Основные понятия

Робот – специальное техническое устройство, используемое для автоматизации некоторых операций, выполняемых в иных случаях человеком. Наибольшее распространение роботы получили в промышленности, где применяются для автоматизации как основных, так и вспомогательных технологических операций.

Обыкновенно имеют перепрограммируемый блок управления, благодаря чему с помощью одного и того же механизма удается выполнять различные по назначению и составу работы (ряд специалистов выделяет наличие перепрограммируемого устройства управления в качестве отличительной черты робота, позволяющей их однозначно идентифицировать среди прочих средств механизации и автоматизации).

Наиболее совершенные роботы являются адаптационными механизмами, т.е. могут самостоятельно приспосабливаться к изменяющейся окружающей среде. Существует множество типов конструкций роботов, отличающихся по типу и способу управления, перечню исполнительных органов, техническому уровню, количеству доступных к выполнению операций. Совокупность роботов, выполняющих одну и ту же задачу, называется робототехнической системой (РТС). Различают информационные и управляющие, мобильные и манипуляционные системы.

Информационные и управляющие робототехнические системы – это совокупность контрольно-измерительных устройств, усилителей сигнала и блока (блоков) управления, вычислительных центров. Предназначение систем заключается в сборе и обработке информации, ее анализе и формировании на ее основании управляющих сигналов.

Подобные системы нашли широкое распространение во многих отраслях человеческой деятельности, от проведения исследовательских работ (в атмосфере, под водой, в космосе и на других планетах) и спасательных, саперных операций до контроля производственных процессов в промышленности.

Мобильные РТС предназначены для перемещения объектов на небольшие расстояния, как по вертикали, так и по горизонтали. Подобные системы могут перемещать объект по заранее составленному маршруту, или же по принципу адресации цели, когда заранее известна только конечная точка маршрута. Бывают гусеничными, колесными, шагающими, ракетными, винтовыми, водометными, в зависимости от типа движителя. Часто мобильные транспортные устройства оснащаются манипуляторами для захвата объекта, удержания его и перемещения. В промышленности мобильные РТС применяются для внутрицеховой транспортировки деталей, заготовок, сырья и материалов. Нашли применения и на складах.

Манипуляционные механизмы, как видно из названия, предназначены для манипуляций с объектами, имитации движения человеческой руки (с той лишь разницей, что человеческая рука имеет 28 степеней свободы, в то время, как для выполнения подавляющего большинства технологических операций производственного цикла достаточно 10-12 степеней свободы).

Для этого все подобные конструкции оснащаются роботами манипуляторами типа "рука". Под объектом манипуляции может пониматься любой предмет (заготовка, изделие, материал, рабочий инструмент), необходимый в производственном процессе и перемещаемый с помощью манипулятора. Часто манипуляционные устройства называются промышленными роботами.

Любой манипулятор состоит из следующих блоков:

  • задающего, предназначенного для формирования управленческих сигналов;
  • исполнительного (функционального), реализующего команды от задающего блока;
  • связующего, передающего управленческие сигналы от задающего к исполнительному механизму, или в обратном направлении различные контрольные сигналы;
  • рабочего (захваты, инструменты), выполняющего технологические операции (обработка, перемещение, удержание и т.д.).

По способу управления все манипуляторы принято разделять на два больших класса: биотические (управляемые человеком, дистанционно или непосредственно, путем перемещения рабочего органа) и автоматические. Признаком биотической РТС является отсутствие блока памяти, который содержал бы набор команд, следствием чего является необходимость в постоянном присутствии оператора.

На стыке этих двух классов формируется класс интерактивных систем, систем со смешанным управлением. В свою очередь, биотические механизмы подразделяются на копирующие, командные и полуавтоматические; а автоматические – на автооператоры и перепрограммируемые системы. Человек, осуществляющий управление биотическим манипулятором, называется оператором.

В копирующем манипуляторе движение рабочего механизма повторяет движение кисти оператора, обычно инструмент управления (рычаг, джойстик) передает в заданном масштабе усилие, возникающее на рабочем органе оператору. Таким образом, задающее устройство имеет кинематическую связь с рабочим органом.

В командной системе кинематическая связь между задающим и рабочим органами не предусмотрена, а управление осуществляется с помощью системы рычагов, кнопок и переключателей (в современных механизмах с помощью сенсорного экрана). Каждая кнопка или рычаг отвечает за управление по одной степени свободы. Такую систему управления называют управлением раздельного типа.

Полуавтоматические РТС управляются с помощью одной единственной или нескольких рукояток, отвечающих сразу за несколько степеней свободы (подвижностей). Рукоятки являются аналоговыми инструментами, поэтому задающее устройство имеет помимо вычислительного центра или микро-ЭВМ еще и преобразователь (оба устройства могут быть совмещены в одном механизме).

На долю блока управления приходится решение задачи по преобразованию сигналов, поступающих с рукоятки в сигналы, отправляемые на рабочий механизм. Наибольшее распространение в промышленности получил и сбалансированные системы шарнирного типа (шарнирные сбалансированные), имеющие систему уравновешивания рабочего органа.

Автоматические РТС не требуют перманентного присутствия человека. Они могут выполнять работу по заранее составленной программе, не подлежащей изменению (автооператоры), или быть перепрограммируемыми (собственно промышленные роботы). Возможность перепрограммирования подразумевает не только смену управляющей программы оператором (человеком), но и возможность самостоятельного ее изменения в виду меняющихся условий окружающей среды (адаптационные механизмы). При этом перепрограммирование должно занимать минимально возможное время.

Оба типа механизмов, и автооператоры и перепрограммируемые промышленные роботы конструктивно состоят из одного или нескольких манипуляторов, выполняются мобильными или стационарными и работают практически без участия человека (за исключением операций по настройке, наладке и техническому обслуживанию). Перепрограммируемые роботы, помимо этого, имеют набор датчиков за контролем одного или нескольких факторов рабочего процесса.

Интерактивные РТС – это биотехнические системы имеющие блок памяти, а потому способные запоминать и повторять некую последовательность действий. Человек принимает участие во всех операциях, чередуясь в этом с роботом (возможно, по принципу автоматического выполнения ряда простейших операций с передачей управленческих функций человеку для контроля над самыми сложными и емкими процессами), или же только в стыковочных операциях, исключительно для переключения робота с выполнения одной работы на другую.

Первый тип управления получил название автоматизированного, второй – супервизорного. Технологически интерактивное управление может быть кнопочным, рычажным и диалоговым (включая подачу команд голосом, редко используется во флективных языках, к которым относится русский, текстом, на любом языке программирования).