Зарождение робототехники относится к 1940-м годам и связано оно с развитием атомной энергетики. Материалы, используемые в данной облас­ти техники, обладают радиоактивностью, и прямой контакт человека с ними недопустим. Для человека опасно также и оборудование для получения и обработки этих материалов. Вместе с тем большой объем научных исследований в области атомной энергетики, задачи практической эксплуатации и ремонта реакторов, обслуживания машин и механизмов, находящихся в радиоактивной зоне, требовали участия человека в их выполнении. Уровень развития автоматизации в то время был недостаточно высок, чтобы говорить о возможности создания автоматов для выполнения разнообразных и часто очень сложных операций по обслуживанию атомной техники. Поэтому были найдены технические решения, позволяющие, с одной стороны, вывести человека из опасной зоны, а с другой — исполь­зовать его высокие интеллектуальные и физические возможности при выполнении операций в этих зонах. Машины для выполнения такого рода работ получили название манипуляторов.

Первый манипулятор создали в Аргоннской национальной лаборатории США. Была сконструирована машина многоцелевого назначения, способ­ная выполнять те же действия, что и рука человека. Принцип работы машины определил ее название, которое в точном переводе на русский язык звучит "хозяин-раб". Манипулятор состоял из исполнительной механической руки ("раб"), помещенной в опасную зону, и задающей механической руки ("хозяин"), на которую воздействует оператор, нахо­дящийся в безопасной зоне. Исполнительная рука, отличающаяся от задаю­щей руки только наличием захватного устройства, имела шарнирную конструкцию, а число ее звеньев и соответственно степеней подвижности было достаточным, чтобы устанавливать и ориентировать объект мани­пулирования в рабочем пространстве любым образом.

В первых конструкциях задающая и исполнительная руки были связаны между собой кинематическими передачами тросового типа так, что звенья исполнительной руки копировали движения звеньев задающей. Механиче­ские передачи, связывающие обе руки, являются обратимыми. Оператор через задающую руку воспринимал нагрузку от веса звеньев обеих рук, их инерционности, сил взаимодействия исполнительной руки с объектами манипулирования и преодолевал силу трения в кинематических передачах. Иными словами, помимо функций управления оператор выполнял также и физическую работу, в процессе которой нагрузка на человека, естественно, зависела от технологического процесса в опасной зоне.

В дальнейшем были предприняты попытки избавить оператора от физической нагрузки за счет введения следящих приводов, однако качество системы при этом ухудшилось: вместе с нагрузками на оператора пол­ностью устраняется полезная информация о силах взаимодействия ис­полнительной руки с объектами манипулирования и теряется возможность выполнять "тонкие" работы, связанные, например, с манипулированием хрупкими объектами. Оператор был лишен своеобразного канала очувствления. Поэтому дальнейшее развитие техники манипуляторов было связано с применением так называемых обратимых по усилию следящих систем, позволяющих сообщать оператору информацию через задающую руку о силовых нагрузках в опасной зоне. При этом, чтобы не нагружать оператора моментами от веса звеньев, руки стали уравновешивать, применяя специальные уравновешивающие механизмы. Одновременно про­исходило совершенствование самих механических рук, способов и устройств управления [6] (кнопочное, от специальных рукояток, иногда и не похожих на исполнительную руку), манипуляторы оснащали датчиками касания, проскальзывания, усилий и т. д. Словом, манипуляторостроение превра­тилось в целую отрасль промышленности.

Именно технические достижения в этой отрасли имели основопо­лагающее значение для современной робототехники. Особенно важным оказался опыт, накопленный в области создания исполнительных устройств с широкими двигательными возможностями — универсальных механических рук.

Конечно, рука человека по своей универсальности и возможностям ни в какое сравнение не может идти с механической рукой. Вряд ли когда — нибудь можно будет построить механизм, равный по возможностям руке человека. По данным антропологов, рука человека имеет 27 степеней под­вижности, в то время как для произвольного помещения и ориентации объектов в свободном пространстве достаточно иметь механизмы с шестью степенями подвижности. Как правило, наиболее совершенные манипу­ляторы создают с таким числом степеней подвижности. И даже при такой, сравнительно небольшой подвижности рука получается конструктивно сложной (рис. 1.1), а многие вопросы ее создания требуют серьезных теоретических обоснований.

В настоящее время манипуляторы широко используют не только в атомной промышленности, но и в космосе, в шахтах, под водой и во многих других областях. И всегда в этих системах присутствует человек, выполняю­щий функции управления. В машиностроительном производстве в тех случаях, когда нецелесообразно автоматизировать технологический процесс в силу его сложности и когда мастерство и опыт оператора в этом процессе имеют важное значение, находят применение копирующие манипуляторы. При их использовании оператор выводится из вредной зоны, обеспечи-

Рис. 1.1. Копирующий манипулятор МЭМ-10СДГ — разработка Института физики высоких энергий (справа — задающая рука, слева — исполнительная)

Рис. 1.2. Стацирнарный сбалансированный манипулятор НВ-75А (Япония) грузоподъем­ностью 75 кг

а — вешний вид; б-узел управления с лицевой стороны; в — узел ручного управления с обратной Стороны; 7 — опорная плита; 2 — крюк для подвески груза; 3 — пульт управления; 4 — узел поворота крюка; 5- "предплечье" руки; 6- верхнее звено параллелограммного механизма ("плечо"); 7- пружина уравновешивающего механизма; 8- нижнее звено параллелограммного механизма; 9- узел привода; 10- шкаф системы управления; 11- узел разворота корпуса манипулятора; 12- стойка; 13 — установочная опора; 14 — кнопка управления подъемом груза; 15 — выключатель источника питания; 16- кнопка управления опусканием груза; 17- кнопка включения системы балансирования груза; 18- индикаторная лампа балансирования груза на крюке; 19- кнопка выключения системы балансирования груза

вается многократное "усиление" мускульной энергии оператора, и в то же время технологический процесс ведется с привлечением интеллекта и профессиональных знаний оператора.

В последние годы прошлого века широкое распространение получили сбалансированные манипуляторы (рис. 1.2). Это сравнительно простые манипуляционные системы с ручным управлением, применяемые для меха­низации тяжелых работ в различных отраслях машиностроения, в част­ности, для загрузки и выгрузки тяжелых заготовок и изделий (с массой в десятки и сотни килограммов) при их обработке на станках и иных уста­новках, а также для механизации операций сборки и др. [5].

Общей конструктивной особенностью сбалансированных манипулято­ров является уравновешивание масс рычагов руки с помощью специальных

пружинных устройств и наличие одного приводного двигателя. Такие манипуляторы управляются рукояткой, расположенной на его конечном звене, которое приспособлено также для быстрой смены присоединяемых к нему специализированных захватных устройств. При повороте управ­ляющей рукоятки в одну сторону груз поднимается, при повороте в другую — опускается. Чем больше угол поворота управляющей рукоятки, тем выше скорость подъема или опускания груза. При освобождении рукоятки она возвращается в нейтральное положение, манипулятор в этот момент автоматически останавливается, поднятый груз остается неподвиж­ным. Усилием оператора весь манипулятор легко поворачивается вокруг вертикальной оси, благодаря чему достигается возможность позициони­ровать груз в любой точке рабочего пространства. В конструкции предусмотрены устройства, предохраняющие систему от перегрузки, опро­кидывания и падения груза при выключении тока или отказах. Источником энергии служит двигатель, автоматически включающийся при наличии вертикальной составляющей усилия, которое оператор прикладывает к управляющей рукоятке. Простота и удобство управления подобными "усилителями" мышечной силы оператора обусловливают их широкое расп­ространение в различных отраслях.