III. Классификация мобильных роботов

В современной робототехники роботы определяются как класс технических систем, которые в своих действиях воспроизводят двигательные и интеллектуальные функции человека.

От обычной автоматической системы робот отличается многоцелевым назначением, большой универсальностью, возможностью перестройки на выполнение разнообразных функций.

Роботы классифицируются:

- по областям применения – промышленные, военные, исследовательские;

- по среде применения(эксплуатаций) – наземные, подземные, надводные, подводные, воздушные, космические;

- по степени подвижности – стационарные, мобильные, смешанные; - по типу системы управления – программные, адаптивные, интеллектуальные.

Многообразие устройств, относящихся к классу промышленных роботов и предназначенных для автоматизации ручного, тяжелого, вредного, опасного или монотонного труда, можно классифицировать по:

назначению;

степени универсальности;

кинематическим, геометрическим, энергетическим параметрам;

методам управления (степени участия человека в программировании работы робота).

По назначению известные в настоящее время роботы могут быть укрупненно распределены на следующие три группы: для научных целей, для военных целей, для использования в производстве, в сфере обслуживания.

К человеку все чаще и чаще предъявляются требования, выполнение которых ограничено его биологическими возможностями (в условиях космоса, повышенной радиации, больших глубин, химически активных сред и т. п.).

При обследовании планет и других космических тел транспортные средства должны быть оснащены манипуляторами для связи экипажа с внешним миром. Если же аппарат не обитаем, то манипуляторы должны иметь телеуправление с Земли. В таких автоматических аппаратах «руки» телеоператора — важнейшее средство активного взаимодействия с окружающей средой.

Не менее обширное применение телеоператоры и роботы нашли при различных работах на больших глубинах морей и океанов. Раньше человек опускался на глубину в специальном аппарате и был несколько пассивным наблюдателем, теперь построенные в последнее время подводные аппараты оснащены «руками», которыми управляет человек, находящийся внутри глубоководного аппарата.

Телеоператоры и роботы применяются для прокладки кабеля на глубине, поиска и подъема затонувших кораблей и грузов, для различных исследований недоступных морских глубин.

Автономный необитаемый подводный аппарат — АНПА (англ. autonomous underwater vehicle — AUV) подводный робот чем-то напоминающий торпеду или подводную лодку, перемещающийся под водой с целью сбора информации о рельефе дна, о строении верхнего слоя осадков, о наличии на дне предметов и препятствий. Питание аппарата осуществляется от аккумуляторов или другого типа батарей. Некоторые разновидности АНПА способны погружаться до глубины 6000 м. АНПА используются для площадных съёмок, для мониторинга подводных объектов, например трубопроводов, поиска и обезвреживания подводных мин.

Телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА) (англ. Remotely operated underwater vehicle (ROV)) — это подводный аппарат, часто называемый роботом, который управляется оператором или группой операторов (пилот, навигатор и др.) с борта судна. Аппарат связан с судном сложным кабелем, через который на аппарат поступают сигналы управления и электропитание, а обратно передаются показания датчиков и видео сигналы. ТНПА используются для осмотровых работ, для спасательных операций, для остропки и извлечения крупных предметов со дна, для работ по обеспечиванию объектов нефтегазового комплекса (поддержка бурения, осмотр трасс газопроводов, осмотр структур на наличие поломок, выполнение операций с вентилями и задвижками), для операций по разминированию, для научных приложений, для поддержки водолазных работ, для работ по поддержанию рыбных ферм, для археологических изысканий, для осмотра городских коммуникаций, для осмотра судов на наличие контрабандных товаров, прикреплённых снаружи к борту и др. Круг решаемых задач постоянно расширяется и парк аппаратов стремительно растёт. Работа аппаратом намного дешевле дорогостоящих водолазных работ несмотря на то, что первоначальные вложения достаточно велики, хотя работа аппаратом не может заменить весь спектр водолазных работ.

Кроме перечисленных областей применения в опасных условиях телеоператоры и роботы используются при ремонте и замене ядерных двигателей, во время работ в зараженных зонах, в шахтах.

Ведутся работы по созданию специального робота для добычи угля. По задумке Korea Coal Corp, робот будет не только добывать уголь, но и собирать его, а затем помещать его на конвейерную ленту, которая и доставит породу наверх. Контролировать работу будут механики, находящиеся на поверхности.

Современные роботы-пожарники имею возможности:

-разведка и мониторинг местности в зоне возникновения ЧС;

-пожаротушение в условиях современных техногенных аварий, сопровождаемых повышенным уровнем радиации, наличием отравляющих и сильнодействующих веществ в зоне работ, осколочно-взрывным поражением; с использованием водопенных средств пожаротушения;

-проведение аварийно-спасательных работ на месте пожара и чрезвычайной ситуации;

-разборка завалов для доступа в зону горения и ликвидации чрезвычайных ситуаций;

-при соответствующем переоснащении возможно проведение пожаротушения с использованием порошков и сжиженных газов.

Например роботы "Ель-4", "Ель-10" и "Луф-60", предназначенные для тушения техногенных пожаров без участия человека, приняли участие в тушение лесного пожара 2010г вокруг ядерного центра в Сарове.

Многие виды производства требуют применения роботов. Использование их освобождает рабочего от труда в изнурительных и тяжелых условиях. В кузнечном цехе для перемещения и установки на молот тяжелых раскаленных заготовок можно поставить робот. Роботы могут окрашивать изделия, освобождая человека от пребывания в помещении с распыленной краской. Наиболее опасными и вредными являются операции с радиоактивными веществами и атомным оборудованием. Такие работы давно выполняют «руками» телеоператоров.

Для работы с ядерными реакторами и радиоактивными установками разработаны подвижные телеоператоры, у которых герметичная кабина снабжена защитными стенками для работы в радиоактивной среде.

Примеров использования роботов и телеоператоров на вредных и тяжелых работах можно привести множество. Роботы рационально применять на однообразных повторяющихся операциях, например, установка заготовок и деталей на станок. Робот может брать и перемещать хрупкие стеклянные и мелкие детали.

Следует также отметить еще одно направление в технике — это создание специальных усилителей физических возможностей человека — так называемый экзоскелет (от греч. внешний скелет) — устройство, предназначенное для увеличения мускульной силы человека за счёт внешнего каркаса. Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в Японии и США. Экзоскелет может быть интегрирован в скафандр.

Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и United States military в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110кг при усилии, применяемом при подъеме 4,5кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего никогда не проверялся с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340кг, её вес составлял три четверти тонны, что в два раза превышало подъемную мощность. Без получения вместе всех компонентов для работы практическое применение проекта Hardiman было ограничено.

По степени универсальности все роботы можно разделить на три группы:

-специальные, например, манипулятор для переворачивания и установки в вакууме кинескопов или манипулятор для установки заготовок в специальный штамп. Как правило, эти устройства обладают одной-тремя степенями свободы и работают по строго зафиксированной программе, выполняя простую операцию;

-специализированные, область применения которых ограничена определенными условиями и пространством. Например, роботы, имеющие регулируемую длину рук и несколько степеней свободы в пространстве для выполнения только «горячих» работ — литья или термообработки;

- универсальные устройства, перемещающиеся в пространстве, например, роботы с большим количеством степеней свободы и регулируемой длиной функционирующих конечностей, способные выполнять самые разнообразные операции с широкой номенклатурой деталей. Универсальный промышленный робот общего назначения можно переключить на другую работу и быстро перепрограммировать для выполнения любого в пределах технических возможностей цикла.

По кинематическим, геометрическим и энергетическим параметрам устройства подразделяются следующим образом.

По кинематическим параметрам роботы можно классифицировать в зависимости от количества степеней свободы, возможных вариантов действия и перемещения функциональных органов, а также по скорости их движения.

По геометрическим параметрам как классификационному признаку роботы подразделяют в зависимости от размеров функционирующих органов и диапазонов их линейных и угловых перемещений.

По энергетическим параметрам роботы делят на группы по грузоподъемности и развиваемой мощности.

По методам управления промышленные роботы первых поколений можно разделить на роботы:

- управляемые от систем числового программного управления;

с цикловыми системами управления;

- автономные, управляемые от ЭВМ (управляющих машин, способных собирать и анализировать информацию в процессе действия, реагировать на эту информацию, соответственно изменяя программу).

Разработаны телевизионные системы дистанционного управления, обеспечивающую стереоскопическое изображение зоны действия. Применяются в медицине (робот da Vinci) и системах телеприсутствия.

В системах ЧПУ роботов записанная программа многократно повторяется.

Изменение характера движений робота может быть достигнуто только вследствие ввода новой программы. Программирование работы таких роботов несложно и является простейшим видом их «обучения». В этом случае человек осуществляет только периодический контроль за работой робота и смену программы.

Роботы, управляемые от ЭВМ, обладают системой управления, способной собирать необходимую информацию в процессе выполнения работы, перерабатывать ее с помощью электронного «мозга» и вносить необходимые изменения в заранее введенную программу.