ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНОЛОГИЯ И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ мехатроники и робототехники

Предисловие

В настоящее время большинство бакалавров и магистров, окончивших высшие учебные заведения по техническим специальностям, принимают участие в разработке и использовании новой техники на производстве, сфере обслуживания и других областях хозяйственной деятельности. Чрезвычайно актуальным стало развитие автоматизированных систем машин на основе достижений в области мехатроники и робототехники. Применение новых методов проектирования, совершенствование элементной базы микропроцессорной и компьютерной техники, информационных систем позволяют создавать машины и системы машин, освобождающие людей от многих видов утомительного, однообразного и тяжелого труда, в том числе в экстремальных и во вредных для человека ситуациях.

Принято считать, что развитие робототехники имеет длительную историю, а мехатроника, возникнув в середине семидесятых годов как новое научное направление, получила прогрессирующее распространение, а в последнее десятилетие оказала существенное влияние практически на все области техники и технологии, в том числе робототехнику. Интенсивное развитие современных средств микроэлектроники привело к резкому росту их функциональных возможностей, технико-экономических показателей, надежности и значительному снижению стоимости. Все это вместе позволило оснастить технические системы и объекты различного назначения встроенными вычислительными и логическими микроэлектронными устройствами. Появилась возможность функциональной и конструктивной реализации в машинах нового поколения непосредственного системного единства и взаимодействия потоков энергии, информации и вещества, характерного для живых организмов. Мехатронные устройства с «компьютеризированным» интеллектом стали обладать свойствами и качествами, недостижимыми ранее.

Огромный интерес, проявляющийся в промышленно развитых странах к мехатронике, стимулировал введение соответствующих специальностей и дисциплин в высшей школе. Так как речь в них идет о принципиально новых разработках и передовых технологиях, то возникла проблема обеспечения этой области знаний учебными пособиями. Данное пособие нацелено на восполнение одного из подобных пробелов.

Охват в учебном пособии разделов, позволяющих представить мехатронику и робототехнику как системное знание основ анализа и синтеза современных машин, создает базу для изучения ряда специальных дисциплин таких как «Детали мехатронных модулей, роботов и их конструирование», «Информационные устройства и системы», «Компьютерное управление», «Электрические и гидравлические приводы мехатронных и робототехнических устройств», «Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике», «Проектирование мехатронных систем» и других в соответствии с учебными планами профилей подготовки.

Материал учебного пособия позволит получить представления о составе и свойствах различных мехатронных и робототехнических устройств и систем, областях их использования, овладеть навыками анализа и синтеза на основе системного подхода, обоснованно формировать основные технические характеристики и проектные решения при разработке таких систем. Особое внимание уделено вопросам информационного обеспечения и микропроцессорного управления мехатронных и робототехнических систем.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНОЛОГИЯ И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ мехатроники и робототехники

Основной причиной, заставляющей человека развивать новые сферы науки и техники, является присущее ему с давних пор стремление улучшить свою жизнь и возможности во взаимодействии с внешней средой. Характер такого взаимодействия весьма разнообразен и может быть не только трудным, но и физически непосильным. Поэтому с незапамятных времен люди мечтали изобрести различные инструменты, механизмы, машины с целью облегчения своего труда, повышения качества и производительности.

Вначале это были мечты, существовавшие в мифах, сказках, преданиях. Известен, например, древнегреческий миф о создании богом огня Гефестом двух рабынь из золота, прислуживающих ему, а также золотых треножников, выполнявших простейшие команды типа: принести, подать, унести. При раскопках гробниц фараонов археологи обнаруживали усыпальницы детей, где были найдены куклы с подвижными руками и ногами. Это первое свидетельство о стремлении людей сотворить искусственного человека.

По мере развития цивилизации мечты начали воплощаться в такие технические решения, как различные механизмы и машины, автоматы для открывания дверей храмов, автоматы для продажи «святой» воды и т.п. В 16 в. до н.э. римский император Витрувий сформулировал следующее определение машины: «машина есть взаимосвязанное соединение деревянных частей, обеспечивающее наибольшую выгоду при поднятии тяжестей. Она приводится в действие искусственно». Первые автоматы, использующие энергию воды и воздуха, были описаны Героном Александрийским в работе «Пневматика» около 120 лет до нашей эры. Он же написал первую книгу «Механические проблемы». В 1500 г. Леонардо де Винчи создал механического льва, который при въезде короля в город открывал герб Франции.

С течением времени механизмы совершенствовались, делались попытки создания не только человекоподобных автоматов, но и моделей животных и птиц. Известна, например, искусственная утка французского механика Жака Вокансона (1736 г.), которая подобно живой могла прыгать, плескаться в воде, крякать, клевать и даже переваривать пищу при помощи скрытых внутри нее химических веществ. Известны автоматы швейцарского часовщика Жака-Дроза «Писец», умеющий писать, и «Флейтист», умеющий играть 11 мелодий. В 1827 г. в Санкт-Петербурге демонстрировался «Храм очарований или механический, физический и оптический кабинеты». Чудеса начинались с лестницы – искусственная женщина играла на валторне, когда кто-то заходил на площадку. У входа в зал кланялись механические слуги. Если кто-то садился на диван – слуга-автомат выносил поднос с напитками[2].

Создание механических автоматов потребовало от человека знания законов механики и позволило определить основные функциональные элементы самодействующей техники: движитель, рабочий инструмент, пусковое устройство. Появилось обоснованное представление о системе как совокупности элементов, которые находятся во взаимосвязи друг с другом, влияют друг на друга и на систему в целом.

В XVII-XVIII веках механические автоматы создавались на основе часовых механизмов, в XIX веке на основе паровых двигателей, а с первой половины ХХ века на базе электромеханических и электронных устройств. Но самые совершенные орудия труда пришли на помощь человеку с открытием явления обратной связи и познанием его основных закономерностей. Первая конструкция автоматического регулятора появилась в 1510 году (регулятор подачи зерна на водяных мельницах), в 1760 г. И.П.Ползунов разработал регулятор уровня, в 1784 г. Джеймс Уатт получил патент на регулятор скорости вращения. Таким образом, первые попытки введения обратной связи в механических системах были сделаны в XVI-XVIII веках.

С целью более глубокого познания свойств окружающего мира изобретались приборы и устройства, расширяющие не только физические, но информационные возможности людей. В середине 40-х годов ХХ века появились первые успехи в создании и развитии устройств микроэлектроники. А в середине ХХ века появился новый класс машин - электронные вычислительные машины, усиливающие интеллектуальные возможности человека.

В 1920 году чешский писатель Карел Чапек пишет пьесу под названием «Россумские универсальные роботы». На Всемирной выставке в 1933 г., открывшейся в Чикаго с целью показать достижения техники за последние 100 лет, был представлен робот, который продевал нитку в иголку. В отделе «медицина» макет мужчины читал лекцию о процессе пищеварения. Во время лекции он расстегивал жилет и показывал часть грудной клетки и живота.

В 1958 г. американская фирма «Пленит корпорейшен оф лансинд» изготовила одну из первых моделей механической руки, названной планоботом. Назначение – загрузка, разгрузка станков. Рука имела 45 программируемых положений кисти и запястья. В 1961 г. фирма «Дженерал электрик» изготовила хардимена (стойкого человека), который мог поднимать и переносить груз до 453,6 кг. В 1962 г. американские фирмы «Юнимейшен инкорпорейтед» и «АМФ Версатран» создали первые промышленные роботы. Наряду с этим появились первые дистанционно управляемые руки – телехирики. В 1970-75 гг. появились мобильные автооператоры с элементами искусственного интеллекта, управляемые от ЭВМ.

Появление в 70-х годах микропроцессорных систем управления позволило снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение в промышленность.

Бурное развитие микроэлектроники позволило резко сократить стоимость и массово -габаритные характеристики электронных схем, способных выполнять сложные математические и логические операции, повысить их быстродействие и надежность работы в тяжелых условиях. К началу 60-х годов независимо друг от друга были созданы дешевые и быстродействующие мини- и микроЭВМ, весьма развитая телевизионная аппаратура и большое количество датчиков. В результате этого появилась возможность легко встраивать вычислительные устройства в самые различные машины и приборы. К числу устройств микроэлектроники, работающих совместно с механическими системами машин, наиболее часто относят интегральные схемы, большие и сверхбольшие интегральные схемы, а также другие микроминиатюрные приборы. Главную роль играют программируемые интегральные схемы, среди которых видное место занимают микроминиатюрные вычислительные устройства – микропроцессоры.

Со времени появления первого промышленного робота прошло три бума роботизации. Первый начался в 1968 г. с применением микропроцессоров для управления роботами и быстро закончился из-за ненадежности и несовершенства роботов первого поколения. Второй бум связан с появлением адаптивных роботов в 1972 г., когда возможности робототехники начали расширяться. Появление в 1980 г. роботов с элементами искусственного интеллекта стало началом третьего бума промышленной робототехники.

Интенсивное развитие современных средств микроэлектроники привело к резкому росту их функциональных возможностей, технико-экономических показателей, надежности и значительному снижению стоимости. Все это вместе позволило оснастить технические системы и объекты различного назначения встроенными вычислительными и логическими микроэлектронными устройствами. Появилась возможность функциональной и конструктивной реализации в машинах нового поколения непосредственного системного единства и взаимодействия потоков энергии, информации и вещества, характерного для живых организмов. Мехатронные устройства с «компьютеризированным» интеллектом стали обладать свойствами и качествами, недостижимыми ранее.

Фундаментом построения мехатроники стали такие три научных «кита» как машиноведение, кибернетика и микроэлектроника. Поэтому мехатроника является междисциплинарной специальностью.

Так как другие технические отрасли знаний должны учитывать перспективы развития и совершенствования машин и технологий за счет использования мехатроники, то ее основные положения необходимо изучать в рамках практически всех инженерных специальностей.

Первоначально термин «мехатроника» (mechatronics) был предложен фирмой Yaskawa Electric в 1969 году; он образован как комбинация двух слов: «МЕХАника» и «элекТРОНИКА» [4]. Смысловое значение этих составляющих следующее:

механика - наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами,

электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном, для передачи, обработки и хранения информации.

Интеграция этих областей научных знаний и ее использование для создания новой техники и новых технологий дает возможность осуществить качественный скачок в совершенствовании машин и оборудования, применяемого в самых различных сферах – от космической до бытовой. Такая интеграция позволяет наделить создаваемые изделия новыми свойствами, не достижимыми ранее.

Мехатроника изучает технические системы, агрегаты, машины и комплексы машин различного назначения с компьютерным управлением движением. Главная методологическая идея мехатроники состоит в системном сочетании таких ранее обособленных научно-технических областей, как точная механика, микроэлектроника, электротехника, компьютерное управление и информационные технологии.

Потребности сферы производства, переработки, исследований (космических, подводных и прочих), обслуживания в качественно новых электронно-механических системах со значительно расширенными функциональными возможностями, более экономичных и менее металлоемких являются фактическими предпосылками появления мехатроники как самостоятельной, вполне сформировавшейся области науки и техники. Эти системы должны легко сопрягаться с широким спектром технических систем и устройств, обладать возможностью интеграции в сложные человеко-машинные комплексы, позволяющие обеспечить существенное увеличение циркулирующих объемов полезной информации предназначенной для управления, коммуникации и связи между внутренними и внешними системами в процессе их функционирования.

В мехатронных системах укрупненно принято выделять три составные части – механическую, электронную и компьютерную, объединение которых посредством интерфейсов и образует систему в целом. Суть мехатронного подхода заключается в тесной взаимосвязи указанных компонент на всех этапах жизненного цикла изделия, начиная со стадии его проектирования и маркетинга и заканчивая производством и эксплуатацией заказчиком.

Интенсивное развитие и широкое распространение в последние десятилетия мехатронных устройств объясняется их основными преимуществами по сравнению с традиционными средствами автоматизации, к которым следует отнести:

относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов;

высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления;

высокую надежность, долговечность и помехозащищенность;

конструктивную компактность модулей (вплоть до миниатюризации в микромашинах);

улучшенные массогабаритные и динамические характеристики машин вследствие упрощения кинематических цепей;

возможность комплексирования функциональных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы под конкретные задачи заказчика.