А. И. Корендясев БЛ. Саламандра Л. И.Тывес

На всех этапах своего развития человечество стремилось создать орудия и механизмы, облегчающие труд и обеспечивающие защиту от неприятеля. Еще в первом веке нашей эры Героном Александрийским были созданы ирригационные сооружения, водопровод, поворотные сцены храма; Архи­мед построил различные подъемные механизмы, в том числе и для перево­рота кораблей неприятеля, Леонардо да Винчи, наряду со многими изобре­тениями, предложил летательный аппарат на основе машущего крыла.

Человек в значительной степени познавал объективные законы при­роды, изучая движения животных и птиц. Только в середине XX в. это направление получило название бионика — наука об особенностях строения и жизнедеятельности живых организмов с целью создания новых приборов, механизмов и технических систем. Не стал исключением и сам человек. Совершенство его двигательных функций и интеллектуальные способности стали образцом для создания человекоподобных (антропоморфных) техни­ческих устройств. До настоящего времени сохранились созданные в XVII в. забавные механические игрушки — подвижные куклы, которые музици­руют, рисуют, танцуют, пишут различные тексты.

Дальнейшее развитие техники и все более возрастающие требования к замене монотонного человеческого труда работой автоматов, особенно в опасных (радиация, взрывчатые материалы) или недоступных (глубины моря, косм(ос) зонах, привело к созданию "умных" машин — роботов, обладающих близким к человеку "богатством" выполняемых движений и некоторым {‘искусственным интеллектом", позволяющим автоматически принимать решения и выбирать из этого "богатства" те движения, которые необходимы для выполнения технологической задачи даже в не полностью определенных (по информации) средах.

Однако появлению таких "умных" машин предшествовал этап станов­ления робототехники — нового раздела теории машин и механизмов. Как иногда случается, этот класс машин изначально был "обыгран" писателями — фантастами. Слово "робот" впервые введено в обиход чешским писателем К. Чапеком в фантастической пьесе "R. U.R." (Россумские универсальные роботы). С тех пор это слово вошло во все языки мира.

К. Чапек достаточно точно (с современных позиций) описал робота. Вот его слова: "…Россум… выкинул человека (из производственного процесса — примечание К. В.Ф.) и создал робота. Роботы — не люди… Механически они совершеннее нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них нет души. …Продукт инженерной мысли технически гораздо совершеннее продуктов природы!"

Как видим, робот по К. Чапеку — техническое устройство, предназна­ченное для замены человека при выполнении рабочих движений — только для этих целей. Все, что непосредственно не служит этому, из конструкции робота исключено. Его "механические совершенства" и "невероятно силь­ный интеллект" направлены на то, чтобы он двигался и работал быстрее, сильнее и точнее человека, чтобы был в этом смысле совершеннее человека.

До настоящего времени термины "робот" и "искусственный интеллект" не нашли общепринятого определения, не оговорены никакими между­народными стандартами. Есть только некоторые варианты, предлагаемые различными учеными. Например, в 1971 г. академик М. В. Келдыш дал следующее определение: "Робот — это машина, выполняющая механи­ческую работу с повышенным уровнем автоматизма". Нам представляется, что термин "робот" полностью укладывается в понятие, строго опре­деленное в теории машин термином "автомат", который был введен в 1962 г. академиком И. И. Артоболевским и профессором А. Е. Кобринским: "Автомат — агрегат, представляющий собой систему механизмов и устройств (электронных, электрических, пневматических, гидравлических), в которой полностью механизированы, т. е. выполняются без непосредст­венного участия человека, процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации".

В настоящее время роботы вошли в нашу повседневную жизнь. Сейчас нет в мире ни одного крупного автомобильного завода, на котором сварка кузовов в серийном производстве не производилась бы роботами. С 1983 г. более 10 американских компаний выпускают робототехнические комп­лексы, предназначенные как для обычных операций контактной и дуговой сварки, так и для специальных типов: лазерной сварки; сварки плавящимся электродом в среде инертного газа и т. п. Исследование мирового океана выполняется подводными роботами. Это они доставили материальные объекты и информацию о состоянии трагически погибшего "Титаника". В атомной промышленности — работа с радиоактивными материалами. В нашем неспокойном/мире роботы уже широко используют в чрезвы­чайных ситуациях, например, для нахождения и, если надо, уничтожения опасных предметов с целью предотвращения террористических актов. Такие роботы выполняются на подвижных шасси и могут исследовать загроможденные среды, подлезать под днище автомобиля, перемещаться и выполнять необходимые операции в ограниченном пространстве, например в вагоне пассажирского поезда. Разрабатываются и производятся роботы для использования в быту — для уборки помещений, охраны, обслуживания больных и т. д.

Значительное внимание уделяется роботам, предназначенным для работы в средах, где присутствие человека недопустимо, и в первую очередь — при выполнении операций в сверхчистых технологиях, например, при производстве ЧИПов в микроэлектронике; в медицине — для исследо­вания внутренних органов человека, для лечения и поддержания жизни — искусственная почка, аппараты искусственного дыхания, кровообращения.

А биоуправление перевернуло все представления о конструкции и возмож­ностях протезов конечностей человека-инвалида. Характерный пример: на первом Международном Конгрессе по автоматическому управлению, проходившем в Москве, перед докладом профессора А. Е. Кобринского на трибуну поднялся инвалид с биоуправляемым протезом, взял мел и написал на доске: "Привет участникам Конгресса". Все присутствующие — ведущие специалисты в области кибернетики из разных стран — стоя аплодировали достижениям ученых и инженеров нашей страны.

Широкому применению роботов во всех сферах деятельности человека предшествовал период развития науки о роботах — робототехники. И тому были объективные причины, сложившиеся к 1940-м годам. С одной сто­роны, настоятельная потребность — в связи с работами по атомной энер­гетике, а с другой — появившаяся возможность перерабатывать большие объемы информации и управлять технологическими процессами с помощью новых цифровых микропроцессорных систем. Именно развитие компью­терной элементной базы обусловило бурное развитие робототехники.

Ученые всех передовых в техническом отношении стран включились в развитие робототехники. Можно выделить следующие направления: иссле­дование структуры и кинематики роботов, управление от компьютера, автоматическая сборка — Д. Тесар, Б. Росс (США), Ф. Куафе (Франция); структура роботов для различных технологических процессов, внедрение роботов — Г. Варнеке (Германия), разработка адаптивных (приспосабливаю­щихся к изменениям внешней среды) роботов — К. Шенон (США); функцио­нальный анализ механических рук — А. Роветта (Италия); антропоморфные структуры роботов — А. Морецкий (Польша); теория шагающих машин, экзоскелетон — М. Вукобратович (Югославия).

Начиная с 1973 г. регулярно (один раз в 3 года) стали проводиться меж­дународные симпозиумы "ROMANSY — Роботы — Манипуляторы — Сис­темы". Состоялось более 10 конгрессов таких крупных международных объединений, как IFTOMM, IFAC, на которых отдельно заслушивались доклады по различным разделам робототехники.

В нашей стране исследования в области робототехники развивались в крупнейших научно-исследовательских институтах. Эти работы возглав­ляли известные ученые: академик И. И. Артоболевский, профессора А. Е. Кобринский и А. П. Бессонов (ИМАШ РАН); члены-корреспонденты Е. П. Попов (МВТУ им. Н. Э. Баумана) и Д. Е. Охоцимский (ИПМ), доктора технических наук Е. И. Юревич (ИТКР), Е. А. Девянин (ИМех. МГУ), П. Н. Белянин (НИАТ) и др. Начиная с 1967 г. с периодичностью один раз в два года в различных городах страны проводятся симпозиумы по теории и принципам устройства манипуляторов, на которых обсуждаются новые подходы к решению задач робототехники, а также отбираются наиболее интересные работы для участия на международных конгрессах.

Робототехника, как наука о новом классе машин, быстро набрала потенциал и сформировалась как отдельное направление в машиноведении. В связи с большой потребностью отечественной промышленности в инженерных кадрах по этому направлению во всех ведущих технических ВУЗах страны в начале 1970-х годов была введена новая специальность 02.05.02 "Робототехника, мехатроника и робототехнические комплексы".

Настоящая книга написана сотрудниками ИМАШ РАН, специалистами в области теории механизмов, машин и автоматических линий, работав­шими под руководством академика И. И. Артоболевского и профессора А. Е. Кобринского. Авторы книги являются свидетелями и непосредст­венными участниками теоретических и прикладных исследований задач робототехники. У каждого из них более 100 научных публикаций по данному направлению. В книге собраны и систематизированы результаты работ авторов более чем за 30-летний период деятельности.

Книга интересна тем, что в ней с единых позиций изложены основные проблемы, постановки задач и их решения, касающиеся механики робото­технических систем, привода, управления и информационного обеспечения. При этом основное внимание уделено исследованию главного элемента робота — механической руке, как механической системе с большим числом степеней свободы. Авторы сумели систематически изложить специфи­ческие проблемы таких объектов и дать конструкторам математический аппарат для решения задач статики, уравновешивания, кинематики, дина­мики и управления руками роботов.

Большое внимание уделено оценке интегральных характеристик механической руки, анализу и методам повышения точности воспроиз­ведений траекторий схвата, повышению быстродействия за счет использо­вания схем рекуперации энергии, алгоритмическому обеспечению при ра­боте в среде с препятствиями, выбору оптимальных траекторий, созданию систем "очувствления" роботов (искусственные кожа, зрение).

В книге подробно описаны не только алгоритмы распознавания образов, но и свойства реальных систем сбора информации. Характерное для книги частое обращение авторов к экономии машинного времени не атавизм, а позиция авторов. Пусть выигрыш при современной памяти и быстродействии вычислительных средств составляет секунды или доли секунды, но именно на эти доли секунды и надо быть впереди.

Следует отметить неоценимый вклад авторов в решение многих конкретных задач робототехники и манипуляторостроения. Одна из них связана с отказо>гот "траєкторного" подхода при исследовании много­подвижных управляемых механизмов, каковыми являются манипуляцион­ные системы роботов, и введение "метода объемов" — интегральных оценок кинематических возможностей систем в рабочем объеме (коэффициент сервиса). Затем — определение целого подкласса разомкнутых кине­матических структур манипуляционных систем, для которого обратная задача о положениях решается в явном виде, и метод анализа механизмов на наличие особых положений (конфигураций) с помощью "индикаторной матрицы".

Весьма плодотворным для инженерной практики оказался также оригинальный подход авторов при анализе кинематических передач приводов, а также статики и динамики манипуляционных систем, связанный с поиском условий, при которых сложные исследуемые уравнения сводятся к линейным, либо дополнительно становятся еще и ортогональными. В итоге такой подход позволяет в первоначальном многообразии возможных движений, можно сказать в их хаосе, найти системы, движения которых анализируются достаточно легко и приводят к полезным результатам.

Вместе с тем в книге убедительно показана необходимость и актуальность современных физических экспериментов.

Выбор в качестве объекта исследований механической руки не является случайным. От робота, как от универсальной машины, обычно требуется большое разнообразие возможных движений. Традиционно эта проблема решается за счет введения "избыточных" степеней свободы. Однако сколько ни сделано роботов, а до совершенства природы инженерам еще далеко. Рука человека — уникальное орудие труда — обладает универсаль­ными двигательными возможностями. С одинаковой легкостью человек берет иголку, книгу, чашку, работает напильником, паяльником, молотком, совершает множество сложных движений: медленных и быстрых, грубых и точных, мелких и размашистых. Как показали исследования А. Е. Кобрин — ского, такое многообразие и богатство обусловлены тем, что наряду с высокоорганизованным компьютером — мозгом человека, природа его снабдила телом (двигательной системой), имеющим по ориентировочным подсчетам 37 степеней подвижности! А человеческая рука имеет 7 степеней подвижности, не считая подвижности пальцев. До настоящего времени неясно, как и по каким алгоритмам человек выбирает лучшую для себя траекторию из множества возможных для выполнения того или иного двигательного акта.

В науке развитие и познание бесконечны. Поэтому эту работу можно считать эстафетным посланием новому поколению ученых и конструк­торов, которому предстоит развивать инженерные идеи и совершать яркие прорывы в технике.

Данная монография, несомненно, будет полезна преподавателям, студентам, аспирантам, инженерам и исследователям в области теории ма­шин и механизмов, робототехники, станкостроения, информатики, автома­тики и систем управления. Несмотря на большой объем (монография выхо­дит в двух книгах), много интересных разделов робототехники остались за ее рамками: шагающие машины и роботы, роботы с упругими звеньями, роботы с параллельной топологией и робототехнические комплексы лишь упомянуты. Это значит, что теория робототехники еще пишется, и не только авторами данного издания, но и многими другими учеными, инженерами и конструкторами. Всем им, упомянутым и не упомянутым в монографии, россиянам и зарубежным коллегам я искренне благодарен за их вклад и результаты.

Академик К. В. Фролов