Історія робототехніки

Уже в ті часи з'явилися ідеї створення технічних засобів, схожих на людину, і були зроблені перші спроби по їх створенню. Статуї богів з рухомими частинами тіла (руки, голова) з'явилися ще в Давньому Єгипті, Вавилоні, Китаї.

Одним з ранніх згадок про штучне людину (3 століття до н. Е.) Є бронзовий велетень Талос, побудований Гефестом для охорони острова Крит від ворогів.

В «Іліаді» Гомера (9 століття до н. Е.) Божественний коваль Гефест кував механічних служниць. У роботах Платона (5 століття до н. Е.) Виражалися ідеї, що мають відношення до людського мислення і механіці машин. Блискучий філософ і математик Архіт з Тарентум, друг Платона, сконструював дерев'яного голуба, який міг літати і управлявся струменем пара.

Ці принципи, названі трьома законами робототехніки, свідчать:

1. Робот не може заподіяти шкоду людині або своєю бездіяльністю допустити, щоб людині було завдано шкоди.
2. Робот повинен коритися всім наказам, які дає людина, крім тих випадків, коли ці накази суперечать Першому Закону.
3. Робот повинен піклуватися про свою безпеку в тій мірі, в якій це не суперечить Першому і Другому Законам.

Завдяки загальному інтересу до роботів винахідникам вдається розробляти оригінальні конструкції роботів-андроїдів:

v «Містер Телевокс» (1928, американський інженер Дж. Уенслі) - робот, який мав зовнішню схожість з людиною, здатний виконувати елементарні руху по команді, яка подається голосом, і став експонатом Всесвітньої виставки в Нью-Йорку.

v «Ерік» (1928) - робот, який на Виставці Британської асоціації інженерів з моделювання «виступив» з невеликою промовою.

v «Натураліст» (1928, під керівництвом доктора Нисимура Макота) - японський робот, здатний за допомогою електроприводу маніпулювати руками і головою. Згодом цей андроїд став вважатися родоначальником роботостроения в Японії.

v «Альфа» (1932, англійський винахідник Гаррі Мей) - людиноподібний автомат, який за голосовим командам сідав і вставав, рухав руками і казав.

v В2М (1936, московський школяр Вадим Мацкевич) - перший робот-андроїд вУкаіни. У 1937 році був удостоєний диплома Всесвітньої виставки в Парижі.

Незважаючи на такий прорив у сфері нової техніки і демонстрацію творчих можливостей людини, всі ці роботи мали вкрай вузьке практичне застосування. Проблеми впровадження роботів в промисловість як такі не вирішувалися.

Якщо звернутися до роботам як до програмно-керованим багатоцільовим автоматам маніпуляційного типу, призначеним для використання в промисловості або наукових дослідженнях, то одним з найперших промислових маніпуляторів був поворотний механізм з загарбним пристроєм для видалення заготовок з печі, розроблений в США Беббітом в 1892 році.

Особливу популярність здобули копіюють маніпулятори, разработанниеГосударственним науково-дослідним інститутом штату Орегон (США) ANL. Запропоновані ним інструкції та принципи управління досі знаходять застосування в багатьох моделях промислових роботів. Один з перших в ANL маніпуляторів для обслуговування атомних станцій був розроблений в 1948 році під руководствомР. Герца. Це був двонаправлений копіює маніпулятор. Завдяки силовому очувствленние оператор, який перебував за товстої перегородкою в спеціальному приміщенні, мав можливість не тільки спостерігати на екрані переміщення керованого ним копіює маніпулятора, але і відчувати руками величину зусиль, які розвиває захоплення маніпулятора. Використання такої силової зворотного зв'язку дозволило спростити процес управління на відстані і розширити функціональні можливості дистанційних керованих маніпуляторів.

Більш прямими попередниками сучасних маніпуляційних роботів можна вважати программіруемиекраскораспилітельние машини, розроблені в 1930-1940 рр. в США, наприклад, машини Уилларда Л.В. ПоллардаіГарольда Роузландо, які програмувались шляхом запису сигналу від важільного механізму, переміщуваного по заданій траєкторії.

Зрослий економічний потенціал і потреби в сучасних видах озброєння провідних промислових країн в першій половині XX століття дають потужний імпульс розвитку науки і науково-технічних напрямів, без яких виникнення і прогрес сучасної робототехніки стали б неможливими. Йдеться, перш за все, про обчислювальну техніку і кібернетики.

У 1936-1937 роках англійський математик Алан Мотісон Тьюринг (1912-1954) ввів концепцію «абстрактної обчислювальної машини», здатної за допомогою найпростіших операцій зчитування і зсуву виконувати обчислення довільної складності. Ця машина в подальшому стала називатися машиною Тьюринга і стала прообразом з'явилися в кінці 1940-х років універсальних обчислювальних машин.

Мал. 16 Алан Мотісон Тьюринг

Мал. 17 Джон фон Неймон

У 1956 р Девол разом з Енгельбергер, які працювали в одній з аерокосмічних компаній, організували першу в світі робототехническую компанію «Unimation» ( «Юнімейшн»), що означає «універсальна автоматизація». У лабораторії цієї компанії і був створений перший в світі промисловий робот, який носив назву «програмований пристрій для передачі предметів» і став прототипом наступних розробок.

На початку 1960-х рр. перші американські промислові роботи з торговими марками «Unimate» і «Versatran» надійшли на промисловий ринок. Вони представляли собою вже досить досконалі системи зі зворотним зв'язком і контрольованою траєкторією руху, мали числове програмне управління і пам'ять, як у ЕОМ. Уже в перших роботах «Unimate» і «Versatran» був реалізований принцип програмування навчанням.

Перші комерційні успіхи застосування промислових роботів стали потужним імпульсом для їх подальшого вдосконалення. На початку 1970-х рр з'являються роботи, керовані комп'ютерами. Перший міні-комп'ютер, керуючий роботом, був випущений в 1974 р фірмою «Cincinnati Milacron», однією з провідних фірм - виробників роботів в США. Наприкінці 1971 р американською фірмою «INTEL» був створений перший мікропроцесор, а кількома роками пізніше з'являються роботи з мікропроцесорним управлінням, що зумовило істотне підвищення їх якості при одночасному зниженні вартості.

Після створення і виходу на промисловий ринок перших роботів в світі почався стрімкий розвиток робототехніки. Змінюється і сам принцип використання промислових роботів - від одиничного до комплексного. У провідних робототехнічних країнах (Японія, США, ФРН, СРСР і ін.) В кінці 1960-х - початку 1970-х рр. розробляються і створюються гнучкі виробничі системи (ГВС), так звані «безлюдні» виробництва. Науково-технічні досягнення робототехніки дозволили в 1960-1980-х рр. створити ряд складних наукових і спеціальних робототехнічних комплексів для дослідження космічного простору (станції типу «Луна», апарати «Луноход» - СРСР; станції типу «Маринер», «Сервейер», «Вікінг» - США і ін.), а також освоєння підводних глибин (апарати «TV», «Москито», «Долфін» - Японія; апарати «KURV», «RCV» - США; «Манта», «ОСА» - СРСР; «ROV», «RM» - Франція; «ARCS »- Канада).

Мал. 19 Луноход-1 (СРСР)

Мал. 20 Станція «Маринер-2»

Технічний прогрес у розвитку роботів був спрямований, перш за все, на вдосконалення систем управління. Перші промислові роботи з розвиненою сенсорною системою і мікропроцесорним управлінням отримали практичне застосування в 1980-1981 рр. До їх числа відносяться забезпечені системами технічного зору роботи «Пума», «Юнімейт», «Ауто-плейс», «Цинциннаті мілакрон», складальні робототехнічні системи фірм «Хітачі», «Вестінгауз» (система «Апас»), «Дженерал моторс» (система «Консайт»).

Третє покоління роботів - це інтелектуальні роботи. Інтелектуальний робот - це робот конкретного призначення, в основних функціональних системах якого використовуються методи штучного інтелекту. Виникнення інтелекту у роботів пов'язано з розвитком ЕОМ. У 1967 р в США (Стенфордський університет) був створений лабораторний макет робота, оснащеного технічним зором і призначеного для дослідження і відпрацювання системи «око - рука», здатної розпізнавати об'єкти зовнішнього середовища і оперувати ними відповідно до завдання.

У 1971 р в Японії також були розроблені експериментальні зразки роботів з технічним зором і елементами штучного інтелекту: робот «Хівіп», здатний самостійно здійснювати механічну збірку простих об'єктів за пред'явленим кресленням, і робот ЕТЛ-1.

Мал. 21 Робот «Хівіп»

У 1972-1975 роках в Київському Інституті кібернетики під керівництвом Н. М. Амосова та В. М. Глушкова був створений макет транспортного автономного інтегрального робота (ТАІР). Робот демонстрував цілеспрямований рух в природному середовищі, обхід перешкод і т.п. Конструктивно ТАІР був триколісний самохідний візок, забезпечену системою датчиків: оптичним далекоміром, навігаційною системою з двома радіомаяками і компасом, контактними датчиками, датчиками кутів нахилу візки, таймером і ін. Особливістю, яка відрізняє ТАІР від багатьох інших систем, створених в СРСР і за кордоном, є відсутність в його складі комп'ютера в тому вигляді, до якого ми звикли. Основу системи управління становить апаратно реалізована нейронна мережа (вузли мережі - спеціальні електронні схеми, зібрані на транзисторах, зв'язку між вузлами - резистори), на якій реалізуються різні алгоритми обробки сенсорної інформації, планування поведінки та управління рухом робота.

Одночасно розгорнулися роботи в новій специфічної галузі робототехніки - крокуючі машини як принципово новий транспортний засіб підвищеної прохідності, зразком для якого є ноги тварин і людини. Були створені експериментальні зразки чотирьох- і шестиногих транспортних машин, протезів ніг людини, так званих екзоскелетонів, для паралізованих і тяжкохворих.

Наступний етап розвитку робототехніки характеризується подальшої інтелектуалізацією, а також мініатюризацією роботів. До 1980 р були створені перші мобільні роботи, спочатку підвісні, потім на підлогу. Останні рухалися по світловідбиваючої смузі або по електромагнітному полю кабелю, прокладеного на підлозі. Друге покоління мобільних роботів - це роботи, керовані людиною-оператором - спочатку по кабелю, потім по радіо. Це були перші роботи для екстремальних ситуацій - роботи-розвідники і технологічні роботи.

Мал. 22 Робот-розвідник

Мал. 23 Андроїдний робот Wabot-2

Сучасний розвиток робототехніки

В даний час робототехніка розвивається за наступними напрямками:

vмікро- і наноробототехніка.

Кожне з цих напрямків відрізняється відповідними новими технологіями. В даний час в світі є понад мільйон різного виду роботів. Застосовувані роботи мають як просту, так і дуже складну конструкцію і відрізняються за відносними розмірами в мільйони разів.

Мал. 33 Робот-шахтерRASSORдля збірки місячного грунту

Мал. 34 Робот Mantis

Широке поширення останнім часом отримали крокуючі роботи, це роботи, що імітують тварин і переміщаються за допомогою ніг. Розглянемо кілька найцікавіших екземплярів на сьогоднішній день. Американські інженери з компанії Micromagic Systems створили гігантського шестиногого робота-всюдихід. Всюдихід розробники назвали Mantis (від англійського «богомол»). Mantis - найбільший робот в світі. Він оснащений дизельним двигуном. Його вага близько двох тонн. Богомол здатний пересуватися по будь-якій місцевості. Кожна з шести кінцівок моделі може працювати автономно, що дозволяє роботу маневрувати, акуратно обходячи складні перешкоди, і при необхідності звільняти себе шлях, розбираючи завали. Кабіна робота обладнана панеллю керування, яка забезпечує оператора візуальною інформацією про функціонування робота, наприклад, про положення кожної його кінцівки.

Мал. 35 Роботи-мули LS3

Компанія Boston Dynamics випустила в світ двох роботів-мулів LS3, призначення яких - перевезення вантажів для морської піхоти США. Цей робот проходить на одній заправці 32 км, причому здатний перевозити вантаж вагою в 180 кг. Є вбудована система GPS-навігації, що дозволяє йому самостійно вибирати маршрут, а також система розпізнавання жестів і голосу людей.

До мобільних роботам ставляться і людиноподібні роботи. Наведемо кілька прикладів.

Мал. 36мРобот-андроїд ASIMO

Мал. 37 Робот-андроїд QRIO

Робот - андроїд QRIO розроблений компанією Sony. Зростання робота становить 58 сантиметрів, вага - 8 кілограм. 38 вбудованих сервомотора наділяють QRIO достатню свободу рухів і хорошою координацією. Наприклад, робот може швидко пересуватися, брати предмети, підніматися по сходах, танцювати і тримати рівновагу, стоячи на одній нозі.

Робот знає 60000 слів на різних мовах світу, вміє розпізнавати обличчя, слухатися команд і, як стверджують розробники, задавати «розумні» питання в залежності від ситуації.

Мал. 38 Андроїд EveR-1

Мал. 39 Біонічний робот андроїд Рекс

Рис.40 Нанороботи в медицині

Наноробототехніка як новий самостійний напрям в науці і техніці сформувалося за останні два десятиліття. Сутність нанотехнологій полягає в здатності працювати на молекулярному рівні з окремими атомами і частинками і створювати структури або прилади з принципово новою молекулярної організацією, мають розміри 1 - 100 нм. Важливою проблемою нанотехнологій є проблема маніпулювання нанооб'єктів. Створення нанороботів дозволить автоматизувати молекулярне виробництво, надавши людині управління нано процесами в звичному для нього розмірному світі.