1.3 История развития робототехники

Робототехника наука о процессе разработки автоматизированных технических систем на базе электроники, механики и программирования. Роботостроение развитая отрасль промышленности: несколько тысяч роботов работают на различных предприятиях, робототехнические манипуляторы превратились в неотъемлемую часть подводных исследовательских аппаратов, изучение космического пространства уже не обходиться без использования роботов с высоким уровнем интеллекта.

Первый чертёж человекоподобного робота был сделан Леонардо да Винчи около 1495 года. Записи Леонардо, найденные в 1950-х, содержали детальные чертежи механического рыцаря, способного сидеть, раздвигать руки, двигать головой и открывать забрало. Дизайн скорее всего основан на анатомических исследованиях, записанных в Витрувианском человеке. Неизвестно, пытался ли Леонардо построить робота [12].

Первого работающего робота андроида, играющего на флейте, создал в 1738 году французский механик и изобретатель Жак де Вокансон. Он также изготовил механических уток, которые, как говорят, умели клевать корм и испражняться [12].

Большим достижением в деле строительства машин и механизмов стало открытие основных законов динамики. Еще в 1743 году Жан Лерон ДґАламбер сформулировал принцип, позволивший распространить на динамику идею равновесия сил, с успехом используемую в статике. Чтобы привести систему в статическое равновесие (допустим, установить бутылку на горлышко так, чтобы она не падала), необходимо найти правильные положения всех объектов. Для динамического равновесия (когда некоторые части системы могут, к примеру, крутиться, создавая движение, уравновешивающее приложенные силы) нужно найти уже не просто 2-3 положения или скорости, а сразу целую функцию всех положений от времени. Для этого к активным силам ДґАламбер добавил силы инерции и поставил следующую задачу вариационного исчисления:

Ее решением будет вектор функций x_i (t).

А в 1829 году Карл Фридрих Гаусс предложил еще один принцип механики, более общий и удобный в использовании, который он назвал принципом наименьшего принуждения [8] :

Здесь dw_i - вектор возможных ускорений.

Принцип, указанный Гауссом, позволяет нам отличить действительные движения системы ото всех других движений, возможных в определенной ситуации. В словесном изложении он звучит примерно так:

"Движение системы связанных точек в действительности происходит в направлении наименьшего принуждения, т.е. как можно меньше отклоняясь от свободного движения, как если бы не существовало наложенных связей".

А под принуждением понимается величина:

Где s_v - вектор между двумя разными точками, в которых система окажется через время dt в случае свободного и связанного движений соответственно [9] .

Направления сил инерции каждой из частей механизма как раз и отражают те направления, в которых свободно продолжали бы двигаться части, если их внезапно отцепить друг от друга.

Указанный принцип наименьшего принуждения очень широко используется при создании систем управления манипуляторами. Это - основа. Без него невозможно оценить, какой кинематический эффект вызовет то или иное действие. [10] .

Первые программируемые механизмы с манипуляторами появляются в 1930х годах в США. Толчком к их созданию послужили работы Генри Форда (1863-1947) по созданию автоматизированной производственной линии или конвейера (1913). Разбив весь процесс производства изделия на большое количество маленьких этапов, Форд добился снижения требований к квалификации рядового работника. До него автомобиль могла собрать только команда высоких профессионалов. Теперь же профессионалы требовались только для выработки четкого плана производственного процесса. Однако у конвейера была и обратная сторона - длительная однообразная работа быстро утомляет человека, снижает производительность и является причиной профессиональных болезней, не известных ранее. Кроме того, имеющаяся теперь свобода в выборе места за конвейером вынуждает платить больше за самую наименее квалифицированную и вредную работу. И первая из них - покраска, ведь слой должен ложиться очень ровно, заданной толщиной, чтобы успеть быстро высохнуть, быть прочным, и не израсходовать на себя много краски.

В огромном количестве источников, например в Business Weeks Robot Milestones [11] , указывается, что первый в мире индустриальный робот был построен в 1938 году, двумя американцами Уиллардом Поллардом и Гарольдом Роузландом для компании DeVilbiss Company, Великобритания, - на тот момент крупнейшего производителя компрессоров и распылителей для промышленного производства. В действительности, история выглядит иначе.

Рис. 1. Манипулятор Уилларда Л.В. Полларда

Манипулятор Уилларда Л.В. Полларда от 1938 года, ошибочно принимаемый за первый в истории управляемый манипулятор Уилларда Л.Г. Полларда от 1934 года (патент США №2286571, 1942)

В 1938 году американец Уиллар Л.В. Поллард (Willard L. V. Pollard) действительно изобретает управляемый манипулятор. И не просто, а параллельный манипулятор (12). Три проксимальных (13) звена управлялись двумя приводами на базе (на рисунке это электрический привод 11 и пневматический привод 36). Три дистальных (14) звена (13, 14 и 15) крепились к проксимальным звеньям карданной передачей (16). Два из них (13 и 15) крепились к третьему на шарнире (18). Головка распылителя (1) крепится к третьему дистальному звену опять карданной передачей (17), обеспечивающей ей горизонтальный ход. Вертикальный и горизонтальный углы поворота головки управляются еще двумя приводами (10 и 12) при помощи троса (35). Итого 5 степеней свободы.

Однако же, это был не первый робот-манипулятор и не тот, что достался компании DeVilbiss. Робот Уилларда Л.В. Полларда от 1938 года так и не был никогда построен.

Первый действительно существовавший в мире индустриальный робот принадлежит немного другому Полларду. Четырьмя годами ранее, 29 октября 1934 года, Уиллард Л.Г. Поллард (Willard L. G. Pollard Jr., сын Уилларда Л.В. Полларда) подал в бюро патентов заявку об изобретении нового полностью автоматического устройства для окраски поверхностей. Патент состоял из двух частей: электрической управляющей системы и механического манипулятора. Программа задавала скорость вращения приводов глубиной ямок на плотной перфоленте, а механическая часть робота представляла собой параллельный манипулятор по типу пантографа [15] всего с двумя приводами. И хотя Уиллард подал заявку в 1934, с выдачей патента не спешили. Патент оказался у него на руках только в 1942 году, а между делом в 1937 году лицензия на производство этого манипулятора каким-то образом досталась компании DeVilbiss. Именно DeVilbiss в 1941 году при помощи Гарольда Роузланда построила первые прототипы этого устройства. Однако окончательная Роузландовская версия, запатентованная и выпущенная на рынок в 1944 году, была совсем другим механизмом, заимствовав у Полларда младшего только идею системы управления.

История серьезной робототехники начинается с появлением атомной промышленности почти сразу по окончании второй мировой войны. Индустрия тех лет еще не способна произвести высокоточные программируемые манипуляторы; роботы пока не могут выполнять работу за конвейером. Однако время диктует свое. Поставленная задача обезопасить работу персонала с радиоактивными препаратами успешно решается при помощи манипуляторов, копирующих движения человека-оператора. Это еще не совсем "честные" роботы, поскольку они по-прежнему состоят только из механических деталей: используются ременные и шевронные передачи. Современное название таких устройств - копирующие манипуляторы или MSM (master-slave manipulators).

Одна из первых компаний по производству MSM "CRL" (Central Research Laboratories) была основана в 1945 году, а первый ее MSM - "Model 1" был представлен комиссии по атомной энергетике США уже в 1949 году.

Часто в литературе выделяют несколько поколений роботов. Однако, это имеет непрямое отношение к развитию технологий. К роботам первого поколения обычно причисляют все копирующие и программируемые манипуляторы. Такие машины выполняют жесткую программу и чаще называются промышленными роботами. Роботы второго поколения оснащены датчиками для выполнения более интеллектуальных функций. Наконец, к роботам третьего поколения относятся автономные мобильные роботы с самостоятельной адаптивной программой [4]. Примерами роботов I, II и III-го поколений будут, соответственно:

· линия для автоматической сварки и покраски кузовов;

· автоматическая линия по сортировке яблок по спелости и

· научно-исследовательские проекты для космоса и поиска новых решений.

Таким образом, это несколько отличается от поколений ЭВМ, поскольку ЭВМ разного поколения отличаются элементной базой, а роботы - возможностями. Сам термин промышленный робот впервые появился на страницах американского журнала "American metal & market" в 1960 году [5].

Датой рождения первого по-настоящему серьезного робота, о котором услышал весь мир, можно считать 18 мая 1966 года. В этот день Григорий Николаевич Бабакин, главный конструктор машиностроительного завода имени С.А. Лавочкина в подмосковных Химках подписал головной том аванпроекта E8. Это был "Луноход-1", луноход 8ЕЛ в составе автоматической станции E8 №203, первый в истории аппарат, успешно покоривший лунную поверхность 17 ноября 1970.

Общая масса первого лунохода составляла 756 кг, его длина с открытой крышкой солнечной батареи 4,42 метра, ширина 2,15 метра, высота 1,92 метра. Он был рассчитан на 3 месяца работы на поверхности Луны.

Рис.2. Аппарат "Луноход-1", производство СССР, индекс объекта - 8ЕЛ

В действительности же "Луноход-1" проработал в три раза дольше, проехал 10 540 м и передал на Землю 211 лунных панорам и 25 тысяч фотографий. Это была настоящая победа! Правда, первый человек на Луне оказался все-таки немного раньше 20 июля 1969 [16] .

В 1968 году в Станфордском Исследовательском Институте (SRI, Stanford Research Institute) создают "Shakey" первого мобильного робота с искусственным зрением и зачатками интеллекта. Устройство на колесиках решает задачу объезда возможных препятствий различных кубиков. Исключительно на ровной поверхности, т.к. робот очень неустойчив. Самое примечательное, что "мозг" робота занимает целую комнату по соседству, общаясь с "телом" по радиосвязи.

Исследования устойчивости приводят к работам над динамическим равновесием роботов, в результате чего получаются роботы-лошади и даже несколько роботов на одной ноге, - чтобы не упасть, им приходится постоянно бегать и подпрыгивать [17] .

Начинается эра исследования устойчивости и проходимости. В это время появляется множество роботов для исследования других планет и, конечно, ведения боевых действий в пустыне. Вся робототехника в Соединенных Штатах по сей день очень часто спонсируется агентством DARPA [18] .

Роботостроение в Японии начинается в 1928 году, когда под руководством доктора Нисимуро Макото был создан робот, названный "Естествоиспытатель" [14]. Оснащенный моторчиками, он мог менять положение головы и рук. А 21 ноября 2000 года на первой в истории выставке ROBODEX в городе Йокохама, Япония, Tokyo Sony Corporation представляет своего первого человекоподобного робота "SDR-3X" [19] :

С развитием технологии люди всё чаще видели в механических созданиях что-то больше, чем просто игрушки. Литература отразила страхи человечества, что люди могут быть заменены своими собственными творениями. Роман "Франкенштейн, или Современный Прометей" (1818) иногда называют первым научно-фантастическим произведением, олицетворяющим эту проблему. Позже Карел Чапек пишет знаменитую пьесу "R. U. R.", в которой представлена идея сборочной линии, на которой роботы собирают самих себя, произведение имело экономический и философский подтексты. В дальнейшем эти идеи развиваются в фильмах "Метрополис" (1927), "Бегущий по лезвию бритвы" (1982) и "Терминатор" (1984). Как роботы с искусственным интеллектом становятся реальностью и взаимодействуют с человеком, показано в фильмах "Искусственный разум" (2001) режиссёра Стивена Спилберга и "Я, робот" (2004) режиссёра Алекса Пройяса. В фантастических рассказах Айзека Азимова сформулированы три "Закона робототехники" [7]:

1. Робот не может причинить вред человеку, или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.

2. Робот подчиняется приказам человека, если это не противоречит 1-му закону.

3. Робот заботится о собственной безопасности, если это не противоречит 1 и 2 законам.

Азимов в своих произведениях убедительно показывает, что эти законы, будучи заложены в программу-мозг робота в виде обязательных (безусловно исполняемых роботом) законов исключают возможность проявления любых недружественных действий робота по отношению к человеку. Приводятся также примеры негативных последствий, возникающих в случае, когда люди пренебрегая требованиям обязательности трех законов, блокируют на этапе программирования робота один из законов (например, вторую часть первого закона). В этом случае робот может найти логически не противоречивое решение, позволяющее ему нарушить 1-й закон и стать опасным для человека.

В 1981 году Кензи Урада, рабочий завода Kawasaki стал первой официальной жертвой, погибшей от руки робота. С этого времени число жертв роботов растет, несмотря на внедрение усовершенствованных механизмов безопасности.

Конечно же невозможно отрицать и пользу, которую приносят роботы. Сейчас в мире уже существуют роботы хирурги, повара, няньки, уборщики и т.п. Так же есть роботы пылесосы и просто забавные игрушки вроде роботопёса. Также промышленные роботы, которые не только очень качественно выполняют поставленную задачу, но и выполняют её с немыслимой для человека скоростью.