достижим, то обходится он чрезвычайно дорого. Поэтому вместо полноценного оптического зрения роботы активно используют всяческие его "суррогаты", которые еще не слишком дороги, но уже достаточно эффективны.
Вот пример: нужно "выловить" одну деталь из целой кучи ей подобных. Тут, казалось бы, без зрения не обойтись, но вот как научили это делать робота в Институте проблем передачи информации АН СССР.
В ящик с заготовками рука робота погружала электромагнит. Датчик сигнализировал о контакте магнита с содержимым ящика, после чего в обмотку магнита подавался ток. Затем рука поднималась с целой "гроздью" притянутых деталей, система управления анализировала вес "грозди" и постепенно уменьшала ток в обмотке. "Гроздь" рассыпалась, на магните держалась только одна деталь. Ток снова увеличивался, и рука переносила надежно "схваченный" предмет.
ШЕСТОЕ ЧУВСТВО
Всем известны слова "шестое чувство", часто характеризующие что-то вроде интуиции или предчувствия.
Употребляется это словосочетание в тексте примерно следующего содержания: "И тут какое-то шестое чувство подсказало мне (ему)..." дальше описывается,что подсказало чувство. Это выражение пошло от известного факта, что число чувств человека равно пяти: зрение, слух, осязание, обоняние, вкус. Однако человек чувствует, несомненно, больше: чувство равновесия, чувство времени, веса (правда, довольно грубые). Мы ощущаем тепло на расстоянии. Что это? Осязание? Вообще-то да, но тогда почему на расстоянии? Человек чувствует чужой взгляд, чувствует, как меняется давление, аллергик "чувствует" присутствие аллергена и т. п. Так что разнообразных "шестых" чувств предостаточно.
Однако человек имеет, прямо скажем, весьма ограниченный чувствительный аппарат. Окружающая нас живая природа может предоставить гораздо более широкий перечень разнообразнейших чувствительных элементов. Это системы акустического видения дельфинов, ультразвуковые локаторы летучей мыши, тепловое видение змей, умение некоторых животных ориентироваться в электростатических, электромагнитных, тепловых, ультрафиолетовых и других полях. Например, у собак почти фантастический нюх, крысы слышат ультразвук, змеи чувствительны к вибрации и т. п.
Как научить робота хотя бы малой толике этого богатства? Не будем отчаиваться, современные очувствленные роботы обладают не меньшей гаммой чувствительных элементов, не все из них позаимствованы у природы, есть и собственные "патенты" человека.
Чувствительные элементы роботов называются датчиками. Датчики промышленных роботов можно разделить на два больших класса: внутренние и внешние.
Первые предназначены для контроля за функционированием самих роботов. Они устанавливаются в приводах исполнительных механизмов. Вторые предназначены для контроля за состоянием тех объектов, с которыми работают промышленные роботы. С помощью этих датчиков определяется положение, форма и другие характеристики детали, заготовки, готового узла.
Датчики внутренней информации - своеобразный самоконтроль робота, предназначенный для определения положений, углов поворота, скоростей и моментов руки, кисти, плеча и других механизмов. Человек тоже обладает подобной чувствительностью. Закрыв глаза, на основании одних только мышечных ощущений мы можем не только принять любую позу или сделать нужный жест, но и совершить более сложные манипуляции, например переставить телефон с тумбочки на стол.
Если управление роботом осуществляется на основе предельных выключателей по принципу "включено - выключено", то сами выключатели и являются такими внутренними датчиками: довел робот руку до положения, в котором выключатель сработал, значит, нужная фаза движения реализована. В более сложных случаях здесь используются сервомеханизмы с обратной связью: потенциометры, сельсины, резольверы, аналогоцифровые преобразователи и т. п.
Датчики положения руки робота в большинстве случаев устроены так, что преобразуют разнообразные перемещения в электрические импульсы. Эти-то "нервные" импульсы и делают робота "чувственным". Датчиков у робота целая куча: электромагнитные, емкостные, индуктивные, резистивные (на сопротивлениях), фотоэлектрические. Работа, например, потенциометра основана на изменении сопротивления проволоки или пленки при изменении угла поворота. Надежность потенциометра из-за наличия контакта, как правило, невысокая: максимальный срок службы около двух миллионов оборотов. В конструкции сельсина используется принцип работы трансформатора. Первичная обмотка питается однофазным напряжением. Напряжение, индуцированное во вторичной обмотке, определяется углом поворота.
Сельсин как бесконтактное устройство, основанное на принципе электромагнитной индукции, обладает высокой надежностью, помехоустойчивостью, однако точность сельсинов ограничена значением в полградуса.
Резольверы были разработаны позднее сельсинов и основаны на тех же принципах. Однако на статоре и роторе резольвера располагаются по две обмотки, сдвинутые на 90 градусов друг относительно друга. Отсюда и точность у резольверов больше, чем у сельсинов. Индуктивные датчики устроены так же, как и сельсины, только здесь в электрическое напряжение преобразуется линейное напряжение вторичной обмотки относительно первичной. Точность такого датчика порядка одного миллиметра.
Аналогоцифровые преобразователи представлены генератором импульсов. В фотоэлектрических генераторах на дисках, соединенных с осью вращения, имеются прозрачные и непрозрачные участки. В качестве источников света используются лампы или другие элементы, а в качестве регистрирующих элементов - фототранзисторы, гелиевые элементы и другие устройства. Имеются генераторы, основанные на принципе информации с разрешающей способностью до нескольких тысяч импульсов на один оборот. Существует много датчиков счеточного типа, где значениям 1 и 0 соответствуют проводящие и изолированные участки кодовых пластин.
Наличие контакта обусловливает определенное ограничение долговечности.
Существует и масса других датчиков. Например, датчики, интегрирующие скорость, подобно электродвигателям, магнитные счетчики и т. п. Большинство из этих датчиков самоконтроля роботов зародилось еще в недрах первого поколения, это благодаря им удается повысить точность позиционирования и обеспечить "деликатное" обращение с хрупкими, сыпучими и "текучими" грузами.
Разумеется, при переходе ко второму поколению эти внутренние "чувства" робота расцвели пышно и многообразно, однако главное внимание чувствительного аппарата второго поколения роботов направлено вовне, туда, где кипит производственная жизнь.
Среди наиболее простых и наиболее распространенных датчиков внешней информации можно отметить так называемые "контактные" датчики - осязание промышленного робота. На концах схвата - руки робота устанавливаются специальные выключатели, которые фиксируют факт прикосновения к детали или станку и посылают импульс в "мозг" робота. Десяток таких выключателей, расположенных не только внутри пальцев схвата, но и на наружной его поверхности (сверху, снизу, справа и слева), помогают роботу "на ощупь" определить положение детали или возникшего препятствия.
"Я дотронулся правым датчиком до заготовки, значит, она справа, "соображает" робот, - передвину-ка я руку поправее, теперь дотронулся левым, значит, многовато, примерно половину пути назад будет в самый раз" - так "рассуждает" робот, на ощупь ориентируясь в рабочей зоне.
Однако человек, манипулируя с предметом, фиксирует не только факт соприкосновения, но и ощущает давление руки на предмет через кожу и таким образом может регулировать усилие сжатия соответственно весу и прочности предмета (вспомним бумажный стаканчик). Такой датчик представляет собой, например, слой электропроводящего вспененного полиуретана, заключенного между тонкими металлическими пластинами. В зависимости от давления расстояние между пластинами меняется и соответственно изменяется электрическое сопротивление цепи. Эти свойства искусственной чувствительной кожи уже используются в области протезирования. Механизм управления силой сжатия руки с обратной связью по давлению предотвращает повреждение предмета и самой искусственной руки.
Среди датчиков особенно удобны бесконтактные: оптические, электромагнитные, ультразвуковые, струйные, так как из-за отсутствия непосредственного соприкосновения не приходится бояться ударов об объект или плохого контакта, кроме того, они "чувствуют" предмет заранее, и в этом их основное преимущество. Они фиксируют объект до непосредственного соприкосновения - и это уже "замашки" своеобразного зрения роботов.
Электромагнитные контактные датчики работают на расстоянии от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. В них используется эффект изменения сопротивления магнитной цепи или изменения импеданса катушки при прохождении магнитного или электрического поля через объект. Они обладают высокой точностью и надежностью, однако взаимодействуют, естественно, лишь с металлическими предметами.
Куда более похожи на зрение оптические датчики.
Если в качестве источников света использовать лампы, светодиоды, а в качестве светоприемников - фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, то для обнаружения детали и определения ее положения можно использовать пересечение объектом светового потока или световой импульс, отраженный от предмета. Этот несложный "глаз" состоит из двух линзочек, за которыми прячутся светодиод и фотодиод. Обе линзы сфокусированы на одну точку, расположенную в нескольких десятках миллиметров. Фотодиод не уловит сигнала светодиода, пока в этой точке не окажется какой-нибудь поверхности. Чтобы датчик не реагировал на внешнюю засветку, светодиод излучает свет с определенной частотой, на которую настроен и фотодиод.
Ультразвуковые датчики представляют собой систему, состоящую из передатчика и приемника сигналов.
С помощью отраженного звукового сигнала можно обнаруживать объекты и измерять расстояние до них.
Ультразвуковые датчики имеют по сравнению с оптическими следующие преимущества: они могут обнаруживать прозрачные объекты, в том числе и неметаллические; срок службы генератора колебаний практически не ограничен; их показания не зависят от освещения; их можно использовать на открытом воздухе и при наличии помех: на них не оказывают значительного влияния пыль, пар и другие факторы среды; измерения с ними можно проводить под водой и т. д.