Текст книги "Роботы: эволюция. Технический прогресс наглядно"

Роботы. От создания до массового распространения

© Оформление. ООО «Издательство АСТ». 2024

Феномен Карела Чапека или Вместо нудного предисловия

Существуют слова-символы, которые не переводятся на другие языки, но обозначают величайшие изменения, происходящие в человеческой цивилизации. И слово «робот» давно стало таким символом.

Знаменитый греческий ученый-естествоиспытатель и мыслитель Аристотель примерно в четвертом веке до нашей эры изложил принципы автоматизации производства. Ученый сделал вывод о том, что именно автоматизация приведет к ликвидации рабства.

…После окончания опустошительной и разрушительной Первой мировой войны закипела инженерная мысль, давая жизнь новым механизмам, рождая новую технику, транспорт и технологии.

В 1920 году чешский писатель Карел Чапек написал пьесу «Р.У.Р» («Россумские универсальные роботы») или на чешском языке «R.U.R» («Rossumovi univerzalni roboti»). В ней Чапек употребил слово, которое сегодня известно каждому человеку на земле, – «робот».

Пьеса-антиутопия «Р.У.Р» неожиданно обозначила сразу несколько направлений в будущем развитии робототехники. Первое и очевидное – использование роботов в качестве помощников в труде.

Второй аспект состоит в предвидении появления биороботов, сочетающих живую и неживую материю. Эксперименты, проводившиеся в некоторых странах по вживлению микрочипов в организм человека или животного, способны воздействовать на органы или, в некоторых случаях, даже заменять их.

И, наконец, главное – появление широко известных Трех правил робототехники, выведенных знаменитым американским писателем-фантастом Айзеком Азимовым. Именно они должны предотвратить возникновения угрозы для человека со стороны роботов и возможный «бунт машин».

В теперь уже далеком от нас 1942 году Айзек Азимов в своих произведениях несколько раз берется за развитие необычной темы – робототехники. В рассказе «Хоровод» он впервые формулирует три закона робототехники. Вот они: 1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред. 2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые даёт человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону. 3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому или Второму Законам.

Итак, человек в любом случае должен быть абсолютно защищенным от вредного воздействия технического прогресса!

И мы пришли к нашему первому заключению, что роботы – это некие устройства, способные оказать помощь человеку в непосильном, или монотонном, или вредном труде.

Но для того, чтобы машина могла сравниться с человеком, она должна была иметь целый набор качеств, присущих живому индивидууму.

Самыми примитивными роботизированными системами мы можем считать станки с программно-числовым управлением (ЧПУ). Станки с ЧПУ позволяют работать с высокой точностью, как говорят, 24/7, без перерывов на обед и усталости. А наиболее совершенные из них могли бы обладать функцией самосовершенствования и самообучения. Многие эти функции стали возможными только с появлением мощной вычислительной техники, при миниатюризации электронных компонентов, с созданием бионических материалов и устройств.

Глава первая
Ab ovo, или Родословная роботов

Ставшее крылатым латинское выражение «Ab ovo», означающее буквально «От яйца», то есть, с самого начала, как нельзя лучше подходит к возникновению механических помощников, которые спустя тысячелетия трансформировались в привычных нам роботов.

Первую паровую турбину, вернее, ее маленькую модель, изготовили как игрушку еще в I веке до н. э. Произошло это при дворе египетских правителей Птолемеев, в Александрии, в знаменитом Мусейоне – своеобразной академии наук древности. Герон Александрийский называл эту игрушку эолопил, то есть ветряной шар. Эта древняя вертушка станет рабочим агрегатом в современных паровых турбинах, а сила пара будет приводить в движение поршни в паровых машинах, давая энергию пароходам и паровозам, запускать станочный парк, вырабатывать электричество.

Герон изобрел многие механизмы и автоматы: автомат по продаже святой воды в храме, автомат открывания дверей храма, особый рожок, оповещающий об открытии храма, автоматический арбалет, поющую механическую птичку, описанную Андерсеном в сказке «Соловей», театр марионеток с механическими куклами, которые древние греки называли «автоматами» (в переводе с древнегреческого – «механизм, подражающий действиям человека»). Герон нашел, каким образом можно измерять расстояния при помощи зубчатой передачи – современные таксометры работают примерно по тем же принципам, что и таксометр Герона.

Свои познания в механике Герон обобщил в труде с одноименным названием. В «Механике» Герон описал пять простейших машин: рычаг, ворот, клин, винт и блок.

Увлечение изготовлением механических игрушек было свойственно не только Герону. Известен, например, механик Дедалос, который изобрел дом с лабиринтами, деревянных человечков, способных шагать и двигать руками, и деревянную движущуюся фигуру богини Афродиты.

В Александрии греки основали знаменитую библиотеку, в которой хранили многочисленные рукописи философов, механиков, математиков. Благодаря этому до наших дней дошли описания многих механизмов, подражающих движениям человека и животных.

Но после расцвета эллинской культуры, давшей миру множество наук и открытий, последовала эпоха угасания и связанного с ним упадка. И лишь в период средневекового Возрождения удалось приблизиться ко многим достижениям, сделанным в древности.

Возникли первые мануфактуры, для которых изобрелись многие механизмы, облегчающие труд человека. Механика становится господствующим культом в Европе, изобретено множество новых устройств – например, часы, по сути, первый автомат, созданный человеком, первое программное устройство. Благодаря особому свойству шестеренчатых передач, использованию пружинного механизма для передачи усилий, а также маятнику с дозированным колебанием, удалось построить многие механизмы, которые впоследствии получили название «автоматонов».

Выдающийся французский механик Жак Вокансон к середине XVIII века сконструировал множество занятных механизмов – например, механическую утку. Вокансон изготовил ее в натуральную величину, снабдив клювом и оперением. Утка повторяла все действия живой птицы.

Пример Жака Вокансона побудил многих механиков последовать его примеру копировать живую природу. Многим известен золотой павлин, находящийся в знаменитом Эрмитаже в Санкт-Петербурге, который приводится в движение часовым механизмом.

Но все же роботы создаются в первую очередь для выполнения физической работы. И здесь уместно рассказать о других устройствах, именуемых автоматонами.

Глава вторая
Механика, творящая чудеса

В Средние века в Европе начинается подлинный расцвет наук, среди которых выделяются физика, математика и механика. И здесь нельзя не упомянуть гения Средневековья – Леонардо да Винчи.

Леонардо да Винчи досконально изучал строение человека. И в его скульптурных, и в живописных работах воссоздано с анатомической точностью тело. Благодаря знанию внутренних органов, он создал механического рыцаря, закованного в латы, который мог управляться с оружием. Вместо мышц и связок механик использовал знакомые ему шестерни и приводы, которые применялись во многих механизмах. Они позволяли рыцарю двигать руками и ногами, поворачиваться в разные стороны.

История свидетельствует, что в Древнем Китае, почти за полтора тысячелетия до нашей эры, мастер Ян Ши, прозванный «ремесленником», создал для увеселения императорской семьи механическую копию самого императора в натуральную величину. Огромная кукла могла двигаться и даже издавать некоторые звуки. Это было первое подобие искусственного создания, идея которого затем была воплощена в конструкции роботов.

С развитием механики, появлением математических формул для описания физических явлений и действий появилась возможность более точного копирования движений живых существ. И в этом деле весьма преуспевали часовых дел мастера, которые много экспериментировали с разного рода устройствами.

В Италии, Франции, Германии стали появляться механизмы, сконструированные в форме животных или людей. К замечательным изобретателям эпохи Возрождения относятся работы Иуанелло Торриано. Он трудился над изготовлением часовых механизмов. Доскональное знание механики позволило ему сконструировать в 1540 году женщину, играющую на мандолине.

Еще одно из знаковых имен – Пьер Жаке-Дро, швейцарский часовщик, чьи творения изумляли почтенную публику. Он создал десятки сохранившихся по сей день «автоматонов». Это были антропоморфные (человекоподобные) роботы – художник, музыкант, каллиграф.

Но все же настоящую промышленную революцию в Англии и Голландии совершили не роботы, а ткацкие станки и паровые машины.

В 1785 году англичанин Эдмунд Картрайт получил патент на механический ткацкий станок. Усовершенствовав станок суконщика Джона Кея, Картрайт основал прядильную фабрику и принялся за дальнейшее совершенствование прядильных механизмов. Ткачество стало очень прибыльным делом.

А создание первой паровой машины Джеймса Уатта перевернуло взгляды на использование силы пара. Один за другим начали появляться пароходы, паровозы, паровые приводы станочного парка или локомобили, которые значительно облегчали труд сельскохозяйственного работника.

В 1920 году знаменитый человекоподобный механизм, робот, начал свою литературную жизнь. Сам термин «робот» прижился в научно-технической среде. Его в огромном количестве стали употреблять и писатели-фантасты, и серьезные ученые, и инженеры-конструкторы. В литературе тему роботов развил американский писатель Айзек Азимов, а сборник рассказов «Я, робот» принес ему всемирную известность.

И все же, мне кажется, особо значимым событием стал феномен школьника из Ростова-на-Дону Вадима Мацкевича.

Глава третья
Пример пионера Вадима Мацкевича

В 1936 году в Париже открылась Всемирная промышленная выставка. Здесь был экспонат, который буквально вызвал ажиотаж, – робот. Он был высотой в 120 сантиметров, управлялся по радио и мог выполнять восемь простейших движений. Робот двигал руками и ногами, частями тела.

Юным героем Всемирной выставки стал пионер Вадим Мацкевич, а его робот, названный «В2М», расшифровывался просто – «Вадим Викторович Мацкевич». На изготовление робота Вадим потратил два года, двенадцать листов дефицитного в то время нержавеющего металла и несколько импортных подшипников.

Снимки Вадима с роботом в Париже облетели весь мир, и это подстегнуло творческих людей. Но должно было пройти свыше полувека, прежде чем робототехника смогла выйти на промышленную дорогу.

В 1939 году компания «Вестингауз», известная своими электротехническими и железнодорожными устройствами и механизмами, построила робота «Электро». Он мог ходить и говорить, обладая запасом в 700 слов, крутил головой и махал руками, шевелил губами и пальцами. И даже различал цвета, уверенно выбирая между красной и зеленой лампочкой.

И только в более поздние годы, с развитием вычислительной техники и появлением миниатюрных электронных компонентов, появилась возможность разрабатывать роботов, которые могли бы делать общественно полезную работу. Роботы становились непременными участниками производственных процессов, и функционал этих механизмов вплотную подошел к возможностям человека.

Роботизированные механизмы оказались незаменимыми при выполнении опасных для здоровья человека работ. Чтобы максимально обезопасить работу ученых физиков, работавших с радиоактивными элементами, Рэймонд Гоерц, работающий в комиссии по атомной энергетике в США, в 1951 году спроектировал механический телеуправляемый манипулятор для действий с радиоактивными веществами, исключающий непосредственный контакт с ними человека.

Другим направлением в развитии робототехники стала крупная машиностроительная промышленность. Несколько лет спустя после появления манипулятора Гоерца был создан первый промышленный робот «Unimate». Он использовался для сварки и литья на заводах компании General Motors.

Глава четвертая
От «однорукого бандита» до шестирукого Шивы

Жаргонное название игральных автоматов «однорукие бандиты» было связано с наличием у железных ящиков с цветными экранами, установленных в казино, приводного рычага. Первое роботизированное устройство, которым можно было управлять через защищенные экраны, имело изначально одну руку-манипулятор. С ее помощью оператор мог выполнить нехитрые действия, не подвергая себя риску облучения.

В первую очередь образ робота носит черты андроида – человекоподобного устройства, у которого есть руки-ноги, голова и глаза. В этом и заключен основной смысл роботостроения – создание реального помощника человека, который способен дублировать его действия. Но внешний вид должен быть обусловлен предназначением робототехники, и далеко не всегда человекоподобие является лучшим конструктивным решением.

Например, вспомним о космических исследованиях. Три ведущие космические державы – Советский Союз, а затем Россия, Соединенные Штаты Америки и Китай – уже на протяжении нескольких десятилетий отправляют далеко за пределы орбиты нашей планеты исследовательские зонды и межпланетные станции. Все они, безусловно, относятся к семейству роботов, поскольку способны выполнять свои функции в автоматическом режиме. Для такой работы были разработаны уникальные устройства.

Во время работы первой Всероссийской школы по искусственному интеллекту и большим данным, которая проводилась в Национальном центре физики и математики в Сарове, мы познакомились с академиком Игорем Каляевым, который принимал самое непосредственное участие в создании «марсохода», автоматического устройства, способного передвигаться по поверхности Красной планеты и собирать научный материал о химическом составе и механических свойствах ее грунта. Собранные данные затем в агрегированном виде должны были передаваться на Землю.

Расстояние между планетами составляет громадную величину, поэтому робот-марсоход должен быть полностью автономным, к тому же никто не знал, какая поверхность у Марса. И марсоход сделали… шагающим. Устойчивые «ноги-опоры» поднимали тело робота над поверхностью и перемещали его вперед или назад. Программное обеспечение и исполнительные механизмы для управления роботом и разрабатывал Игорь Каляев.

Для человека робот должен стать эффективным помощником и заменять его в труде. В настоящее время промышленные роботы применяются практически в всех отраслях промышленности, а для роботизированных производственных линий ключевое значение имеет не квалификация рабочих, а компетенция инженеров-технологов, которые разделяют процесс на элементы и обучают умную технику.

В развитых странах на 10000 рабочих мест приходится 1000 промышленных роботов. И первую строчку рейтинга с такими показателями занимает Южная Корея. На втором месте – Сингапур, где 670 роботов на то же количество работающих. Следом идут Япония (399) и Германия (397).

Китай на протяжении последних 10–15 лет также вкладывает огромные средства в роботизацию. Одним из примеров создания предприятий с нуля по самым высоким технологическим требованиям является завод, принадлежащий бренду Haier, на котором будут собирать стиральные и стирально-сушильные машины премиального бренда Casarte. В цехах завода, который выпускает в год 2 миллиона машин, практически нет людей, и роботы выполняют свою работы безукоризненно.

Глава пятая
Промышленные роботы шагают по планете

Первый промышленный робот был создан изобретателем-самоучкой Джорджем Деволом в 1959 году. Робот весил две тонны и управлялся программой, записанной на магнитном барабане. Создатели использовали гидравлические приводы, а точность манипулятора составляла 0,254 мм. В результате был оформлен патент США № 2988237 и затем основана компания Unimation.

Два года спустя первый промышленный робот смонтировала на своих конвейерах на производственной линии автомобилестроительная компания завода General Motors, штат Нью-Джерси. Робот был задействован в процессах перемещения изделий при производстве кулис для переключения передач, а также оконных ручек. Несмотря на все сложности с новой техникой, роботизированные линии вскоре начали внедряться повсеместно.

Что же поспособствовало внедрению в производство промышленных роботов? Первого декабря 1913 года на заводе Ford в Highland Park был запущен в работу первый в мире конвейер по сборке автомобилей. Использование конвейера превратило производство в создание массового продукта. Резкое удешевление автомобиля превратило его из роскоши в средство передвижения.

Но автопромышленник не был пионером в применении конвейера. Устройства для порционной подачи материалов или воды были известны еще во времена Древнего Египта, Индии и Китая, в рудниках, шахтах, на производствах.

До компании «Форд» прообраз конвейера был установлен на другом производстве автомобилей – на заводе Рэнса Эли Олдса при производстве модели Oldsmobile Curved Dash еще в 1901 году. Но заслуга Генри Форда состояла в том, что инженер впервые разбил технологию сборки машины на большое число последовательных и довольно примитивных операций. Производительность труда выросла многократно, что позволило сделать выпуск автомашин действительно массовым и дешевым.

За General Motors подтянулся другой автомобильный гигант – завод Ford. В 1962 году на заводе в Гуанчжоу, США, установили 6 роботов Versatran от компании AMF (American Machines Foundry).

В Европе первый промышленный робот был установлен на металлургическом предприятии – Uppsland Väsby, Швеция – в 1967 году. А год спустя совершилась небольшая революция в роботостроении – был создан первый промышленный робот-манипулятор, аналогичный человеческой руке.

Внедрение роботов Unimation для автоматизации контактной сварки на предприятии General Motors, США, позволило увеличить общую производительность завода, а также значительно сократить тяжелую и опасную работу людей. И в этом году в исследовательском институте в Стэнфорде создали первый образец того оборудования, которое мы сегодня называем техническим зрением. Это открывало новые рабочие горизонты перед робототехникой.

Норвежская корпорация Trallfa в 1969 году разработала первые промышленные покрасочные роботы для собственного потребления. Основным толчком для развития этого направления послужила нехватка рабочей силы.

Нельзя не упомянуть и «индустриальное чудо» Японии. Автомобиле– и судостроение, радиоэлектроника получили быстрый импульс благодаря внедрению промышленных роботов. Компания Unimation подписывает соглашение с Японской корпорацией Kawasaki Heavy Industries, чтобы производить и продавать промышленных роботов на азиатских рынках. Именно Kawasaki принято считать пионером Японии в области робототехники. В 1969 году Kawasaki выпустила первый промышленный робот, когда-либо созданный в Японии. Робот назывался Unimate Kawasaki 2000.

Уже в следующем году компания Hitachi (Япония) создала интеллектуальное техническое зрение. Робот впервые смог определять габариты изделий и место их расположения.

В 1973 году KUKA разрывает соглашение об использовании роботов Unimate и приступает к разработке собственных роботов. Промышленный робот KUKA Famulus, был первым в мире шести-осевым манипулятором с применением электропривода для всех осей, что позволило делать производственный процесс более совершенным.

И в этом же году ученый из Стенфорда профессор Шейман разработал Stanford arm – роботизированную руку. Управление данным роботом осуществлялось с помощью мини-ЭВМ. Робот использовал датчики касания и сенсоры обратного давления и был предназначен для сборки небольших изделий.

Очередной переворот в управлении роботизированными системами был сделан в 1974 году, когда по заказу компании Cincinnati Milacron Corporation был создан первый в мире промышленный робот, программируемый контроллером. Робот был назван T3.

Функционал автоматических помощников человека постоянно расширялся. Усложнялась и облегчалась конструкция. Появлялись новые приводы и контроллеры для управления роботами. Все более тонкие задания мог поручить человек роботу.

В России сварочные роботы используются не только в автомобильной промышленности. На знаменитом Ижорском заводе, расположенном в Санкт-Петербурге, который входит в состав концерна «Росатом», на ответственных участках сварочно-сборочного цеха используются роботизированные аппараты. В отличие от самого опытного электросварщика, робот с высокой точностью удерживает электрическую дугу, что обеспечивает высокое качество шва, равномерность наплавляемого металла, а значит, и качество готового изделия. Это дает ощутимый экономический эффект.

У робота-сверщика подвижные «руки»-манипуляторы, вооруженные сварочным оборудованием. Робот задействует устройство управления и автоматические измерительные устройства. Это позволяет манипулятору двигаться в пяти-шести степенях подвижности и обрабатывать даже детали со сложной геометрией. Помогает роботу искусственный «глаз» – лазерный дальномер, способный делать измерения буквально в доли миллиметра – величины, недоступные для человеческой руки. Человеку остается только выполнить инструментальный контроль сварного шва.

Роботы используются там, где человеческие руки не в силах выполнять тонкую и ответственную работу. Например, в радиоэлектронике или при изготовлении печатных плат, как в производстве карт «Тройка».

Миниатюризация транзисторов, сопротивлений и других деталей практически лишает человека возможности выполнять их монтаж и пайку. Робот для ультразвуковой сварки, состоящий из генератора ультразвука, волновода и сварочной иглы, с легкостью делает эти операции. Миниатюризация стала возможной исключительно благодаря умелым рукам роботов.

Но необходимо усвоить жизненно важное правило робототехники: робот не должен причинить вред человеку! А помогать в труде – его самое главное предназначение!