требования.
В робототехнике их обычно даже называют не руками, или механическими руками, как в популярной литературе, а просто манипуляторами, и под манипулятором понимают техническое устройство, предназначенное для воспроизведения лишь некоторых двигательных функций верхней конечности человека.
Никто не собирается использовать механические руки, чтобы с их помощью писать стихи, передвигать шахматные фигуры или дирижировать оркестром. Речь идет исключительно о рабочих движениях, о выполнении работ, которые очень утомительны, вредны или опасны для человека и вместе с тем не требуют особо сложных движений.
В зависимости от вида и содержания работы к управлению манипуляторами приходится привлекать человека, либо управление удается поручить автомату.
Когда механической рукой или руками, а может быть, руками и ногами, управляет ЭВМ, когда с универсальным исполнительным органом или органами, способными совершать множество разнообразных движений, сочетается автомат, способный рассчитывать это множество движений и управлять ими, именно такую 'комбинацию' принято называть роботом.
Когда функции управления остаются за человеком, когда человек своими движениями и действиями управляет движениями и действиями механических рук либо рук и ног, когда механическая копия повторяет, копирует естественные движения и действия оператора, ее, эту копию, можно условно назвать полуроботом. А техническое название у таких машин совсем прозаическое — их называют копирующими манипуляторами.
Вы уже знаете, что именно с создания копирующих манипуляторов началась робототехника, и вы знаете, что их появление было вызвано не желанием создать еще одну механическую игрушку, а становлением и развитием жизненно важной для всего человечества научной и технической проблемы — освоения энергии атома.
И рассказы о роботах, пожалуй, удобнее всего начать именно с таких биотехнических систем, как обычно называют системы, в которых тесно объединены и совместно работают оператор и манипулятор, человек и машина, копирующая его движения и действия.
На поводу у человека
Марионетки — так назывались театральные куклы, получившие широкое распространение в народных кукольных театрах Чехии 100–200 лет назад. Голова и туловище марионетки соединены между собой подвижно, руки и ноги свободно раскачиваются, сгибаясь в крупных суставах, подвижно соединяющих отдельные их части. К этим подвижным сочленениям куклы (в плечах, бедрах, коленях, шее, локтях, кистях рук, ступнях) привязаны нитки, верхние концы которых прикреплены к управляющему механизму — небольшой деревянной крестовине, состоящей из вертикальной рукоятки и одной-двух подвижных поперечин, которые могут качаться и поворачиваться относительно рукоятки.
Рукоятка этого механизма играет роль базы, к ней подвешивается голова или туловище куклы. К поперечинам привязываются нити, идущие ко всем ее суставам.
Кукловод, раскачивая и поворачивая поперечины, заставляет идущую как бы на поводу у него марионетку сгибать руки и ноги — совершать сложные движения.
В театрах марионеток разыгрывались представления, в которых участвовало одновременно несколько кукол. У отдельных марионеток число нитей превышало 20, они обладали очень большой подвижностью, управление ими требовало от кукловода высокого мастерства. Он быстро наклоняет или выпрямляет поперечины, те или иные нити то подтягиваются вверх, то опускаются вниз, и в соответствии с этой быстротекущей 'программой' кукла пляшет или вытирает рукой слезы. Конечности куклы повторяют движения пальцев артиста — его дело выразить в этих движениях человеческие чувства и действия.
Почему мы здесь вспомнили о марионетках? По той простой причине, что примерно та же идея управления использована во многих конструкциях копирующих манипуляторов, которые сегодня широко применяются на практике. Оператор, работающий на таком манипуляторе, как кукловод, приводит рукой в движение управляющий механизм, звенья которого соединены со звеньями исполнительного механизма, как соединена крестовина с суставами марионетки. Как кукловод, оператор в процессе управления так строит свои движения, так их дозирует, то есть выбирает и изменяет их скорости, чтобы копирующие эти движения исполнительные механизмы наилучшим образом выполнили всю программу действий.
Идея устройства, использованная в копирующих манипуляторах, не нова. Но насколько отличаются эти машины от старинной марионетки!
Мы уже знаем, для решения каких задач они сегодня применяются. Манипулятор предназначен для того, чтобы работающий с ним в паре человек мог взять расположенный вдалеке объект манипулирования или инструмент, переместить его из одного места в другое, ориентировать его там нужным образом, провести над ним или с его помощью разнообразные действия, операции, заставить его так или иначе двигаться. Все эти действия с объектами манипулирования должен выполнять исполнительный механизм так или почти так, как если бы их выполняла рука человека, по возможности точно и быстро.
Управляющий и исполнительный механизмы копирующего манипулятора — это две механические руки примерно одинаковой конструкции. Только кисть управляющей руки — это рукоятка, которую оператор держит в руке, а кисть исполнительной руки — это захват, которым в конечном счете оператору приходится производить все манипуляции: брать, переносить, поворачивать, заворачивать, вставлять, вынимать, собирать, одним словом, работать.
Оператор обычно работает одновременно двумя руками, воздействуя на рукоятки двух управляющих рук. Две их механические копии, оканчивающиеся захватами, повторяют предпринятые человеком движения.
Итак, все, казалось бы, очень просто! Управляющая и исполнительная руки — каждая имеет 6 степеней подвижности для выполнения необходимых движений в пространстве, и еще по одной — для взятия объекта; на управляющей рукоятке имеются гнезда для большого и указательного пальцев, управляющих открытием и закрытием захвата исполнительной руки. Соответственные звенья обеих рук связаны между собой передачами, обеспечивающими одинаковость их движений. Каждая соответственная пара звеньев движется одинаково, одинаковы их суммарные движения, одинаково движутся захват и рукоятка, и когда оператор разводит или сводит большой и указательный пальцы открывается или закрывается захват.
Оператор и механические копии его рук разделены и действуют на расстоянии. При работе с радиоактивными веществами эти расстояния могут измеряться метрами и десятками метров. При работе в подводном мире десятками, сотнями и тысячами метров, в космическом пространстве — сотнями тысяч и миллионами километров. Точная и быстрая передача движений на такие расстояния — вот первое из сложных и важных требований, превративших простые щипцы в полуробот, сложный машинный агрегат.
Чтобы затянуть гайку, к гаечному ключу нужно приложить усилие, значительно отличающееся от того, какое необходимо, чтобы удержать пальцами хрупкое сырое яйцо. Человек, двигаясь, работая, не только делает самые разнообразные движения, но еще направляет и дозирует усилия, связанные с этими движениями. Копирующий манипулятор должен обеспечить оператору возможность управлять не только движениями объекта манипулирования, но и величинами и направлениями усилий, которые надо к нему прикладывать во время той или иной операции, — вот еще одно важное требование к конструкции этой машины.
Как удержать в руках и не раздавить хрупкое яйцо, как действует механизм интеллекта, дозирующий усилия, пока никто вам объяснить не сумеет. Но одно нам уже совершенно ясно — при выполнении любых действий человек пользуется информацией, непрерывно собираемой его органами чувств. При построении движений и дозировании усилий ему обычно служат зрение или осязание, или одновременно оба эти чувства.
Оператор управляет манипулятором, наблюдая непосредственно или с помощью телевизионных
