Министерство образования и науки Украины
ДонГТУ
Кафедра АЭМС
Реферат
на тему: «Роботы»
Выполнил ст. гр. ЭМС-05-2
Бабичев С.А.
Проверил
Закутный А.С.
Алчевск 2008
СОДЕРЖАНИЕ
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ
3. РОБОТ CKBOT
4. РОБОТЫ AQUAJELLY И AIRJELLY
5. РОБОТ TETWALKER
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Робот
(от чешск. robota
) — автоматическое устройство с антропоморфным действием, которое частично или полностью заменяет человека при выполнении работ в опасных для жизни условиях или при относительной недоступности объекта.
Робот может управляться оператором либо работать по заранее составленной программе. Использование роботов позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд на производстве, в строительстве, при работе с тяжёлыми грузами, вредными материалами, а также в других тяжёлых или небезопасных для человека условиях.
Промышленный робот
— автономное устройство, состоящее из механического манипулятора и перепрограммируемой системы управления, которое применяется для перемещения объектов в пространстве в различных производственных процессах.
Промышленные роботы являются важными компонентами автоматизированных гибких производственных систем (ГПС), которые позволяют увеличить производительность труда.
Бытовые роботы
Одним из первых примеров удачной массовой промышленной реализации бытовых роботов стала механическая собачка AIBO корпорации Sony.
В сентябре 2005 в свободную продажу впервые поступили первые человекообразные роботы «Вакамару» производства фирмы Mitsubishi. Робот стоимостью $15 тыс. способен узнавать лица, понимать некоторые фразы, давать справки, выполнять некоторые секретарские функции, следить за помещением.
Всё большую популярность набирают роботы-уборщики, по своей сути - автоматические пылесосы, способные самостоятельно прибраться в квартире и вернуться на место для подзарядки без участия человека.
Изобретатель Пит Редмонд (Pete Redmond) создал робота RuBot II, который может собрать кубик Рубика за 35 секунд.
Существует также направление моделизма, которое подразумевает создание роботов. Сейчас моделисты делают как радиоуправляемых роботов, так и автономных. Проводятся соревнование по нескольким основным направлениям. Среди соревнований автономных роботов стоит упомянуть бег на скорость по белой линии, борьбу сумо, робо-футбол.
Производители роботов
Известные коммерческие модели роботов
· Aibo
· ASIMO
· i-SOBOT
· REEM-B
· SCORBOT-ER 4u
· STAIR
· Twendy-One
· Wakamaru
2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ
История
Появление станков с числовым программным управлением (ЧПУ) привело к созданию программируемых манипуляторов для разнообразных операций по загрузке и разгрузке станков. В 1954 году американский инженер Д. Девол запатентовал способ управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт. Вместе с Д. Энгельбергом в 1956 г. он организовал первую в мире компанию по выпуску промышленных роботов. Ее название «Unimation» (Юнимейшн) является сокращением термина «Universal Automation»(универсальная автоматика).
В 1962 году в США были созданы первые промышленные роботы «Юнимейт» и «Версатран». Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдаленно напоминающего человеческую руку. Некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса.
«Юнимейт» имел 5 степеней подвижности с гидроприводом и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. Перемещение объектов массой до 12 кг осуществлялось с точностью 1,25 мм. В качестве системы управления использовался программоноситель в виде кулачкового барабана с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд управления, и кодовые датчики положения. В режиме обучения оператор задавал последовательность точек, через которые должны пройти звенья манипулятора в течение рабочего цикла. Робот запоминал координаты точек и мог автоматически перемещаться от одной точки к другой в заданной последовательности, многократно повторяя рабочий цикл. На операции разгрузки машины для литья под давлением «Юнимейт» работал с производительностью 135 деталей в час при браке 2 %, тогда как производительность ручной разгрузки составляла 108 деталей в час при браке до 20 %.
Робот «Версатран», имевший три степени подвижности и управление от магнитной ленты, мог у обжиговой печи загружать и разгружать до 1200 раскаленных кирпичей в час. В то время соотношение затрат на электронику и механику в стоимости робота составляло 75 % и 25 %, поэтому многие задачи управления решались за счет механики. Сейчас это соотношение изменилось на противоположное, причем стоимость электроники продолжает снижаться. Предлагаются необычные кинематические схемы манипуляторов. быстро развиваются технологические роботы, выполняющие такие операции как высокоскоростные резание, окраска, сварка. Появление в 70-х гг. микропроцессорных систем управления и замена специализированных устройств управления на программируемые контроллеры позволили снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение в промышленности. Этому способствовали объективные предпосылки развития промышленного производства.
Функциональная схема промышленного робота
В составе робота есть механическая часть и система управления этой механической частью, которая в свою очередь получает сигналы от сенсорной части. Механическая часть робота делится на манипуляционную систему и систему передвижения.
Манипуляторы
Манипулятор — это механизм для управления пространственным положением орудий и объектов труда.
Манипуляторы включают в себя подвижные звенья двух типов:
· звенья, обеспечивающие поступательные движения
· звенья, обеспечивающие угловые перемещения
Сочетание и взаимное расположение звеньев определяет степень подвижности, а также область действия манипуляционной системы робота.
Для обеспечения движения в звеньях могут использоваться электрические, гидравлический или пневматический привод.
Частью манипуляторов (хотя и необязательной) являются захватные устройства. Наиболее универсальные захватные устройства аналогичны руке человека — захват осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской. Для захвата же множества однотипных деталей (что обычно и происходит при применении роботов в промышленности) применяют специализированные конструкции.
Вместо захватных устройств манипулятор может быть оснащен рабочим инструментом. Это может быть пульверизатор, сварочная головка, отвёртка и т. д.
Система передвижения. Внутри помещений, на промышленных объектах используются передвижения вдоль монорельсов, по напольной колее и т. д.
Для перемещения по наклонным, вертикальным плоскостям используются системы аналогичные «шагающим» конструкциям, но с пневматическими присосками.
Управление
Управление бывает нескольких типов:
1. Программное управление
— самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются. Для программирования таких роботов могут применяться среды программирования типа VxWorks/Eclipse или языки программирования например Forth, Оберон, Компонентный Паскаль, Си. В качестве аппаратного обеспечения обычно используются промышленные компьютеры в мобильном исполнении PC/104 реже MicroPC. Может происходить с помощью ПК или программируемого логического контроллера.
2. Адаптивное управление
— роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д.
3. Основанное на методах искусственного интеллекта.
4. Управление человеком (например, дистанционное управление).
Принципы управления
Современные роботы функционируют на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом.
Иерархия системы управления роботом подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим поведением робота, расчётом необходимой траектории движения манипулятора, поведением отдельных его приводов, и слои, непосредственно осуществляющие управление двигателями приводов.
Подчинённое управление
Подчинённое управление служит для построения системы управления приводом. Если необходимо построить систему управления приводом по положению (например, по углу поворота звена манипулятора), то система управления замыкается обратной связью по положению, а внутри системы управления по положению функционирует система управления по скорости со своей обратной связью по скорости, внутри которой существует контур управления по току со своей обратной связью.
Современный робот оснащён не только обратными связями по положению, скорости и ускорениям звеньев. При захвате деталей робот должен знать, удачно ли он захватил деталь. Если деталь хрупкая или её поверхность имеет высокую степень чистоты, строятся сложные системы с обратной связью по усилию, позволяющие роботу схватывать деталь, не повреждая её поверхность и не разрушая её.
Управление роботом может осуществляться как человеком-оператором, так и системой управления промышленным предприятием (ERP-системой), согласующими действия робота с готовностью заготовок и станков с числовым программным управлением к выполнению технологических операций.
Действия промышленного робота
Среди самых распространённых действий, совершаемых промышленными роботами можно назвать следующие:
· перемещение деталей и заготовок от станка к станку или от станка к системам сменных палет;
· сварка швов и точечная сварка;
· покраска;
· выполнение операций резанья с движением инструмента по сложной траектории.
Промышленный робот является устройством, производящим некие манипулятивные функции, схожие с функциями руки человека.
Достоинства использования
· достаточно быстрая окупаемость
· исключение влияния человеческого фактора на конвейерных производствах, а также при проведении монотонных работ, требующих высокой точности;
· повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества;
<· возможность использования технологического оборудования в три смены, 365 дней в году;
· рациональность использования производственных помещений;
· исключение воздействия вредных факторов на персонал на производствах с повышенной опасностью;
3. РОБОТ
CKBOT
Если этого робота ударить ногой, он рассыплется на три части. Далее эти части оживут и, ползая как гусеницы, начнут сближаться. Через весьма приличное время трём кускам бота наконец удаётся состыковаться, после чего тот встаёт на ноги, готовый к дальнейшей работе
На выставке Wired NextFest 2008, прошедшей в конце сентября – начале октября в Чикаго, был показан забавный робот ckBot, которого можно было бы принять за художественный проект с техническим уклоном. Но он –часть серьёзной работы, чьи плоды однажды могут пригодиться сразу в нескольких прикладных областях.
Любопытно, что все три части робота идентичны (каждая построена из пяти блоков, обладающих моторизованным сочленением, допускающим поворот деталей на 180 градусов). Это не мешает им в нужный момент определиться, какие из них станут ногами, а какая — туловищем.
Американские инженеры назвали это умение "Самосборка после взрыва" (Self-reassembly After Explosion), впрочем, уточняя, что "взрыв" – это просто некое сильное воздействие, не важно, какой природы.
Построил эту машину Марк Йим (Mark Yim), адъюнкт-профессор инженерии в университете Пенсильвании (University of Pennsylvania) и его коллеги из лаборатории модульных роботов (Modular Robotics Lab).
Как вы уже, наверное, догадались, каждый модуль ckBot обладает своими "мозгами", батарейкой, электромоторчиками и системами связи.
Добавим лишь, что между собой части робота стыкуются при помощи магнитов, а ищут они друг друга благодаря встроенным цифровым камерам и мигающим светодиодным маякам. Кроме того, у каждой части есть акселерометр для "чувства равновесия" как при самостоятельном движении, так и в составе полного робота.
Легко представить, что оснащённый различными датчиками самособирающийся робот пригодится как военным (для разведки, например), так и учёным (изучение планет), или ремонтникам (проникновение в труднодоступные части больших установок).
Что может при этом робота "раскидать" — не вполне понятно. Да и неважно. Главное — рассыпавшись, бот может вернуть себе первоначальный вид. Правда, в нынешнем варианте дроида рановато выпускать на настоящее поле боя, пусть сперва набьёт шишек (смотрите видео до конца).
Логично спросить: "К чему такие сложности?" Дело в том, что, по общему замыслу проекта, ckBot и ему подобные машины должны собираться из куда большего количества модулей. При этом фигура, которую они образуют, зависит только от выбранной программы, а таковых внутри модулей может быть запасено немало. Хотите — получите "змею", желаете — "кошку" или "собаку".
Помните змейку Рубика (Rubik's Snake)? Тот же принцип, только всё крутится само. Так что новый бот мог бы стать классной игрушкой. Но Марк видит для него другое поле деятельности.
Непрерывно трансформируемый робот ("самореконфигурируемый" по определению создателей) пригодится там, где нужно проявлять гибкость в зависимости от ситуации. Скажем, в узкую щель может проползти "змея", какую-то механическую работу лучше поручить андроиду, а на большое расстояние путь катится "колесо".
Да, цепочка блоков ckBot может замкнуться и, меняя форму получившегося обода, катиться со скоростью до 1,6 метра в секунду. Это самый быстрый способ передвижения для ckBot, установили американские исследователи.
СkBot напомнил нам о целом ряде его идеологических предшественников. Вспомним, к примеру, робота из университета Корнелла (Cornell University).
Этот аппарат мог не просто собираться из абсолютно идентичных кусочков, но и строить свои копии. Правда, бот тот стоял на месте, а очередные детальки для сборки его собрата ему надо было класть в строго определённое место.
Получается, что группа под руководством Йима сумела "освободить" такого самосборщика, придав ему и его блокам не только способность к перемещению, но и умение находить друг друга. Осталось только научиться делать такие блоки всё более "умными" и мощными, и вперёд — отпускайте фантазию на волю.
4. РОБОТЫ
AQUAJ
ELLY И A
IRJ
ELLY
Природа не устает удивлять нас красотой своих «технологических» решений – а мы не устаем удивляться. Немудрено, что она то и дело вдохновляет дизайнеров и инженеров на то, чтобы, по возможности, не изобретать все с нуля, а воспользоваться ее дарами. Так поступили и разработчики «роботов-медуз», покоряющих воду и воздух с фантастической красотой и грацией.
Таким путем пошли и разработчики компании Festo, создатели интереснейших роботов – AquaJelly и AirJelly, обратившие свое внимание на древнейших представителей фауны, медуз. Разумеется, к этому приложены самые современные технологии, доступные человечеству.
AquaJelly, по сути, представляет собой искусственную медузу, которую приводит в движение электромотор и адаптивная механическая система. Она состоит из полупрозрачной полусферы и восьми щупалец, а центр ее занимает водонепроницаемая емкость, в которой укрыт и двигатель, и пара Li-Ion батарей, и сервоприводы.
По структуре своей каждое щупальце повторяет анатомию рыбьих плавников: оно «колышется» под влиянием перистальтических сил в заполняющих ее «сосудах», и совершает волнообразные движения. Движение же самой AquaJelly в трехмерном пространстве обеспечивает контролируемое перемещение центра ее тяжести. «Медуза» самостоятельно следить за состоянием своих аккумуляторов и поддерживает связь с зарядным устройством, при необходимости подзаряжаясь.
Связь поддерживается и с другими AquaJelly в пределах доступности. Находясь на поверхности воды, робот использует для коммуникации экономную радиосвязь – но основной способ связи под водой – это свет. Одиннадцать инфракрасных излучателей позволяют «медузам» взаимодействовать на расстояниях до 0,8 м. Это, конечно, не слишком далеко, но все же не позволяет медузам сталкиваться друг с другом.
В «нагрузку» к сенсорам, отслеживающим состояние окружающей водной среды, AquaJelly несет набор датчиков, следящих за ее внутренним состоянием, а чувствительный манометр позволяет роботу «осознавать» глубину своего погружения с точностью до нескольких миллиметров.
Но еще более интересна другая разработка инженеров из Festo – «воздушная медуза» AirJelly. Если AquaJelly чувствует себя в воде, как рыба, то AirJelly покоряет воздушную среду, используя похожие схемы. Конечно, для целей полета этот робот использует свой особый «пузырь», который заполняется легким гелием. В остальном он устроен примерно так же – хотя, на наш взгляд, впечатляет еще больше своего водного собрата.
5. РОБОТ
TETWALKER
TETwalker – это пирамида из шести стержней, соединённых узлами.
В каждом узле находится электроника и электродвигатели, способные в широких пределах менять длину стержней.
Потому правильным тетраэдром данный робот является только находясь в покое. Зато когда робот хочет попутешествовать, он меняет свою форму, так, что центр тяжести выносится за предел опоры.
Тут же следует опрокидывание на бок. Но поскольку все стороны машины совершенно равнозначны – никакого "падения" нет – так робот и двигается.
Каждый узел в вершине пирамиды может нести камеры и сенсоры, так что перед нами работающий прототип робота для исследования других планет.
Его авторы считают, что подобный способ передвижения выгоден, так как этот робот принципиально не может опрокинуться на склоне.
Даже если он скатится в кратер, то спокойно продолжит работу. А если стенки не слишком крутые – сможет и подняться наверх. Надо ли говорить, что обычный марсоход (с колёсами), если перевернётся на камне, то тут же и заканчивает своё "выступление".
Однако, полагают создатели TETwalker, куда интереснее будет, когда нанотехнологии и микромеханика позволят уменьшить размеры такого тетраэдра в десятки, а может и в сотни раз.
Все технологические предпосылки к такому радикальному сокращению уже есть или намечаются в ближайшей перспективе.
И если каждый узел такого робота дополнить стыковочным механизмом – мириады подобных машин смогут формировать ту самую "живую амёбу", меняющую форму в зависимости от условий, а также заживляющую пробоины.
Она же сможет автоматически собираться в радиотелескоп или круглый планетоход типа "перекати-поле".
Миниатюрные и сравнительно простые процессоры таких модулей смогут объединяться в единый компьютер, возможно, похожий на нейронную сеть.
"Мы не жили бы долго, если бы наши тела работали, как современные космические корабли, — рассказал глава проекта доктор Стивен Кёртис (Steven Curtis). – Когда у нас возникает травма, новые клетки заменяют повреждённые. Подобным образом неповреждённые единицы роя объединятся, продолжая выполнение миссии, несмотря на обширное повреждение".
Да, авторы проекта предлагают называть такие корабли-роботы роями, хотя, учитывая, что его элементы будут соединены между собой, больше подошло бы определение многоклеточный организм.
Как бы то ни было, нынешний треугольный робот – наглядный пример, как может работать одна клетка такого робота-роя.
Он не только ходил (если можно применить к нему такое слово) по полу лаборатории в центре Годдарда, но уже успел побывать на испытаниях в Антарктиде.
В январе 2005 года машина оказалась на научной станции Макмердо (McMurdo), где условия во многом напоминают Марс.
Тест показал, что некоторые изменения улучшат работу робота. Например, размещение двигателей в середине распорок, а не в узлах, упростит конструкцию узлов и увеличит их надёжность.
Когда этот проект будет трансформироваться к микро— и наномасштабам, то телескопические стержни можно будет заменить на свёртывающиеся металлические ленточки или углеродные нанотрубки, что позволит "клеткам" будущей единой машины сжиматься почти до соприкосновения узлов, а значит, можно будет отправить на орбиту в одном запуске большее их количество.
Также в рамках данного проекта специалисты развивают новое программное обеспечение, позволяющее треугольникам собираться в "разумные" (до некоторой степени) машины.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Робот
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Промышленный Робот
3. http://www.prorobot.ru/
4. http://www.membrana.ru/articles/technic/2008/10/20/192500.html
5. http://www.popularmechanics.ru/part/?articleid=4182&rubricid=4
6. http://www.membrana.ru/articles/technic/2005/03/30/203400.html