Мы часто пишем о роботах. Их делают во всем мире. Иногда они совершенно не похожи на людей, иногда наоборот. Тем не менее многие из нас не имеют ни малейшего представления о том, как их делают, из чего, с какими проблемами сталкиваются инженеры и как их преодолеть. В этой статье мы подробно разберем, как устроены роботы и как они работают.

На самом базовом уровне люди состоят из пяти основных компонентов:

• структура тела;
• система мышц, которая движет телом;
• система органов чувств, которая получает информацию о теле и окружающей среде;
• источник энергии, питающий мышцы и органы чувств;
• мозговая система, которая обрабатывает информацию от органов чувств и дающая указания мышцам.

Конечно, у нас есть ряд нематериальных атрибутов вроде интеллекта и морали, но на чисто физическом уровне список выше включает это.

Роботы делаются из аналогичных компонентов. Обычный робот обладает подвижной физической структурой, электродвигателем определенного рода, системой сенсоров (датчиков, органов чувств), блоком питания и компьютерным «мозгом», который контролирует все эти элементы. По существу, роботы — это техногенные версии животной жизни. Это машины, которые копируют поведение людей и животных.

Джозеф Энгельбергер, пионер промышленной робототехники, однажды заметил: «Я не могу дать определение роботу, но я точно узнаю его, когда увижу». Если вы задумаетесь обо всех возможных машинах, которые люди называют роботами, вы поймете, что невозможно придумать всеобъемлющее определение. У каждого есть свое представление о том, что представляют собой роботы.

Вам наверняка известны эти роботы:

• R2D2 и C-3PO: умные говорящие роботы с ярко выраженной индивидуальностью из фильмов серии «Звездные войны»
• AIBO от Sony: собака-робот, которая обучается в процессе взаимодействия с людьми
• ASIMO от Honda: робот, который может ходить на двух ногах
• Промышленные роботы: автоматизированные машины, работающие на сборочных конвейерах
• Дейта: почти человекоподобный андроид из «Звездного пути»
• Роботы-саперы
• Марсоходы NASA
• HAL: бортовой компьютер из «Космической Одиссеи 2001 года» Стэнли Кубрика
• MindStorm: популярный роботизированный комплект от LEGO

Все вышеперечисленное можно назвать роботами. Роботом, как правило, называется то, что люди считают роботом. Большинство робототехников (людей, которые делают роботов) использует более точное определение. Они указывают, что роботы обладают перепрограммируемым мозгом (компьютером), который движет тело.

Согласно этому определению, роботы отличаются от других подвижных машин вроде автомобилей, поскольку у них есть компьютерный элемент. У большинства новых автомобилей есть бортовой компьютер, но в него можно внести не так много нового. Вы управляете большинством элементов в автомобиле непосредственно при помощи механических устройств разного рода. Роботы отличаются от обычных компьютеров по своей физической природе — у обычных компьютеров нет физического тела, они могут существовать и без него.

Основы роботов

У подавляющего большинства роботов действительно есть общие черты. Прежде всего, почти у всех роботов есть подвижное тело. Некоторые обладают только моторизованными колесами, у других есть десятки подвижных сегментов, как правило, из металла или пластика. Как кости в вашем теле, отдельные сегменты соединяются вместе с помощью суставов.

Колеса робота и поворотные суставные сегменты активизируются при помощи приводов разного рода. Некоторые роботы используют электродвигатели и соленоиды в качестве актуаторов (приводов); некоторые используют гидравлическую систему; некоторые — пневматическую систему (на основе сжатых газов). Роботы могут использовать все эти типы приводов.

Робот нуждается в источнике питания, чтобы управлять этими приводами. Большинство роботов либо оснащены батареей, либо работают от розетки. Гидравлическим роботам нужен насос для создания давления в гидравлической системе, а пневматическим роботам нужен воздушный компрессор или баллоны со сжатым воздухом.

Все приводы подключаются к электрической цепи. Цепь напрямую питает электродвигатели и соленоиды, что активизирует гидравлическую систему при помощи электрических клапанов. Клапаны направляют сжатую жидкость через машину. Для перемещения гидравлической ноги, например, оператор робота должен открыть клапан, ведущий от жидкостного насоса к поршневому цилиндру, закрепленному на ноге. Жидкость под давлением будет двигать поршень, толкая ногу вперед. Чтобы двигать конечностями в обоих направлениях, роботы используют поршни, которые могут толкаться в обе стороны.

Компьютер робота управляет всем, что подключено к цепи. Чтобы передвигать робота, компьютер активирует все необходимые двигатели и клапаны. Большинство роботов можно перепрограммировать, чтобы изменить поведение — достаточно просто ввести новую программу в компьютер.

Не у всех роботов есть система сенсоров, и лишь некоторые обладают способностью видеть, слышать, чувствовать запах или вкус. Самая распространенная способность робота — способность ходить и наблюдать за своим перемещением. Стандартная конструкция использует колеса с щелью в суставах робота. Светодиод на одной стороне колеса пускает луч света через щель, чтобы подсветить датчик света на другой стороне колеса. Когда робот движет определенным суставом, колесо с щелью крутится. Щель разбивает луч света по мере вращения колеса. Световой датчик считывает поведение светового луча и передает данные на компьютер. Компьютер точно может сказать, как вращается сустав в определенной модели. По тому же принципу работает компьютерная мышь.

Это основы робототехники. Робототехники могут комбинировать эти элементы в бесконечное число способов создания роботов неограниченной сложности.

Роботизированный манипулятор

Термин «робот» пришел к нам от чешского слова «robota», что означает буквально «принудительный труд». В принципе, это слово отлично описывает большинство роботов. Чаще всего роботы делают тяжелую работу, монотонно трудятся на производстве. Также они решают задачи, которые сложны, опасны или скучны для людей.

Наиболее распространенный вид робота — это роботизированный манипулятор. Типичный манипулятор состоит из семи металлических сегментов, соединенных шестью суставами. Компьютер управляет роботом, вращая отдельные шаговые двигатели, подключенные к каждому суставу (некоторые крупные манипуляторы используют гидравлику или пневматику). В отличие от обычных двигателей, шаговые двигатели двигаются точными шажками. Это позволяет роботу перемещать руку очень точно, в точности повторяя одно и то же движение снова и снова. Робот использует датчики движения, чтобы убедиться, что совершает движения правильно.

Промышленный робот с шестью суставами напоминает человеческую руку — у него есть подобия плечу, локтю и запястью. Как правило, плечо установлено на неподвижной базовой структуре, а не на подвижном теле. У такого типа робота есть шесть степеней свободы, то есть он может поворачиваться в шести разных направлениях. Для сравнения, человеческая рука имеет семь степеней свободы.

Задача вашей руки — перемещаться с места на место. Аналогичным образом, задача манипулятора — перемещать концевой эффектор с места на место. Вы можете оснастить манипулятор разными концевыми эффекторами, предназначенными для конкретных задач. Один из распространенных эффекторов — упрощенная версия руки, которая может хватать и переносить разные объекты. Манипуляторы часто обладают встроенными датчиками давления, которые предписывают компьютеру, с какой силой захватывать конкретный объект. Это позволяет роботу не ломать все, что он хватает. Другие конечные эффекторы включают паяльные лампы, дрели и распылители порошка или краски.

Промышленные роботы предназначены для того, чтобы делать одни и те же вещи, в контролируемой среде, снова и снова. Например, робот может закручивать колпачки на тюбиках с зубной пастой. Чтобы научить робота делать это, программист описывает порядок движения, используя ручной контроллер. Робот записывает последовательность движений в память и делает это снова и снова, когда новый продукт поступает на конвейер.

Большинство промышленных роботов работает на конвейерах, собирая автомобили. Роботы делают это более эффективно, чем люди, поскольку более точны. Они всегда сверлят в одном и том же месте, затягивают болты с одной и той же силой, независимо от того, сколько часов проработали. Сборочные роботы также важны для компьютерной отрасли. Весьма сложно точно собрать крошечный микрочип силами человека.

Мобильные роботы

Манипуляторы весьма просто собрать и написать для них программу, поскольку они работают в ограниченном пространстве. Но все становится немного сложнее, если вы отправляете робота в мир.

Первое препятствие заключается в том, чтобы дать роботу рабочую систему передвижения. Если робот будет двигаться только по гладкой земле, колеса или гусеницы будут лучшим вариантом. Колеса или гусеницы также могут работать на грубой земле, если будут достаточно большими. Но чаще всего робототехники задумываются о ногах, поскольку их легче адаптировать. Строительство роботов с ногами также помогает ученым понимать естественное движение — полезное упражнение для биологов.

Как правило, гидравлические или пневматические поршни перемещают ноги робота вперед и назад. Поршни крепятся к разным сегментам ног так же, как мышцы крепятся к разным костям. Но заставить все эти поршни работать должным образом — сложная задача. Когда вы были ребенком, ваш мозг пытался выяснить, как нужно точно двигать мышцами, чтобы стоять на двух ногах и не падать. Аналогичным образом, конструктор робота должен определить правильную комбинацию поршневых движений, участвующих в ходьбе и запрограммировать эту информацию в компьютер робота. Многие мобильные роботы оснащены встроенной системой баланса (набором гироскопов, например), которая подсказывает компьютеру, когда нужно исправить движение.

Прямохождение (ходьба на двух ногах) — довольно нестабильно, поэтому ему сложно научить роботов. Чтобы создать стабильного робота-ходока, конструкторы часто наблюдают за миром животных, особенно насекомых. Шестиногие насекомые обладают невероятно хорошим балансом и адаптируются к широкому набору местностей.

Некоторые мобильные роботы управляются дистанционно — человек говорит им, что делать и когда. Дистанционное управление может осуществляться с помощью провода, радио или инфракрасных сигналов. Роботы с удаленным управлением часто называются кукольными роботами, и они полезны для работы в опасных или труднодоступных условиях — например, в глубокой воде или в жерле вулкана. Некоторые роботы управляются дистанционно лишь отчасти. Например, оператор может отправить робота в определенное место, а обратно робот уже сам найдет дорогу.

Как видите, роботы чертовски похожи на нас.