Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Актуальность темы. В настоящее время в робототехнике наблюдается тенденция к миниатюризации и применению нанотехнологий. Миниатюрные роботы могут проникать в узкие образования (щели, отверстия) и двигаться в них, что позволяет применять их для выполнения различных задач в ограниченных пространствах, например трубах малого диаметра, имеющих размер порядка нескольких миллиметров. Конструкция минироботов зачастую сильно отличается от их макроразмерных аналогов. В качестве маршевых двигателей минироботов обычно используются двигатели, обеспечивающие линейное перемещение без использования трансмиссии, например электромагнитный или пьезоэлектрический. С помощью применения современных нанотехнологий можно улучшить технические характеристики как отдельных узлов миниробота, например устройств сцепления с поверхностью, так и робота в целом.

Происходящие на сегодняшний день изменения в процессах производства миниатюрных компонентов электроники и механики предопределяют ускоренное развитие автоматизированных микротехнологических модулей и микросборочных систем и, в частности, микроробототехнических комплексов (МРТК), построенных на базе мобильных и стационарных микророботов. Практически во всех отраслях промышленности вопросы миниатюризации исполнительных устройств и механизмов являются одними из приоритетных задач; важнейшее значение они имеют для малоресурсных технологических процессов в нанотехнологиях, микроэлектронике, генетике и т.д.

Принципы построения и методы проектирования микросистем, и построения их систем управления наиболее полно отражены в работах отечественных ученых - академика Д.Е. Охоцимского, академика Ф.Л. Черноусько, академика И.М. Макарова, В.М. Лохина, П.П. Мальцева, В.А. Лопоты, А.В. Тимофеева, А.С. Ющенко, Е.И. Юревича, В.Г. Градецкого, В.Е. Павловского, И.В. Рубцова и др, а также в работах зарубежных ученых - T. Фукуда, М. Хаттори, C. Фатикова, П. Дарио, Б.Ж. Нельсона, Х. Верна, У. Рембольда, Х. Ямамото, А. Ковача др.

Несмотря на выполненные ранее исследования, влияние рабочих параметров на функциональные характеристики таких роботов изучено недостаточно, известные методы расчета не обеспечивают достаточно точное соответствие с экспериментом.

Актуальность темы исследования заключается в необходимости выполнения обзора касательно критериев компактности промышленной робототехники с целью выяснения способов улучшения их технических характеристик.

Цель работы заключается в изучении и анализе критериев компактности промышленной робототехники.

Исходя из поставленной цели и темы работы возникают следующие задачи:

- изучить применение робототехники в промышленности;

- сформулировать требования к критериям в промышленной робототехнике;

- сформулировать критерии компактности промышленной робототехники;

- провести сравнение промышленных роботов по критериям компактности;

- проанализировать отношение критерия компактности к другим характеристикам промышленной робототехники;

- определить возможные направления развития характеристик компактности промышленной робототехники;

- рассмотреть программные решения для оценки компактности робота;

- провести сравнительную оценку компактности различных моделей промышленных роботов.

Методы исследования. При выполнении исследований использованы методы теории автоматического управления, теории искусственного интеллекта, системного анализа, теории алгоритмов, теории информации и т.д.

Объектом исследования выступают показатели компактности роботов.

Предметом исследования является промышленная робототехника.

Глава 1. Критерии сравнения в промышленной робототехнике

1.1 Применение робототехники в промышленности

Автоматизация производства в машиностроении представляет собой самостоятельную комплексную проблему. Ее решение направлено на создание нового совершенного оборудования, технологических процессов и систем организации производства, функционирование которых неразрывно связано с улучшением условий труда, ростом качества продукции, сокращением потребности в рабочей силе и с систематическим повышением прибыли.

Современные средства автоматизации должны развиваться в двух направлениях: автоматизация выпускаемого и действующего оборудования в целях повышения его эффективности и создание новых автоматизированных технологических комплексов и процессов, позволяющих решить задачу повышения производительности, надежности и точности выполнения работ при обеспечении необходимой и экономически оправданной гибкости производства.

Эффективность автоматизации прямо зависит от того, насколько рационально организован производственный процесс в целом, как комплексно и полно на всех звеньях технологической цепочки внедрены средства автоматизации, от того, насколько принятая система организации и управления производством позволяет принимать решения на низшем уровне (в целях ликвидации внеплановых простоев). Автоматизация требует рассматривать производственный процесс как единую систему.

Следовательно, эффективность автоматизации может быть достигнута только при комплексном подходе к разработке автоматизированных производственных систем. Путь к этому -- в создании одностаночных и многостаночных комплексов «станок (группа станков) -- приспособление -- средства автоматизации», что позволит в дальнейшем перейти к системе модульного построения из таких комплексов более сложных производственных систем: автоматизированных линий, участков, цехов и т.п Козырев Ю.Г. Применение промышленных роботов : учебное пособие / Ю.Г. Козырев. -- М. : КНОРУС, 2010.-- 488 с.

Отработка технических решений по созданию автоматизированных технологических комплексов, по-видимому, должна вестись прежде всего применительно к серийному производству (оно составляет до 40 % общемашиностроительного производства), поскольку они могут быть применены также в массовом и крупносерийном производстве. При этом необходимо отметить и тенденцию к постоянному снижению объемов выпускаемой продукции из-за ее морального старения, изменения спроса и т.д. Сегодня даже автомобилестроение из отрасли с традиционно массовым производством переходит к организации, больше соответствующей крупносерийному характеру выпуска продукции. Очевидно, что по мере совершенствования технических решений, разработанных для условий серийного производства, внедрения новых исходных средств автоматизации и элементной базы, появится возможность их использования и для автоматизации мелкосерийного производства.

Таким образом, развитие автоматизации в серийном производстве не только будет способствовать подъему производительности труда в этой области, но и окажет существенное влияние на уровень мелкосерийного и массового производства.

Промышленные роботы (ПР) -- универсальное средство комплексной автоматизации производственных процессов, с помощью которого обеспечивается быстрая переналадка последовательности, скорости и видов манипуляционных действий. Поэтому применение ПР наиболее эффективно в условиях частой смены объектов производства, а также для автоматизации ручного низкоквалифицированного труда. Они находят все более широкое применение, заменяя человека (или помогая ему) на участках с опасными, вредными для здоровья, тяжелыми или монотонными условиями труда. Особенно важно то, что ПР можно применять для выполнения работ, которые не могут быть механизированы или автоматизированы традиционными средствами. Однако ПР -- всего лишь одно из многих возможных средств автоматизации и упрощения производственных процессов. Они создают предпосылки для перехода к качественно новому уровню автоматизации -- созданию автоматических производственных систем, работающих с минимальным участием человека Козырев Ю.Г. Применение промышленных роботов: учебное пособие / Ю.Г. Козырев. -- М. : КНОРУС, 2010.-- 488 с.

Сегодня роботы применяют практически во всех отраслях хозяйства, однако наибольшее распространение они получили в промышленности, прежде всего -- в машиностроении.

Промышленные роботы дают возможность автоматизировать не только основные, но и вспомогательные операции, чем и объясняется постоянно растущий интерес к ним.

Высокая эффективность автоматизации за счет применения промышленных роботов может быть достигнута только при комплексном подходе к созданию и внедрению роботов, обрабатывающего оборудования, средств управления, вспомогательных механизмов и устройств и т.д. Проводить значительный объем организационно-технологических мероприятий ради единичного внедрения ПР нерентабельно. Только расширенное применение ПР в составе сложных роботизированных систем оправдано технически, экономически и социально.

Одной из основных причин разработок и внедрения роботов является экономия средств. По сравнению с традиционными средствами автоматизации применение роботов обеспечивает большую гибкость технических и организационных решений, снижение сроков комплектации и запуска в производство автоматизированных станочных систем. Как показывает опыт, использование роботов, например, для автоматической установки и снятия деталей, позволяет рабочему обслуживать от четырех до двадцати металлорежущих станков. Таким образом, роботы необходимо рассматривать как важный фактор обеспечения многостаночного обслуживания, а значит, и экономии рабочей силы. Наибольший экономический эффект может быть достигнут при обслуживании роботом нескольких станков или при организации двух-трех сменной работы.

С экономическими вопросами, возникающими при применении роботов, тесно связан и социальный аспект их использования. При определении целесообразности применения роботов в том или ином случае (особенно при необходимости замены рабочего на участках с опасными, вредными для здоровья условиями труда) превалирующими должны быть интересы человека, его безопасность и удобство работы. Необходимо также учитывать и фактор непрерывного роста уровня общеобразовательной и специальной подготовки работающих. Роботы должны освободить человека от выполнения бездумной механической работы и скомпенсировать потребность в низкоквалифицированном труде.

Основные предпосылки расширения применения ПР следующие Козырев Ю.Г. Применение промышленных роботов : учебное пособие / Ю.Г. Козырев. -- М.: КНОРУС, 2010.-- 488 с:

- повышение производительности труда, качества продукции и объемов ее выпуска благодаря снижению времени выполнения операций и обеспечению постоянного режима «без усталости», росту коэффициента сменности работы оборудования, интенсификации существующих и стимулированию создания новых высокоскоростных процессов и оборудования;

- изменение условий труда работающих путем освобождения от неквалифицированного, монотонного, тяжелого и вредного труда, улучшения условий безопасности, снижения потерь рабочего времени от производственного травматизма и профессионально-технических заболеваний;

- экономия и высвобождение рабочей силы для решения других технико-экономических и хозяйственных задач.

Промышленные роботы и роботизированные комплексы являются основными компонентами гибких производственных систем, представляющих собой высший уровень автоматизации в машиностроении.

Термин «робот» придумал чешский писатель Карел Чапек (от чешского «работник»). Проанализируем тенденции развития робототехники в мире и долю в это развитие России.

а) промышленная робототехника

На рис. 1. представлена общая статистика и тенденция численности роботов в мире.

Рис. 1.1 Популяция роботов в мире

Из рис. 1.2 видно, что лидером по числу промышленных роботов является, безусловно, Япония.

Россия, по числу промышленных роботов, находится на одном уровне с Финляндией.

Таким образом, можно сделать, что у России есть потенциал в разработке и внедрении промышленных роботов. Однако такая задача не стоит на уровне государства, а частному бизнесу проще внедрить отлаженные промышленные роботы импортного производства, получив при этом качественный сервис.

Рис. 1.2 Распределение промышленных роботов по странам за 2011 год

1.2 Требования к критериям в промышленной робототехнике

В целом роботы по использованию в различных сферах деятельности делят на три группы:

1) человекоподобные (бытовые);

2) информационные (исследовательские), предназначенные для сбора информации в средах, опасных или не доступных для человека;

3) промышленные, предназначенные для автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности.

Промышленные роботы (ПР) имеют большое число классификационных признаков. Рассмотрим основные из них:

1) По характеру выполняемых операций Хомченко В.Г. Мехатронные и робототехнические системы: учеб. пособие / В.Г. Хомченко, В.Ю. Соломин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - 160 с.:

- технологические (производственные);

- вспомогательные (подъемо-транспортные);

- универсальные.

- По степени специализации:

- универсальные (многоцелевые);

- специализированные;

- специальные (целевые).

- По способу управления:

- с «жесткой» программой (I поколение);

- адаптивные (II поколение);

- интегральные (III поколение).

- По области применения (по виду производства):

- механообработка;

- кузнечно-прессовое производство;

- литейное производство;

- сборка;

- сварка;

- транспортно-складские и т. д.

2) По грузоподъемности (главный параметр ПР). Под номинальной производительностью ПР понимается наибольшее значение массы предметов производства или технологической оснастки, при котором гарантируется их захватывание, удержание и обеспечиваются установленные значения эксплуатационных характеристик ПР.

Если ПР имеет несколько рук, то оценивается грузоподъемность каждой руки.

По грузоподъемности (ГОСТ 25204-82) промышленные роботы подразделяются на:

- сверхлегкие - до 1 кг (0,08; 0,16; 0,32; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0);

- легкие от 1кг до 10кг (1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0);

- средние от 10 до 200 кг (12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200);

- тяжелые от 200 до 1000 кг (250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000);

- сверхтяжелые - свыше 1000 кг (ряд R10 по ГОСТ 8032-56, начиная с 1250).

3) По числу степеней подвижности:

- с одной степенью подвижности;

- двумя степенями подвижности;

- с n степенями подвижности.

Число степеней подвижности манипулятора робота определяется как совокупность числа степеней свободы кинематической цепи манипулятора ПР в системе координат, относительно которой задаются геометрические характеристики рабочей зоны ПР.

Степени подвижности манипулятора делят на:

- переносные, используемые для перемещения рабочего органа в пространстве;

- ориентирующие, используемые для изменения положения РО в пространстве.

Как правило, достаточно 3-4 переносных степени подвижности (что дает больше сотни структурно-кинематических схем манипулятора). Для полной ориентации объекта достаточно 3-х вращательных ориентирующих степеней подвижности.

4) По мобильности (по возможности перемещения):

- стационарные;

- подвижные (установленные на транспортное средство).

5) По конструктивному исполнению (по способу установки):

- напольные;

- подвесные (портальные, тельферные);

- встроенные (пристаночные).

6) По виду основных координатных перемещений ПР разделяются на группы роботов, манипуляторы которых работают:

- в прямоугольной системе координат;

- в цилиндрической системе координат;

- в сферической системе координат;

- в угловой системе координат;

- в комбинированной системе координат.

Каждой из систем координат соответствует вполне определенная кинематико-компоновочная схема манипулятора, вид которой определяется конструктивным исполнением поступательных и вращательных звеньев.

7) По типу силового привода:

- пневматические;

- гидравлические;

- электромеханические;

- комбинированные.

8) По характеру программирования скоростей и перемещений (по виду управления):

- жестко программируемые;

- гибко программируемые.

При жестком программировании исполнительное устройство управляется по неизменной заранее введенной программе.

При гибком программировании - программа может изменяться на основе поставленной цели и информации об объектах управления и производственной среде.

При жестком программировании выделяют Хомченко В.Г. Мехатронные и робототехнические системы: учеб. пособие / В.Г. Хомченко, В.Ю. Соломин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - 160 с.:

- цикловое управление, при котором движение рабочего органа происходит в упорядоченной последовательности с помощью путевых выключателей или времязадающих элементов (число точек обычно - две, три);

- позиционное управление, при котором движение РО происходит по заданным точкам позиционирования без контроля траектории движения между ними (цикловое управление является частным случаем позиционного).

- контурное управление, при котором движение РО происходит по заданной траектории с установленным распределением по времени значений скорости.

- комбинированное управление.

9) По способу программирования:

- программируемые обучением (наиболее распространенный способ);

- программируемые аналитически;

- самообучение.

В первом случае управляющая программа формируется в режиме диалога СПУ с оператором. Оператор с помощью пульта управляет роботом, последовательно отрабатывая требуемые операции. При этом информация о движениях ПР заносится в запоминающее устройство СПУ робота.

При втором методе программа составляется на основе предварительных расчетов.

В третьем способе: программа формируется на основе информации о состоянии внешней среды.

Управляющая программа - это последовательность инструкций на некотором формальном языке. В общем виде для функционирования ПР необходима следующая информация:

- о последовательности выполнения шагов программы;

- о пространственном положении отдельных степеней подвижности;

- о времени выполнения отдельных шагов программы и отдельных управляющих команд.

Материальным носителем программы могут быть:

- механические устройства (упоры, кулачки, копиры и т.д.);

- коммутаторы (штекерные панели, барабаны, коммутаторные поля и т. д.);

- быстросменные программоносители (перфоленты, магнитные ленты, диски и т. д.).

10) По быстродействию и точности движений. Эти два параметра взаимосвязаны и характеризуют динамические свойства роботов. Между быстродействием и точностью позиционирования имеется определенное противоречие.

Быстродействие определяется скоростью передвижения по отдельным степеням подвижности:

- малое быстродействие - до 0,5 м/с (до 90 град/с);

- среднее (60-65 % ПР) - от 0,5 до 1 м/с (от 90 до 270 град/с);

- высокое (20 % ПР) - более 1м/с (более 270 град/с).

Быстродействие современных ПР нельзя считать достаточным, оно должно быть повышено не менее чем в 2 раза.

Точность манипулятора характеризируется результирующей погрешностью позиционирования (при дискретном движении) или отработкой заданной траектории (при непрерывном движении).

Чаще всего точность характеризуется абсолютной погрешностью.

Малая - при линейной погрешности > 1 мм;

Средняя - от 0,1 до 1 мм. (60...65 %);

Высокая - менее 0,1 мм (около 15 %).

Погрешность манипулирования ПР, предназначенных для выполнения наиболее грубых, например, транспортных движений, превышает 1 мм.

По сравнению с рукой человека недостатком современных ПР является снижение точности с увеличением скорости хода манипулятора. У человека эти параметры в значительной мере развязаны благодаря разделению движений на грубое (быстрое) и точное (медленное).

Наряду с классификационными параметрами ПР характеризуются параметрами, обусловливающими их технический уровень.

Техническая характеристика содержит следующие основные показатели:

- номинальная грузоподъемность, кг;

- тип привода;

- число степеней подвижности;

- геометрическая характеристика рабочей зоны;

- тип системы управления;

- максимальная абсолютная погрешность позиционирования, мм;

- надежность и др.

Показатели привода:

- давление рабочего тела Р, МПа;

- расход рабочего тела Q, м³ /с;

- напряжение питания U, В;

- потребляемая мощность W, Вт.

Показатели степени подвижности:

- максимальное перемещение L, , мм, град;

- время перемещения t, с;

- максимальная скорость V, , м/с, град/с;

- максимальное ускорение a, е, м/с², град/с²;

- максимальная абсолютная погрешность позиционирования , мм.

Показатели устройства управления:

- объем памяти;

- число одновременно управляемых движений по степеням подвижности;

- число каналов связи с внешним оборудованием:

- на вход n_вх;

- на выход n_вых.

- число программируемых точек:

- при прямом ходе - n_пр;

- при обратном ходе - n_обр.

Показатели захватного устройства:

- усилия захватывания S, Н;

- время захватывания t_захв, с;

- время отпускания t_отп с;

- характерные размеры захватываемого предмета:

- максимальный диаметр - d_max, мм;

- минимальный диаметр - d_min, мм.

Показатели надежности:

- установленная безотказная наработка t, ч (наработка на отказ);

- установленный срок службы:

- до капитального ремонта Т_кап, лет;

- до списания Т_сп, лет.

Массогабаритные показатели:

масса m, кг;

габаритные размеры L₁х L₂х L₃, мм³.

1.3 Критерии компактности промышленной робототехники

В современной робототехнике наблюдаются и общие тенденции развития техники в целом, которые можно трактовать как общие принципы развития этого комплексного научно-технического направления.

Можно выделить пять основных таких принципов:

· системный подход,

· поэтапная миниатюризация,

· унификация функциональных компонентов,

· интеграция этих компонентов,

· интеллектуализация с созданием в перспективе искусственного разума.

Первый принцип - это системный подход к созданию техники, т.е. ее синтез на основе общесистемных критериев без декомпозиции. Этот принцип является одним из основополагающих прежде всего для мехатроники, а так же для систем экстремальной робототехники, требующих миниатюризации массогабаритных параметров, энергопотребления и т.п. Его реализация стала возможной только на определенном этапе развития науки и на пути его реализации стоит еще много проблем, в том числе в части формирования общесистемных критериев и разработки методов синтеза технических систем на их основе.

Второй принцип - это поэтапность миниатюризации техники путем последовательного освоения разного порядка размерностей в виде отдельных ее поколений. Этот принцип непосредственно вытекает из естественного процесса непрерывного совершенствования технологий в направлении повышения точности. Каждое поколение любого вида техники требует соответствующих новых технологий. При этом для реализации последних необходимо технологическое оборудование, основанное на технике предыдущей размерности.

Так, реализация этого принципа в микромехатронике предполагает развитие микросистемных технологий на основе 2D технологий микроэлектроники, созданных на предыдущем этапе развития техники. Это казалось бы бесспорное положение, однако как часто им пренебрегали в стремлении перепрыгнуть через очередной этап в закономерности развития техники. И каждый раз это приводило только к потери времени.

Третий принцип - унификация функциональных компонентов. В ходе миниатюризации для систем до дециметровой размерности этот принцип реализуется в виде модульного построения систем.

Для робототехники этот принцип построения имеет особенно большое значение из-за следующих особенностей применения средств робототехники прежде всего в экстремальных условиях Юревич Е.И.. Роботы ЦНИИ РТК на Чернобыльской АЭС и развитие экстремальной робототехники. СПб, изд.СПбГПУ, 2012. - 160 с.:

- широкая и меняющаяся номенклатура;

- сложность технических требований, которые часто находятся на пределе возможностей современной техники;

- зачастую единичный характер потребностей в отдельных типах робототехнических систем.

На рис. 1.3 и 1.4 были приведены примеры базовых модульных робототехнических систем из средней части их типоразмерных рядов. На рис. 1.5 показан пример модульного космического манипулятора. Основным модулем, определяющим их ряд, является унифицированный шарнир, а для шасси мобильных роботов - мотор-колесо.

Рис. 1.3 Модульный робот-разведчик для поиска радиоактивных объектов (ЦНИИ РТК)



Рис. 1.4 Модульный робот «Антитеррорист» с рентгеновской системой интроскопии. Справа пульт управления оператора (ЦНИИ РТК)

Рис. 1.4 Модульный космический манипулятор ДОРЕС (ЦНИИ РТК)

Заметим, что модульный принцип является в определенном смысле альтернативой первому принципу системного подхода, поскольку предполагает декомпозицию технических систем. Однако сама унификация типоразмерных рядов функциональных компонентов основана именно на системном подходе и оптимизации по единым критериям для всего множества этих компонентов.

Четвертый принцип - интеграция функций на базе однородных структур. Этот принцип построения технических систем, который так же был уже упомянут, приходит на смену модульному в конце их типоразмерного ряда при переходе к миллиметровой размерности Лопота В.А. Юревич Е.И. Закономерности развития мехатроники и робототехники// Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. - № 57. - 2008. С. 3-9..

На рис.1.6 показан описанный процесс миниатюризации основных функциональных компонентов технических систем. Здесь приведены три (I, II, III) варианта интеграции этих компонентов в ходе их миниатюризации Лопота В.А. Юревич Е.И. Закономерности развития мехатроники и робототехники// Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. - № 57. - 2008. С. 3-9..

Рис. 1.6 Этапы миниатюризации функциональных компонентов технических систем

Первый вариант (I) - это продолжающаяся автономная миниатюризация компонентов в виде модулей вплоть до микро- и наноразмерностей. Второй вариант (II) рассмотрен выше - это наиболее быстро развивающиеся в настоящее время структуры в виде однородных технических нейронных сетей. Третий вариант (III) относится, прежде всего, к будущим наноразмерным структурам. Его идея близка клеточному построению живых организмов. Подобно последним такие функционально полные мехатронные ячейки являются элементарными унифицированными модулями для построения специализированных структур фрактального типа с последующей реконфигурации в процессе развития.

Пятый принцип - интеллектуализация как отдельных функциональных компонентов, так и общесистемных функций. Он тоже соответствует общетехническим тенденциям, хотя его название достаточно условно, т.к. конечным развитием этого принципа будет техническое освоение неформализуемых творческих (креативных) способностей человека.

Заметим, что для современных технических систем точнее говорить не об искусственном, а о гибридном интеллекте, т.е о его симбиозе с естественным интеллектом, участвующего в управлении человека-оператора, или еще точнее о гибридном разуме, т.к. человек в системе в основном требуется для привлечения не столько его сознательных формализуемых интеллектуальных способностей сколько подсознательной интуиции и творческих способностей.

Таковы наиболее общие принципы построения робототехнических систем, определяемые порядком размерности, и тенденции их развития. Как видно из изложенного, общей особенностью последних является непрерывный рост значения бионического подхода.

Так, биологическим аналогом системного подхода и унификации компонентов является клеточное строение, а интеграции - нейронные структуры, пронизывающие все органы живых существ. Все методы искусственного интеллекта, по существу, так же являются результатом копирования живой природы в части вербального мышления.

Глава 2. Анализ критериев компактности промышленной робототехники

2.1 Сравнение промышленных роботов по критериям компактности

Современное развитие микроробототехнических систем способно оказать существенное влияние на многие области деятельности человека. Как считают зарубежные эксперты, в промышленном производстве и медицине XXI века микророботы будут играть ведущую роль. Технологической базой микроробототехники является микроэлектромеханика - высокая технология двойного назначения, базирующаяся на использовании методов и средств микроэлектроники. В США и Японии осуществляется ряд проектов, целью которых является создание микророботов.

Показательным примером является японский проект «Micromachine Technology Project». Он стартовал в 1991 году и был рассчитан на период до 2000 года. Основной целью этого проекта являлось развитие технологий для создания микроробототехнических средств, способных решать следующие задачи Бочаров Л.Ю., Мальцев. П.П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом// Искусственный интеллекс. - 2012. - №3. - С. 599 - 606:

- автономно передвигаться внутри кровеносных сосудов и органов живых организмов, осуществляя диагностику заболеваний и хирургические операции;

- проведение диагностирования и ремонта сложного промышленного и транспортного оборудования в труднодоступных местах (внутри трубопроводов авиационных двигателей, в оборудовании атомных электростанций и химических производств).

Общий запланированный объем финансирования этого проекта составляет 250 млн. долл. Только на изучение фундаментальных закономерностей микромира в области механики, гидродинамики, теплопередачи; на разработку новых материалов, в том числе с управляемыми свойствами; на исследование элементной базы микроустройств (включая технологии их изготовления) было затрачено порядка 100 млн. долл. Этот проект выполняется в рамках многоцелевой программы «Industri Science and Technology Frontier Program», руководство которой осуществляется Агентством промышленных наук и технологий (AIST) Министерства внешней торговли и промышленности (MITI). Финансирование проекта осуществляется через государственную корпорацию Организация развития новых видов энергетики и промышленности (NEDO). Головной организацией является Центр микромашин (MMC) в Токио.

На первом этапе изучались фундаментальные закономерности микромира в области механики, гидродинамики, теплопередачи. Осуществлялась разработка новых материалов, в том числе с управляемыми свойствами. Исследовалась элементная база микроустройств, включая энергетические микроэлементы, и технология ее изготовления.

В 1994 году в проект были включены работы, направленные на создание микропроизводств, то есть на разработку миниатюрного, высокоточного и экономичного микроэлектромеханического оборудования, предназначенного для производства миниатюрных прецизионных приборов и устройств. В апреле 1996 года начался второй завершающий этап проекта, на этом этапе создаются микросистемы, способные осуществлять автономное передвижение и манипуляции.

Результаты, полученные в ходе выполнения проекта «Micromachine Technology Project», позволят создавать робототехнические устройства для промышленных и медицинских целей примерно к 2001 году. Однако уже в 1999 году японские фирмы представили на рынок роботизированные игрушки с элементами искусственного интеллекта.

Собака, имеющая 4 основных инстинкта (любовь, поиск, движение, перезарядка) и упрощенную эмоциональную модель, а также способная приобретать новые навыки, была разработана фирмой Sony, и в 1999 году их продано 3 тысячи штук по цене 2 тысячи долларов. Вес самообучающегося хромированного песика - 1,5 кг, длина - 27 см. Кошку, способную произносить 50 фраз и поднимать настроение собеседника, а также передавать медицинскую информацию для клиента и сообщать о состоянии пациента в сетевой центр, представила в 1999 году фирма Matsushita Electric, планирующая продавать устройство с 2001 года по цене 430 долларов Бочаров Л.Ю., Мальцев. П.П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом//Искусственный интеллекс. - 2012. - №3. - С. 599 - 606.

Характерной чертой мирового технологического развития последнего десятилетия XX века является зарождение интегрально образующихся (комплексных) технологий.

К их числу относятся технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС). Интеграция достижений в области электроники, механики, информатики и измерительной техники, объединенных тенденцией к миниатюризации, определило зарождение этих технологий в конце 80-х начале 90-х годов. Огромное количество (более 250 в 1994 г. и уже более 400 в 1997 г.) университетов и коммерческих компаний США и Японии, сконцентрировав усилия на развитие технологий МЭМС, открыли широчайший спектр их возможного применения. Общее количество зарегистрированных в мире патентов в области технологий МЭМС резко возросло и к 1998 году достигло 1000, из них более 300 принадлежит США. Сейчас в этой области ежегодно регистрируется более 200 патентов.

Показателен и рост мировых объемов производства (продаж) МЭМС, который по сравнению с 1995 г. увеличился более чем в 2 раза и составил в 1998 году порядка 4 млрд. долларов США. Прогнозировалось, что в 2000 году он составит более 13 млрд. долларов.

В 1995 году к соперничеству двух мировых лидеров в области МЭМС - США и Японии - активно подключились страны Европы и Юго-Восточной Азии.

Так, например, количество университетов и коммерческих компаний, занимающихся исследованиями и разработками технологий МЭМС, в Германии к 1997 году стало в 1,5 больше, чем в США, и практически сравнялось с Японией. Важно отметить, что мировая динамика развития МЭМС связана с неуклонным ростом государственной поддержки исследований и разработок в этой области. Этот факт определяется в первую очередь тем, что технологии МЭМС вошли в ту фазу своего развития, которая требует долгосрочного и устойчивого финансирования, а именно это в нынешних условиях не могут себе позволить многие коммерческие компании.

В США инициирующим фактором в развитии микросистемной технологии стало появление программы микроэлектромеханических систем (МЭМС), разработанной по заказу Управления перспективных исследований министерства обороны США (DARPA) с названием «MEMS - Microelectromechanical Systems» Бочаров Л.Ю., Мальцев. П.П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом//Искусственный интеллекс. - 2012. - №3. - С. 599 - 606. Перечень научно-исследовательских работ приведен в приложении 1. Министерство обороны США выделяет гранты на развитие микроэлектромеханических систем на сумму 35 млн. долл. ежегодно.

Сандийская лаборатория в США сообщает о разработке новой технологии микроэлектромеханических систем, получившей название Sandia Embedded Integrated Micromechanical Systems - SEIMS. Технология позволяет выполнять компоненты систем с минимальным топологическим размером 0,5 мкм и тем самым добиться дальнейшего снижения размеров соответствующих систем. Технология обеспечивает также резкое увеличение интеграции в создаваемых системах разнофункциональных элементов. В этих лабораториях организованы отделения робототехники и искусственного интеллекта.

Ливерморская лаборатория им. Лоуренса (США) работает над созданием микроэлектромеханических устройств, стойких к радиационным, химическим, тепловым воздействиям. Получить такие качества позволяет применение карбида кремния в качестве исходного материала для изготовления этих устройств.

Разработанный в Окриджской лаборатории (США) микроэлектромеханический спектрограф объемом 6 куб. см в 3 три тысячи раз меньше его неинтегрального аналога. Спектрограф может применяться в мониторинговых и аварийных системах химических предприятий.

В США исследователи Массачусетского института разработан микроробота-хирурга для внутриполостных и внутрисосудистых операций в 2006 году, а микроробот для менее сложных операций появился еще раньше.

Огромный спектр МЭМС технологий привел к тому, что в этой области стали выделять уже отдельные направления по созданию Бочаров Л.Ю., Мальцев. П.П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом//Искусственный интеллекс. - 2012. - №3. - С. 599 - 606:

- микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС);

- микроэлектромеханических жидкостных систем (МЭМ ЖС);

- микроакустоэлектромеханических систем (МАЭМС) и др.

Для оценки состояния и перспектив развития микроэлектромеханических систем на основе зарубежных данных можно ввести коэффициент качества, позволяющий оценить уровни интеграции МЭМС и представленный в виде суммы числа транзисторов (Т) и числа механических компонент (M).

2.2 Анализ отношения критерия компактности к другим характеристикам промышленной робототехники

Мини- и микроробототехника -- сравнительно новый раздел робототехники, который сформировался в русле общей для техники тенденции миниатюризации и уже получил свои безальтернативные сферы применения от военного дела и силовых структур до медицины.

В ходе миниатюризации робототехнических систем по мере освоения новых массогабаритных размерностей происходит модификация их структур и соответственно методов проектирования. Этот процесс иллюстрирует рис. 2.1 Юревич Е.И. Мини- и микроробототехника//Машиностроение. - 2011. - №2. - С. 89-91.

Рис. 2.1 Этапы миниатюризации функциональных компонентов робототехнических систем

Для миниразмерностей основным методом построения систем продолжает оставаться модульный принцип. На его основе реализуются системы переменной структуры -- реконфигури- руемые. Это новое перспективное направление применения модульного принципа построения для реализации высшей формы адаптации -- структурной. Она может осуществляться автоматически по сенсорной информации в виде самоорганизующихся систем или человеком-оператором. Реконфигурация может относиться ко всей системе или к отдельным частям робота -- к манипулятору, транспортной или сенсорной системам ит. д. Помимо расширения функциональных возможностей реконфигурация повышает надежность функционирования систем.

Типовые примеры реконфигурации манипуляторов -- это смена рабочих органов, подключение прецизионного позиционера или других новых звеньев. Пример реконфигурируемой транспортной системы -- цепочка транспортных ячеек-модулей или двухмерная решетка из них. Это резко повышает проходимость робота, а возможность компоновать эти транспортные ячейки различными функциональными модулями дает общее решение полной функциональной реконфигурируемости.

На рис. 2.2 показана такая обобщенная компоновка реконфигурируе- мой мобильной миниробототехнической системы широкого назначения для использования в чрезвычайных ситуациях техногенных и природных катастроф. Приведенная компоновка из четырех двухколесных транспортных модулей может быть дополнена гусеницами, колеса могут быть заменены педипуляторами из типораз- мерного ряда тех же шарниров, которые используются для манипуляционных систем Юревич Е.И. Мини- и микроробототехника//Машиностроение. - 2011. - №2. - С. 89-91.

Рис. 2.2 Универсальная реконфигурируемая робототехническая система типа «Робопоезд»: 1, 2, 3, 4-- соответственно модули манипуляционный, сенсорный, связи, энергопитания

Как показано на рис. 2.1, дальнейшее уменьшение размеров приводит к постепенному конструктивному слиянию отдельных функциональных компонентов и соответственно к переходу от модульного построения к миниатюризации общих массо-габаритных параметров. Процесс этот начался с создания многофункциональных информационных структур и развивается в двух направлениях -- процессорных однородных структур и технических нейронных сетей.

Первый путь уже хорошо отработан. Второй путь создания многофункциональных нейронных сетей находится еще в стадии поисковых исследований. Эту задачу иллюстрирует рис. 2.3. Слева выделены сплошными линиями функциональные компоненты, уже успешно реализуемые на нейронных сетях, а справа -- подлежащая реализации структура единой многофункциональной нейронной сети Юревич Е.И. Мини- и микроробототехника//Машиностроение. - 2011. - №2. - С. 89-91.

Рис. 2.3 Перспективы создания многофункциональных нейронных сетей

Нейронные сети показали свою эффективность для обеспечения отдельных функций роботов и, что не менее важно, являются перспективной основой после освоения методов искусственного интеллекта для создания «искусственного разума», имитирующего наряду с интеллектом и человеческую интуицию, т. е. творческие способности.

Такая распределенная многофункциональная нейронная сеть, в которой отдельные функции реализуются в виде программных агентов с общей иерархической ассоциативной памятью, станет основой разумных роботов -- роботов нового поколения, самообучающихся и самосовершенствующихся подобно живым организмам.

Процесс миниатюризации силовых компонентов, сопровождающийся их слиянием с другими функциональными компонентами, происходит с большим запаздыванием по отношению к информационным компонентам, поскольку это требует поиска новых физических принципов и путей их технической реализации. Для приводов нужно прежде всего создать искусственные мышцы, в частности на базе электроактивных полимеров. Для бортовых источников электроэнергии необходим поиск новых способов аккумулирования электроэнергии, основанных на нанотехнологиях и беспроводной передачи электроэнергии.

В целом, как показано на рис. 2.1, развитие структур мини- и микроробототехнических систем вылилось в следующие три линии:

I -- продолжение автономной минимизации отдельных функциональных компонентов, включая микро- и наноразмерности;

II -- указанное выше объединение информационных модулей в общую однородную сеть.

Такая интеграция функций подобна головному мозгу человека и должна дать аналогичный эмерентный эффект; линия 111 находится еще в стадии поисковых исследований, как и сама наносистемная техника в целом. Ее идея близка клеточному строению живых организмов и навеяна именно этой бионической ассоциацией.

Отдельным направлением развития мини- и микроробототехники является групповое функционирование роботов. К таким группам роботов также может быть применена, в частности, концепция многоагентных систем, но не программных, а материальных агентов-роботов. Групповое применение можно рассматривать как один из способов миниатюризации за счет сокращения функций отдельных роботов, совместно выполняющих общую задачу, и совместного обеспечения связи с центром, энергообеспечения, преодоления препятствий, выполнения других общих задач.

Обобщая изложенное, важно опять подчеркнуть, что в рамках мини- и микроробототехники происходит смена принципов построения робототехнических систем -- от декомпозиции к системному подходу. Поэтому именно в этом диапазоне размерностей формируются и отрабатываются общие принципы и методы оптимизации систем робототехники и обосновываются тенденции их дальнейшего развития, что определяет особое значение этого раздела для робототехники в целом.

2.3 Возможные направления развития характеристик компактности промышленной робототехники

Миниатюризация мобильных и манипуляционных робототехнических систем является одним из важных перспективных направлений разработки средств современной техники в интересах ведущих отраслей промышленности. Развитие определяющих научно-технический прогресс отраслей промышленности, таких как энергетика, в том числе атомная энергетика, промышленное оборудование газонефтедобывающих и перерабатывающих отраслей, машиностроение, медицинская техника, биотехнология, связано с повышением производительности и качества конечного продукта, что ведет к усложнению технологических процессов производства и их автоматизации. Создание автоматических и роботизированных систем с новыми свойствами невозможно без миниатюризации роботов как одних из средств автоматизации. Поэтому можно считать, что миниатюризация технических средств автоматизации актуальна и совершенно необходима.

Современные тенденции миниатюризации робототехнических систем развиваются по следующим направлениям Градецкий В.Г., Князьков М.М., Фомин Л.Ф., Чащухин В.Г.. Механика миниатюрных роботов. - М.: Наука. - 2010 с. - 520 с.:

- уменьшение габаритов функциональных мехатронных модулей до микро- и наноразмеров;

- применение имеющихся и разработка новых наноматериалов с заданными механическими и прочностными свойствами;

- совмещение нескольких функциональных операций в связи с технологическими возможностями для уменьшения геометрических размеров механических систем, габаритов кристаллов и плотности;

- развитие мехатронного подхода к созданию роботов; все более широкое использование процессов биотехнологий и биомеханики для создания миниатюрных роботов;

- использование явлений на молекулярном и клеточном уровнях для достижения сверхминиатюризации систем робототехники.

Миниатюризация мобильных роботов для движения в ограниченных пространствах, включая движение внутри труб малых диаметров, является одной из тенденций развития современной робототехники. Стремление к микро- и наноразмерным роботам привело к созданию капсульных роботов, предназначенных для технической и медицинской диагностики. Капсульные роботы могут перемещаться пассивно для выполнения задач медицинской диагностики желудочно-кишечного тракта или иметь собственные системы миниатюрных приводов электромагнитного, электромеханического, пьезоэлектрического принципов действия для движения внутри труб малых диаметров и решения задач технической диагностики.

Рассматриваются основные зависимости между параметрами движения миниатюрных многозвенных роботов с электромагнитными движителями. Для дальнейшей миниатюризации, усовершенствования алгоритмов управления и развития методов проектирования появилась необходимость в исследовании взаимодействия параметров управляемых движений при действии системы сил, включая внешние силовые возмущения.

Анализируются пути и методы миниатюризации транспортной, механической, сенсорной систем миниатюрного электромагнитного робота.

Поскольку в мехатронных модулях связи различной природы - механические, электрические, информационные, пневматические - синергетически соединены в едином конструктиве, их миниатюризация как единого целого зависит от миниатюризации всех отдельных блоков, т.е. должны быть минимальными габариты всех блоков.

Таким образом, конструирование микромашин (в частности, электромагнитных устройств) отличается от конструирования макромашин тем, что при их создании в первую очередь разрабатывается технология, обеспечивающая их достаточно простое и недорогое изготовление и уже во вторую очередь - оптимизируется конструкция устройства.

В последние несколько лет заметно возрос интерес к традиционным технологиям, модернизированным для решения задач микросистемной техники. В первую очередь, к таким технологиям относится прецизионная электроискровая обработка материалов, которая позволяет изготавливать, например, профильные постоянные микромагниты из редкоземельных сплавов.

Использование таких традиционных технологий в совокупности с новейшими технологиями изготовления объемных твердотельных микроструктур (LIGA- технология, стекловолоконная технология) на сегодняшний день является мощным инструментом при создании сложных микромашин. Именно такой подход описан в работе Градецкий В.Г., Князьков М.М., Фомин Л.Ф., Чащухин В.Г.. Механика миниатюрных роботов. - М.: Наука. - 2010 с. - 520 с.. В этой работе прецизионный электромагнитный микропривод вращения исследуемого образца под микроскопом содержит три однослойные катушки по 10 витков в каждой, которые расположены параллельно друг другу на расстоянии ~ 100 мкм. Катушки намотаны проводом диаметром 25 мкм на ферромагнитные стержни и образуют трехфазную обмотку.

Следует отметить, что для катушек с внешним диаметром ~ 1 мм намотка обеспечивает несравненно большее количество витков, чем известные микротехнологии. Таким образом, в зависимости от геометрических размеров конструкция обмотки тягового реле определяется способом ее изготовления.

В настоящее время в мире наметился путь создания микроустройств, передвигающихся по поверхности или перемещающих предметы с помощью большого количества ног, приводимых в асинхронное движение различными устройствами.

Поступательное движение платформы с грузом, имеющей ноги, может производиться в результате определенного алгоритма встречного поворота ног. Движение платформы I относительно основания II осуществляется посредством определенной последовательности поворотов пар ног х1 и х2 (рис. 2.4), связанных с основанием шарнирами. Поворот групп микро- ног может существляться посредством различных микроприводных систем - пьезоэлектрических, электромагнитных, электромеханических, тепловых, использующих материалы с памятью формы и др.

Рассмотрим вначале поворот групп ног, производимый микроэлектромеханическими приводными системами, а именно: микродвигателями. В этом случае пары приводятся во вращение встроенными в шарниры микродвигателями. Последовательность угловых движений пар ног х1 и х2 производится программно микродвигателями, включение и выключение которых показано на циклограмме, избраженной на рис. 2.4 слева.

Каждому положению ног и платформы соответствует определенное включение двигателей, управляющих положением ног.

В положении а обе группы ног x1 и x2 находятся в сложенном состоянии, управляющие сигналы на двигатели не подаются, и двигатели выключены. В положении б группа ног х1 приводится во вращение на угол а) и перемещает платформу силой F на расстояние х. В положении в начинается поворот группы ног x2. Этому положению соответствует включение двигателей всех групп ног x1 и х2, как показано на циклограмме. Платформа I остается неподвижной относительно основания II. Положение г соответствует включению двигателей групп ног х2 в обратном направлении на угол со, а платформа движется вперед посредством силы F,, приложенной к платформе со стороны групп ног х1. Положение д соответствует начальному состоянию системы, когда обе группы ног сложены, а платформа переместилась на расстояние х. Полное перемещение платформы за период цикла составляет расстояние 2 х. Каждая группа микроног может состоять из десятков и сотен и перемещать платформу с установленным на ней грузом достаточно большой массы в несколько сот граммов и более. Перемещаемая масса зависит от числа микроног.

Рис. 2.4 Принцип действия устройства, перемещающего предметы с помощью асинхронно движущихся ног