Развитие современной робототехники

Категория:
Роботы в промышленности


Развитие современной робототехники

Хотя отрасль, которую мы классифицируем как робототехнику, появилась всего несколько десятилетий назад, исследования в области того, что мы называем робототехникой, шли уже давно по линии работы над искусственным интеллектом (ИИ), вычислительной техникой управления, механическими и электрическими устройствами.

Робототехника — в высшей степени многодисциплинарный предмет, основанный на знаниях в области вычислительной техники, механики, электроники, математики, гидравлической техники, металлургии, систем управления, физиологии, промышленной социологии и т. д. Хотя основной упор сейчас делается на разработку робототехники для промышленности, это далеко не единственное возможное направление развития робототехнических устройств.

В то время как автоматы, которые, двигаясь подобно людям или животным, предвосхитили появление современных роботов, появились также и системы, которые нельзя назвать роботами, но которые тем не менее действовали подобно им. Первые механические вычислительные машины были созданы в XVII в. Паскалем и позднее Лейбницем, а вскоре была реализована концепция программируемой машины в 20-х годах XVIII в., на основе ее во Франции были созданы особые ткацкие станки, в которых подъем необходимых нитей для воспроизведения требуемых сложных рисунков ткани управлялся набором перфокарт, усовершенствованных Жаккардом в 1801 г.

В 1823 г. Чарльз Бэбидж создал механическую «разностную машину» для автоматического вычисления таблиц навигации, страхования и астрономии. Эта первая модель годилась лишь для того, чтобы делать такие таблицы, и не могла действовать как универсальный калькулятор. Проекты более сложного механического компьютера, который Бэбидж назвал «аналитической машиной», позволили бы осуществлять программирование требуемой задачи посредством перфокарт, подобных тем, что использовались в ткацких станках Жаккарда. К сожалению, концептуальный подход Бэ-биджа был правильным (что подтвердилось впоследствии), достижимая в его время точность механообработки деталей была недостаточно высокой, чтобы сконструировать надежно работающие машины. В США в 1873 г. К- М. Спенсер построил первый токарный автомат для изготовления винтов, гаек и шестерен, автома« тически управляемый с помощью копиров, установленных на двух вращающихся барабанах, которые он назвал «умными колесами». Один барабан с копирами осуществлял движения заготовки, другой — управлял последовательностью операций резания. Примерно в то же время в Англии Джеймс Клерк Максвелл описал действие шарового регулятора, применявшегося для регулирования паровых машин. Он был одним из первых, кто провел систематическое исследование принципа об« ратной связи, являющегося сегодня основой автоматического управления и регулирования.

В 1890 г. доктор Герман Холлеринт, работавший статистиком американского бюро по переписи населения, применил перфокарты для записи необходимых данных каждого лица, что позволило автоматизировать обработку данных. В 1930 г. был сконструирован первый аналоговый компьютер, а потребности, возникшие во время второй мировой войны, ускорили создание математических основ управления с обратной связью для высокоскоростной наводки артиллерийских орудий с применением радарного слежения. В 1944 г. фирма «ИБМ» создала первый автоматический цифровой компьютер. Имея 750 тыс. деталей и 50 миль проводов, компьютер складывал два числа за одну треть секунды, деление же занимало 10 с.

В военный период были запатентованы программируемые машины для покраски методом распыления. Пришло время для объединения производственных возможностей механических систем, способных физически манипулировать объектами, и электронного компьютера, обладающего способностью управлять и необходимой гибкостью. Считалось, что первый такой компьютер был создан в Пенсильванском университете в 1946 г. «ЭНИ-АК» и состоял из 18 тыс. электронных ламп и занимал площадь 1700 квадратных ярдов. Однако английский эквивалент был создан в Блейтчли парк, Букингэмшир, и работал уже в 1944 г., когда был успешно применен для расшифровки немецкого кода «Энигма».

В 1948 г. Норберт Винер опубликовал книгу «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» и тем самым положил начало новому направлению теории управления и обратной связи, которое с тех пор называется кибернетика — название, использованное Ампером за сто лет до этого и выведенное из того же слова, что и «регулятор», изучение которого также положило начало целому направлению. В тот же период В. Грей Вальтер демонстрировал маленькую подвижную «черепаху», в которой механический контакт применялся для поиска пути между объектами направления к свету и возвращения к подзаряжающим устройствам.

В 1948 г. англичане построили в Манчестерском университете первый компьютер, который запоминал программу инструкций. В том же 1948 г. был создан транзистор. Малые размеры, низкая потребность в энергии и высокая надежность уготовили транзистору судьбу совершить революционный переворот в вычислительной технике. До того времени даже при неограниченных затратах и отсутствии ограничений на размеры было бы невозможно создать мощный компьютер, хотя бы только потому, что электронные лампы были весьма ненадежны. В 1950 г. английская компания «Ферранти» изгото-нЛа «Марк I стар», который, вероятно, был первым в В.ире коммерчески доступным компьютером. С начала 50-х годов электронные компьютеры непрерывно развивались за счет усовершенствования запоминающих устройств и общей конструкции системы. В 1951 г. было запатентовано универсальное цифровое запоминающее устройство для автоматического управления станками.

В 1954 г. Джордж Дивол запатентовал конструкцию, которая считается первым промышленным роботом. Конструкция состояла из универсального манипулятора с автоматическим запоминающим устройством и позиционной системой управления. Два года спустя Дивол в США встретился с Джозефом Энгельбергером, работавшим аэрокосмическим инженером, и они решили заняться конструированием гибких машин для заводской автоматизации. В 1958 г. робот конструкции Дивола был создан. Позже Дивол передал первые патенты фирме «Кондек», впоследствии выросшей в «Юни-мейшн», которую возглавил Энгельбергер. В 1972 г. «Юнимейшн» стала первой фирмой по производству роботов.

Летом 1956 г. термин искусственный интеллект (ИИ) стал популярным благодаря Джону Маккарти (основавшему две ведущие в мире лаборатории в области искусственного интеллекта). В 1957 г. корпорация «Плэнет Корпорейшн» (США) разработала устройство, действовавшее по принципу «взять-положить» и которое можно было «программировать» посредством штифтовых панелей. В этот период в США насчитывалось менее 2 тыс. компьютеров, в Западной Европе—140. В начале 60-х годов роботы первого поколения были запатентованы, а первая промышленная установка была разработана Энгельбергером и Диволом в 1961 г.

Первый робот для разгрузки литейных машин был применен на автомобильном заводе фирмы «Дженерал Моторс», Нью Джерси. Он был очень похож на своих современных потомков. Следует отметить, что механические прообразы робота были созданы раньше. Широкое внедрение роботов задерживало отсутствие управляющего устройства (контроллера). Это объясняется тем, что компьютеры были тогда еще слишком громоздки и дороги для того, чтобы их можно было применить к робота м: в США, например, их насчитывалось 1 тыс, В Западной Европе — 1500.

В середине 60-х годов роботы получили способность переходить к одной из нескольких записанных программ в зависимости от внешних условий и были разработаны контурные системы управления. Примерно в то же время исследованиями по робототехнике стали заниматься в Массачусетсском технологическом институте (МТИ), в Стенфордском исследовательском институте (СИИ) и Эдинбургском университете, а в конце 60-х — начале 70-х годов СИИ разработал мобильный робот модели «Шейки», оснащенный телевизионной камерой, дальномером и детектором ударов, что позволило роботу выполнять поиск пути вокруг препятствий.

Первые роботы хотя и включали запоминающие устройства, тем не менее состояли из электронных логических компонентов, которые были жестко связаны между собой так, что позволяли посредством электроники выполнять определенный набор задач, эффективно копировавший функции устройств жесткой автоматизации. В 1968 г. в МТИ соединили робот с универсальным компьютером «РДР-6». Так родился первый гибкий робот. В 1974 г. фирма «Цинциннати милэкрон» создала первый коммерческий доступный робот «ТЗ», управляемый мини-компьютером. Такие перепрограммкруемые роботы с программным обеспечением были эффективнее, чем машины со специализированными электронными схемами, они могли работать в нескольких системах координат, реагировать на сигналы датчиков и использовать сложные методы обучения.

Исследования в области робототехники, хотя и не всегда поддерживаемые надлежащим образом, в течение 70-х годов стали прибыльными.

Однако в 1973 г. Джеймс Лайтхил представил в Совет по научным исследованиям (который финансирует большинство университетских исследований в Великобритании) доклад о бесперспективности исследований по ИИ. Это заключение почти сразу повлекло за собой уменьшение финансирования исследований. Хотя исследованиями в области искусственного интеллекта занимались не только специалисты по робототехнике, несомненно, доклад Лайтхила снизил шансы Великобритании вывести в 70-х годах робототехнику на мировой уровень.

В США Вик Шейнман создал для роботов манипуляторы (руки) небольших размеров сначала в Стен-форде, а затем в МТИ. После образования компании «Викарм» для осуществления своих проектов он пере-„ ! I их фирме «Юнимейшн», которая приступила к разработке руки для робота «ПУМА» (один из первых коммерческих сборочных роботов). В Стенфорде в 1973 г. была создана первая интегрированная с компьютером роботизированная сборочная установка для сборки десятикомпонентного водяного насоса. В 1976 г. «Дрейпер Лэбс» разработала устройство, действовавшее как плавающее незакрепленное запястье для захвата изделий во время сборки с учетом погрешностей их расположения. Это было в тот же год, когда капсула-робот, установленная на межпланетной станции «Викинг 1», построенной НАС А, совершила посадку на Марсе.

Не считая случайных разработок в механике роботов, прогресс в области робототехники достигался в основном за счет развития вычислительной техники. С середины 60-х годов плотность памяти компьютеров ежегодно практически удваивалась и обеспечивала мощность за десять лет в тысячу раз, за двадцать лет — в миллион раз больше. Разработка в конце 60-х годов больших интегральных схем (БИС) с размещенными на кристалле кремния тысячами элементов позволила достичь невозможной ранее вычислительной мощности за доступную цену. Так со времени электроламповой эпохи началась эра уже третьего поколения компьютеров.

Тем не менее следует отметить, что простая миниатюризация электроники не делает ее автоматически дешевле. Изготовление первой интегральной схемы по какому-либо конкретному проекту немыслимо дорогое дело. Только благодаря исключительной функциональной гибкости и огромной потенциальной применимости чипов их можно продавать миллионами одинаковых экземпляров (распределяя таким образом большую стоимость исследований и разработок на большой объем выпуска).

Компьютерные языки смогли стать с внутренней стороны значительно сложнее, так, чтобы с внешней стороны они были проще для пользователя-неспециалиста. Сложные системы распознавания образов позволили создать .искусственное зрение с ограниченными возможностями по крайней мере в лабораторных условиях. В на-чале 80-х годов началась серьезная работа по созданию роботов второго поколения, которые обладали бы достаточно; вычислительной мощностью и были способны изменять свое поведение согласно информации датчиков об окружающей среде, например выполнять сложные операции, такие, как дуговая сварка и сборка. Это требует использования компьютеров на сверхбольших интегральных схемах (СБИС) с чипами, память каждого из которых способна вмещать десятки и сотни тысяч бит информации. Сложность и количество взаимных соединений на таких чипах потрясающи: больше, чем улиц на карте воображаемого города, расположенного на всей территории США.

Мировой экономический кризис, в условиях которого возникла необходимость повышать производительность труда, вызвал повышенный интерес к использованию роботов в промышленности. Были начаты исследования, цель которых состояла в выяснении, как лучше применять роботы, при каких условиях они экономически эффективны и как проектировать и управлять внедрением робототехники.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум