Как устроен промышленный робот? Краткий гид по структуре и движениям робота

В 1920 году чешский писатель Карел Чапек придумал название для механизма, изобретенного для выполнения работы вместо человека — “робот”. Определение со временем прижилось и с конца XX столетия стало обозначать систему узлов, датчиков и механизмов, предназначенную для выполнения набора операций в соответствии с заложенной программой.

Прогресс науки и техники позволил инженерам-конструкторам создавать все более совершенные машины, способные заменить человека в экстремальных условиях: в космосе, под водой, на поле боя. Робот не знает усталости, способен выполнять без ошибок точнейшие движения — именно поэтому роботизированные механизмы постепенно вытесняют человеческий труд на производстве.

(Типы роботов)

Существуют десятки основных типов роботов, которые отличаются по нескольким параметрам — от назначения до внешнего вида. Для того, чтобы понять, как работает робот, рассмотрим его вид, наиболее приближенный к облику человека — робот-андроид.

Конструкция андроида

Человекоподобный робот состоит из нескольких основных частей:

• Голова — верхняя часть конструкции;
• Торс — основной каркас робота;
• Руки-манипуляторы с силовыми механизмами;
• Ноги-шагоход из двух нижних конечностей, если шасси, то гусеничного привода.

(Наглядная конструкция робота)

Вопреки распространенному мнению, что в голове андроида, как у живого человека, находится “мозг”, т.е. компьютер или центральный процессор, чаще всего в верхней части механизма располагаются другие элементы системы: видеокамеры, датчики, гироскоп. Это обусловлено сравнительно небольшими размерами “головы”, внутреннее пространство которой не способно вместить большой объем электроники.

Торс — наиболее защищенная часть робота. Во внутреннем пространстве каркаса размещают электронику, управляющую системой, автономный источник питания (аккумулятор).

(Классическая рука-манипулятор)

Захват/перемещение груза, выполнение других операций, включая действия с инструментом — задачи для верхних конечностей — манипуляторов. Кистевые окончания могут иметь форму и функцию кистей человека.

Роботы-андроиды передвигаются шагами на двух “ногах”. Шасси копирует антропологические особенности строения человеческого тела: ноги состоят из нескольких составных частей, соединенных суставами-шарнирами. Отдельные модели роботов способны бегать, т.е. перемещаться таким образом, что обе ноги в момент движения не касаются поверхности.

Roboy (Университет Цюриха)

Для начала отметим, что этого робота отличает от других его суставы, движимые сухожилиями, которые позволяют ему двигаться почти как человеку. Он мягкий на ощупь и очень реактивный, компенсирующий толчки и восстанавливающий свое положение с помощью имитации мышц. Его лицо может выражать эмоции, а еще он краснеет. Также это первый из двух роботов в этом списке, который выглядит как ребенок.
Представленный в Цюрихе в прошлом году, Roboy будет около метра высотой. Он небольшой, но создан так, чтобы в один прекрасный день стать хорошим помощником для пожилых людей, а также отличным компаньоном. Проект открыт, нужен только 3D-принтер и 200 000 евро, чтобы его распечатать.

К слову, понадобилось около девяти месяцев, чтобы его разработать, что символично.

Голова

Для распознавания окружающей обстановки — предметов, особенностей ландшафта — роботизированные комплексы оснащают видеокамерами (рисунок 1) с высоким разрешением. Их обычно размещают в голове андроида. Благодаря камере (или нескольким камерам) машина может идентифицировать (распознать) окружающие объекты, оценить их размер и расстояние до предметов.

В зависимости от ландшафта или особенностей архитектуры здания робот способен принять решение о способе передвижения и смещении центра тяжести, например, при подъеме/спуске по ступеням или наклонным поверхностям, преодолении рва или препятствия.

(Рисунок 1. Глаз-видеокамера слежения робота)

Видеокамеры оснащают несколькими модулями для получения дополнительной информации:

• В инфракрасном диапазоне;
• В режиме тепловизора.

Кроме камер, конструкция роботов предусматривает использование системы датчиков, которые определяют пространственное положение андроида на местности или в помещении, силу сжатия манипуляторов, скорость перемещения и т.п. Наиболее важный датчик для андроида — гироскоп, именно он сохраняет устойчивое вертикальное положение машины во время движения. Именно таким устройством оснащен робот-андроид Atlas, детище американской компании Boston Dynamics. От датчиков и камер информация поступает в “мозг” машины — компьютер или систему компьютеров.

2.1. Компоненты базового набора

В набор входят [https://education.lego.com/ru-ru/lego-education-product-database/mindstorms-ev3]:

1. Микрокомпьютер EV3.

Спецификации микрокомпьютера EV3:

• процессор типа ARM 9 с Linux-образной операционной системой
• 4 порта ввода информации с частотой работы до 1 кГц
• 4 порта вывода для выполнения команд
• встроенная память, включающая 16 МБ флеш-памяти и 64 МБ оперативной памяти
• слот для чтения карт памяти формата Mini SDHC с поддержкой чтения карт объемом до 32 ГБ
• шестикнопочный интерфейс управления с функцией изменения подсветки (3 цвета) для индикации режима работы микрокомпьютера
• монохромный дисплей с разрешением 178 x 128 пикселей позволит осуществлять детальный просмотр графиков и чтение данных с датчиков
• высококачественный встроенный динамик
• возможность программирования и регистрации данных с помощью микрокомпьютера, созданные программы и полученные данные могут быть экспортированы в программное обеспечение EV3
• поддержка связи с компьютерами через встроенный порт USB или подключаемые приемники WiFi или Bluetooth
• режим USB 2.0 хостинга, позволяющий соединять микрокомпьютеры в последовательную цепь
• поддержка WiFi и поддержка подключения USB флеш-карт
• питание от 6 батарей типа АА или от аккумуляторной батареи постоянного тока EV3 емкостью 2050 мАч

1. Аккумулятор EV3.

Литий-ионная аккумуляторная батарея постоянного тока EV3 имеет емкость 2050 мАч и специально созданная для работы с новыми микрокомпьютерами EV3

1. Два больших серво мотора.

• встроенный датчик вращения с точностью измерений до 1 град
• максимальные обороты до 160-170 об/мин
• максимальный крутящий момент в 40 Нсм
• автоматическая идентификация программным обеспечением EV3

1. Средний серво мотор.

• встроенный датчик вращения с точностью измерений до 1 град
• максимальные обороты до 240-250 об/мин
• максимальный крутящий момент в 12 Нсм
• автоматическая идентификация программным обеспечением EV3

1. Ультразвуковой датчик.

• измеряет расстояния в пределах от 1 до 250 см
• точность измерений составляет +/- 1 см
• в режиме прослушивания внешний светодиод постоянно мигает, в режиме излучения светодиод постоянно горит
• если ультразвуковой сигнал распознан, датчик возвращает логическое значение «Истина»
• автоматическая идентификация программным обеспечением EV3

1. Датчик цвета.

• измеряет отраженный красный свет и внешнее рассеянное освещение, от полной темноты до яркого солнечного света
• фиксирует и определяет 8 цветов
• частота опроса до 1 кГц
• автоматическая идентификация программным обеспечением EV3

1. Гироскопический датчик.

• режим измерения углов с точностью до +/- 3 градуса
• встроенный гироскоп улавливает вращения с моментом до 440 град/с
• частота опроса до 1 кГц
• автоматическая идентификация программным обеспечением EV3

1. Два датчика касания.

• встроенная фронтовая кнопка
• автоматическая идентификация программным обеспечением EV3

1. Сборочные элементы LEGO Technic (541 деталь) и два пластиковых лотка – органайзера для хранения и сортировки деталей.

Торс

В самой защищенной и просторной части робота устанавливают электронные платы системы управления и автономные источники питания.

Во время выполнения миссии роботом управляет компьютер — набор микросхем, предназначенный для получения, накопления информации, ее обработки и отправления сигналов к исполняющим механизмам, работающих при помощи двигателей (рисунок 2). Прогресс компьютерной техники позволяет устанавливать в андроиды все более совершенные системы анализа, способные использовать несколько наиболее продвинутых технологий:

• Распознавание объектов;
• Распознавание речи;
• Распознавание движений, жестов;
• Самообучение на основании получаемой информации;
• Запоминание внешнего вида объектов, лиц людей.

Поставить задачу перед андроидом можно программным способом, т.е. путем внесения перечня команд в ЦПУ, либо вербально, произнеся набор слов для начала выполнения задачи. Отдельные модели андроидов способны реагировать на жесты рук, изменение местоположения человека.

Система управления роботом очень напоминает построение нервной системы человека в зависимости от его развития:

• Прямое выполнение конкретных команд оператора;
• Необходимость постоянной корректировки действий андроида при выполнении общей задачи;
• Ввод конечной цели (указание направления действий).

В первом случае в памяти машины записаны команды, которые ЦПУ (центральный процессор) подает к исполнительным механизмам для выполнения определенных операций. Например, перемещение робота, изменение положения манипулятора и т.п. по команде оператора. Одна из самых дешевых и простых в изготовлении моделей.

При передвижении андроида из точки А к точке Б вмешательство оператора необходимо в случаях, когда набор алгоритмов (заранее записанных в память действий) не предусматривает преодоление сложных препятствий (к примеру).

Более продвинутый интеллект, получив информацию от системы датчиков, видеокамер, самостоятельно оценивает обстановку и выбирает наиболее оптимальное решение самостоятельно.

(Рисунок 2. Двигатель постоянного тока)

Основным источником энергии для современных роботов-андроидов является электричество. Источник питания может быть:

• Автономным — аккумуляторы, солнечные батареи;
• Внешним — электроэнергия подается по кабелю.

В первом случае машина не привязана к энергоресурсу, способна выполнять задачи на любом удалении от зарядной станции. Из недостатков — увеличенный вес робота, малое время работы. Кабельное снабжение электроэнергией имеет свои плюсы: меньший вес андроида, возможность использования большего числа узлов, датчиков, механизмов, неограниченное время работы.

iCub (Итальянский технологический институт)

Это iCub, самый впечатляющий робот-гуманоид из списка. iCub настолько похож на человека, что к нему можно обращаться по имени-отчеству. Разработанный несколькими университетами и созданный Итальянским технологическим институтом, iCub по размерам сопоставим с двухлетним ребенком и даже учится точно так же.
iCub способен идентифицировать людей и объекты, находить различия между ними и взаимодействовать соответственно. Он также способен находить выход из сложных трехмерных лабиринтов самостоятельно. Он может трогать, хватать и поднимать предметы по требованию и даже стрелять из лука, пытаясь попасть в яблочко все лучше и лучше.

Вполне вероятно, что именно iCub станет идеальным спутником и помощником человека в не слишком отдаленном будущем.

Руки-манипуляторы

Манипуляторы копируют структуру рук человека (рисунок 3) и состоят из нескольких частей, соединенных шарнирами:

• Кистевого;
• Предплечья;
• Плечевого.

(Рисунок 3. Рука-манипулятор)

Манипуляторы имею несколько степеней свободы, т.е. робот может поднять руки, развести их в стороны, вращать кисти, производить захват предметов «пальцами». Манипуляторы приводятся в действие силовыми механизмами — сервоприводами. Часто для аккуратной и точной работы пальцы оснащают специальными датчиками, которые регулирую силу сжатия. Вместо грузозахватных приспособлений в кистевые отделы манипуляторов устанавливают другие приборы и механизмы: сварочные аппараты и т.д.

Bebionics3 (RSLSteeper)

Bebionic3 — это самый современный протез руки сегодняшнего дня, способный поднимать до 45 килограммов, но все еще достаточно чувствительный, чтобы можно было писать ручкой или держать бумажный стаканчик. С помощью датчиков, которые контактируют с кожей пользователя, легко управляются пальцы, причем скорость и силу можно настроить в любой конкретный момент. Протез можно купить вместе с перчаткой, которая придаст руке человеческий вид.
Вспомните знаменитую сцену из второго «Терминатора», когда Арни срезает кожу с руки, обнажая роботизированный скелет под ней? Кто бы мог подумать, что мы были на пороге аналогичной технологии всего 20 лет назад?

Протез обойдется в 25-35 тысяч долларов. Это недешево, но бесценно для ампутантов, которые хотят вновь обрести независимость.

Ноги-шагоход

По аналогии со строением тела человека роботы-андроиды передвигаются шагами. Конструкция ног предусматривает возможность передвигаться бегом, преодолевать различные препятствия (лестницы, ямы, наклонные поверхности). Ноги, как и руки-манипуляторы, приводятся в действие двигателями (рисунок 4).

(Рисунок 4. Шаговой двигатель)

Для всех типов роботов используют несколько типов исполнительных механизмов:

• Механические;
• Электрические;
• Гидравлические;
• Пневматические;
• Гибриды (электромеханические, гидромеханические и т.д.).

Из-за особенностей конструкции роботов-андроидов (небольшие габариты, система шасси — шагоход) для механизации узлов наиболее часто используют сервоприводы или сервомоторы (рисунок 5), основу которых составляет электрический двигатель.

(Рисунок 5. Сервомотор)

В отличие от обычного электромотора, комплектный сервопривод способен:

• С высокой точностью определять и изменять угол положения вала;
• Потреблять ровно столько электроэнергии, сколько необходимо для выполнения определенного действия;
• Снижать нагрузку на детали робота, увеличивая их ресурс.

Создание каркаса

Нет никакого «идеального» способа создания каркаса. Почти всегда требуется компромисс. Возможно, вам нужен легкий каркас. Но может потребоваться использование дорогостоящих материалов или слишком хрупких материалов.

Вы можете захотеть сделать надежное или большое шасси. Хоты вы понимаете, что это будет дорого, тяжело или сложно в производстве. Ваш «идеальный» каркас или рама может быть очень сложным.Изготовление каркаса робота может потребовать слишком много времени для разработки и создания.

При этом простой каркас может быть не менее хорошим. Идеальная форма встречается редко, но некоторые проекты могут выглядеть более элегантно из-за своей простоты. Возможно другие проекты могут привлечь внимание из-за их сложности.

Работа-действие робота

Пример работы всех систем робота-андроида в связке

• Тип робота: андроид
• Способ управления: автономный
• Задача: преодолеть лестничный пролет

1. После включения питания загружается ЦПУ, которая проводит проверку всех систем.
2. После получения подтверждения об исправности машины компьютер стабилизирует вертикальное положение андроида при помощи гироскопа, оценивает препятствие камерами.
3. Установив дальность до первой ступени и ее высоту, расстояние до других близко расположенных объектов, робот начинает движение.
4. Сервоприводы приводят в действие нижние конечности, которые поднимают опорные площадки (стопы) на нужную высоту.
5. Равновесие машины поддерживает гироскоп.
6. После преодоления последней ступени робот останавливается либо продолжает движение вперед в зависимости от программы или полученной команды.

Kuratas (Suidobashi Heavy Industry)

Kuratas — первый в мире гигантский робот. Его высота — 4 метра, весит он около 4,5 тонн. Вы можете залезть в него. Интерфейс водителя работает с использованием Kinect, но если вы предпочитаете управлять своими роботами с безопасного расстояния, можно использовать сенсорный экран телефона в качестве пульта дистанционного управления.
Этого робота решил разработать художник Когоро Курата, вдохновившись аниме. Ему помогал Ватару Йошизаки, робототехник.

Kuratas движется с помощью четырех колес, может разгоняться до 10 км/ч и носить оружие. Когоро Курата называет Kuratas «произведением искусства», что неудивительно, если учесть скромную цену в 1,3 миллиона долларов.

В любом случае, это не самое выдающееся произведение инженерного искусства.

Необходимые навыки

Для изготовления роботов новичкам потребуются следующие навыки:

• умение конструировать, создавать механизмы;
• знание того, как обеспечивается взаимодействие маленьких помощников с внешней средой;
• изучение темы, так как сделать шагающего робота своими руками – задача не из легких;
• начальное представление о программировании – переменных, алгоритмах, современных языках.

Познакомившись с азами программирования, можно переходить к созданию самодельных роботов-пылесосов, мойщиков бассейнов и окон в доме. Применение роботам можно найти и в других сферах жизни.