Специфика машиностроительного производства связана с высоким уровнем организации среды. Это позволяет удалить человека из сферы производства за счет полной автоматизации (в том числе и с помощью ро­ботов) всех процессов — как основных технологических, так и вспо­могательных (загрузка-выгрузка и т. д.).

Главная особенность роботов, применяемых для работы в неор­ганизованной среде (например, в рудниках, под водой, в космосе), заклю­чается в так называемом супервизорном управлении, когда функции управ­ления роботом распределяются между ЭВМ и человеком в последо­вательности и соотношении, которые определяет человек, наблюдая за ходом выполняемой работы. Однако успех дела здесь зависит также от ре­шения ряда специфических проблем, связанных с созданием удобных техни­ческих средств общения человека и робота. Это — создание технических систем, воспринимающих команды оператора (в том числе на естественном языке), преобразующих информацию, собранную роботом, и представляю­щих ее на экране дисплея зрительными образами, понятными для человека; создание эффективных рукояток для управления механическими руками, обеспечивающих при малых размерах и перемещениях мнемоничность управления.

Другая группа задач связана с проблемой создания искусственного ин­теллекта и с оптимальным разделением функций между оператором и ЭВМ. Очевидно, что чем выше функциональные возможности робота, выше его искусственный интеллект, тем больше задач он может решать в этой неорганизованной среде самостоятельно (цель, конечно, указывается человеком). И только в тех случаях, когда встречается непредвиденная ситуация, робот вырабатывает сигнал, требующий вмешательства чело­века, и выдает ему информацию об этой ситуации.

Менее квалифицированные робототехнические системы для неоргани­зованных сред также находят широкое применение. Начнем с самого про­заического примера. Уборка мусора в городах — одна из актуальных проб­лем. Раньше мусор собирали в стандартные контейнеры, затем с помощью специального манипулятора их устанавливали на контейнеровозы и увозили за черту города. Однако эффективность таких перевозок низка, поскольку

Рис. 1.6. Блок-схема алгоритма расчета времени простоя станков и робота на участке

Рис. 1.7. Схема манипулирования контейнером I и II — наиболее близкое и наиболее дальнее положения контейнеров относительно мусоровоза; III — позиция перехода на автоматический режим при разгрузке контейнера; IV — обязательная промежуточная позиция в автоматическом режиме при движении системы с контейнером, позиция перехода с автоматического на ручное управление в начале работы; V — позиция разгрузки контейнера; VI — транспортное положение захватного устройства

в общей массе перевозимых грузов существенную часть составляет масса контейнеров. Поэтому оказалось перспективным создание таких машин, которые позволяют погрузить контейнеры в кузов, уплотнить там мусор, а пустой контейнер поставить на место. Все эти операции желательно провести за 2-3 минуты и без выхода оператора из кабины.

Для решения этой задачи среду можно считать в какой-то степени орга­низованной, так как используют стандартные контейнеры. Следовательно, пригодны унифицированные захватные устройства, известен уровень их расположения и ограничена масса поднимаемого груза. Вместе с тем непросто добиться постоянства расположения контейнеров относительно друг друга и проезжей части, и в этом плане среда организована не достаточно. Поэтому в создаваемых большегрузных мусоровозах, оборудо­ванных манипулятором, наведение захватного устройства робота на кон­тейнер выполняет оператор, находящийся в кабине, а затем автоматически осуществляется весь цикл транспортирования контейнера, его разгрузка и установка на прежнее место. Компоновочная схема мусоровоза с верхним симметричным расположением манипуляционной системы относительно шасси автомобиля приведена на рис. 1.7. Манипуляционная система устанав­ливается на жестком кузове и состоит из звеньев 1-4, сочлененных шарни­рами С,-С4. Последнее звено, несущее захватное устройство (на схеме не показано), выполнено так, чтобы ось шарнирного сочленения С4 распо­лагалась по оси симметрии контейнера, несколько выше его центра масс. Это обеспечивает существенно меньшие нагрузки на привод последнего звена при кантовании контейнера.

Длины звеньев манипуляционной системы и углы р их относительных поворотов (см. рис. 1.7, табл. 1.1) выбраны из условия обеспечения макси-

Таблица 1.1 Минимальные и максимальные значения относительных углов поврота звеньев манипулятора Шарнир (см. рис. 1.7) Ршіп» град Ртах» ^ад Примечание: отсчет ведется Сі -120 +180 От оси симметрии шасси с2 0 +145 От вертикальной оси Сз 0 +120 От продолжения звена 2 С4 -60 330 От оси симметрии контейнера до звена 3

мального рабочего объема робота и необходимого угла обзора а оператора, находящегося в кабине при наведении звена 4 на контейнер. В результате достигнута ширина зоны установки контейнера -1600 мм. Кон­тейнеры могут быть установлены практически вплотную к борту или бамперу автомобиля. Поворот манипуляционной системы вокруг оси шарнира С] позволяет обслуживать пространства впереди, справа и слева от автомобиля в пределах видимости из кабины. План зоны обслуживания и ее предельные размеры показаны на рис. 1.8.

Наиболее рациональный вариант расположения приводов звеньев 2, 3 и 4 манипуляционной системы с точки зрения минимизации нагрузок в кине­матических цепях приводов — на звене 1, т. е. на первом звене, подвижном относительно кузова. При этом через шарниры С2 и С3 проходит кинема­тическая цепь привода звена 4, а через шарнир С2- цепь привода звена 3 (рис. 1.9).

Дополнительное преимущество схемы заключается в возможности (а она связана и с необходимостью) реализации стереотипного движения, при котором ось контейнера остается вертикальной. Фиксация привода звена 4 обеспечивает такие движения. Привод захватного устройства с целью кинематической развязки его движений от движений по остальным степеням подвижности размещается на последнем, четвертом звене манипуляционной системы.

Тяговые усилия F,- (і = 2, 3, 4) от гидроцилиндров ГЦ2-ГЦ4 к звеньям 2, 3 и 4 передаются с помощью цеп­ных передач. В таблице 1.2 приведены результаты расчета моментов А/, на приводных звездочках приводов в самом нагруженном состоянии (мани­пулятор вытянут горизонтально) при статической нагрузке Р = 6000 Н (масса контейнера) плюс запас (массы звеньев, приведенные к центру масс

Рис. 1.8. Зона возможного расположения кон­тейнеров по центрам днищ (заштрихована)

Рис. 1.9. Кинематическая схема привода звеньев манипуляционной системы мусоровоза

звена 4), равный 1000 Н. Для случая использования гидроцилиндра с мак­симальным усилием 10000 Н (диаметр цилиндра 100 мм; диаметр штока 45 мм; ход цилиндра 320 мм; давление 16 МПа) приведены также диаметры D, приводных звездочек цепных передач, при которых полностью исполь­зуется ход цилиндров, и требуемые тяговые усилия F, на приводах.

Аналогичные постановки и решения задач встречаются в горном деле, лесной промышленности, строительстве и на транспорте.

Бывают случаи, когда применение роботов диктуется необходимостью выполнения тонких операций, которые человек не может сделать в силу своих психофизиологических ограничений. Возьмем, к примеру, медицину. В настоящее время созданы хирургические лазерные установки, позво­ляющие не только выполнять операции, но и обрабатывать открытые раны. После такой обработки вследствие бактерицидных свойств луча лазе­ра заживление раны происходит гораздо быстрее. При обработке раны

Таблица 1.2 Тяговые усилия приводов, диаметры приводных звездочек и моменты на них Номер привода Fh Н D,, мм А/„ Н м 2 7000 253 875 3 8000 156 630 4 700 204 70

Рис. 1.10. Схема робототехнической ла­зерной установки

необходимо равномерное сканиро­вание луча лазера по всей ее по­верхности с довольно низкими ско­ростями. При этом "огрехи" и повторная обработка одного и того же места недопустимы. Мед­сестра очень быстро утомляется на этой монотонной операции и допускает ошибки. Ей на помощь приходит робототехническая сис­тема, которая, удерживая световод лазерной установки, автомати­чески с требуемой скоростью и заданным шагом сканирует область раны. Границы области в ручном режиме задает медсестра.

Манипуляционная система (рис. 1.10) в этом случае содержит основание 1 и шарнирно соединен­ные звенья 3, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 17.

Звено 3 посредством шарнира кре­пится на основание 1. Оптический квантовый генератор 19 и источник параллельной подсветки 20 установлены также на основании 1. Поворот­ные зеркала 4 и 7 смонтированы в шарнирах звеньев 3, 5 и 6, 8 соответст­венно, а фокусирующий объектив 9 — на последнем от основания звене 8 рычажной системы звеньев 3, 5,6 и 8.

Дополнительная рычажная система 10,12, 14 и 17 имеет приводные дви­гатели 11, 13, 15, 16, 18 и связана с основной системой посредством шарни­ров между звеньями 2, 3 и звеньями 8,10. Приводные двигатели 11, 13, 15, 16 ъ 18 могут быть вмонтированы в шарнирах звеньев второй рычажной системы, как это показано на рисунке, либо могут быть установлены на основании. В последнем случае в каждый шарнир должна быть "протянута" кинематическая передача.

Работает робототехническая система следующим образом. При враще­нии приводных двигателей, управляемых сигналами от программного устройства, движения передаются звеньям 10, 12, 14, 17, а также звену 2. В результате звено 10 перемещается в пространстве по заданному закону, воздействуя на звено 8 рычажной системы 3, 5, 6, 8, внутри которой осуществляется "транспортирование" лазерного луча, посылаемого квантовым генератором 19, и луча подсветки, посылаемого устройством подсветки 20. Эти лучи направляются зеркалами 4, 7 и фокусируются объективом 9.

Таким образом, звено 8 направляет сфокусированный лазерный луч в заданное программой место выполнения медицинской операции. Если необходимо выполнить эти операции вручную, разъединяется шарнир
между звеньями 8, 1 0 и оператор работает с одной только рычажной системой 3, 5, 6, 8.

На этапе обучения и создания программы оператор также работает только с этой системой. Она оснащена датчиками относительных поло­жений рычагов (на рис. 1.10 не показаны), с помощью которых в програм­мное устройство ЭВМ заносится информация о границах (а иногда и о фор­ме) области, подлежащей обработке. В программном устройстве эти дан­ные преобразуются в программные положения и скорости движения звеньев 2, 10, 12, 14, 17. Аналогичные решения используют в

технологических установках лазерной резки, сварки и т. д. [10,13].

Некоторые психофизиологические ограничения человека являются следствием болезни. Для этих, к сожалению, не редких случаев разра­батывают и используют специальные робототехнические системы. Так, для помощи тяжелобольным создан робот-нянька, который по командам самого больного осуществляет его элементарное обслуживание, подает лекарства, напитки, различные медицинские принадлежности, помогает повернуться и т. д. При этом все лекарства и напитки раскладываются в определенных местах в специальных приспособлениях, т. е. среда максимально органи­зована.

Для парализованных больных кроме такого робота созданы робототех­нические стопоходящие устройства, позволяющие им перемещаться, пре­одолевая пороги, ступеньки лестницы, бортики тротуаров и другие пре­пятствия, часто не замечаемые здоровыми людьми. В этих случаях нельзя заранее организовать среду. Поэтому большая "нагрузка" ложится на систему очувствления робота и на автоматические системы поддержания равновесия, реализации стереотипных походок и алгоритмов преодоления типовых препятствий. Управление роботом со стороны больного сводится к выбору того или иного стереотипа, а в сложных случаях он берет на себя управление каждой стопой устройства.

Еще одна перспективная область использования роботов в медицине — их применение для выполнения массажа и процедур мануальной терапии. Лечение больных с использованием приемов мануальной техники массажа является важной составной частью процесса медицинской реабилитации. Однако работа массажиста чрезвычайно трудоемкая и утомительная, тре­бующая не только физического, но и психического напряжения. Именно поэтому попытки заменить руку массажиста каким-либо аппаратом начали предпринимать с тех пор, как массаж оформился в один из необходимых, доступных и часто применяемых способов лечения значительного числа заболеваний.

Несмотря на серьезные технические трудности, связанные с созданием "сверхчувствительного" манипуляционного устройства и очевидный психо­логический барьер неприятия пациентами "предстоящего общения" с робо­том, работы по созданию и совершенствованию таких роботов ведутся во многих странах, в том числе и в России [3].

Вернемся к стопоходящим устройствам. Отметим, что стопоходящие экипажи давно привлекают внимание ученых и инженеров [1,2,8] не только в связи с потребностями медицины. Подобные устройства используют, например, в лесном и сельском хозяйствах (когда колесные и гусеничные

Рис. 1.11. Схема устройства космиче­ского корабля многоразового использо­вания с манипуляционной системой на борту

1, 2- смотровые окна; 3, 4, 5- теле­камеры

машины имеют ограниченную проходимость вследствие естест­венных препятствий и плохого состояния грунта в период дож­дей), а также в поливном зем­леделии. Наверное, и при иссле­довании других планет не всегда можно рассчитывать на колеса и гусеницы. Поэтому соответствующие разработки ведутся и в интересах космической техники.

Исследования и работы в космическом пространстве составляют еще одну важнейшую область применения манипуляторов. Созданы специаль­ные манипуляционные системы, в конструкциях которых учтены как специфические особенности решаемых двигательных задач, так и условия, в которых эти задачи решаются. На рис. 1.11 приведена схема установки манипулятора на пилотируемом космическом аппарате. Такие системы позволяют перемещать и ориентировать в космическом пространстве разнообразные объекты, а также фиксировать положение аппарата отно­сительно других объектов. Механические руки космических манипуляторов для взаимодействия с такими объектами имеют линейные размеры порядка 20-40 м. В этом случае неправильное механическое взаимодействие систем чревато катастрофой!

Действительно, масса объекта может в сотни раз превышать собствен­ную массу манипулятора, а обеспечение контакта объектов осуществляется их непосредственным прижатием. Процедура манипулирования в этих условиях представляет собой динамический процесс, связанный с необходимостью регистрировать и дозировать силы контакта. При этом сказываются психофизиологические ограничения человека, обусловленные необычностью и непривычностью среды, в которой выполняется работа. Например, с операциями захватывания объектов, гашения скорости и без­ударной укладки объекта в грузовой отсек аппарата в режиме полного ручного управления человек справиться не может, и выполнение этих кон­кретных операций поручается автоматической системе. Захватное устрой­ство снабжается датчиками, обеспечивающими бесконтактное измерение скоростей, расстояний и углов наклона манипулятора. Полученная ин­формация сообщается оператору и является дополнительной по отношению к его зрительной информации. Параллельно она используется для опера­тивных расчетов на ЭВМ, результаты которых подтверждают возможность успешного захвата объекта.

Программы ЭВМ обеспечивают рациональное взаимодействие ручного и автоматического управления. С их помощью оператор может решить, когда должно быть включено автоматическое управление. В последнем случае манипулятор становится космическим роботом.

Как видим, повышение функциональности манипуляционной системы, а также особенности работы в экстремальных условиях выдвигают тре­бование повышения эффективности системы управления, что достигается за счет применения ЭВМ. При этом многие решения чисто космических задач пригодны для использования и в земных обычных и необычных, часто также экстремальных, условиях и средах.

Действительно, решение проблем супервизорного управления, связан­ных с представлением информации человеку-оператору при наличии запаз­дывания в каналах прямой и обратной передачи информации (это мы знаем из примера дистанционного управления луноходом с Земли), актуально и для роботов, устанавливаемых на необитаемых глубоководных аппаратах. Потребность в такой технике с каждым годом возрастает в связи с необ­ходимостью освоения океана и добычи полезных ископаемых с его дна [12]. Роботы различного назначения могут быть использованы в рыбном хозяйстве, морской геологии и морском строительстве. Например, чтобы добывать нефть с континентального шельфа, строят гигантские морские платформы, опирающиеся на дно и несущие целые рабочие поселки и нефтепромыслы с автономной энергосистемой. Для подводного обслужи­вания механизмов и конструкций платформ, особенно при значительных глубинах, и нужны аппараты с роботами.

Специфика задач, решаемых при создании подводных роботов, связана с агрессивностью среды, с ограниченной видимостью, наличием придонных и глубинных течений, зачастую с взвешенным состоянием аппарата (любое его взаимодействие со средой вызывает ответную реакцию, изменяющую положение аппарата), а иногда и с наличием запаздывания в каналах пере­дачи информации. Это запаздывание может быть следствием, например, того, что информация от корабля с человеком-оператором на борту до необитаемого подводного аппарата с роботом передается через толщу воды не с помощью электрического кабеля или кабеля световода, которые могут быстро запутаться в элементах конструкций, а с использованием ультразвука. Скорость распространения звука в воде всего 1400 м/с. Поэто­му при расстояниях между ультразвуковым приемником и передатчиком 3-4 км сигнал задерживается более чем на 2-3 с. Ручное управление дви­жениями робота при таком запаздывании возможно лишь в режиме ма­ленький шаг-большая остановка-маленький шаг-большая остановка и т. д., даже при выполнении типовых операций. Отсюда — очень низкая произ­водительность труда и высокая утомляемость оператора.

Наиболее приемлемым решением при выполнении типовых операций указанного класса является супервизорное управление. Наряду с ручным управлением оно рассчитано на оснащение подводного аппарата бортовой автономной ЭВМ, которая в автоматическом режиме управляет роботом в соответствии с информацией, полученной его системой очувствления. Пере­ход к супервизорному управлению позволяет поднять производительность робота и существенно уменьшить напряжение и утомляемость человека — оператора.

В настоящее время накоплен значительный опыт по расширению функ­циональных возможностей устройств робототехники за счет снабжения их специальными датчиками и системами, позволяющими приспосабливаться к не полностью определенным и меняющимся условиям работы. Это дает основание надеяться на расширение использования роботов в немашино­строительных отраслях хозяйства, в частности в сельском хозяйстве, где уровень организации среды часто достаточно высок. Так, автоматизация тепличного хозяйства, стойлового животноводства (в частности процесса дойки животных) стала реальной в силу наличия соответствующих научно- технических заделов в робототехнике.