Техника - молодёжи 2005-04, страница 4

н и к

ТЕХНИЧЕСКИЕ СЕКРЕТЫ МЕХАНИЧЕСКИХ РУК

и

га Продолжая тематическую рубрику «Робототехника», по факту начатую

0 еще а 1967 г., мы преследуем две ос-

1 новные цели - создать галерею В «портретов» современной отечест-^ венной робототехники, разработок и О серийной продукции в других научно-^ технических областях, связанных л с ней, и «дать билет» нашему читате-§ лю на экскурсии по этой галерее, знакомя его, в том числе, и с историей робототехники, и с её терминологией.

А серию публикаций начнем с рассказа о копирующих манипуляторах, с создания которых, собственно говоря, и родилось само понятие -промышленная робототехника.

ОТКУДА «РАСТУТ» РУКИ МАНИПУЛЯТОРОВ? Леонардо да Винчи в своих дневниках и записках рисовал и рассчитывал машины будущего, около 80 лет назад Карел Чапек «изобрел» робота - копию человека, выполненную по его образу и подобию, но обладающую нечеловеческими чувствами и свойствами... А точно рассказать, что такое машина будущего - робот, и сегодня трудновато: это - далеко не только «луноход» и японский «говорящий человечек»!

Одной из отраслей, задачи которой вызвали активизацию работ в области робототехники, стала атомная энергетика с ее угрожающей здоровью радиоактивностью и нежелательностью допуска человека в опасные рабочие зоны. Средством решения этой проблемы стали «полуроботы» - манипуляторы. Это машины, механизмы и устройства, работающие не вместо человека, а вместе с ним. «Железяки» действуют в опасной зоне, а человек - в защищенной: за экраном, за «глухой» стеной с герметичным окном, и, находясь в безопасности, он - оператор - управляет всеми движениями механических рук.

Сначала эти устройства были чрезвычайно просты: радиоактивный материал помещался в ящик со стенками, покрытыми листами свинца, а механическими руками служили простые инструменты,напоминающие длинные щипцы, захват которых просовывался внутрь ящика. Через прорези, защищенные толстым кварцевым стеклом, можно было заглянуть в ящик и следить за тем, что там происходит. И выдвигая, втягивая, поворачивая, разводя и сводя рукоятки щипцов, - управлять движениями их захватов... с грехом пополам. Почему с грехом? А вы попробуйте длинными клещами взять,

например, чайник, поставить его на горящую конфорку, а когда он закипит, налить чашку кипятка...

Потом покрытые свинцом ящики превратились в камеры с бетонными стенами толщиной в несколько метров и размерами с самолетный ангар, а вместо щипцов появились манипуляторы, обладающие парой механических рук и умеющие выполнять этими руками человекоподобные движения.

ДИАЛОГ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ РУКИ С... МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КЛЕШНЕЙ.

Да, механические копирующие манипуляторы предназначены для воспроизведения действий руки человека при работах в опасных для него или труднодоступных технологических зонах. Но рука человеческая обладает комплексом двигательных функций, тактильной (или - осязательной), силовой, температурной и болевой чувствительностью, что делает ее, говоря языком техническим, «универсальным орудием активного воздействия на внешнюю среду».

Задумаемся, как же действуют наши руки, и сравним их действие с манипулированием механической клешни.

Безусловно, все человеческое управляется его мозгом. Но если сигналы, приходящие от органов чувств, настолько просты, что нужная - например защитная - реакция организма не требует прямого участия мозга, то система управления нашими движениями срабатывает по варианту, обеспечивающему максимальное быстродействие: тревожный сигнал проходит по минимально необходимому пути: только до спинного мозга (а он конструктивно расположен ниже головного, то есть ближе к «периферии», к мышцам, к двигательной системе), и главное - не тратится драгоценное время на обработку информации, принятие решения. Ведь в данном случае не ставится задача отдернуть руку на такое-то расстояние, с та-кой-то скоростью, в точно таком-то направлении... Единственно, что требуется сделать, причем самым срочным образом, это отдернуть руку - подальше и побыстрей. Такие реактивные движения, совершающиеся без непосредственного участия головного мозга и выполняемые автоматически, называются рефлекторными.

А вот чтобы затянуть гайку, к гаечному ключу нужно приложить уси

лие, значительно отличающееся от того, какое необходимо, чтобы удержать пальцами хрупкое сырое яйцо. Человек, двигаясь, работая, не только делает самые разнообразные движения, но ещё направляет и дозирует усилия, связанные с этими движениями. Значит, 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 ещё одно важное требование к конструкции этой машины.

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 человечеству уже знаком. Оператор непрерывно сравнивает наблюдаемые им положения и скорости исполнительных рук с желаемыми и вносит коррекцию, устраняя возникающие рассогласования.

Однако при выполнении многих работ такой визуальной обратной связи по перемещению оказывается недостаточно. Чтобы 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 их «чувствами». Используя технические термины, скажем, что копирующий манипулятор должен быть «очувствлен» по отношению к прилагаемым им усилиям, величина которых должна сообщаться оператору и во многих случаях непосредственно восприниматься его рукой. Очувствление -ещё одно важное требование, предъявляемое к конструкции манипулятора.

КАК ЗАСТАВИТЬ «РУКИ-КРЮКИ» СЛУШАТЬСЯ И ПОВИНОВАТЬСЯ?

Управление копирующими манипуляторами - это важнейшая задача, и по сей день вопрос - исследуемый. Известная и, казалось бы, надежная кнопочная система управления вынуждает оператора разлагать выполняемые движения на от

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 4' 2 0 0 5

2