Розумна рука робота

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

У наші дні робототехніка проникла в багато сфер нашого життя, все більше роботів використовують і для наукових досліджень, і для роботи в промисловості і в якості побутових приладів, наприклад того ж робота пилососа. Згодом роботи зможуть замінити людей на різних машинних роботах, про проблематику цього процесу ми писали в інших наших статтях, але сьогодні поговоримо про один більш вузький аспекті в конструюванні роботів, про руку робота.

У будь-якому випадку робот складається з трьох основних систем: інформаційної, керуючої та виконавчої. І що дивно, перші дві системи, що представляють саме машинний розум, зусиллями творців комп’ютерів – математиків і програмістів — розроблені більш повно і вдало, ніж третя, здавалося б, більш проста.

Ось робот укладає в тару кубики, але одного кубика не виявляється на місці, а робот так само серйозно бере пальцями повітря і переносить його в коробку. Цей очевидний недолік був незабаром усунутий в роботах наступного покоління, і влаштувати другому роботу підступ не вдається. Як би не пересували кубик по столу, «розумник» незмінно знаходив його і ставив куди задано. Але ось кубики замінили кулями, конусами і циліндрами, і робот взяти їх не зміг. Марно стискав він сталеві пальці захоплення – предмет кожен раз вислизав з його руки, що виявилася ні до циліндра, ні до конуса не пристосованою.

Зараз виходить, що досконалі комп’ютери з допомогою мудрих програм (і те й інше разюче швидко вдосконалюється) керують примітивними, такими, що не вміють пристосуватися до мінливих умов виконавчими механізмами: шестерінками, важелями, гідравлічними або пневматичними циліндрами, електромоторами, тобто технікою давно відомою.

Що нині можна запропонувати роботу в якості руки? Найчастіше захоплення у вигляді кліщів. Але кліщі лише тоді надійно затискають предмет, коли губки на важелях захоплення повторюють його форму. Змінилася форма предмета – необхідно замінити і захоплення. Для швидкості заміни японські фахівці забезпечили робот пристроєм, який автоматично дістає з магазину потрібне захоплення і закріплює його на руці робота. Пристрій робота ускладнився, а вибір захоплень все ж залишився обмеженим. Можна дати роботу магнітне захоплення, що може взяти предмет будь-якої форми. Але тільки з магнітного матеріалу. Крім того, якщо предмети дрібні, то важко взяти один предмет, не потягнувши за ним той, що поруч лежить. Може бути, вакуумне захоплення вдаліше? Присоски хороші тільки для листових деталей. Ось і все.

Сучасний робот і тяжкість підняти може, і автомобіль пофарбувати, і деталь зварити, і ящик сколотити, і дитину поняньчити. Але потрібна йому для цього універсальна рука. Тут можна заперечити: мовляв, кожному своє: один робот нехай фарбує, і йому достатнє захоплення, здатне взяти фарбувальний пістолет; інший – штампує, стало бути, йому вакуумні присоски підійдуть; третій — з печі розпечені злитки висмикує, так йому крім кліщів нічого і не потрібно. Але робот за своєю природою універсальний, а захоплення з обмеженими можливостями перетворює цю дорогу автоматику, керовану комп’ютером, у вузько спеціалізовану, яка не так-то скоро і окупиться.

…На столі – порцелянові Амур і Психея, сталева труба, тонка скляна колба, куряче яйце (свіже, з рожевою шкаралупкою), пудова шестерня і… тільки що зірвана ромашка з зеленою стеблинкою. Робот, немов фокусник на естраді, плавно поводить рукою в чорній рукавичці, немов роздумуючи, з чого почати. Оператор пропонує – з квітки, і робот слухняно бере у нього з рук ромашку за тонку стеблинка. Потім, поклавши квітку, націлюється на яйце. Ну, щось зараз буде! Цілим і неушкодженим яйце в руці робота проробляє над столом коло і повертається на місце. Після цього маніпуляції з порцеляновою статуеткою вже не так дивують. Так, може бути, важку трубу не візьме? Взяв, однак, та так, що силою не вирвеш. Що ж в ній таке, в цій чорній «рукавичці» на блискучій полірованій металом руці робота?

– Кульки, – відповідає інженер, винахідник А. П. Перовський — кульки і вакуум. Сипучий матеріал, поміщений в еластичний герметичний балон (рукавичку), зіткнувшись із захоплюваним предметом, приймає його форму і твердне. Чому? Сипучий матеріал стає твердим, подібно піщаним дюнам, по яких можна ходити не провалюючись.

З піском зрозуміло, а як твердне «Рукавичка»? Насиплемо в мішок на дві третини дрібного дробу і зав’яжемо зверху. Зараз мішок досить м’який, в нього можна легко заглибитися пальцем — дріб «тече». Утрясемо дріб і пересунемо вниз зав’язку. Тепер мішок пальцем не продавиш. Він став таким твердим, що впору цвяхи забивати. Так ось, якщо з еластичного герметичного балона, заповненого сипучим матеріалом, відкачати повітря, то зовнішній тиск ущільнить вміст так, що захоплення «затвердіє». Якщо скинути вакуум – захоплення «розм’якне».

До такого витонченого технічного рішення автор нового захоплення прийшов не відразу. Спочатку вирішили заливати балон водою і її заморожувати, а потім відігрівали. Виходило, але занадто інерційно, на заморожування і розігрів був потрібно неабиякий час, що для робота явно не годилося. Спробували і залізний порошок, «тверднучий» в магнітному полі. Тут захоплення і звільнення предмета відбувалися миттєво, але з’явилися недоліки, властиві магнітним пристроям, — намагнічування обладнання, деталей та інше.

Чимало часу пішло на пошуки відповідного сипучого матеріалу. Пісок, дріб, скляні кульки.

Саме ж захоплення зроблено так. Підковоподібний балон-рукавичка із зовнішнього боку охоплений двома гофрованими шлангами, підключеними до магістралі стисненого повітря, при подачі якого шланги подовжуються, стискають балон і змушують «рукавичку» охопити предмет. Справу завершує, як вже було сказано, вакуумний насос, з’єднаний з порожниною балона.

Захоплення працювало безвідмовно. Зроблене подобалося всім, тільки не самому винахіднику. Не сподобалося те, що для роботи захоплення були потрібні і стиснене повітря, і вакуум, а, отже, і компресор, і вакуум-насос. У захопленні другого покоління працював тільки один вакуум, він і «рукавичку» стискав і сипучий матеріал перетворював на твердий. Захоплення спростилося, але не стало гірше. Воно як і раніше однаково надійно і без пошкоджень брало пудову сталеву деталь і найтоншу відполіровану мідну гільзу. Ніякого переналагодження при цьому не було потрібно, що важко переоцінити при обслуговуванні роботом, наприклад, сортувального пристрою. Особливо ж хороше нове захоплення для роботів, призначених ремонтувати механізми в умовах, де людині перебувати шкідливо або зовсім не можна. Тут робот зможе взяти і газовий різак, і зварювальний пальник, і гайковий ключ, і будь-яку деталь для заміни.

Корисне захоплення буде і при зборі проб, скажімо, з морського дна, де невідомо що може зустрітися. Потрібно відзначити і ще одну перевагу захоплення: воно м’яке і податливе і тому може брати і не дуже точно розташовані деталі (допускається десятивідсоткове зміщення від осі симетрії захоплення). За такої умови виходить, що «розумній» руці особливо розумна голова не так вже й потрібна, а спрощення керуючого пристрою — це сотні тисяч доларів економії.

Автор: В. Перцов.