Промышленные роботы Ч. 3 учебное пособие

Электромагнитные волны, которые смогут распространяться в теле человека не затухая, будут по длине волны сравнимы с нанороботом. Поэтому приемо-передающие антенны будут иметь вид диполей, выступающих за пределы корпуса. Наноманипуляторы, механические захваты и жгутики должны быть телескопическими и при необходимости складываться в корпус робота для того, чтобы робот смог лучше передвигаться в кровеносном русле.

Иммунная система в основном реагирует на «чужеродные» поверхности. Поэтому имеют значение размер и мобильность устройства, шероховатость поверхности и ее подвижность. Ряд проделанных экспериментов подтверждает, что гладкие алмазоидные структуры вызывают меньшую активность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Поэтому кажется разумным надеяться, что такое алмазоидное покрытие (нанесенное атом за атомом, с нанометровой гладкостью) будет иметь очень низкую биологическую активность. Благодаря очень высокой поверхностной энергии алмазоидной поверхности и сильной ее гидрофобности внешняя оболочка роботов будет полностью химически инертна.

Для такого наноробота можно будет использовать нанокомпьютер, производящий ~106–109 операций в секунду для исполнения своей работы. Это на 4–7 порядков меньше вычислительной мощности человеческого мозга, составляющей ~1013 операций в секунду, так что этот наноробот не будет обладать искусственным интеллектом.

Для работы с внутриклеточными структурами нанороботу вовсе не обязательно целиком проникать внутрь клетки (можно повредить внутриклеточный цитоскелет) (рис. 117).

Рис. 117. Наноробот ремонтирует клетку

152

Для связи нанороботов друг с другом, а также для формирования навигационной системы полезно будет использовать еще один тип нанороботов – коммуноциты, которые будут работать в качестве усилительных станций.

7.10. Моделирование наноробота с мультисвязями

Миниатюрные роботы с мультисвязями необходимы как важное средство поиска, обнаружения или инспекционных миссий в чрезвычайных состояниях.

Они предназначены для движения по внутренним поверхностям труб маленького диаметра или других поверхностей объектов с нечеткой логической системой управления, а также по наклонным и горизонтальным поверхностям,

вне предсказанных заранее условиях окружающих сред.

Спомощью отдельных модулей осуществляется движение робота по заданной траектории.

Каждый модуль системы (рис. 118) состоит из держателя (катушки) 1; связанного с телом 2; прута с поршнем 3, перемещающегося в мини-катушке 4; соединительных зажимов 5 исполнительного элемента, сделаных из наноматериала, и микропроцессора контроля 6. Такой модуль действует как электромагнитный двигатель. Он обычно состоит из исполнительного элемента и электромагнитной системы с микропроцессором.

Рис. 118. Схема модуля робота с электромагнитным двигателем

Система мультисвязи с представленной структурой включает механический, сенсорный, электрический наномодули. При моделировании система состоит из твердых механических модулей, связанных между собой посредством несгибаемых коротких или упругих связей. В случае несгибаемых связей моду-

153

ли связаны жесткими нитями, концы которых установлены в предшествующие

ипоследующие модули. Каждый модуль может быть представлен как активная система управления, пассивная система или некоторая комбинация активных

ипассивных систем.

Движение наноробота с твердыми связями между модулями по наклонной поверхности показано на рис. 119.

Данный робот может успешно применяться в медицине для внутрисосудистой диагностики. Он состоит из трех последовательно связанных модулей идентичного типа, каждый из

модулей состоит из упругого кожуха

Рис. 119. Движение наноробота по и четырех упругих элементов. наклонной поверхности: 1, 2, 3 – модули

Целью моделирования был анализ стенок кровеносных сосудов посредством микроробота, а также анализ потока крови при присутствии управляемого объекта в сосуде. На основе предварительных результатов моделирования был сделан вывод, что диаметр микроробота должен быть не больше чем 1/3–1/2 диаметра кровеносного сосуда. Такой диаметр позволяет перемещать микроробот в кровеносном сосуде без существенных нарушений потока крови.

Самым важным результатом применения нано- и микророботов может быть радикальная перемена технологии диагностических действий. Одним из ключевых направлений исследований микро- и наноробототехники является повышение автономности роботов, а также улучшение эффективности обработки информации и принятия решений роботом. Это позволит как снизить количество компонентов, входящих в состав робота, так и более эффективно использовать энергетические ресурсы.

В системе управления роботом (рис. 120) выделяются четыре уровня: уровень исполнения, тактический, стратегический и интеллектуальный.

На уровне исполнения движения робота задаются в кодах значений обобщенных координат по отдельным степеням подвижности. Эти коды преобразуются в управляющие сигналы, отрабатываемые в функции времени приводами робота. В результате синхронизации по времени робот перемещается в рабочем пространстве по некоторой траектории, обеспечивающей выполнение заданной операции.

154

Формирование технологической задачи

Отработка движений

Рис. 120. Функциональная схема системы управления нанороботом

На тактическом уровне движение задается в терминах координат робота в декартовом пространстве. Здесь в результате математической отработки требуемая траектория автоматически формируется как некоторая последовательность прохождения узловых точек, между которыми осуществляется интерполяция. На выходе тактического уровня формируется последовательность векторов обобщенных координат робота в функции времени.

На стратегическом уровне управления задание формируется путем указания операций, которые необходимо выполнить над объектом манипулирования. В отличие от более низких уровней управления, здесь задание отвечает на вопрос «что сделать?», а не «как сделать?».

Задача обработки информации на стратегическом уровне состоит в преобразовании полученного программного задания на операцию в последователь-

155

ность элементарных движений и действий робота. Для решения этой задачи должны быть известны расположение объектов, состояние связей между объектами и т.д. Вся эта информация составляет модель окружающей среды, которая является второй важнейшей подсистемой базы данных робота. Основным источником информации для доопределения модели среды служит сенсорная система робота.

На интеллектуальном уровне задание формируется в терминах технологической задачи без детализации действий на нижних уровнях иерархии системы управления. На данном уровне осуществляется автоматическое преобразование программного задания в последовательность укрупненных действий робота над объектами среды. При этом с помощью сенсорной системы исследуется ситуация, сложившаяся в зоне работы робота, анализируются различные планы достижения поставленной цели, на основании анализа ситуации автоматически принимается решение о выборе рационального плана из рассмотренных, который конкретизируется до уровня задания последовательности действий над объектами.

156

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РОБОТОВ И РОБОТОТЕХНИКИ

Как показал опыт внедрения, робототехника является новой формой технической и организационной ячейки, наиболее полно отвечающая потребностям современного производства.

Робототехника – гибкая, экономная и рациональная форма обработки деталей и изделий более высокой стоимости и лучшего качества средними и малыми сериями. Робототехника реализует стремление к снижению напряженности человека в работе, связанной с необходимостью приноравливаться к циклу машины, приводит к замене конвейерных линий сборочными бригадами, в основу управления которыми положен бригадный подряд.

Однако больший интерес для людей всегда представляли не промышленные роботы (хорошо развитые станки), а сложноорганизованные роботы, которые смогли бы существовать рядом с человеком: на работе, дома, в дороге, во время развлечений. Поэтому параллельно с удовлетворением растущей потребности в современных индустриальных роботах производители работают над развитием роботов в сфере обслуживания.

Немалую роль в этом сыграет японская правительственная поддержка развития робототехники. Сейчас в Японии действует программа «Humanoid Robotics Project» (HRP), предусматривающая создание серийно выпускаемых человекообразных роботов. Интеллектуальные машины уже используются

вкачестве сторожей на складах, раздатчиков подносов с едой в больницах

икурьеров в офисах. Новые роботы смогут помочь человеку или вовсе заменить его при выполнении опасных работ, а также в строительстве, управлении тяжелой техникой или при уходе за людьми.

Ожидается, что к 2010 г. объем продажи роботов для внепроизводственной сферы составит 20 млрд долларов, что более чем вдвое превысит объем продажи промышленных роботов (в последние несколько лет объем продаж роботов находился на уровне 4,2 млрд долларов). В ближайшие 10 лет в развитых странах домашние роботы станут таким же обычным явлением, как персональные компьютеры и сотовые телефоны.

Основное требование, предъявляемое к роботам, – качественное выполнение двигательных функций исполнительного органа. Поэтому среди систем, составляющих робот, исполнительная система (совокупность механизмов и при-

157

водов, обеспечивающих движение конечного звена) имеет ключевое значение. Именно она во многом определяет такие важные характеристики робота, как скорость, маневренность, точность, возможность работы в загроможденных препятствиями пространствах. Теоретические наработки в этой области дополняют опыт и интуицию конструкторов робототехнических устройств инженерными методами расчета и проектирования, позволяя обоснованно выбирать главные параметры систем робота, сопоставлять важнейшие качества роботов различных типов, планировать их действия и отдельные движения. Однако при создании роботов требуют решения следующие проблемы:

–исследование структур, кинематики, статики и динамики манипуляционных систем, их рабочих органов и функциональных механизмов, разработка методов анализа и синтеза этих систем с учетом присущей им двигательной избыточности по отношению к решаемым задачам движения, а также кинематической и динамической связанности движений по отдельным степеням подвижности;

–построение многомерных систем регулирования, учитывающих механику роботов и обеспечивающих точность и устойчивость их программных движений;

–анализ методов синтеза программ движений робототехнических систем,

отвечающих тем или иным критериям качества;

– проблемы создания интерфейса «человек – машина» применительно к робототехническим системам и решаемым с их помощью техническим задачам.

Среди направлений, которые привлекают в настоящее время особое внимание исследователей, назовем, прежде всего, теорию мультиагентных систем. Элементами системы являются интеллектуальные агенты, обладающие собственной системой знаний и другими атрибутами искусственного интеллекта.

Интенсивное развитие методов искусственного интеллекта, в свою очередь, вносит значительные изменения как в методы обработки информации в робототехнических системах, так и в способы управления ими. Система управления приобретает возможность планировать не только движения, но и отдельные задачи, последовательность решения которых приведет к достижению цели. В этом случае меняется структура системы управления, которая снабжается собственной системой знаний о внешнем мире и технологии выполнения операций, а также о собственных возможностях. Робототехническая система приобретает способность самостоятельно работать в заранее недетерминированных условиях.

158

Робототехнику будущего можно представить себе как гармоничное сочетание программных и интеллектуальных роботов, обеспечивающих все более полное удовлетворение потребностей общества. Однако прогнозировать развитие роботов и искусственного интеллекта на длительный период с достаточной точностью пока не представляется возможным. В данном случае мы ограничимся прогнозом на период, который реально обозрим, т. е. в его пределах могут быть практически реализованы те достижения науки и техники, принципиальная осуществимость и экономическая целесообразность которых уже сегодня не вызывает сомнений.

Для современной робототехники характерно чрезвычайно быстрое развитие. Достаточно сказать, что за короткий срок (примерно 15 лет) роботы прошли путь от научно-технической идеи до серийно выпускаемых образцов, общее число которых сегодня исчисляется тысячами.

Какими же будут роботы будущего? Каковы основные тенденции развития робототехники?

Растущие потребности практики ставят перед робототехникой две основные задачи – дальнейшее повышение производительности роботов и упрощение их эксплуатации. Решение этих задач связано главным образом со значительным увеличением степени интеллектуальности роботов. Естественно ожидать, что именно в этом направлении будет развиваться робототехника.

Прежде всего, заметим, что будущее роботов в огромной степени зависит от прогресса в области развития ЭВМ. В самом деле, производительность и универсальность роботов определяются, в основном, программным обеспечением управляющей ЭВМ, быстродействием ее элементов, а также организацией их соединения и взаимодействия, или, как теперь принято говорить, архитектурой управляющей ЭВМ.

В будущем управляющие системы роботов будут создаваться на базе параллельно работающих проблемно ориентированных процессоров, специализированных для решения отдельных классов задач. Эти процессоры могут с помощью метапрограмм надпроблемного типа использоваться для решения интеллектуальных задач. При этом степень специализации процессоров, а также структура метапрограмм должны определяться назначением робота и его функциональными возможностями.

Особенно велики возможности и перспективы распараллеливания процессоров, предназначенных для распознавания зрительных, звуковых и тактильных

159

образов. К числу таких процессоров относятся перцептроны с многослойной структурой, а также однородные среды нейроподобных элементов.

Возможно появление процессоров, специализирующихся на процессах дедуктивного (логического) вывода (задачи планирования поведения робота и логического анализа ситуаций, вопросно-ответные системы и т. п.). Первые шаги

вэтом направлении – специализация процессоров на вычислительных, а в последнее время и на некоторых интеллектуальных задачах – уже сделаны.

Наряду с совершенствованием управляющих ЭВМ и их программного обеспечения важное значение для развития робототехники имеет прогресс в области создания искусственных органов чувств и исполнительных систем. Актуально создание топографического зрения, средств осязания и обоняния, «мускульных» двигателей и т. п. для роботов будущего.

Мы рассмотрели некоторые ближайшие перспективы развития роботов,

вкоторых роль мозга играют специальные управляющие ЭВМ. Однако в отдаленном будущем можно представить себе роботов, реализованных не на электронной, а, скажем, на нейронно-волоконной основе. Сегодня в нервных и мышечных волокнах скрыто еще много секретов, открытие которых позволит создать искусственные волокна с аналогичными свойствами.

Дальнейший прогресс в области робототехники в значительной степени зависит от понимания того, каким образом мозг «вычисляет» мысли, наши движения «следуют» нашей воле, а генетическая программа «рассчитывает» организм. Ответы на эти вопросы откроют совершенно невиданные перспективы перед робототехникой будущего.

Ещё одно перспективное направление в развитии робототехники – это создание микророботов размером в сантиметры и миллиметры. Они будут использоваться в медицине, в сельском хозяйстве (как умные сенсоры) и во многих других областях. А еще позднее получат распространение нанороботы (наноботы). Нанороботы смогут выполнять строительство нужных структур из молекул и атомов, что позволит обойтись без специальной подготовки исходных материалов. Это значит, что даже отдельные нанороботы будут достаточно независимыми.

Нанороботы произведут ещё большую революцию, чем роботы обычные, благодаря своей универсальности и размерам. Так, нанороботы не будут нуждаться в каких-то особых материалах: для производства практически чего угодно они смогут использовать даже воду (состоящую из водорода и кислорода) и

160