Текст книги "Знакомьтесь - роботы!"

Автор книги: Арон Кобринский

Соавторы: Иван Артоболевский
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 17 страниц)

Полуроботы

Механическая рука

Человек появился на земле не так просто, как об этом рассказывается в библии. Не одна тысяча лет прошла, пока наш далекий предок догадался встать на задние конечности, выпрямиться, взять передними конечностями палку или камень и начать ими орудовать, приспосабливая для своего обитания окружающий мир. Эта работа не прошла для него даром. В результате ее он стал человеком и обзавелся уникальными орудиями труда – руками. Мы теперь знаем, насколько сложна и совершенна их конструкция, какой гибкостью и подвижностью они обладают.

Любая попытка построить робот – это в первую очередь попытка разработать конструкцию механической руки, чтобы она, подобно человеческой, могла совершать множество разнообразных движений в окружающем пространстве.

Рука человека не предназначена специально для выполнения какого-то определенного набора операций. Она является универсальным орудием, и именно поэтому человек может так ловко действовать, манипулировать самыми различными объектами, предметами, инструментами, чем угодно.

Каким же минимумом подвижности нужно оснастить механическую руку, чтобы, с одной стороны, не очень усложнить задачу конструктора, а с другой – чтобы все-таки обеспечить этому орудию труда достаточно высокую универсальность?

Такой минимум легко установить. Свободное тело в пространстве обладает шестью степенями подвижности. Книжка, которую вы сейчас читаете, лежит на столе. В любую точку пространства можно ее переместить, сдвигая вдоль стола (одна степень подвижности), поперек стола (другая степень подвижности), поднимая в направлении, перпендикулярном плоскости стола (третья степень подвижности). Но чтобы книжку поставить, например, на полку, ее нужно не только перенести с одного места на другое, но еще и установить на этом новом месте желательным образом. При этом может оказаться необходимым поворачивать ее в собственной плоскости (четвертая степень подвижности), относительно линии корешка (пятая степень подвижности) или относительно линии верхнего или нижнего ее обреза (шестая степень подвижности).

Рукой мы свободно можем взять книжку со стола и поставить на полку. Три степени свободы в плечевом суставе и три в лучезапястном составляют шесть степеней свободы, которых должно хватить, чтобы сделать необходимые для этого движения. Но попробуйте сделать это, не сгибая руку в локте, то есть не вовлекая в движение еще одну степень свободы. Вы убедитесь, что это неудобно, часто просто невозможно.

Механическую руку не обязательно делать в точности подобной естественной. Суставы живой руки, как и все суставы нашего тела, устроены так, что сочленяемые ими кости могут только поворачиваться на некоторый угол одна относительно другой. Они не могут вращаться и не могут двигаться поступательно, как может, например, двигаться гладкий валик, вставленный в гладкую трубку. В отличие от живой руки в конструкциях механических рук используют самые различные сочленения подвижных звеньев, допускающие их качательные, вращательные и поступательные движения.

Почему в живом механизме использованы только шарнирные сочленения с ограниченной подвижностью? Да, наверное, все из тех же конструктивных соображений. Представьте себе, что ваша голова относительно туловища может свободно вращаться или хотя бы совершать полный оборот. Казалось бы, страшно удобно! Верти головой сколько угодно! Но как тогда быть с мышцами, которые должны ее вертеть? Какой длины они должны быть? Как быть в этом случае с двенадцатью парными нервами? С кровеносными сосудами, которые снабжают голову питанием? На что их накручивать? Как только откажешься от принятого в живом механизме типа сочленений, так становится ясно, что всю конструкцию соединения головы с телом при этом надо целиком изменить. И с конструкцией руки дело обстоит точно так же.

В механических руках использованы совсем другие "мышцы" и нет кровеносных сосудов; ограничения, существенные для живой системы, здесь оказываются несущественными. Но зато в механическую конструкцию очень сложно вводить избыточные степени подвижности с такой щедростью, с какой ими снабжена живая рука.

Вспомним, что к семи степеням подвижности крупных суставов руки добавляется еще 20 степеней подвижности кисти с пальцами! Присмотритесь к тому, как они помогают удобно и легко брать книгу со стола и ставить ее на полку. А кисти механических рук почти все самые простые «двупалые» захваты с одной степенью подвижности, и только в последние годы делаются попытки создать кисть с большей подвижностью. Кроме того, механические руки конструируют так, чтобы кисть при желании можно было быстро сменить. Разные конструкции кистей, образующие разные формы захватов, в какой-то мере компенсируют ограниченные возможности каждой из них.

Конечно, никакими ухищрениями не удастся воспроизвести бесконечные по богатству и сложности движения, которые может сделать живая рука. Но к механическим рукам и не предъявляются такие требования.

В робототехнике их обычно даже называют не руками, или механическими руками, как в популярной литературе, а просто манипуляторами, и под манипулятором понимают техническое устройство, предназначенное для воспроизведения лишь некоторых двигательных функций верхней конечности человека.

Никто не собирается использовать механические руки, чтобы с их помощью писать стихи, передвигать шахматные фигуры или дирижировать оркестром. Речь идет исключительно о рабочих движениях, о выполнении работ, которые очень утомительны, вредны или опасны для человека и вместе с тем не требуют особо сложных движений.

В зависимости от вида и содержания работы к управлению манипуляторами приходится привлекать человека, либо управление удается поручить автомату.

Когда механической рукой или руками, а может быть, руками и ногами, управляет ЭВМ, когда с универсальным исполнительным органом или органами, способными совершать множество разнообразных движений, сочетается автомат, способный рассчитывать это множество движений и управлять ими, именно такую "комбинацию" принято называть роботом.

Когда функции управления остаются за человеком, когда человек своими движениями и действиями управляет движениями и действиями механических рук либо рук и ног, когда механическая копия повторяет, копирует естественные движения и действия оператора, ее, эту копию, можно условно назвать полуроботом. А техническое название у таких машин совсем прозаическое – их называют копирующими манипуляторами.

Вы уже знаете, что именно с создания копирующих манипуляторов началась робототехника, и вы знаете, что их появление было вызвано не желанием создать еще одну механическую игрушку, а становлением и развитием жизненно важной для всего человечества научной и технической проблемы – освоения энергии атома.

И рассказы о роботах, пожалуй, удобнее всего начать именно с таких биотехнических систем, как обычно называют системы, в которых тесно объединены и совместно работают оператор и манипулятор, человек и машина, копирующая его движения и действия.

На поводу у человека

Марионетки – так назывались театральные куклы, получившие широкое распространение в народных кукольных театрах Чехии 100–200 лет назад. Голова и туловище марионетки соединены между собой подвижно, руки и ноги свободно раскачиваются, сгибаясь в крупных суставах, подвижно соединяющих отдельные их части. К этим подвижным сочленениям куклы (в плечах, бедрах, коленях, шее, локтях, кистях рук, ступнях) привязаны нитки, верхние концы которых прикреплены к управляющему механизму – небольшой деревянной крестовине, состоящей из вертикальной рукоятки и одной-двух подвижных поперечин, которые могут качаться и поворачиваться относительно рукоятки.

Рукоятка этого механизма играет роль базы, к ней подвешивается голова или туловище куклы. К поперечинам привязываются нити, идущие ко всем ее суставам.

Кукловод, раскачивая и поворачивая поперечины, заставляет идущую как бы на поводу у него марионетку сгибать руки и ноги – совершать сложные движения.

В театрах марионеток разыгрывались представления, в которых участвовало одновременно несколько кукол. У отдельных марионеток число нитей превышало 20, они обладали очень большой подвижностью, управление ими требовало от кукловода высокого мастерства. Он быстро наклоняет или выпрямляет поперечины, те или иные нити то подтягиваются вверх, то опускаются вниз, и в соответствии с этой быстротекущей "программой" кукла пляшет или вытирает рукой слезы. Конечности куклы повторяют движения пальцев артиста – его дело выразить в этих движениях человеческие чувства и действия.

Почему мы здесь вспомнили о марионетках? По той простой причине, что примерно та же идея управления использована во многих конструкциях копирующих манипуляторов, которые сегодня широко применяются на практике. Оператор, работающий на таком манипуляторе, как кукловод, приводит рукой в движение управляющий механизм, звенья которого соединены со звеньями исполнительного механизма, как соединена крестовина с суставами марионетки. Как кукловод, оператор в процессе управления так строит свои движения, так их дозирует, то есть выбирает и изменяет их скорости, чтобы копирующие эти движения исполнительные механизмы наилучшим образом выполнили всю программу действий.

Идея устройства, использованная в копирующих манипуляторах, не нова. Но насколько отличаются эти машины от старинной марионетки!

Мы уже знаем, для решения каких задач они сегодня применяются. Манипулятор предназначен для того, чтобы работающий с ним в паре человек мог взять расположенный вдалеке объект манипулирования или инструмент, переместить его из одного места в другое, ориентировать его там нужным образом, провести над ним или с его помощью разнообразные действия, операции, заставить его так или иначе двигаться. Все эти действия с объектами манипулирования должен выполнять исполнительный механизм так или почти так, как если бы их выполняла рука человека, по возможности точно и быстро.

Управляющий и исполнительный механизмы копирующего манипулятора – это две механические руки примерно одинаковой конструкции. Только кисть управляющей руки – это рукоятка, которую оператор держит в руке, а кисть исполнительной руки – это захват, которым в конечном счете оператору приходится производить все манипуляции: брать, переносить, поворачивать, заворачивать, вставлять, вынимать, собирать, одним словом, работать.

Оператор обычно работает одновременно двумя руками, воздействуя на рукоятки двух управляющих рук. Две их механические копии, оканчивающиеся захватами, повторяют предпринятые человеком движения.

Итак, все, казалось бы, очень просто! Управляющая и исполнительная руки – каждая имеет 6 степеней подвижности для выполнения необходимых движений в пространстве, и еще по одной – для взятия объекта; на управляющей рукоятке имеются гнезда для большого и указательного пальцев, управляющих открытием и закрытием захвата исполнительной руки. Соответственные звенья обеих рук связаны между собой передачами, обеспечивающими одинаковость их движений. Каждая соответственная пара звеньев движется одинаково, одинаковы их суммарные движения, одинаково движутся захват и рукоятка, и когда оператор разводит или сводит большой и указательный пальцы открывается или закрывается захват.

Оператор и механические копии его рук разделены и действуют на расстоянии. При работе с радиоактивными веществами эти расстояния могут измеряться метрами и десятками метров. При работе в подводном мире десятками, сотнями и тысячами метров, в космическом пространстве – сотнями тысяч и миллионами километров. Точная и быстрая передача движений на такие расстояния – вот первое из сложных и важных требований, превративших простые щипцы в полуробот, сложный машинный агрегат.

Чтобы затянуть гайку, к гаечному ключу нужно приложить усилие, значительно отличающееся от того, какое необходимо, чтобы удержать пальцами хрупкое сырое яйцо. Человек, двигаясь, работая, не только делает самые разнообразные движения, но еще направляет и дозирует усилия, связанные с этими движениями. Копирующий манипулятор должен обеспечить оператору возможность управлять не только движениями объекта манипулирования, но и величинами и направлениями усилий, которые надо к нему прикладывать во время той или иной операции, – вот еще одно важное требование к конструкции этой машины.

Как удержать в руках и не раздавить хрупкое яйцо, как действует механизм интеллекта, дозирующий усилия, пока никто вам объяснить не сумеет. Но одно нам уже совершенно ясно – при выполнении любых действий человек пользуется информацией, непрерывно собираемой его органами чувств. При построении движений и дозировании усилий ему обычно служат зрение или осязание, или одновременно оба эти чувства.

Оператор управляет манипулятором, наблюдая непосредственно или с помощью телевизионных устройств за движениями, воспроизводимыми исполнительными руками. Так осуществляется зрительная обратная связь по перемещению в пространстве. Механизм этого управления нам уже знаком. Оператор непрерывно сравнивает наблюдаемые им положения и скорости исполнительных рук с желаемыми и непрерывно вносит коррекцию, устраняя возникающие рассогласования.

Однако при выполнении многих работ такой визуальной обратной связи по перемещению оказывается недостаточно. Когда приходится дозировать усилия, систему управления необходимо дополнить обратной связью "по усилию". Проще всего для этого использовать естественные информационные каналы оператора. Но если человек находится в одном месте, а его "руки" в другом, то, чтобы у него возникали ощущения усилий, нужно прежде всего снабдить "чувствами" механические руки или хотя бы их захваты.

Копирующий манипулятор должен быть очувствлен по отношению к действующим на него усилиям, должен обладать свойством отражать на руки оператора усилия, действующие на захваты. Очувствление – еще одно важное требование, предъявляемое к конструкции манипулятора.

И это еще не все. Мы ничего не сказали о важном требовании, связанном с необходимостью не только ощущать усилия, но при желании иметь возможность в несколько раз увеличивать силы, развиваемые на исполнительных руках, снабдить оператора "сверхчеловеческими" возможностями. Такие конструкции давно существуют и применяются. Конечно, эти свойства достигаются не за счет подбора операторов-гигантов, а путем использования дополнительных источников мощности, которые включаются в систему "оператор – манипулятор".

Перед конструкторами громоздятся требование за требованием, возникающие из-за того, что каждым движением, действием полуроботов непрерывно управляет человек; они работают "рука об руку", образуя единую биотехническую систему.

Как покупатель в магазине подбирает туфли или костюм, чтобы они нигде не жали, не тянули, не заставляли горбиться, так и создатели полуроботов вынуждены приспосабливать и подгонять свойства и возможности машины к свойствам и возможностям человека. А ведь эти свойства и возможности совершенно не совпадают, они подчас просто противоречивы. Для чего хороша машина, для того совершенно не подходит человек; свойства человека совершенно несвойственны машине.

Попробуйте рукой провести в пространстве прямую линию или на листе бумаги карандашом нарисовать сколько-нибудь точную окружность, попробуйте вертеть сверло со скоростью в 1000-500-100-50 оборотов в минуту или поднять груз весом в 500 килограммов. Оператора, обладающего такими возможностями, невозможно ни найти, ни подготовить, а машине это проще простого.

У вас, как у каждого, кто представляет себе эти и подобные им несоответствия, наверное, возникает вопрос: "Зачем "спаривать" так тесно человека и машину?

Зачем пытаться соединять противоречивое? Ведь каждому ясно, насколько сильно при этом человек ограничивает машину. Копирующий манипулятор, управляемый человеком, никогда не сумеет провести в пространстве точную окружность, а его механическая рука никогда не сумеет ударить по гвоздю 3 раза в секунду".

Казалось бы, уж если человек умудрился построить такую квалифицированную и сложную машину, как манипулятор, которая может делать множество разнообразных движений, может выполнять их точно и развивать при этом гигантские усилия, может многое, чего не может человек, так пусть ею управляет не человек, а автомат. Переделайте полуробот в робота, и все тут!

Переделать можно. Только после такой переделки она не сумеет делать то, что умела, когда ею управлял человек. Работая в паре с машиной, человек придает этой биотехнической системе наряду со своими человеческими недостатками еще и свои человеческие достоинства. Без них очень часто не обойтись. Чтобы не прослыть опрометчивыми консерваторами, скажем – пока не обойтись (будучи уверенными, что круг работ, которые человек сумеет поручать роботу, конечно, должен непрерывно расширяться).

В изолированной камере

Супруги Кюри, проложившие человечеству путь к использованию энергии атома, а затем и их последователи, не представляли себе, как будет выглядеть атомная энергетика не только 40-х годов, но и конца XIX века, что она, можно сказать, молниеносно начнет превращаться в новую большую отрасль промышленности во многих странах. И отрасль своеобразную, поскольку и сырье, и заготовки, и изделия, а подчас и оборудование, и машины, образно говоря, находятся под запретом, предупреждающим: «Руками не трогать!»

Сердце атомного ракетного двигателя – реактор – источник смертельно опасных излучений. Испытания двигателя ведутся в пустынной глухой местности; но затем наступает неизбежный этап исследований, когда нужно разобрать двигатель и сам реактор, чтобы воочию увидеть, к чему привели испытания, как выглядят его узлы и детали в результате воздействия на них колоссальных нагрузок.

Даже после сравнительно кратковременной работы реактор долго сохраняет радиоактивность; разборку двигателя, обследование узлов и деталей, их замену в случае необходимости – все эти работы необходимо вести в изолированных помещениях. При их выполнении приходится иметь дело с частями метровых размеров, весящими не одну сотню килограммов. Например, разработанный по американской программе ракетный реактор весит более 5 тонн.

На окраине одного из городов штата Невада расположены здания Национальной станции США, занимающейся вопросами усовершенствования ракет. Часть здания станции представляет собой надежно защищенное от радиоактивных излучений изолированное пространство. Вы помните, что в исследованиях супругов Кюри рабочая камера представляла собой просто-напросто ящик, покрытый свинцом. Теперь это изолированное помещение – целый эллинг высотой с четырехэтажный дом. А вместо "щипцов" там смонтирована механическая рука, размеры и грузоподъемность которой позволяют оперировать тяжелыми и громоздкими объектами – узлами и деталями ракетных двигателей и реакторов.

Рука состоит из трех звеньев. У нее есть плечо, предплечье, кисть. Она не полностью антропоморфна и не только размерами, но и структурой, и видом кинематических пар отличается от естественной руки. Вместе с тем она обладает шестью, а с учетом раскрытия и закрытия схвата – семью степенями подвижности, что, как мы знаем, достаточно, чтобы работать в пространстве.

Оператор сидит за бетонной стеной и через непроницаемое для вредных излучений стекло ведет наблюдение за тем, как отрабатываются все его команды. Но такой гигантской рукой нельзя управлять по схеме обычного копирующего манипулятора, и оператор с манипулятором связаны не так, как в системах прямого копирования. Оператор ведет управление, нажимая кнопки и поворачивая рукоятки, подобно тому как машинист управляет экскаватором. Такую систему ручного управления иногда называют кнопочной.

В копирующих системах оператор, воздействуя на рукоятку управляющей руки, задает и дозирует движения одновременно по нескольким или всем степеням свободы. Он строит движения самым естественным для человека способом, как правило, даже не задумываясь над тем, из каких элементарных перемещений и поворотов оно составляется. А здесь картина построения движений совсем другая.

Кнопочная система вынуждает оператора разлагать выполняемые движения на отдельные элементы с помощью тех кнопок и рукояток, которые этим элементам соответствуют. Конечно, навыки позволяют ему сравнительно быстро освоиться с таким управлением, но, как показал опыт, быстрота и точность движений при кнопочной системе все-таки значительно ниже, чем при системе прямого копирования.

Когда вы поворачиваете рукой рукоятку мясорубки, ваша кисть вместе с рукояткой описывает точную окружность; рукоятка, подчиняясь усилию руки, вместе с тем направляет ее движение. Работает то, что великий русский физиолог И. Павлов назвал "темным мышечным чувством"; именно оно позволяет, даже отвернувшись от мясорубки, успешно выполнить движение. Рукоятку мясорубки можно повернуть механической рукой копирующего манипулятора. Его свойство отражать усилия на руку оператора и "темные мышечные чувства" помогут последнему построить необходимое для этого движение исполнительной руки.

Кнопочная система не обладает свойством отражения усилий. Пытаясь повернуть рукоятку мясорубки механической рукой манипулятора с кнопочным управлением, можно сломать мясорубку либо манипулятор.

Нам в дальнейшем еще пригодится все, что мы узнали о свойствах манипуляторов с кнопочным управлением, а сейчас вернемся в эллинг, куда поступил после испытаний атомный двигатель.

Представим себе процесс разборки реактора с помощью манипуляторов. Узел за узлом, деталь за деталью отделяют они от реактора и осторожно укладывают их в специальные стеллажи. Некоторые узлы и детали передаются для дальнейшей разборки и контроля в зоны действия других механических рук, меньших по размерам, но зато работающих по принципу прямого копирования и очувствленных по усилиям захвата.

Все процессы разборки происходят не так, как если бы люди выполняли их непосредственно. Уже теперь многое в конструкции реактора рассчитано на процессы дистанционной разборки, ремонта, сборки. Но все же это пока только зачатки дистанционных технологий.

В ближайшем будущем науке и технике не избежать необходимости заняться ими вплотную. И конструировать машины будут в расчете на такие специальные технологии.

Разборка идет успешно, но вот одно неосторожное движение – и последняя, самая важная деталь выскользнула из захвата механической руки и упала на пол. Конечно, когда реактор снова будут собирать, эту деталь можно заменить новой – комплекты запасных частей хранятся в пределах досягаемости механических рук. Но сейчас для целей контроля, выяснения того, как работала в процессе испытаний вся система, необходима именно эта деталь, ее необходимо поднять и доставить по назначению.

Кто это сделает? Копирующие манипуляторы для этого использовать нельзя; деталь находится вне их рабочей зоны и для них недосягаема. Большая рука тоже не может помочь; деталь откатилась туда, куда захват именно вследствие больших размеров этой руки вообще не может добраться или, добравшись, не может ее схватить, либо вообще эту деталь нужно сначала найти, поскольку ее не видят операторы. (Мы о них чуть не забыли, ведь в эллинге никого нет и складывается впечатление, что руки движутся и разумно работают сами по себе – автоматически!)

Возможность и такой критической ситуации предусмотрена. На "сцену" выкатывается новое "действующее лицо" – тележка на легком гусеничном ходу длиной около метра. В ее центре вертикальная колонна высотой 170 сантиметров (средний рост человека), несущая механическую руку и оснащенная "органами зрения" – двумя телекамерами и осветительными приборами. Сзади тянется кабель, по которому "маленький бродяга" (так назвали этот полуробот его конструкторы) получает мощность и управляющие сигналы со станции оператора. По этому же кабелю полуробот посылает оператору зрительную информацию, необходимую для управления.

"Маленький бродяга" может обойти все помещение, поднять руку, а с ней и "глаза", высоко вверх или опустить вниз и осмотреть пол, может увидеть деталь, взять ее рукой и отнести на место. Ему не хватает собственного "интеллекта", его действиями управляет оператор, но что касается двигательных возможностей, то в пределах эллинга – его зоны обитания – в большинстве случаев они оказываются достаточными, чтобы выполнить необходимые работы.