Умная рука робота
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В наши дни робототехника проникла во многие сферы нашей жизни, все больше роботов используют и для научных исследований, и для работы в промышленности и в качестве бытовых приборов, например того же робота пылесоса или скажем не за горами посудомоечная машина управляемая искусственным интеллектом. Со временем роботы смогут заменить людей на разных машинных работах, о проблематике этого процесса мы писали в других наших статьях, но сегодня поговорим об одном более узком аспекте в конструировании роботов, о руке робота.
В любом случае классический робот состоит из трех основных систем: информационной, управляющей и исполнительной. И что удивительно, первые две системы, представляющие именно машинный ум, усилиями создателей компьютеров — математиков и программистов — разработаны более полно и удачно, чем третья, казалось бы, более простая.
Вот робот укладывает в тару кубики, но одного кубика не оказывается на месте, а робот так же серьезно хватает пальцами воздух и переносит его в коробку. Этот очевидный недостаток был вскоре устранен в роботах следующего поколения, и устроить второму роботу подвох не удается. Как бы ни передвигали кубик по столу, «умник» неизменно находил его и водворял куда задано. Но вот кубики заменили шарами, конусами и цилиндрами, и робот взять их не смог. Тщетно сжимал он стальные пальцы захвата — предмет каждый раз выскальзывал из его руки, оказавшейся ни к цилиндру, ни к конусу не приспособленной.
Сейчас получается, что совершеннейшие компьютеры с помощью мудрых программ (и то и другое поразительно быстро совершенствуется) управляют примитивными, не умеющими приспособиться к изменяющимся условиям исполнительными механизмами: шестеренками, рычагами, гидравлическими или пневматическими цилиндрами, электромоторами, то есть техникой давно известной.
Что нынче можно предложить роботу в качестве руки? Чаще всего захват в виде клещей. Но клещи лишь тогда надежно зажимают предмет, когда губки на рычагах захвата повторяют его форму. Изменилась форма предмета — необходимо заменить и захват. Для быстроты замены японские специалисты снабдили робот устройством, которое автоматически достает из магазина нужный захват и закрепляет его на руке робота. Устройство робота усложнилось, а выбор захватов все же остался ограниченным. Можно дать роботу магнитный захват, могущий взять предмет любой формы. Но только из магнитного материала. Кроме того, если предметы мелкие, то трудно взять один предмет, не потащив за ним рядом лежащий. Может быть, вакуумный захват удачней? Присоски хороши только для листовых деталей. Вот и все.
Современный робот и тяжесть поднять может, и автомобиль покрасить, и деталь сварить, и ящик сколотить, и ребенка понянчить. Но нужна ему для этого универсальная рука. Тут можно возразить: мол, каждому — свое: один робот пусть красит, и ему достаточен захват, способный взять окрасочный пистолет; другой — штампует, стало быть, ему вакуумные присоски подойдут; третий — из печи раскаленные слитки выдергивает, так ему кроме клещей ничего и не нужно. Но робот по природе своей универсален, а захват с ограниченными возможностями превращает эту дорогостоящую автоматику, управляемую компьютером, в узко специализированную, которая не так-то скоро и окупится.
…На столе — фарфоровые Амур и Психея, стальная труба, тонкая стеклянная колба, куриное яйцо (свежее, с розоватой скорлупкой), пудовая шестерня и… только что сорванная ромашка с зеленым стебельком. Робот, словно фокусник на эстраде, плавно поводит рукой в черной перчатке, словно раздумывая, с чего начать. Оператор предлагает — с цветка, и робот послушно берет у него из рук ромашку за тонкий стебелек. Затем, положив цветок, нацеливается на яйцо. Ну, что-то сейчас будет! Целым и невредимым яйцо в руке робота проделывает над столом круг и возвращается на место. После этого манипуляции с фарфоровой статуэткой уже не так удивляют. Так, может быть, тяжелую трубу не возьмет? Взял, однако, да так, что силой не вырвешь. Что же в ней такое, в этой черной «перчатке» на сверкающей полированным металлом руке робота?
— Шарики,— отвечает инженер, изобретатель А. П. Перовский, — шарики и вакуум. Сыпучий материал, помещенный в эластичный герметичный баллон (перчатку), соприкоснувшись с захватываемым предметом, принимает его форму и затвердевает. Почему? Сыпучий материал становится твердым, подобно песчаным дюнам, по которым можно ходить не проваливаясь.
С песком понятно, а как твердеет «перчатка»? Насыплем в мешок на две трети мелкой дроби и завяжем сверху. Сейчас мешок довольно мягкий, в него можно легко углубиться пальцем — дробь «течет». Утрясем дробь и передвинем вниз завязку. Теперь мешок пальцем не продавишь. Он стал таким твердым, что впору гвозди забивать. Так вот, если из эластичного герметичного баллона, заполненного сыпучим материалом, откачать воздух, то внешнее давление уплотнит содержимое так, что захват «затвердеет». Если сбросить вакуум — захват «размякнет».
К такому изящному техническому решению автор нового захвата пришел не сразу. Сначала решили заливать баллон водой и ее замораживать, а затем отогревать. Получалось, но слишком инерционно, на замораживание и разогрев требовалось изрядное время, что для робота явно не годилось. Попробовали и железный порошок, «затвердевающий» в магнитном поле. Тут захват и освобождение предмета происходили мгновенно, но появились недостатки, присущие магнитным устройствам, — намагничивание оборудования, деталей и прочее.
Немало времени ушло на поиски подходящего сыпучего материала. Песок, дробь, стеклянные шарики.
Сам же захват сделан так. Подковообразный баллон-перчатка с внешней стороны охвачен двумя гофрированными шлангами, подключенными к магистрали сжатого воздуха, при подаче которого шланги удлиняются, сжимают баллон и заставляют «перчатку» охватить предмет. Дело завершает, как уже было сказано, вакуумный насос, соединенный с полостью баллона.
Захват работал безотказно. Сделанное нравилось всем, только не самому изобретателю. Не понравилось то, что для работы захвата требовались и сжатый воздух, и вакуум, а, следовательно, и компрессор, и вакуум-насос. В захвате второго поколения работал только один вакуум, он и «перчатку» сжимал и сыпучий материал превращал в твердый. Захват упростился, но не стал хуже. Он по-прежнему одинаково надежно и без повреждений брал пудовую стальную деталь и тончайшую отполированную медную гильзу. Никакой переналадки при этом не требовалось, что трудно переоценить при обслуживании роботом, например, сортировочного устройства. Особенно же хорош новый захват для роботов, предназначенных ремонтировать механизмы в условиях, где человеку находиться вредно или вовсе нельзя. Тут робот сможет взять и газовый резак, и сварочную горелку, и гаечный ключ, и любую деталь для замены.
Полезен захват будет и при сборе проб, скажем, с морского дна, где неизвестно что может встретиться. Нужно отметить и еще одно преимущество захвата: он мягок и податлив и потому может брать и не очень точно расположенные детали (допускается десятипроцентное смещение от оси симметрии захвата). При таком условии получается, что «умной» руке особо умная голова не так уж и нужна, а упрощение управляющего устройства — это сотни тысяч долларов экономии.
Автор: В. Перцов.