/
Author: Янг Дж.Ф.
Tags: самодействующие системы кибернетика машиностроение автоматика робототехника автоматизация технологических процессов
Year: 1979
Text
ROBOTICS
John F. Young
M.Sc., B.Sc, C.G.I.A., M.I.E.E., M.I.E.R.E.
Cybernetics Laboratory
University of Aston
LONDON
BUTTERWORTHS
Дж. Ф. Янг
РОБОТОТЕХНИКА
Под редакцией
доктора технических наук
профессора М. Б. ИГНАТЬЕВА
ЛЕНИНГРАД
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
1979
ББК 32.816
Я 60
УДК 007.52
Янг Дж. Ф.
Я60 Робототехника: Пер. с англ./Ред. М. Б. Игнатьев. —
Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. — 300 с., ил.
В пер.: 1 р. 90 к.
Книга освещает широкий круг вопросов робототехники. В ней рассмотрены
различные устройства и исполнительные механизмы робота; описаны сеисориые
устройства слуха и зрения, датчики скоростей, ускорений и другие, определяющие
восприятие окружающей среды и адаптивное управление действиями робота,
а также электрические, пневматические и гидравлические источники энергии,
применяемые в робототехнике.
Вопросы теории изложены наряду с описанием известных робототехнических
систем и их практическим применением.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимаю-
щихся робототехникой, конструированием и эксплуатацией адаптивных систем,
кибернетических устройств и автоматизированных систем управления.
яо-ад^Г961-79- 2404000000
ББК 32.816
6ФО.1
ИБ № 1657
Джон Ф. Янг
РОБОТОТЕХНИКА
Редактор Т. С. Васильева Художественный редактор С. С. Венедиктов
Переплет художника Б. Н. Осенчакова Технический редактор Л. В. Щетинина
Корректор И. Г. Жукова
Сдано в набор 21.02.79. Подписано в печать 05.11.79. Формат 60X90l/ie- Бумага
типографская № 1. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 19,
Уч.-изд. л. 22,67. Тираж 12 000 экз. Заказ 1301. Цена 1 р. 90 коп.
Ленинградское отделение издательства «Машиностроение», 191065, Ленинград, Д-65,
ул. Дзержинского, 10
Ленинградская типография № 6 Ленинградского производственного объединения
«Техническая книга» Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144, Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10
© John F. Young, 1973.
© Перевод на русский язык, «Машиностроение», 1979 г.
© Предисловие к русскому изданию, «Машиностроение», 1979 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
В настоящее время роботостроение превратилось в развитую
отрасль промышленности: тысячи промышленных роботов рабо-
тают на различных предприятиях мира, подводные манипуляторы
стали непременной принадлежностью подводных исследователь-
ских и спасательных аппаратов, изучение космоса опирается
на широкое использование роботов с различным уровнем интел-
лекта.
Очень высока научная активность в области робототех-
ники: ежегодно проводится по несколько международных кон-
ференций по роботам, проводятся национальные научно-техни-
ческие совещания, растет число публикаций в этой области.
Все большее число специалистов в различных областях техники
начинает заниматься роботами. Остро ощущается необходимость
в обобщающих монографиях в этой области — одной из них
и является книга Дж. Ф. Янга, перевод которой предлагается
читателю.
Дж. Ф. Янг — известный английский инженер, имеющий
большой опыт в области автоматизации, и книга «Робототехника»
является логическим продолжением его более ранних практиче-
ских и обобщающих работ. Эта книга написана инженером для
инженеров. Она охватывает широкий круг вопросов: создание
конструкций роботов; анализ зачастую существующих лишь
в виде авторских заявок различных типов привода; описание
различных датчиков информации — от простейших потенцио-
метров до сложных визуальных систем; проблемы видения, слы-
шания и говорения как функций роботов; современные аспекты
применения и развития робототехники. По каждой из перечислен-
ных тем можно было бы написать отдельные книги, но ценность
книги Дж. Ф. Янга как раз и состоит в том, что эти вопросы
рассмотрены им в едином ключе, с точки зрения практической
реализации, инженерных решений и зачастую малоизвестных
изобретений. Это определяет своеобразие данной книги и ее
ценность для широкого круга инженеров.
Следует отметить, что уже имеется ряд книг советских авто-
ров по робототехнике (М. Б. Игнатьев, Ф. М. Кулаков, А. М. По-
кровский. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. Л.,
Машиностроение, 1972; П. Н. Белянин. Промышленные роботы.
М., Машиностроение, 1975; Е. П. Попов, А. Ф. Верещагин,
5
С. Л. Зенкевич. Манипуляционные роботы. Динамика и алго-
ритмы. Л., Наука, 1978).
Перевод книги Дж. Ф. Янга на русский язык дополняет
отечественную научно-техническую литературу по робототех-
нике.
При переводе заменена система единиц в соответствии с новым
международным стандартом.
В нашей стране роботостроение уверенно развивается. Наи-
большее внимание уделяется автоматизации тяжелых, вредных,
утомительных и монотонных работ в различных отраслях с по-
мощью роботов-манипуляторов. В каждой отрасли промышлен-
ности имеется план разработки и внедрения роботов, которые
создаются с учетом передового отечественного и зарубежного
опыта. Настоящая книга будет полезна для широкого круга
наших инженеров, специализирующихся в области робототехники.
Л1. Б. Игнатьев
ПРЕДИСЛОВИЕ К АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ
Робот общего назначения быстро выходит из стен лаборато-
рий. Сейчас в мире насчитывается более ста фирм, производящих
подобные устройства, которые постепенно появляются на заводах
всех промышленно развитых стран. Во многих случаях роботы
непосредственно заменяют человека на рабочем месте.
В настоящее время более 7% предприятий, производящих
роботы, принадлежат японским компаниям, а японское прави-
тельство ассигновало около 100 млн. дол. на робототехнические
исследования и разработки на последующие несколько лет.
Для развития этой области техники имеется много причин, но,
быть может, основные из них — экономическая эффективность
роботов и их способность к непрерывной работе. Робот никогда
не устает и не теряет интереса к своей работе. Если нужно, он
может работать по 24 ч в сутки с редкими перерывами на еже-
недельное или ежемесячное профилактическое обслуживание и
будет последовательно выполнять порученное ему задание без
скуки и утомления. Некоторые роботы достаточно один раз обу-
чить выполняемому заданию, которое может состоять из слож-
ных движений, длящихся несколько минут, и они день за днем
будут выполнять эту повторяющуюся работу без какого бы то
ни было наблюдения со стороны человека. Здесь человек не может
состязаться с роботом. Следует отметить тот печальный факт,
что на сегодняшний день даже в промышленно развитых стра-
нах множество людей все еще вынуждено выполнять однообраз-
ную работу, не оставляющую места для индивидуального твор-
чества.
Теперь, наконец, виден выход из создавшейся ситуации.
Эффективные и гибкие машины — роботы — могут высвободить
людей для творческого труда, однако это, несомненно, будет
связано с кардинальным экономическим переворотом. Если по-
зволить роботам всего лишь заменить людей, которые вследствие
этого станут безработными, всеобщая безработица развалит
экономику. Первейшее требование к процветающей экономике —
наличие платежеспособных потребителей.
Следует задуматься также над тем, что может случиться,
если роботы, производимые в больших количествах и потому
весьма дешевые, появятся в странах, где уже и так имеется вы-
сокий уровень безработицы. Хочется надеяться, что достигнутый
прогресс исследований и разработок в области робототехники,
описанный в этой книге, сделает совершенно очевидной необхо-
димость рассмотрения подобных проблем уже сейчас.
Имеется и другой аспект робототехнических исследований
и разработок, который заслуживает самого пристального рас-
смотрения. Известны различные организации, разрабатывающие
робототехнические устройства, способные без наблюдения со
стороны человека выполнять всевозможные домашние работы.
7
Такие роботы пополнят парк бытовых приборов, существующих
сегодня, но будут отличаться от них подвижностью и способностью
к обучению. Если роботы будут выпускаться по сравнительно
низкой цене, а в настоящее время все указывает на то, что это
возможно, совершенно очевидно возникновение большого спроса
на эти устройства.
Итак, когда дешевые роботы будут приняты к использованию
в домашнем хозяйстве, их появление будет означать, что стоимость
робототехнических устройств понизилась до того уровня, когда
массовое использование их в промышленности неизбежно.
Предлагаемая читателю книга охватывает все аспекты робото-
техники, за исключением управляющего «мозга», рассмотренного
в моей книге «Кибернетическая техника». Характеристики ор-
ганов чувств человека даны как введение в робототехнические
методы восприятия и управления. Указаны преимущества и недо-
статки различных (пневматического, электрического и т. д.)
приводов робота. Детально описаны роботы, широко применяе-
мые в промышленности, такие, как «Юнимейт» и «Версатран»,
а также недавно появившиеся устройства и подводные манипу-
ляторы. Изложенный материал охватывает теорию и практику
робототехники и будет интересен всем, кто уже работает или
собирается вступить в эту новую область техники. Хочется на-
деяться, что обширная библиография в конце каждой главы по-
зволит читателю более детально ознакомиться с тем или иным
аспектом рассматриваемой темы.
Дж. Ф. Днг
. Г лава 1
РОБОТЫ
Слово «кибернетика» все понимают по-разному [1]. У боль-
шинства людей кибернетика ассоциируется с вычислительными
машинами, роботами, или чем-то подобным. Насколько прием-
лем такой взгляд?
Безусловно, конечной целью кибернетической техники и
робототехники является создание роботов различных типов [55].
Можно надеяться, что когда-нибудь будут созданы человеко-
подобные роботы. Однако кроме человекоподобных существует
множество других видов робототехнических устройств, достой-
ных рассмотрения. Уже сейчас имеется большое количество
устройств, которые обладают некоторыми характеристиками ро-
бота и действительно необходимы человеку.
Существует множество операций, ежедневно выполняемых
человеком, в которых совершенно не используются его способ-
ности [2, 37—39]. В молодые годы, работая в промышленности,
автору приходилось выполнять некоторые из них. Такие опера-
ции, простые, чрезвычайно монотонные, не только возможно
передать машине, но и, более того, — они будут исполнены ею
с лучшими результатами и меньшим количеством ошибок, нежели
человеком, которому свойственно ошибаться.
До сего времени простой экономический расчет в некоторых
случаях заставляет человека выполнять неинтересную, моно-
тонную или грязную работу. С приходом экономичного робота
положение изменится. Если удастся создать экономичных робо-
тов общего назначения (а все говорит в пользу этого), то они
будут использованы для замены труда человека.
1.1. ВНЕШНИЙ ВИД РОБОТА
Еще со времен Гомера в художественной литературе закре-
пился традиционный тип подвижного робота, в общем похо-
жего на человека, хотя часто сделанного из металла. Однако
непохоже, чтобы роботов действительно стали изготавливать
в некоем человекообразном виде, по крайней мере, в ближайшем
будущем.
Азимов высказал предположение [3], что человекообразный,
очеловеченный робот в художественной литературе «просто ан-
тропоцентрический фетиш». Азимову, который, пожалуй, яв-
ляется наиболее известным писателем-фантастом, пишущим о ро-
ботах, должно быть виднее. Работа термостата не улучшится,
если он будет иметь вид человека с металлическими руками,
которые включают и выключают нагревательный элемент. Однако,
по мнению Азимова, если от робота требуется способность к вы-
полнению всех человеческих функций, лучше придать ему
9
человеческие формы, соответствующие среде обитания человека.
Это, конечно, верно только отчасти. Всем нам знакомы авто-
мобили и бытовые приборы, в которых вышедшие из строя части
мог бы заменить лишь мифический человек высотой в два фута *,
с тремя руками, каждая в четыре фута длиной, с пальцами-щу-
пальцами на конце. Недалек тот день, когда в случае необходи-
мости робототехнические устройства с такими характеристи-
ками смогут быть созданы.
С эстетической точки зрения, человек, вне сомнения, пред-
почел бы, чтобы его робот обладал антропоидной внешностью.
Так им легче было бы вместе жить. Экстремальную форму такого
робота с кожным покровом, который даже не отличишь от чело-
веческого, назвали андроидом.
1.2. СТРАХ ЧЕЛОВЕКА ПЕРЕД РОБОТОМ
Растерянности, которую иногда вызывают чрезвычайно схо-
жие внешне с людьми роботы — герои художественных произ-
ведений, — можно легко избежать. Интересно отметить, что до
недавнего времени робот в художественной литературе в основ-
ном изображался как устрашающее изобретение. Франкенштейн
создал чудовище [4]. Универсальные роботы Россума истребили
все живое, точнее сказать, почти все живое [5]. Должен ли робот
уничтожить своего создателя?
Только в последние 30 лет распространилось представление
о роботе как о полезном, хорошо управляемом безопасном меха-
низме. Теперь робот должен стать другом человека. Так ли это?
Примечательно, что именно Азимов, который, по сути дела,
первым изобразил дружелюбного, полезного робота, в то же
время ответствен за появление в художественной литературе
знаменитых «Законов робототехники» [6].
Эти законы таковы.
1. Робот не должен причинять человеку вред или допускать,
не вмешиваясь, чтобы человеку был нанесен ущерб.
2. Робот должен выполнять приказания, отдаваемые людьми,
за исключением тех случаев, когда они приводят к нарушению
закона 1.
3. Робот должен защищать свое существование, за исключе-
нием тех случаев, когда такая защита может привести к нару-
шению законов 1 и 2.
Двусмысленность, содержащаяся в этих законах, очевидна,
так что, судя по всему, они исследовались и модифицировались
разными людьми самым различным образом. Замечательно, од-
нако, что эта изначальная формулировка, пришедшая из худо-
жественного произведения, все еще может служить полезным
конструктивным руководством для инженера-кибернетика.
* 1 фут = 30,48 см.
10
Очевидный пример тому дает проектирование подвижной
робототехнической машины, которой было предъявлено невы-
полнимое требование подчинения Закону 1. Закону 2 удовлетво-
рить гораздо легче.
Подвижный робот должен быть не только безопасен для чело-
века, но иметь электронный мозг, работающий с высокой степенью
надежности. Поэтому исследования проводятся на маленьких
подвижных устройствах типа «черепашек», которые будут опи-
саны ниже. Из-за своих малых размеров эти машины в принципе
неспособны нанести человеку вред, но они, конечно, не безотказны.
Именно в попытке уменьшить интенсивность отказов нами иссле-
довались, и довольно успешно, эти устройства.
Инженера-кибернетика преследует ужасное видение. Один
из его подвижных домашних роботов сломался и гонится по дому
за дико орущей хозяйкой или, еще того хуже, за громко пла-
чущим ребенком. В промышленности бывают более серьезные
происшествия, когда отказывают технические устройства, но
здесь принимается определенная доля риска. А всего лишь одно
несчастье с домашним роботом, вроде приведенного выше, может
поставить под угрозу все будущее кибернетической техники
и робототехники.
1.3. ТОЧКА ЗРЕНИЯ ТРИНГА
Одним из наиболее известных специалистов в области при-
кладной робототехники является профессор М. Тринг, работа-
ющий в лондонском колледже «Куин Мэри». В его лаборатории
сконструировано множество различных видов робототехниче-
ских устройств и конечностей для роботов. Тринг полагает [2],
что робот должен как минимум:
1) иметь кисть и руку;
2) быть самоходным и самоуправляемым;
3) обладать системами энергоснабжения и управления;
4) иметь небольшой вычислитель с памятью для выдачи ин-
струкций и принятия решений;
5) иметь датчики: тактильные, шероховатостей, твердости,
позиционные, массы, удельной теплопроводности, температуры,
приближения, формы, размера, зрительные, цветовые, дистан-
ционные, обонятельные, определяющие положение конечностей,
и слуховые.
Тринг, однако, понимает, что возможности робота принци-
пиально ограничены. Он считает, что никогда робот не сможет
выполнить более сложное и тонкое задание, чем те, которым его
обучил человек. Тринг полагает также, что робот допускает
только случайные ошибки, которые не будут ни постепенно устра-
нены, ни самостоятельно исправлены.
Здесь автору настоящей книги хотелось бы заметить, что
некоторые из случайных ошибок, если они действительно
11
случайны, должны по необходимости вызывать улучшение, и это
будет справедливо, как бы мы ни определяли сам термин «улуч-
шение». Кроме того, теперь мы знаем, что возможно создание
самокорректирующихся и адаптивных систем управления при
единственном условии, что конечная цель для такой системы
может быть совершенно ясно определена.
Тринг предлагает некий гипотетический эстетический закон,
который утверждает, что созданные человеком машины всегда
должны оставаться на качественно низшей ступени по сравнению
с их создателем; он полагает, например, что робота не следует
допускать к созданию симфоний.
Следует, однако, отметить, что цифровые вычислительные
машины, исключительно за счет высокого быстродействия, спо-
собны к выполнению такого объема вычислений, который не под
силу отдельному человеку в течение его недолгой жизни. По-
этому цифровые вычислительные машины, которым задали бы
несколько основных законов музыкального сочинения, могли бы
создавать совершенно новую, оригинальную музыку, никогда
прежде не слышанную человеком.
Вот некоторые из проблем, которые, по мнению Тринга, пред-
стоит решить до того, как будет создан полезный домашний робот.
1. Необходимо придать ему какое-то устройство распознава-
ния образов, чтобы робот мог разделять предметы на несколько
десятков категорий, с каждой из которых следует обращаться по-
разному, например: стулья, столы, книги, ножи и вилки, посуда
и т. д.
2. Кисть должна управляться таким образом, чтобы она могла
поднимать и держать предметы, которые находятся в поле зрения
робота, например при складывании простыни или чистке овощей.
3. Небольшие изменения команд должны вызывать изменения
программы работы робота, например: накрыть стол на опреде-
ленное количество человек, сменить постельное белье, справиться
с перестановкой мебели и т. д.
4. Робот должен обнаружить наличие грязи и ее количество,
с тем чтобы, например, мытье посуды продолжалось до тех пор,
пока все тарелки не будут вымыты и все кастрюли вычищены.
5. Требуется осторожность в обращении с фарфором и стек-
лом, чтобы они не разбились в процессе манипулирования.
1.4. ДОМАШНИЙ РОБОТ
Тринг полагает, что существует два возможных пути реше-
ния проблемы тяжелого домашнего труда. По первому пути пошли
некоторые архитекторы, предложившие проектировать жилища
таким образом, чтобы ни пыль, ни грязь никоим образом не могли
в них проникнуть. Такой дом, по сути дела, выглядел бы как опе-
рационная больницы. Второе решение представляется значи-
тельно более приемлемым для обычного неряхи. Оно состоит
12
в том, чтобы создать механический вариант горничной виктори-
анской эпохи для выполнения нудных и тяжелых работ по уборке
и чистке всего долга.
Трингу представляется, что такой робот будет иметь тело
высотой около 1 м и одну руку, выходящую из его верхней части
и состоящую из двух секций, каждая по 1 м длиной с сильной
кистью на конце. Такая рука была бы в состоянии охватывать
рабочее пространство, ограниченное сферой радиусом 2 м с цен-
тром, расположенным на расстоянии 1 м от земли, так что кисть
могла бы подниматься на высоту 3 м и опускаться до земли вну-
три окружности радиусом почти 2 м. Кисть должна поднимать лю-
бой предмет массой до 40 кг или в некоторых случаях всего 10 кг
на вытянутой руке.
Этому домашнему роботу потребуются тактильные и зритель-
ные датчики. Тринг представляет себе такого робота накры-
вающим на стол и убирающим со стола, загружающим посудо-
моечную машину, стелющим постели, моющим полы, ванны,
раковины и стены, вытирающим пыль, подметающим и убира-
ющим мусор, стирающим, гладящим и сушащим одежду и гото-
вящим еду. Поскольку приготовление пищи представляет собой
творческую деятельность, робота возможно придется ограничить
такими кухонными заданиями, как чистка картофеля.
1.5. ПОВСЕДНЕВНЫЕ РОБОТЫ
Этот робот уже с нами. Роботоподобные устройства появились
совершенно незаметно, и мы настолько свыклись с ними, что
даже не замечаем их существования [24]. Мы едем на автомобиле
по дороге и подчиняемся сигналам, подаваемым нам роботом-
регулировщиком, который заменил полицейского с жезлом.
Иностранцев, приезжающих в Англию, забавляет то, что англи-
чане подчиняются сигналам, подаваемым этими роботами даже
в 2 ч ночи, когда движение на дорогах незначительно или вовсе
отсутствует. На кухне домохозяйка переложила часть своей
домашней работы на робота — стиральную машину и робота-
посудомойку. Мы звоним на континент: подключение полностью
осуществляют роботы, причем совершенно удивительные роботы,
которые осуществляют подключение к нужной линии по любому
каналу, даже если какая-то часть телефонной станции вышла
из строя.
Цифровая вычислительная машина представляет собой вид
неподвижного робота, который влияет на все стороны нашей
жизни. В некоторых случаях программы, задаваемые вычисли-
тельной машиной, управляют работой станков на заводах [27,
28]. В настоящее время эти программы довольно жесткие, они
бессильны перед неожиданными неисправностями. Тем не менее
надежность работы такого оборудования непрерывно повыша-
ется.
13
В промышленности сейчас используются очень длинные и
сложные автоматические поточные линии. Эти линии полностью
автоматизированы и должны быть очень надежными, поскольку
стоимость их остановки может достигать 1000 фунтов стерлингов*
за минуту вынужденного простоя. Однако случается, что и
такие линии выходят из строя.
Автору посчастливилось быть свидетелем одной из таких
крайне редких остановок автоматической поточной линии на
заводе, производящем блоки цилиндров автомобильных двига-
телей. Линия остановилась, и люди забегали во все стороны.
Один электрик подбежал к пульту электронного управления,
находившемуся рядом с автором. Он взглянул на картину огней
на пульте, пробормотал про себя: «Механическая неисправность
в «шестерке»,—помчался к блоку номер шесть этой поточной ли-
нии, ликвидировал механическую неисправность, и линия вновь
была запущена. Все это выглядело весьма впечатляюще, причем
особенно примечательно то, что, хотя неисправность была меха-
нической, именно электрик разрешил конфликт, невзирая на
разделение сфер обязанностей. Такие поточные линии весьма
негибки, и поэтому для повышения их общей надежности необ-
ходимо срочно внедрить саморемонтирующиеся робототехниче-
ские системы.
Типичные результаты внедрения полностью автоматизиро-
ванного производственного оборудования приведены Владиев-
ским [58]. Персонал, необходимый для обслуживания автома-
тической линии по производству поршней, был уменьшен со 115
до 6 чел., при этом выход продукции увеличился с 17 000 до
23 000 изделий на одного работника, а стоимость поршня умень-
шилась с 0,96 до 0,83 руб. Тем не менее, хотя фактически занятый
производственный персонал был резко сокращен, общее число
требующихся работников было уменьшено всего лишь со 123
до 106; этим объясняется относительно небольшое увеличение
выхода продукции на одного рабочего по сравнению со значи-
тельным сокращением фактически занятого обслуживающего
персонала. Особый интерес представляет то, что фактически на
такой линии физический труд человека заменяется умственным
трудом, и, следовательно, людские ресурсы используются более
эффективно.
На почту поступает огромное количество писем и посылок,
поэтому там внедряются всевозможные устройства не только
с целью уменьшения числа занятых работников, но и для значи-
тельного повышения скорости обработки почтовых отправлений.
Автоматическое сортирующее устройство отделяет письма от
посылок. Автоматические устройства располагают конверты та-
ким образом, что все марки оказываются в одинаковом поло-
жении, а затем разделяют корреспонденцию первого и второго
* 1 фунт стерлингов = 1 р. 66 к. (на декабрь 1973 г.).
14
классов и гасят марки. В настоящее время письма кодируются
работниками, читающими почтовый код или адрес, затем Они
сортируются в соответствии с кодом места назначения, нанесен-
ным на них фосфоресцентными точками. Необходимое вмеша-
тельство человека сведено к минимуму. В Израиле предложена
система, которая позволит обойтись и без почтового кода города:
отправителя попросят лишь указать место назначения точкой
на карте.
1.6. РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА
ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ ПАССАЖИРОВ
Робототехнические устройства уже применяются в некоторых
местах, где люди даже не замечают их появления. На новой ли-
нии лондонского метро используются самоуправляемые поезда
[8, 9]. Само по себе это не ново [22], ибо уже на протяжении
многих лет лондонское почтовое ведомство пользуется системой
подземных поездов без водителей для перевозки почты между
сортировочными участками [23, 34]. В настоящее время надеж-
ность автоматического поезда настолько высока, что обслужи-
вающий персонал на линии «Виктория» состоит из одного чело-
века, а его функции сводятся к простому наблюдению. Отправле-
ние и остановка поездов осуществляются автоматически, так же
как ускорение и замедление движения. Если приборы сигнали-
зируют опасность, поезд автоматически останавливается и воз-
обновляет движение только тогда, когда появляется сигнал,
указывающий, что путь впереди свободен. Стрелочник на этой
линии заменен роботом с программным управлением, который
всю неделю отправляет поезда по заданным маршрутам в соот-
ветствии с расписанием. Центральный пульт управления этой
линией, находящийся в Юстоне, обслуживается персоналом из
двух человек. Впрочем, они вмешиваются и берут на себя управ-
ление только в случае крайней необходимости. В остальном
их задача сводится к наблюдению за работой робототехнической
системы.
Пассажирам незачем размышлять о революционной сущности
системы, осуществляющей их перевозку. На протяжении многих
лет создание пассажирского робота-поезда считалось возмож-
ным, и вот, наконец, он существует. Интересно, сколько пройдет
времени, прежде чем присутствие человека-машиниста в каждом
поезде перестанут считать обязательным [56, 57, 73, 74]?
Во Вьетнаме перед пассажирским поездом пускали автомати-
ческий железнодорожный вагон, который использовался как
для проверки пути, так и в целях защиты от возможных дивер-
сий [60]. Такой робот может взрывать мины и сигнализировать
машинисту следующего за ним поезда о любых препятствиях на
пути. Он может двигаться со скоростью 65 км/ч. Этот вагон ча-
стично управляется идущим следом поездом: для командных
15
сигналов используется частота 144 МГц, для предостерегающих
сигналов—27 МГц. Эту разработку предполагается использо-
вать и для других целей, часть которых относится к более мир-
ным областям [61]. Автор был, например, свидетелем применения
вагонетки с дистанционным управлением на частотах порядка
60 МГц для доставки пассажиров по воздушной канатной дороге
к нефтяной скважине в океане.
Первые модели бортовых миноискателей автоматически при-
водили в действие тормоза «джипа», как только на дороге обна-
руживалась мина [65]. В Северной Ирландии использовалось
робототехническое средство, известное под названием «Иешуа»,
которое дистанционно управлялось посредством гибких про-
водов. Как только возникало подозрение, что в брошенном авто-
мобиле находится мина-ловушка, «Иешуа» подкатывал к этому
автомобилю, разбивал оконное стекло и бросал внутрь пакет
со взрывчаткой, которая уничтожала автомобиль вместе с его
смертоносным содержимым.
Существуют отдельные проекты создания высокоскоростных
пассажирских транспортных средств, управляемых роботом [25,
25а, 26, 29, 36, 41—43]. Представляется, однако, несколько пре-
ждевременным обсуждать способ управления автомобилем, в ко-
тором предполагается присутствие пассажиров и который дви-
жется по дороге шириной 12 м и со скоростью 50 км/ч без води-
теля. Такое транспортное средство каждую секунду покрывает
расстояние в 14 м, т. е. большее, чем ширина дороги, и, управляя
им, водитель должен видеть как можно дальше, чтобы избежать
катастрофы, что непременно должно быть принято во внимание
при теоретическом исследовании вопроса. Надежда на высо-
кую скорость реакции представляется весьма шаткой, поскольку
игнорируется не только практическая невозможность создания
механизма, имеющего столь гибкое управление, но и истинная
природа контакта между колесами и дорогой. В дождливую
погоду, как мы знаем, управление может быть потеряно.
1.7. КОПИРУЮЩИЕ РОБОТЫ
Одним из наиболее значительных достижений последних
лет в применении робототехнических устройств представляется
использование вычислительных машин для копирования дей-
ствий человека-оператора. Например, на сталепрокатном заводе
оператор должен контролировать скрепление болтами стальных
валков, между которыми проходит стальная заготовка. Эта
работа требует большого умения, поскольку необходимо как
можно быстрее уменьшить толщину заготовки до ее охлаждения.
Если стремиться к сильному утоньшению и подогнать валки
слишком близко друг к другу, то стальная заготовка не пройдет,
непреодолимое препятствие встанет перед неподвижным предме-
16
том и устранение возникшей неполадки займет много драго-
ценного времени.
В настоящее время можно установить вычислительную ма-
шину, которая будет наблюдать за действиями человека-опера-
тора в течение нескольких месяцев, регистрируя удачные опе-
рации и пропуская неудачные. Затем эта вычислительная машина
может принять на себя функции человека-оператора. Таким
образом, перед нами встает серьезная социальная проблема:
что станет с ненужным больше работником? Нам необходимо
срочно решить, как справиться с такого рода проблемой.
Подвижные робототехнические устройства фактически уже
используются для загрузки и разгрузки станков; в промышлен-
ности появляются и такие подвижные робототехнические устрой-
ства, как «Роботаг» [31, 32], используемые для транспортировки
грузов из одной точки в другую в соответствии с программой,
задаваемой человеком. Проекту «Голем» недостает только средств,
чтобы воплотиться в реальность. Растущая потребность должна
привести к появлению соответствующих средств. Чтобы убедиться
в этом, достаточно вспомнить о таком хорошо известном роботе,
как автопилот, используемый в авиации.
Когда роботы наконец придут к нам на помощь, мы постепенно
перестанем замечать их, так же как перестали замечать и удив-
ляться автоматической стиральной машине, посудомоечной ма-
шине или автомату для смены пластинок в наших проигрыва-
телях. Это произойдет тогда, когда мы сможем производить их
в больших количествах и, следовательно, сделаем их экономи-
чески выгодными. Чем более универсальными будут наши роботы,
тем дешевле они будут стоить.
Мы перестанем их замечать, за исключением тех случаев,
когда они сломаются и потребуют ремонта. Тогда-то мы и осо-
знаем, насколько важное место заняли они в нашей повседнев-
ной жизни.
1.8. ЭКОНОМИКА РОБОТОВ
Опыт автора по разработке, производству и реализации авто-
матических электронных управляющих устройств привел его
к выводу, что в промышленности занято множество людей, кото-
рые либо совершенно не имеют представления о затратах своего
предприятия, либо, что более вероятно, не имеют возможности
всесторонне ознакомиться с ними из-за определенной позиции
администрации.
При решении вопроса о том, какой вид оборудования лучше
подойдет для выполнения того или иного конкретного задания,
обычно руководствуются соображениями близкой выгоды. Очень
часто делают неправомерный акцент на начальной стоимости
оборудования. С другой стороны, рассмотрению таких показа-
телей, как надежность, уделяется значительно меньше внимания
17
при выборе оборудования, хотя именно эти показатели зачастую
связаны с большими и постоянно возобновляемыми накладными
расходами, идущими, например, на ремонт и оплату простоя
промышленного оборудования. Именно величина эксплуатацион-
ных расходов на станки и оборудование будет важнейшим показа-
телем при всестороннем экономическом анализе. Часто это оче-
видное соображение полностью игнорируют: рассматривают воп-
рос о сиюминутных денежных затратах, забывая о долгосрочных
затратах на эксплуатацию и ремонт оборудования. Один из
формально-логических принципов оценки нового оборудования,
предназначенного для любого конкретного применения, будет
изложен ниже (стр. 277).
Тем не менее интересно было бы на данном этапе рассмотреть
возможные экономические последствия внедрения в промышлен-
ность робототехнического оборудования. В наши дни обычно
имеется возможность арендовать дорогостоящее оборудование
и таким образом уменьшать капитальные затраты, хотя, без-
условно, выплачиваемый процент обычно довольно высок. Даже
на арендованном оборудовании, которое используется только при
односменной работе, общая стоимость некоторых операций ока-
зывается ниже стоимости труда рабочего. Это особенно наглядно
проявляется в тех случаях, когда работа утомительна для чело-
века, что ведет к высокому проценту брака.
Если арендуемое робототехническое оборудование исполь-
зуется в три смены, общие эксплуатационные расходы, аморти-
зационные отчисления и т. д. могут составлять всего лишь одну
треть от аналогичных затрат при человеке-операторе, даже если
считать, что один робот может выполнять обязанности только
одного человека. При наличии средств на непосредственную
закупку робототехнического оборудования, если предположить,
что период окупаемости составит 10 лет, общая стоимость робота ?
при тех же условиях замены уменьшится до одной пятой стоимости
труда человека-оператора.
Ни одна обращенная в будущее прогрессивная отрасль про-
мышленности не может игнорировать эти цифры, даже если в ка-
ких-то отдельных случаях они будут не совсем точны. Ни одно
акционерное общество не может допустить, чтобы его правление
игнорировало подобную информацию. Ни один дальновидный
профсоюз не может позволить себе просмотреть эти цифры, не
сделать все возможное для того, чтобы содействовать внедрению
робототехнических методов везде, где это только возможно, для
облегчения тяжелого труда своих членов, в то же время гаран-
тируя им долю в прибылях и оберегая их в прочих отношениях
от жестоких последствий этой новой ступени прогресса *.
* Один из ораторов Союза рабочих сталелитейной промышленности США
как-то заявил: «В принципе мы не против использования этих устройств. Мы не
верим, что кто-то может противодействовать подобного рода прогрессу» [21 ].
18
Многие профсоюзы отдают себе отчет о грозящей опасности
[75]. Например, одна американская компания, планирующая
ввести лазерный метод разрезания ткани для шитья одежды
с управлением от вычислительной машины, решила переквали-
фицировать всех высвободившихся рабочих. Лидеры заинтересо-
ванного профсоюза готовы были принять эту машину при усло-
вии, что рабочих не будут увольнять и не снизят им заработную
плату [10, 35]. Это — мудрая мера, но следует признать, что она
кратковременна, поскольку не будет необходимости в найме но-
вых рабочих по мере того, как старые станут уходить на пенсию
или увольняться.
Приближается эра роботов,, и именно роботов общего назна-
чения. Конечно, сегодня мы располагаем трудно завоеванным
знанием экономики, для того чтобы избежать повторения тех
бедствий, которые автор наблюдал в 1930-х годах и которые
еще слишком свежи в памяти *. И все же мы должны с осторож-
ностью относиться к предсказаниям экономистов, часть которых
слишком увлечена экстраполяцией кривых, иллюстрирующих
события прошлого.
Менее 10 лет прошло с тех пор, как известный
экономист, консультировавший руководителей промышленных
предприятий, очень уверенно предсказывал, что к концу столе-
тия население Британских островов составит от 30 до 40 млн. жи-
телей, основывая свои предсказания на экстраполяции, предпо-
лагаемой эмиграции из Англии и промышленных перспективах
страны. Ну, что ж, нам осталось недолго ждать, чтобы убедиться
в его ошибке!
Ниже приводятся выдержки из лекций знаменитого эконо-
миста.
«Существуют различия во мнениях относительно тенденций
роста населения в будущем.
К сожалению, сейчас этот прогресс может стать чрезвычайно быстрым. Из
Калифорнии мы узнаем о роботе—сборщике винограда, который заменяет
40 рабочих. Это механическое устройство может работать круглосуточно, так что
фактически оно может заменить 100 или даже более рабочих — вероятно, бедных
поденщиков, существование которых зависит от таких случайных заработков.
Американская машина для сбора ягод имеет гидравлические пальцы, которые
стряхивают ягоды за счет вибрации с амплитудой около 3 см и частотой, изменя-
ющейся от 600 до 1350 колебаний в минуту [75]. В Англии робот для сбора чер-
ной смородины приводится в движение либо трактором, либо собственным дви-
гателем в 25 кВт. Он трясет ветки с частотой 1500 колебаний в минуту и амплиту-
дой 5 см и медленно вращает их за счетвибрации тяжелых частей. Три независимых
друг от друга вибратора один за другим направляют ягоды в расположенные сзади
ящики. Сборочной тележке требуются три водителя-оператора, тем не менее до-
стигается экономия в 10 фунтов на каждую тонну ягод, поскольку машина заме-
няет 500 сборщиков.
Будем надеяться, что мы сможем сочетать технический прогресс с гуман-
ностью.
* Автор имеет в виду экономический спад 30-х годов в ряде капиталистиче-
ских стран, сопровождавшийся массовой безработицей (Прим. ред.).
19
1. Уровень смертности и рождаемости в Англии может пони-
зиться. Рождаемость уже падала в 30-х годах. На этом основа-
нии самый плохой прогноз — 15 млн. чел. населения в 2050 г.
2. Коэффициент прироста рождаемости составляет приблизи-
тельно 2,7. Население, если оно сохранится на этом уровне,
составит в 2050 г. 45 млн. чел.
3. Многие экономисты указывают промежуточную цифру
в 30 млн. чел. в 2050 г.
Не следует пренебрегать возможными последствиями массо-
вой эмиграции ближе к концу столетия».
В официальном справочнике Центрального управления ин-
формации «Британия» за 1960 г. дана цифра 74 574 000 чел.
в 2000 г. (В более позднем выпуске официального бюллетеня
«Попьюлейшн прожекшнс», 1972, № 2 предсказывается
66 млн. чел. в 2011 г.)
Мне кажется, что следует остерегаться таких экспертов в эко-
номической области, которые недостаточно сведущи в возмож-
ностях техники, чтобы ясно представлять себе будущее. Возврат
к состоянию 30-х годов весьма реален, если своевременно не
принять мер предосторожности. Осталось совсем немного вре-
мени до того, как роботы общего назначения станут продаваться
по очень низкой цене и превратятся в такую же массовую продук-
цию, как телевизионные приемники или стиральные машины;
из-за их низкой стоимости они смогут широко применяться в про-
мышленности.
Даже сейчас в некоторых отраслях промышленности один раз
каждые пять лет рабочим предоставляется 13-недельный отпуск
[45], а современные исследования в области роботостроения
позволяют предположить, что к 2000 г. рабочий день составит
7,5 ч при четырехдневной неделе и 39 рабочих неделях в году
[46]. У нас будет значительно больше свободного времени.
Однако, согласно приведенным исследованиям, увеличению коли-
чества свободного времени рабочие отводят последнее место в спи-
ске своих пожеланий [47, 48]. Если нам достанет благоразумия,
мы должны уже сейчас готовиться к будущему веку обилия сво-
бодного времени, чтобы, когда придет наша очередь и нас объ-
явят высвобожденными, это не слишком выбило бы нас из колеи.
1.9. РОБОТЫ И ИЗБЫТОК РАБОЧЕЙ СИЛЫ
Существует широко распространенный, хотя и полуприкрытый
страх перед будущим внедрением роботов в промышленность и
торговлю. Повлечет ли это за собой массовую высвобождаемость
и безработицу? Наиболее вероятный ответ в настоящее время —
«Да!»
В прошлом внедрение новой техники, например механизация
и автоматизация отдельных процессов, всегда приводило к сни-
жению потребности в рабочей силе, и нет оснований полагать,
20
что эта тенденция не продолжится в будущем. Однако в недавнем
прошлом внедрение любой новой техники было сравнительно
постепенным и совпадало с постепенным ростом индустрии.
Благодаря этому было возможно перераспределять избыточных
рабочих.
Сами люди до некоторой степени способствовали замедлению
внедрения новой техники как официальными, так и неофициаль-
ными путями. Такая тенденция в одних странах была более рас-
пространена, чем в других, и была особенно характерна для
стран с долгой и мучительной историей развития промышленно-
сти. Это зависело также от степени подготовленности рабочих
к решительным действиям независимо от того, объединены ли
они в профсоюзы. У рабочих, страдавших в прошлом из-за дли-
тельной массовой безработицы, естественно, появляется жела-
ние, чтобы прошлое больше не повторилось.
Важно также отметить, что этот процесс замедлялся уже
в силу значительности самих капиталовложений при внедрении
узкоспециализированных, рассчитанных на одну операцию, ав-
томатов, которые до сих пор проектировались и использовались.
Теперь же можно предсказать скорое появление робота общего
назначения, способного к выполнению не одной, а множества
различных операций в промышленности и торговле. Когда это
произойдет, утверждение, что замена человеческого труда машин-
ным требует чрезмерных капитальных затрат, перестанет быть
справедливым.
Согласно современным данным, продажная цена промышлен-
ных моделей роботов типа «Астра» [11, 12], разработанных
в Астоне (их описание будет приведено ниже), сравняется с ценой
цветных телевизоров. Даже эти простейшие обучающиеся машины
смогут воспроизводить действия оператора, управляющего, к при-
меру, токарным станком или конвейером. Новейшие роботы типа
«Астра», разработка которых ведется в настоящее время, смогут
выполнять значительно более сложные и разнообразные операции
и в большей степени подчиняться требованиям оператора и среды.
К тому же они будут подвижными.
Что же нам делать, когда эти робототехнические устройства
общего назначения, не требующие крупных капиталовложений,
будут продаваться на рынке? Вероятно, появится множество без-
работных или людей, не полностью занятых. В прошлом под
этим подразумевалась просто бедность. По словам Антони Кон-
иоула, президента профсоюза рабочих автопромышленности США,
«. . . роботам не нужно перерыва на чашечку кофе, они не вступают
в профсоюзы, никогда не жалуются и в течение длительного
времени могут работать не уставая и не требуя зарплаты. Не ме-
нее верно и то, что они ничего не покупают» [53]. Над этим глубо-
ким замечанием следует хорошенько поразмыслить всем тем,
кто сталкивается с проблемой увольнения того или иного рабо-
чего как более ненужного. В развитом капиталистическом госу-
21
дарстве об этом предпочитают умалчивать, однако ни одна от-
расль промышленности не сможет процветать, если не обеспечить
ей множество преуспевающих и жадных до покупок потребителей.
Будет ли в будущем мире роботов повсеместная нищета?
Разумеется, нет никакой необходимости в том, чтобы появление
роботов несло с собой нищету: если дешевый труд роботов заме-
нит собой человеческий труд — речь идет о постоянной замене —
окажется вполне возможным понизить продажную стоимость
производимых товаров относительно средней стоимости человече-
ского труда. При таких условиях снижение средней продол-
жительности рабочей недели будет не только возможным, но и
необходимым. Не следует, однако, думать, что этот процесс прой-
дет безболезненно.
Если мы считаем себя дальновидными, то следует готовиться
к этой будущей жизни уже сейчас, потому что остановить ее
приход мы не властны. По крайней мере, мы должны уже сейчас
планировать использование возросшего свободного времени, ко-
торое станет неотъемлемой чертой человеческой жизни в не
столь уж отдаленном будущем.
Существует, впрочем, одно обстоятельство, связанное с появ-
лением роботов, на котором никогда прежде не акцентировалось
внимание. А именно: нельзя ожидать, что настоящего робота
общего назначения возможно будет обучить успешному испол-
нению любой сложной задачи быстрее, чем воспитать всесторонне
развитого человека. Это обстоятельство должно успокоить тех,
кто слишком волнуется по поводу будущей революции роботов.
В то же время робот способен учиться 24 ч в сутки и его учителем
может быть любой уже обученный робот.
Другое важное обстоятельство заключается в том, что у боль-
шинства моделей электронного мозга нетрудно будет стереть всю
предыдущую память. Согласно наблюдениям французского фи-
зиолога Клода Бернара, в изучении нового зачастую мешает
именно то, что мы, как нам кажется, уже знаем, а робот вполне
может быть освобожден от этой специфики человеческого мозга.
В настоящее время существует лишь очень немного дорогих
промышленных моделей робота-погрузчика. Даже в фирме «Дже-
нерал Моторе» их используется меньше 30, и все они заняты на
сварочных операциях. В подобных обстоятельствах рабочим
нечего бояться, и они могут позволить себе нежно обращаться
к таким производственным роботам, как «Хитклиф», «Железный
Чарли», «Челзи» или «Клайд-клешня». Когда на штамповочной
фабрике около Чикаго сломался робот, рабочие посылали ему
цветы и открытки с надписью «Поправляйся», адресованные
«Больному Клайду». Изменится ли это отношение, когда число
роботов возрастет до таких размеров, что угроза потери места
распространится на большее число рабочих? Или же будут при-
ветствоваться и использоваться возможности возросшего сво-
бодного времени при отсутствии снижения заработка?
22
1.10. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РОБОТОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
И КОНТРОЛЯ
Кроме функций домохозяйки и использования в производ-
ственных процессах роботы могут также применяться в про-
мышленности для целей испытания и контроля [1, 13—17, 33,
44, 59, 63, 64, 67]. Такое использование и в самом деле таит в себе
серьезное преимущество, поскольку даже при самой бесконечно
повторяемой операции «внимательность» робота не ослабеет,
ибо робот не знает усталости. Широко известна повышенная
утомляемость промышленных контролеров. Опыт показывает,
что, если кто-то из бетонщиков не уверен в качестве своей работы,
лучше всего представить ее на проверку перед обеденным пере-
рывом (если запоздаешь, проверку могут отложить до следующего
утра, когда контролер вновь почувствует себя свежим). Кон-
тролер-робот не подвержен подобной утомляемости.
Основные возможности автоматического испытания и контроля
были выявлены в проведенном Пиллингом и автором исследо-
вании перспектив автоматического производства цепей предохра-
нителя фирмы HRC [18]. В этом случае функции испытания
и контроля совершенно необходимы для осуществления инфор-
мационной обратной связи к производственным машинам. Дру-
гой типичный пример — оборудование, спроектированное авто-
ром для проведения целой серии автоматических испытаний
электромагнитных контакторов. Сюда входили автоматические
испытания на шумность работы. В процессе таких испытаний
человек-оператор допускает значительные ошибки, если только
он не обеспечен специальным оборудованием для измерения
шума.
Робототехническое испытательное оборудование необходимо
для автоматических повторных испытаний на долговечность и
самого производственного оборудования. Одним из первых при-
меров такого оборудования, с которым автор был непосредственно
связан, являлось устройство для испытаний на долговечность
сухих элементов батарей. Другой типичный испытательный при-
бор был предназначен для повторных испытаний на долговеч-
ность реле выдержки времени, содержавших полупроводниковые
элементы. Это испытательное устройство было спроектировано
Б. В. Харвисом и автором в целях замены ученика, который
до этого проводил данный вид испытаний [19]. Испытуемое реле
подсоединялось к испытательному устройству, которое подавало
на реле питающее напряжение. В этот момент в испытательном
устройстве включался счетчик времени. По прошествии опреде-
ленного времени, установленного на реле, оно должно было
сработать. Если реле срабатывало, тестирующее устройство на
некоторое время оставляло его под напряжением, затем на неко-
торое время отключало, после чего контрольный цикл повто-
рялся. Если, однако, проверяемое реле включалось более чем
23
на 1/50 с раньше или позже, устройство фиксировало этот факт,
прекращало испытание, записывало ошибочное время, при кото-
ром сработало реле, и давало сигнал тревоги, вызывающий чело-
века для установления причины сбоя.
Отметим, что это оборудование оказалось способным обнару-
жить почти любое отклонение от нормы в ранних моделях полу-
проводникового реле, даже такие отклонения, которых не могли
обнаружить в процессе прежних предварительных испытаний,
где в качестве оператора использовался ученик. Благодаря этому
устройство стало известно под названием «Автоматический
ученик».
Автоматическое испытательное оборудование начинает зани-
мать в промышленности все более важное место, особенно с уве-
личением сложности выпускаемого оборудования и одновремен-
ным возрастанием стоимости квалифицированного человеческого
труда, необходимого для его проверки. Сложное электронное
оборудование может за одну минуту произвести целую серию
тестов, а их программу можно изменить введением в автомати-
ческое испытательное устройство различных карточек-указаний.
Если обнаруживается какой-либо дефект, контролирующее уст-
ройство останавливается и указывает причину неполадки [76].
Чтобы система радиовещания была надежной, необходимо
только в одной Британии иметь 70 отдельных радиостанций, ко-
торые действуют полуавтоматически, т. е. без постоянного наблю-
дения со стороны человека. Когда появились автоматические
системы, члены Ассоциации служащих радиовещания пришли
к решению, что их внедрение высвободит служащих для испол-
нения более ответственных заданий и тем самым позволит
им накопить больший опыт и повысит возможность продви-
жения [68].
В настоящее время робототехнические устройства приме-
няются в больницах, освобождая санитарок от функции непре-
рывного ухода за больным [50, 70].
1.11. ПРИМЕНЕНИЕ РОБОТОВ
В НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ СРЕДАХ [71]
В некоторых случаях, когда среда неблагоприятна для чело-
века, применение робота было бы наиболее целесообразным.
Роботам, например, не нужно потреблять кислород из окружа-
ющего воздуха. Следовательно, их можно применять под водой,
в безвоздушном пространстве или в атмосфере, насыщенной
отравляющими веществами.
Подвижные робототехнические устройства активно проекти-
руются и используются для изучения Луны и планет, а неподвиж-
ные, типа «Сервейора» [49], уже применяются на Луне. Когда
придет время изучения Юпитера, ни один человек не сможет там
существовать, а робот, по всей вероятности, сможет.
24
Потребность в таких устройствах возникает и значительно
ближе к нам, например при обследовании и ремонте канализа-
ционных систем. Существует множество сред со слишком высо-
кими для человеческого организма температурами. В настоящее
время ведутся активные работы по проектированию робота-
пожарного [72], который бы не только обнаруживал, но и тушил
пожары. Сейчас еще многие люди страдают от заболеваний,
вызванных работой в таких условиях, где температура окру-
жающей среды либо слишком низка, либо слишком высока,
либо среда слишком загрязнена или опасна для человеческого
организма. Даже с точки зрения простой гуманности здесь срочно
требуется внедрение роботов.
Взять, например, угольные шахты: современная тенденция
к повышенной механизации почти наверняка приведет в конце
концов к появлению робота-шахтера. Примером применяемого
в шахтах робототехнического устройства является автоматиче-
ский забойщик, который поддерживает определенную толщину
угольного пласта на своде, чтобы предохранить крошащуюся
породу от обвалов. Для контроля толщины используется радио-
активный датчик, состоящий из иодисто-цезиевого излучателя
и приемника на фотоумножителе, так что толщину невидимого
угольного слоя можно поддерживать постоянной. Подсчитали,
что ежегодно это устройство, стоящее 8000 фунтов стерлингов,
добывает угля на сумму 130 000 фунтов стерлингов. Успешное
использование таких подконтрольных роботов ведет к созданию
более прогрессивных устройств типа двустороннего «Никоде-
муса» [69].
Автору удалось установить, что иногда использование про-
стейших электронных промышленных устройств позволяет осво-
бодить человека от работы в настолько загрязненной атмосфере,
что для человеческого организма она едва переносима. В ско-
ром времени человеку больше не нужно будет обжигать ступни,
разгружая печь для обжига кирпича, не потребуется также на-
тягивать на себя блестящую жароотражающую одежду, чтобы
приблизиться к доменной печи и выпустить из нее расплавлен-
ный металл.
Проектирование конечностей робота: рук и кистей — в зна-
чительной степени стимулируется потребностью в таких приспо-
соблениях в тех отраслях, где приходится иметь дело с радиоак-
тивными и взрывчатыми веществами. Иногда по отношению
к этим устройствам применяют термин «телехирик». Он заимство-
ван из греческого и означает «отдаленная рука».
В некоторых случаях возможно дистанционное электрическое
управление робототехническим устройством с помощью человека-
оператора. Однако, к сожалению, встречаются и такие случаи,
когда это трудно или невозможно. Например, управление робото-
техническим устройством на далекой планете представляется весьма
сложным, так как время прохождения сигналов со скоростью
25
света от земли до планеты составляет несколько секунд и пере-
дача информации о результатах операции также занимает не-
сколько секунд [20, 30, 40, 51, 52].
Некоторые модели робототехнических устройств имеют то
преимущество, что могут работать в полной темноте. Например,
нет необходимости освещать туннель, по которому движется управ-
ляемый роботом почтовый поезд. Уже сейчас подвижные роботы
используются для обследования внутренней поверхности дре-
нажных и нефтяных труб малого диаметра длиной до 14 км [54].
1.12. ДАТЧИКИ РОБОТА
Роботы должны быть снабжены определенными датчиками ощу-
щений, чтобы они могли успешно выполнять задания, обходясь
без вмешательства человека. Некоторые из них будут анало-
гами органов чувств человека, таких, как слух, зрение, тактиль-
ная чувствительность. Однако не обязательно ограничиваться
человеческими органами чувств. Робота можно заставить вос-
принимать радиоволны, ультразвуковые колебания, ультрафио-
летовое излучение или электрические сигналы путем простого
подсоединения к его «центральной нервной системе» нужных
датчиков, дающих на выходе удобный электрический сигнал.
В больнице робот-анестезиолог может осуществлять непо-
средственный контроль за дозировкой анестезирующего средства
в соответствии с уровнем электрических ритмов человеческого
мозга, определяемым электродами элекгроэнцефалографа, уста-
новленными на голове пациента [62].
В настоящее время разработки сенсорных устройств робота
в немалой степени стимулируются потребностью во внешних
устройствах для цифровых вычислительных машин. Во всем мире
разрабатываются различные виды этих устройств. Исследуются
различные устройства для распознавания образов, искусственные
глаза для чтения букв и цифр, искусственные уши для восприя-
тия речи, различные виды тактильных датчиков и другие аналоги
органов чувств. Есть надежда, что какая-то часть этих исследо-
ваний облегчит решение проблемы общения между человеком,
вычислительными машинами и другими устройствами. Разу-
меется, любые из разрабатываемых сейчас устройств приго-
дятся впоследствии для использования в роботах.
Существуют органы чувств животных, которые мы до сих пор
еще не научились воспроизводить. Наиболее сложными из них
являются вкусовые и обонятельные. К счастью, пока они не
представляют особой важности. Не подлежит сомнению, что если
бы они стали необходимы, то начались бы исследования воз-
можных путей их воспроизведения.
Было бы удобно, если бы органы чувств робота обладали
всеми свойствами органов чувств человека и животных. Весьма
полезным является, например, свойство аккомодации. Как только
26
происходит внезапное изменение в стимуляции нервной клетки
животного, резко возрастает выход нервных импульсов в нерв-
ную систему. Если, однако, дальнейшая стимуляция сохраняет
неизменную величину, нервная активность падает (см. рис. 2.1).
По существу эта активность представляет собой форму квазидиф-
ференциации реакции при изменении воздействия. Такой вид
активности, по-видимому, основной в нервной системе животных,
причем он не сводится только лишь к временной области. Напри-
мер, в сетчатке глаза, вероятно, имеется некая форма простран-
ственной квазидифференциации, которая обеспечивает эффект
выделения контуров изображения, проецируемого на сетчатку.
Желательно, чтобы такая способность к временной и простран-
ственной дифференциации была введена в число свойств датчиков
нервной системы робота.
Еще одно желательное для робота свойство сенсоров нервной
системы животных состоит в том, что сигнал на их выходе не
прямо пропорционален величине стимуляции, а пропорционален
ее логарифму. Этот закон (известный как закон Вебера—Фех-
нера) позволяет сенсорам животных работать в очень широком
диапазоне интенсивностей стимуляции, и поэтому подчинение
ему желательно для нервной системы робота. Очень интересен
также вопрос, следует ли наделять роботы внутренним чувством
времени. Эксперименты по отключению сенсоров человека позво-
ляют утверждать, что человек, по существу, всецело судит о вре-
мени по внешним событиям и что при отсутствии на входе инфор-
мации от внешних источников утрачивается всякое «чувство
времени». Если это так, нетрудно оснастить стандартный робот
подобием часов или другим времяхранящим устройством, что
будет весьма полезно, поскольку тогда роботу можно будет от-
давать распоряжение о выполнении определенного действия в оп-
ределенное время.
« Список литературы
1. Young John F., Cybernetics, Iliffe (1969).
2. Thring M. W., Automation in the Home, Electron, and Power, 14, No-
vember, 440 (1968).
3. Asimov J., The Perfect Machine, Sci. J., 4, October, 115 (1968).
4. Shelley M. W., Frankenstein.
5. Capek K-, R. U. R. (Rossum's Universal Robots).
6. Asimov I., The Caves of Steel, Galaxy No. 13, 112.
7. Bearcroft K., Automatic Testing and Automatic Test Systems for Com-
munications Systems, Trans. IEEE, COM20, October, 1029 (1972).
8. Robbins R. M., The Victoria Line and its Successors, Electron, and Po-
wer, 16, June, 226 (1970).
9. Smith V. H., Automation on the Victoria Line, Contr. and Instrum.,
June, 37 (1970).
10. Anon., Cutting Cloth by Laser, Time, March 22, 19 (1971).
11. Young John F., Electronic Learning Machine, British Patent Applica-
tion 30657/68. Sponsored by N. R. D. C.
12. Young John F., Cybernetic Engineering, Butterworths (1972).
27
13. Anon., The Automation of Testing, IEE Conference No. 91, September
(1972).
14. Huggins P., Statistical Computers as Applied to Industrial Control, J. Br.
IRE, 14, July, 309 (1954).
15. Sargrove J. A. and Huggins P., Automatic Inspection — The Anatomy
of Conscious Machines, J. Instn Prod. Engrs, 34, September 563 (1955).
16. Sargrove J. A. and Johnston D. L., Automatic Inspection as a Key Ele-
ment in Automation, J. Br. IRE, 17, October, 529 (1957).
17. Sargrove J. A., Automatic Inspection-Cybernetic Machines, J. Br. IRE,
24, September, 241 (1962).
18. Young John F. and Pilling H. W. C., G. E. C. Internal Rep., SWD
18 (1975).
19. Young John F. and Jarvis B.W., G. E. C. Internal Rep., SWD 34 and
SWD 44 (1958).
20. Leslie J. M. and Thompson J. A., Human Frequency Response as a Fun-
ction of Visual Feedback Delay, Hum. Factors, 10, 67 (1968).
21. Rosenblatt A., Robots are Ready to Grapple with Dirty Jobs in Facto-
ries, Electronics, 40, March 20. 165 (1967).
22. Dell R. and Manser A. W., Automatic Driving of Passenger Trains on
London Transport, Proc. Instn Meeh. Engrs, 179, pt ЗА, September (Autom. Rlys
Special), 24 (1964).
23. Mew G. M., The Post Office Railway, Proc. Instn Meeh. Engrs.,179,
pt ЗА, September (Autom. Rlys Special), 39 (1964).
24. Kohl R., Adaptive Control: Toward the Thinking Machine, Mach.
Des., 41, May 1, 156 (1969).
25. Bierman G. R. and Hain J. L., The Automatic Highway, Meeh. Eng.,
90, July, 18 (1968).
25a. Flory L. E., Electronic Control of Highway Vehicles, ЛЕЕ, 7, May,
271 (1971).
26. Gaines B. R. and Andreae J. H., A Learning Machine in the Context
of the General Control Problem, I. F. A. C., June 21, paper 14b (1966).
27. Brewer R. C., The Numerical Control of Machine Tools, Engrs’Dig.,
Lond., Supp. (September, 1959).
28. Brewer R. C., Recent Developments in the Numerical Control of Ma-
chine Tools, Engrs’Dig., Lond., 22, August, 91 (1961).
29. Bender J. G. and Fenton R. E., A Study of Automatic Car Following,
Trans. IEEE, VT18, November, 134 (1969).
30. Ferrell W. R., Remote Manipulation with Transmission Delay, Trans.
IEEE, HFE6, September, 24 (1965).
31. Helps F. G., Driverless Tractor for Materials Handling, J. Br. IRE,
25, March, 273 (1963).
32. Anon., Driverless Tractor Trains, Rly Gaz., 123, 36 (1967).
33. Sargrove J. A., Automatic Inspection, in: Booth A. D. (ed.), Progress
in Automation, Vol. 1, 209, Butterworths (1960).
34. Rossion M., Transportation of Express Mail to the Sorting Post Office
at Brussels South Station, ACEC Rev., No. 3, 24 (1959).
35. Anon., Computers in the Cutting Room, Control Eng., 16, October,
115 (1969).
36. Anon., Radar Controlled Car: A Step Toward Automated Highways, Ind.
Wk, 172, February 14, 65 (1972).
37. ThringM. W., A Robot about the House, New Scient., 22, April 2, 19
(1964).
38. ThringM. W., Man’s Need for Machine Slaves, Physics Bull., 21, 449
(1970).
39. Anon., He Envisages a Creative Society in Which Robots Do Routine
Work, Product Eng., 41, September 28, 24 (1970).
40. Ferrell W. R. and Sheridan T. B., Supervisory Control of Remote Mani-
pulation, IFEE Spectrum, 4, October, 81 (1967).
41. Rosen D. A. et al., An Electronic Route-Guidance System for Highway
Vehicles, Trans. IEEE, VT19, February, 143 (1970).
28
42. Fenton R. E., Automatic Vehicle Guidance and Control, A State-of-the-
Art Survey, Trans. IEEE, VT19, February, 153 (1970).
43. Ishii T. et al., Computer-Controlled Minicar System In Expo 70; An Ex-
periment in a New Personal Urban Transport System, Trans. IEEE, VT21, August,
77 (1972).
44. McAleer H. T., A Look at Automatic Testing, Spectrum, 8, May,
59 (1971).
45. Klausher W. J., An Experiment in Leisure, Sci. J., 4, June,
81 (1968).
46. Kahn H. and Wiener A. J., The Year 2000, Macmillan (1967).
47. Faunce W. A., Automation and Leisure, in: Jacobson, H. and Roucek,
J. S. (eds.), Automation and Society, Philosophical Library, N. Y. (1959).
48. Neuloh O., Automation and Leisure, Sci. J., 4, January, 79 (1968).
49. Anon., Surveyor 1: Preliminary Results, Science, N. Y., 152,
1737 (1966).
50. Anon., Enter the Robot Nurse, Des. Electron., 8, June, 57 (1971).
51. Sheridan T. B. and Ferrell W. R., Remote Manipulative Control with
Transmission Delay, Trans. IRE, HFE4, September, 25 (1963).
52. Smith W. M. et al., Delayed Visual Feedback and Behaviour, Science,
N. Y-, 132, 1013 (1960).
53. Spector L. F., The Robots are Coming—or are They?, Mach. Des., 42,
July 9, 38 (1970).
54. Anon., Pipe Inspecting Robot, Mach. Des., 42, March 5, 40
(1970).
55. Thring M. W., The Robot Age, Engineering, Lond., 209, February, 6,
128 (1970).
56. Guieyesse L., Experience with Automatic Driving of Trains on the Pa-
ris Metro, IEE Conf. Perf. Electrified Elys, October, 1968.
57. Tappert H. et al., Automating the Hamburg Underground, IEE Conf.
Perf. Electrified Rlys, October, 1968.
58. Vladzievskii A. P., First Automatic Plant and its Influence on Automa-
tion, Machs Tool., 41, 17, No. 4 (1970).
59. Sargrove J. A. and Johnston D. L. Automatic Inspection and Control,
in: Grabbe, E., et al. (eds.). Handbook of Automation, Computation and Con-
trol, Vol. 3, Ch. 4, 40 (Wiley, 1961).
60. Morrison T. R. and Jones T. L., A Radio Controlled Rail Vehicle for
Track Inspection and Protection, Proc. IEEE Industry and General Applications
Meet., Michigan, 1969, 215.
61. Morrison T. R. and Jones T. J., Remote Controlled Railway Surveil-
lance Vehicles, Proc. IEEE Industry and General Applications Conf., Chicago,
1970, 339.
62. Bellville J. W. and Attura G. M., How Electronics Controls Depth of
Anesthesia, Electronics, 32, January 30, 43 (1959).
63. Silberstein J. M., Automatic Circuit Checker for Television Receivers,
Electron. Eng., 23, June, 202 (1951).
64. Fichtenbaum M., Computer Controlled Testing Can Be Fast and Reliable
and Economical without Extensive Operator Training, Electronics, 43, January
19, 82 (1970).
65. Doll H. G. et al., Vehicular Mounted Mine Detector, Electronics, 19,
January, 105 (1946).
66. Avis J. M., Harvester Fingers Shake Fruit, Hydrauls Pneum., 25, June,
86 (1972). _
67. Williams R. C. G. et al., The Design of a Universal Automatic Cir-
cuit Tester and its Application to Mass-Production Testing, ЛЕЕ, 94, pt 3, Ja-
nuary, 20 (1947).
68. Wynn R. T, B. and Peachey F. A., The Remote and Automatic Con-
trol of Semi-Attended Broadcasting Transmitters, Proc. IEE, 104B, November,
529 (1957).
69. Hartley D., Automatic Steering of Mining Machines, IEE Colloquium
on Measurement and Control in Coal Mining, May 23, 1972.
29
70. Harrois-Monin F., Automatic Hospitals, Science Vie, 121, May, 118 (1972).
71. Heginbotham W. B., Reasons for Robots, Proc. 1st Conf. Industrial I
Robot Technology, Nottingham, March, 1973, 3.
72. Whitehouse R. B., Antomatic (Fire) Detection Equipment, Electl. Rev.,
192, February, 16, 248 (1973).
73. Friedlander G. D., Bigger Bugs in Bart, Spectrum, 10, March,
32 (1973).
74. Friedlander G. D., A Prescription for Bart, Spectrum, 10, April, 40
(1973).
75. Cooley M. J., Industrial Robots: A Trade Union View of the Social and
Industrial Implications, Proc. 1st Conf. Industrial Robot Technology, Notting-
ham, March 1973 , 223.
76. Conf. Automation of Testing, IEE, Keele, September, 1972.
Глава 2
СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ РОБОТА
2.1. СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА
Анализ сенсорных систем человека [24] представляет интерес
для создателя робота, так как он может встретиться с необходи-
мостью как можно более полно воспроизвести их функции в ро-
боте. Это бывает необходимо, например, в тех случаях, когда
непосредственно на робот возлагается решение задач, которые
обычно решает человек.
Осязанию человека соответствуют четыре отчетливых ощу-
щения, и кожа человека содержит, по-видимому, отдельные ре-
цепторы для каждого из них. Ими являются ощущения холода,
тепла, боли и давления. Чувствительность различных участков
кожи к этим ощущениям различна, и поверхностная плотность
распределения различных типов рецепторов в различных частях
тела не одинакова.
Осязание, по-видимому, должно быть важнейшей функцией
для робота.
Ощущение холода и тепла не имеет такого значения для со-
хранения жизни робота, как для животного, хотя оно и может
играть важнейшую роль, если на робот возложить, например,
задачу поддержания в допустимых пределах жизненно важных
для человека параметров.
На первый взгляд может показаться, что болевое ощущение
совершенно не нужно роботу. Однако способность, эквивалентная
восприятию боли у человека, может быть весьма ценной, если она
предупреждает робот о перегрузке или иной опасности. Это
особенно важно, когда подобная способность робота может защи-
тить человека от болевых ощущений.
Восприятие давления является функцией, без которой робот
не может обойтись. Эта функция может вводиться в робот различ-
ными методами, стандартизация которых вряд ли возможна,
поскольку они отличаются друг от друга в зависимости от на-
значения робота.
2.2. РЕАКЦИЯ РЕЦЕПТОРНЫХ НЕРВНЫХ КЛЕТОК
НА ВОЗДЕЙСТВИЕ
Переходная реакция рецепторных нервных клеток животных
хорошо изучена; совершенно очевидно, что она представляет
собой реакцию с опережением по фазе. При постоянной величине
воздействия частота импульсов нервной клетки сначала резко
возрастает до высокого уровня, а затем экспоненциально спадает
До низкого уровня [2].
31
Исходное значение частотно-временной зависимости, как и ее
установившийся уровень, зависит от величины раздражения.
В таком виде переходная реакция показана на рис. 2.1.
Тем не менее возможность
Рис. 2.1. Переходная характеристика ре-
цепторных нервных клеток
получения частотной хара-
ктеристики рецепторной нерв-
ной клетки вызывает сомне-
ния, связанные с нелинейно-
стью и трудностью определе-
ния выхода, выраженного
в виде числа импульсов
в секунду, поскольку выход-
ной сигнал нерегулярен по
частоте. Однако типичная
реакция определена [1] и
имеет следующий вид:
27 (1 +30р)
(1+5р) (1+0,35Р) ’
Эта реакция с опережением
по фазе в 20° обеспечивается
при отношении граничных частот диапазона 10:1 и при средней
частоте диапазона 0,1 Гц. Несомненно, что и в рецепторах робота
имеет смысл предусмотреть некоторое опережение по фазе, хотя
величина его будет зависеть от системы управления в целом,
рассматриваемой как замкнутый контур с внешней средой в цепи
обратной связи.
2.3. КОЛИЧЕСТВО НЕЙРОНОВ У ЧЕЛОВЕКА
Поскольку робот предназначен для моделирования функцио
нирования, по крайней мере, некоторых сторон нервной деятель
ности человека, полезно привести число нейронов у человека [3]
(табл. 2.1).
Необходимо отметить, что эти величины не могут быть опре-
делены с большой степенью точности, поэтому приводятся здесь
скорее для сравнения, чем для непосредственного инженерного
использования. Мы не ставим себе целью дать точные обобщенные
данные; заметим только, что произведение максимальной пропуск-
ной способности мозга в 50 бит/с па среднюю продолжительность
жизни, скажем 70 лет, дает величину 10го, т. е. того же порядка,
что и количество клеток в мозге. Интересно отметить, что в сред-
нем на каждое нервное волокно приходится около 100 рецеп-
торов и 3000 нейронов центральной нервной системы. Кайдель
считает, что пропускная способность организма человека соста-
вляет 107 бит/с [36].
Согласно Маккалоку, мы не сможем заставить робот произво-
дить какие-либо вычисления, даже самые простые, в 100 парал-
32
дельных каналах одновременно и при этом требовать согласован-
ности в работе, как это происходит в нервной системе живот-
ных [53]. Отсюда маловероятно, чтобы вычислитель какого-либо
робота мог нормально функционировать при таком многообразии
условий, с которыми приходится сталкиваться человеческому
организму *.
Требуя согласованной работы нервных волокон, мы значи-
тельно увеличиваем -вероятность того, что выходной сигнал дей-
ствительно соответствует
некотором}'" входному сиг-
налу, а не просто шуму
или помехе. За опреде-
ленность организм распла-
чивается информацией.
Глаз передает мозгу лишь
сотую долю информации,
которую получает. Одна-
ко вероятность того, что
передаваемая в мозг ин-
формация носит случай-
ный характер, ничтожно
мала и равна 2“100. В этом
и состоит преимущество
отсеивания информации
в отношении 100 : 1 при
передаче ее от глаза
Таблица 2.1
Вид восприятия Сенсорные входы
Рецеп- торы Нервные волокна Пропуск- ная спо- собность канала
Зрение 2-108 2- 10е 5-107
Слух 2- 104 2-104 4-104
Осязание 5-10® I • Ю4 —-
Боль 3-10» — —
Тепло Ы04 1 • 10е —и-
Холод 1-10® — —
Запах 1 • 107 2- 103 —
Вкус 1 • 107 2- 10s —
Всего 3-108 । 3-106 —
в мозг.
Интересно привести следующее сравнение между зрительной
и слуховой системами человека [4, 5]:
Зрительная Слуховая
система система
Количество рецепторов на 1 волокно . . 1.30 1
» нейронов в первичной коре 538-10е 100-10s
» волокон на 1 клетку коры I : 538 1 : 3000
Интерес представляет также количество различных уровней
сенсорных сигналов, которые могут поступать в центральную
нервную систему от тех или иных периферических рецепторов
и различаться человеком. Это количество, как правило, изме-
няется от 3 до 9, хотя возможны и большие вличины [28].
Заметим, что в настоящее время используется несколько
видов протезных сенсорных устройств, причем некоторые из
заложенных в них принципов представляют интерес для робото-
техники. В качестве примера можно привести алфавит Брейля
для общения со слепыми и вибротактильные устройства для связи
через рецепторы кожи [34].
* В настоящее время успехи в построении больших интегральных схем поз-
воляют надеяться на создание надежных и быстродействующих вычислительных
структур (Прим. ред.).
2 Дж. ф. Янг 33
2.4. РЕФЛЕКТОРНОЕ ДЕЙСТВИЕ РОБОТА
Основной задачей рефлекторной деятельности человека и
животного является самосохранение. Желательно наделить робот
подобной рефлекторной способностью, обеспечивающей его жиз-
неспособность. Например, тепловые датчики в кисти руки робота,
быстро срабатывая могут воздействовать непосредственно на
конечностно-двигательную систему. Это позволит при необходи-
мости включить рефлекс отвода конечности и обеспечить ее за-
щиту от повреждения. Для такого рефлекторного действия нет
необходимости использовать путь, проходящий через всю нерв-
ную систему, ибо для защиты необходима быстрая реакция.
Было показано, что рефлекторную деятельность такого рода
можно наделить способностью к ассоциированию в центральной
нервной системе робота с другими, нерефлекторными входами
центральной нервной системы [59].
Тем не менее на рефлекторную деятельность робота наклады-
вается важное ограничение, которого нет в организме животного.
Согласно гипотетическим Законам робототехники, необходимо
предусмотреть, чтобы рефлекторные действия роботов не причи-
няли вреда человеку. Пусть уж лучше рефлекторное действие
нанесет повреждение роботу, чем человеку. В некоторых случаях
это пожелание будет нелегко осуществить.
Следует отметить, что применение средств, обеспечивающих
быстрый отвод конечностей робота, затрудняет использование
устройств, экономящих энергию батарей питания, например
червячной передачи, которая позволяет сохранять усилие сжатия
без расходования энергии [6].
2.5. УСИЛЕНИЕ КОНТРАСТА
Исследования показывают, что нервная система человека и
животного способна различными путями усиливать эффект изме-
нения раздражения относительно некоторого постоянного раздра-
жителя. Например, внезапное изменение времени раздражения
рецепторной клетки сопровождается усилением нервной актив-
ности, в частности резким возрастанием частоты нервных импуль-
сов. Однако, если в дальнейшем раздражение остается неизмен-
ным, нервная активность понижается, как это показано на
рис. 2.1.
Одним из видов подобного усиления является усиление кон-
траста во времени. Аналогичным образом происходит, по-види-
мому, пространственное усиление контраста в тех частях нерв-
ной системы, которые воспринимают пространственную актив-
ность [54]. Так, сетчатка глаза, вероятно, более чувстви-
тельна к краям объекта, чем к его поверхностям, и к внезапным
переменам в освещении, чем к ровному комнатному осве-
щению.
34
Нервная система вообще реагирует только на изменения в раз-
дражении. При изменениях раздражения во времени наблю-
дается эффект, очень напоминающий то, что происходит в схе-
мах опережения по фазе, применяемых в технических системах
управления.
2.6. ОБНАРУЖЕНИЕ ГАЗА И ВЛАГИ
В настоящее время неизвестно, как воспроизвести человече-
ское обоняние техническими средствами. Однако некоторые газы
можно обнаруживать [7—9]. Так, при соприкосновении сгорае-
мой смеси газа и воздуха с некоторыми катализаторами, напри-
мер платиной или палладием, выделяется тепло и изменяется
электрическое сопротивление катализатора, что можно обнару-
живать прямым измерением. Подобные детекторы, безусловно,
очень важны для предотвращения пожара и взрыва. Кислород
можно обнаруживать, используя его парамагнитные свойства,
а некоторые газы — используя их теплопроводность, в устрой-
стве, называемом термокондуктометрическим детектором. Для
обнаружения различных газов можно использовать также ин-
фракрасное поглощение. Водяные пары обнаруживаются гигро-
метрами различных типов. Тем не менее ни один из этих методов
не является идеальным для применения в роботе общего на-
значения. Можно лишь надеяться, что будущие исследования
приведут к появлению более совершенных детекторов запаха.
Человеческий вкус также является ощущением, которое мы
еще не можем воспроизвести [35]. Лучше всего использовать для
этих целей измерители pH, однако еще не существует метода,
пригодного для широкого применения в роботе.
Человек способен ощущать и воспринимать четыре основных
вкусовых качества (сладкое, горькое, кислое и соленое), кото-
рыми в разной степени наделены различные вещества.
Наибольший объем вкусовой и обонятельной информации
поступает при небольшой вероятности конкретного вкусового
качества или запаха. Хорошо замечается то, что незнакомо.
Райт [32, 33] считает, что нервная система животного обна-
руживает запахи, улавливая колебания молекул в дальней
инфракрасной области.
Газы обладают способностью изменять цвет различных хими-
ческих веществ, что часто используется в > газовом анализе.
Можно взять пробирки, содержащие различные реактивы, и при
помощи цилиндра и поршня, приводимого в движение рукой,
пропускать через них газ. Подобный метод можно было'бы при-
менить и в роботе. Правда, для робота было бы удобнее исполь-
зовать самовосстанавливающиеся реактивы, что позволило бы
избежать необходимости в замене пробирки после каждого опыта.
Следует, однако, напомнить, что у животных нервные окончания,
предназначенные для обнаружения запаха, по-видимому, быстро
погибают и очень часто обновляются.
2* 35
В Японии разработано газоулавливающее устройство «Тагучи
гэс сенсор» [39], изготовленное из оксидированных металлов,
таких как окись олова, окись цинка и полуторная окись железа.
В этом устройстве производится очень значительное, хотя и об-
ратимое, уменьшение электрического сопротивления при сопри-
косновении с газами-восстановителями: водородом, окисью угле-
рода, метаном, пропаном, спиртом, эфирным маслом и ацети-
леном.
Твердотельная технология позволила изготовить кислород-
ный анализатор, который может применяться, например, для
определения концентрации кислорода в топочных газах и, сле-
довательно, для контроля интенсивности горения [40]. При-
бор содержит стабилизированный циркониевый элемент, рабо-
тающий при температуре 850° С и генерирующий напряжение,
которое изменяется по логарифмическому закону в зависимости
от разности между парциальными давлениями кислорода и кон-
трольного источника. Как сообщалось, точность этого прибора
=±=0,1%, время срабатывания 0,2 с в диапазоне температур 10—
760° С, выходной сигнал 4—20 мА (или 1—5 В).
Для восприятия влажности применяются различные элементы,
в том числе хлористо-литиевые (датчик «Данмор»), углеродные,
элементы на базе полиэлектролитного сопротивления, керамиче-
ские элементы, емкостные устройства [48] и элементы на базе
окиси алюминия [41 ]. Все они в той или иной степени неста-
бильны благодаря ионному загрязнению, растворимости в воде,
поляризации, химическому и механическому разрушению. Тома
[421 использовал гибкую ленту, выполненную из пятислойной
пленки бутирата ацетилцеллюлозы, который как стало известно,
дает высокую чувствительность при химической и механической
стабильности. Это химическое вещество используется в качестве
элемента в среде тщательно очищенной двуокиси углерода,
а для повышения чувствительности элемент подвергается воз-
действию водного раствора едкого натра. В результате дости-
гаются сопротивление около 2500 Ом и работоспособность при
относительной влажности 10—90% с постоянной времени свыше
100 с. При этом сопротивление почти не зависит от напряжения
и температуры. Весьма вероятно, что подобные разработки можно
будет использовать в робототехнике.
2.7. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Температура оказывает воздействие на механизм управления
всеми системами животного. Внутренняя температура хладно-
кровного (пойкилотермного) существа изменяется вместе с изме-
нением окружающей температуры, и поэтому уровень активности
его организма до некоторой степени ограничен окружающими
условиями.
36
Теплокровные животные, напротив, наделены автоматической
системой терморегулярии, которая поддерживает внутреннюю
температуру животного на более или менее постоянном уровне.
Минимально допустимая температура тела равна приблизительно
37° С; ниже этой границы ферментная активность организма
значительно падает. С другой стороны, температура, превыша-
ющая приблизительно 41° С, влечет необратимые изменения
клетках центральной нервной системы. Из этого следует,
что температура тела нуждается в довольно жестком регули-
ровании.
К счастью, роботу совсем не нужны те многочисленные сред-
ства, которые живые организмы приобрели в процессе эволюции
для терморегуляции. Правда, некоторое регулирование темпе-
ратуры необходимо, но требования при этом не очень жестки.
Так, есть полупроводники, которые работают в диапазоне тем-
ператур окружающей среды от —50 до +150° С. Нередко воз-
никает потребность в системе охлаждения, поскольку все элек-
трические и электронные схемы управления выделяют тепловую
энергию. Подобные случаи часто встречаются при использовании
компактного оборудования, например интегральных электрон-
ных схем. Однако из-за отсутствия жестких температурных огра-,
ничений потребность в сложных системах терморегулирования
возникает редко; обычно вполне достаточно иметь системы охла-
ждения, использующие конвекционные потоки в окружающем
воздухе [10, 11].
Следует отметить, что терморегуляция в организме животного
определяется тем, что он на 70% состоит из воды. Благодаря
этому изменение температуры внешней среды значительно меньше
влияет на температуру тела, чем было бы при любом ином составе.
Скрытая теплота замерзания воды имеет одно из самых высоких
значений, за счет чего она регулирует температуру Земли, по-
скольку нагревание уменьшает, а охлаждение увеличивает ее
ледяной покров. Подобным образом поддерживается постоянство
температуры электронных компонентов, например кварцевых
кристаллов. Скрытая теплота парообразования воды также отно-
сительно велика, и это обстоятельство используется в системах
охлаждения за счет испарения воды. Точка замерзания воды
приблизительно на 100° С выше критической температуры мно-
гих часто встречающихся газов. Из сказанного ясно, что наличие
воды в организме животного является очень полезным факто-
ром. К сожалению, робот, содержащий в себе большое количество
воды, оказался бы слишком тяжелым, что было бы серьезным
недостатком.
В некоторых случаях робот придется наделить способностью
к измерению уровня температуры либо внутри себя самого, либо
в окружающей среде. Для этого можно использовать любой из
хорошо известных методов электрического определения тем-
пературы [12]. Так, при необходимости точных измерений можно
37
использовать термосопротивления, хотя они дают недостаточно
большой выходной сигнал.
Полупроводниковые приборы чрезвычайно чувствительны
к изменению температуры. Например, широко используются
термисторы, изготовленные из окислов различных металлов
113—15, 43]. Одним из недостатков ряда термисторов является
их высокая тепловая инерционность. Этот недостаток преодоле-
вается применением термисторов очень малых размеров. Совсем
недавно были изготовлены быстрореагирующие приборы на
основе кремния.
Следует упомянуть об одном из наиболее оригинальных спо-
собов изготовления термостолбика, состоящего из множества
последовательных термопарных соединений. Для этого исполь-
зуется константановая проволока, на которую наносятся полоски
меди. Поскольку медь обладает лучшей проводимостью, в обла-
стях с медным покрытием большая часть тока проходит через
медь, хотя в других местах весь ток проходит через константан.
Таким образом достигается эффект большого количества после-
довательных соединений в устройстве, которое оказалось очень
удобным для определения теплового потока.
2.8. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМИСТОРОВ
Если робот должен осуществлять точное регулирование тем-
пературы, можно применять такие устройства, как термометры
сопротивления, подключенные к усилителям. Однако во многих
случаях не требуется исключительно высокая точность регули-
рования температуры, а желательно максимальное упрощение
необходимого оборудования. При этом весьма целесообразно ис-
пользование термистора, который представляет собой полупро-
водниковый резистор, обладающий очень высокой величиной
температурного коэффициента сопротивления, равной, как пра-
вило, —4% на 1° С при 20° С.
Сопротивление термистора R экспоненциально изменяется
с изменением температуры и может быть выражено формулой
/? == A exp (В/Т),
где А — константа; Т — температура термистора, К; В — кон-
станта, равная обычно 2500—3000 К.
Дифференцированием находим
температурный коэффициент сопротивления == —ABIT2.
Таким образом, при повышении температуры температурный
коэффициент сопротивления уменьшается.
Часто бывает желательно, чтобы изменение сопротивления
в зависимости от температуры, по крайней мере в пределах огра-
ниченного диапазона температур, носило линейный характер.
С этой целью в схему вводят параллельное сопротивление постоян-
38
ной величины, а для получения ограниченной’области изменения
линейной проводимости схему дополняют последовательным со-
противлением. Ц
Необходимое параллельное сопротивление Rp можно найти
из выражения
р п( \
\ в +2Ti / ’
где Т( — требуемое среднее значение рабочей температуры.
При температуре наблюдается перегиб кривой зависимости
результирующего сопротивления от температуры. В этой точке
скорость изменения сопротивления максимальна и равна
dRP I______о (В-2Т^
dT \Tt - л 4ВТ1
Последовательное сопротивление для получения ограниченной
области изменения проводимости находится аналогичным обра-
зом из выражения для последовательной проводимости
л г ( & + t \
Gs ~ G \ В— 2Tt )
и в точке перегиба
^.1 г. (5+27\)
dT К “ 4ВТ^ ’
где G — проводимость термистора при температуре Т(.
Таким образом, достижима линейность в диапазоне темпе-
ратур, превышающем ± 20° С. Аналогичный линейный диапазон
изменений тока можно получить при помощи термисторных мо-
стовых схем, для построения которых разработано множество
практических методов.
Вместо термисторов в качестве термочувствительного элемента
можно использовать полупроводниковый диод. Еще более высо-
кую температурную чувствительность можно получить, исполь-
зуя транзистор с разомкнутой базой [26, 31].
Широкий диапазон линейности напряжения (или сопроти-
вления) термистора достигается за счет шунтирования его после-
довательным соединением термистора и резистора. Этот принцип
используется в компонентах «Термилайниер», производимых фир-
мой «Еллоу Спрингс Компани». Линейность в пределах доли
градуса достигается в широком диапазоне температур от —30
до +100° С.
2.9. ДАТЧИКИ СИЛОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
Часто бывает желательно, чтобы управляющая сервосистема
вырабатывала сигнал обратной связи, соответствующий механи-
ческому усилию, развиваемому на выходе. Это особенно важно
39
в тех случаях, когда пальцы робота должны захватывать разно-
образные, иногда хрупкие, предметы.
Аналогичная проблема возникла при работе над протезными
устройствами. Оказалось, что в настоящее время лучшим устрой-
ством для обеспечения сигнала обратной связи является, по-
видимому, тензодатчик, построенный на кристаллах кремния,
которые создают незначительный гистерезисный эффект.
Для типичного протезного устройства требуется сигнал по-
рядка 2мВ/Н, который можно получить, используя мостик Уит-
стона, состоящий из двух тензодатчиков на кремнии p-типа про-
водимости, которые установлены на противоположных концах
бруска, сделанного из мягкой стали и имеющего постоянный
момент. Такое устройство работает на постоянном токе и дает
линейное соотношение между создаваемой деформацией и выход-
ным напряжением. При компоновке схемы следует предусмотреть
возможность замены тензодатчиков в случае выхода их из строя,
что нетрудно сделать. Кроме того, за счет небольшого смещения
устройства в исходном положении обычно создается легкий
прижим порядка 2 Н. Для защиты тела тензодатчика от чрез-
мерного растяжения можно установить переходное устройство.
Если движение в позицию захватывания происходит на боль-
шой скорости, необходимо учитывать кинетическую энергию
движения и прикладывать обратный момент для сокращения
времени торможения.
В качестве гидростатического манометра [44] можно исполь-
зовать диод Зенера, что приведет, вероятно, к созданию малога-
баритных устройств для применения в робототехнике.
В первых протезных устройствах механический контакт между
гранулами проводящего вещества, например углерода, исполь-
зовался для создания силовой обратной связи, например, в про-
тезе кисти, где гранулы помещались под ее резиновую «кожу».
Этот метод не требует больших затрат и хорошо испытан, по-
скольку базируется на принципе построения всем известного
микрофона телефонной трубки. Кроме того, метод позволяет
получить большую величину выходного напряжения, обычно
4—10 В. К сожалению, вряд ли данный метод достаточно наде-
жен для применения в роботе общего назначения.
В одном из образцов искусственной кисти использовалось
множество губчато-угольных накладок и кожа перчатки кисти
также была подбита губчатой резиной, так что давление во всех
точках передавалось на накладки. Накладки-датчики дают ли-
нейную реакцию в определенном диапазоне усилий, верхняя
граница которого однако ограничена.
Желательно поместить датчики усилий в запястье кисти ро-
бота, с тем чтобы кисть по существу выполняла функции свое-
образного весового прибора. Полученную информацию можно
использовать для обеспечения движения руки, а также в аварий-
ных ситуациях. Целесообразно предусмотреть также дополни-
40
тельные датчики, которые обычно не подвергаются нажатию,
но могут нажиматься человеком в аварийных условиях для сня-
тия давления захвата.
В настоящее время испытывается потребность в новых типах
силовых датчиков для применения в роботах и протезирования.
Они должны обладать высоким уровнем выходного напряжения,
быть прочными, нечувствительными к температурным измене-
ниям и иметь небольшую массу. Возможным вариантом датчика,
отвечающим некоторым из этих требований, является датчик
с высокочувствительным пьезокристаллическим элементом, уси-
лие к которому передается через жидкость, содержащуюся в той же
оболочке, что и датчик.
Независимо от вида силовых датчиков обратной связи их
необходимо наделить соответствующей фильтрующей способ-
ностью для устранения сигналов, зависящих от таких внешних
факторов, как сильный шум и вибрация.
В некоторых протезных устройствах важно защитить систему
управления от повреждения, которое может быть причинено ей
при случайном выходе из строя тензодатчика. Для этого при-
меняются как электрические, так и механические методы за-
щиты, а в некоторых случаях сочетание обоих методов. В каче-
стве предосторожности при попытке поднятия чрезмерного груза
иногда используется автоматическое отключение приводного дви-
гателя.
Датчики осязания у человека очень чувствительны и много-
численны, что позволяет использовать их для различения формы.
Было бы очень желательно наделить подобной способностью ро-
бот, но в настоящее время эта задача представляется очень труд-
ной из-за чрезмерных размеров имеющихся датчиков. Суще-
ствует поэтому потребность в датчиках очень малых размеров
и по возможности в интегральном исполнении, что позволит
применять их в схемах, подобных тем, которые необходимы для
сетчатки глаза робота. К счастью, столь тонкая различительная
способность осязания потребуется, по-видимому, лишь в одной
точке — на кончике единственного пальца робота. Что же ка-
сается сетчатки, то ее важной характеристикой будет способ-
ность к обнаружению краев.
2.10. ПОЗИЦИОННАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
Обеспечение точного и надежного измерения положения
в сервосистемах всегда было трудной задачей, особенно там, где,
как и в роботах, к оборудованию предъявляется требование ми-
нимальных размера и массы. Применение управления с замкну-
тым контуром регулирования значительно снижает требования,
предъявляемые к точности. В той или иной форме такая обратная
связь обычна для различных систем животного.
Существует множество различных видов датчиков положе-
ния, используемых в созданных человеком системах управления.
41
Для точного измерения положения, например, в автоматических
механических измерительных приборах или станках-автоматах
общепринят цифровой вид измерений. В этих целях используется
множество различных методов, реализуемых устройствами, кото-
рые можно грубо разделить на две категории.
К первой категории относятся устройства, измеряющие абсо-
лютное положение по отношению к постоянной точке отсчета.
Вторая категория включает различные виды вычислительных
устройств, которые суммируют небольшие равномерные прира-
щения для получения абсолютной величины положения. При-
боры первой категории дают большую погрешность при потере
одной или более значащих цифр отсчета. Приборам второй кате-
гории свойственна постоянная потеря информации в случае
пропуска даже нескольких приращений. Эти недостатки можно
устранить путем частой подстройки нуля измерительного при-
бора, поскольку абсолютную достоверность никогда нельзя га-
рантировать.
Столь точные устройства для измерения положения, как
правило, громоздки и дороги и поэтому непригодны для при-
менения в роботах общего назначения. К счастью, при нали-
чии у робота обратной связи за счет какого-либо «зрительного»
устройства необходимость в абсолютной точности значительно
уменьшается и заменяется необходимостью в точном сравнении
положений.
Следует отметить, что, хотя человек и животные используют
визуальную обратную связь, у них имеется в той или иной форме
еще и внутренняя обратная связь, ибо в противном случае умень-
шилась бы точность позиционирования при закрытых глазах
или у слепых. Существует мнение, что обратная связь в нервной
системе не является частью контура управления по положению,
а определяет, возможно, конкретное соотношение между напря-
женностью и длиной мышцы.
Метод точной индикации положения, предложенный автором,
основан на вращении стального сегмента для электромагнитного
индуцирования импульсов в катушке и сравнения временных
положений этих импульсов с временными положениями других,
эталонных импульсов [16]. При устранении температурного
дрейфа за счет правильного монтажа этот метод может обеспечить
высокую точность. Чтобы избежать необходимости использова-
ния вращающихся деталей, автор применил линейно перемеща-
ющееся поле, создаваемое многофазной обмоткой.
2.11. ГЕНЕРИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Во всех областях применения робота важно предусмотреть,
чтобы размеры и масса всех его механических измерительных
устройств были минимальными. В методе измерения, предложен-
ном автором, используется генерирование импульсов в катушке,
42
окружающей разомкнутую магнитную цепь, при перемещений
железного сердечника. Поскольку магнитный поток, пронизы-
вающий катушку, изменяется из-за переменного сопротивления
магнитной цепи, в катушке возникает э. д. с.
Мгновенное значение э. д. с. е, индуктируемой в катушке,
состоящей из w витков и охватывающей магнитную цепь с изме-
няющимся потоком Ф, можно найти из формулы
При постоянной намагничивающей силе магнитной цепи F
и изменяющемся магнитном сопротивлении RM
(WF/Rm) wF dRM
W dt ~ R*M dt
При наличии в магнитной цепи одной неподвижной части
и одной перемещающейся
Rm “ RMt + R(S[Rt
где — магнитное сопротивление неподвижной части; I —
длина перемещающейся части; S — площадь поперечного сече-
ния перемещающейся части; ц — магнитная проницаемость пере-
мещающейся части.
Отсюда
wF
dt
так что
wF Г Sp. (dl/dt) — I (dSp/dt) 3
e~ + L S^2 J‘
Если длина l мала по сравнению с то из приведенной
формулы следует, что
__ u>F / dl I dSix X
' /?Л(1КЦ \ dt Su dt / ’
В этой формуле член dll'dt — скорость увеличения или умень-
шения длины перемещающихся частей магнитной цепи. Следо-
вательно, для получения максимальной величины индуктиро-
ванной э. д. с. е магнитная цепь должна строиться так, чтобы пло-
щадь S возрастала при уменьшении длины I и наоборот.
Это означает, что скорость изменения магнитного сопроти-
вления должна быть максимально высокой. Как и следовало
ожидать, для получения большой величины индуктированной
э. д. с. необходимы большое число витков, большая величина
намагничивающей силы, высокая скорость изменения магнитного
сопротивления и малое значение магнитного сопротивления
неподвижной части магнитной цепи. Кроме того, величина про-
изведения Sti должна быть небольшой, хотя этого трудно
43
добиться из-за большой скорости изменения магнитного сопро-
тивления.
Значение данного метода состоит в том, что его можно при-
менять либо для измерения положения, либо для измерения ско-
рости и что при тщательности разработки можно добиться почти
полной независимости измерений от условий окружающей среды.
Необходимая для реализации метода электронная схема может
быть выполнена очень небольшой и легкой при использовании
интегральных компонентов. Этот метод автор применил в одной
из ранних работ (1953 г.) по электронному взвешиванию, но
смог его опубликовать лишь значительно позже [16]. Он при-
меняется также в тахометрии — в устройствах, производимых
в настоящее время серийно [23].
2.12. РЕЗИСТИВНЫЕ ТЕНЗОДАТЧИКИ
При разработке конструкции робота важно доводить размеры
и массу устройств измерения положения до минимума. При
ограниченной зоне движения простой резистивный тензометр
в. достаточной мере удовлетворяет этому требованию, хотя в неко-
торых случаях возникает необходимость в использовании более
сложных устройств, например резистивных или индуктивных
потенциометров.
Там, где резистивные тензодатчики [17—20, 58] предназна-
чаются для довольно точных позиционных измерений, очень
желательно применять двухконтурный тип обратной связи. Это
помогает преодолевать трудности, вызываемые, например, тем-
пературными изменениями и изменениями сопротивления пита-
ющей сети. Важно также предусмотреть канал, обладающий
хорошей тепловой проводимостью для ограничения повышения
температуры за счет рассеивания энергии в резистивном эле-
менте тензодатчика. Необходимо обеспечить хорошую защиту
резистивных тензодатчиков от проникновения влаги, так как
вызываемое ею изменение сопротивления изоляции может оказы-
вать исключительно большое воздействие на датчик.
Резистивные тензодатчики обычного типа предназначены в ос-
новном для незначительных удлинений, и поэтому там, где необ-
ходимо контролировать движение большого размаха, приходится
устанавливать рычаги. Одной из возможностей, реализуемых
в роботе, является использование тензодатчиков, изготовленных
из электропроводящей резины или пластмассы. Несмотря на
редкое применение этих приборов, у них есть преимущество, со-
стоящее в том, что они обеспечивают измерение и управление при
очень больших удлинениях.
Применяя резистивные тензодатчики, можно предусмотреть,
чтобы материал основания, на которое устанавливается датчик,
и материал, из которого он сделан, взаимно компенсировали
температурные влияния [21 ]. Другими словами, механический
44
температурный коэффициент расширения материала основания
используется для компенсации электрического температурного
коэффициента сопротивления материала датчика. Имеются тен-
зодатчики с соответствующими температурными коэффициентами
сопротивления, способные компенсировать тепловое расширение
большинства распространенных металлов.
Одним из недостатков резистивных тензодатчиков является
наличие предела усталости у используемого материала.
В процессе эксплуатации тензодатчик подвергается постоян-
ному сгибанию, что ограничивает срок его службы. Поэтому,
если датчик приклеен к корпусу робота, возникают трудности
при техническом обслуживании. Для максимального увеличения
срока службы датчика необходимо ограничить диапазон изме-
нения деформации в каждом цикле движения.
В некоторых случаях представляется привлекательным при-
менение пьезоэлементов [22, 29, 30]. Эти элементы предназна-
чены для использования в звукоснимателе проигрывателей,
выпускаются в виде небольшого патрончика и, при длительном
сроке службы, дешевы и просты в обращении.
Существует множество других методов определения дефор-
мации, например емкостный или индуктивный. Однако в на-
стоящее время они мало пригодны для применения в подвижных
роботах, в частности из-за потребности в специальном источнике
питания и чувствительности к внешнему воздействию.
В последнее время появились тензодатчики, резистивный
элемент которых выполнен из полупроводникового материала,
например кремния. Хотя эти тензодатчики и способны обеспе-
чить выходное напряжение, почти в 100 раз большее, чем обычные
тензодатчики, с ними в настоящее время связаны другие труд-
ности. Так, может в значительной степени возрасти температур-
ная зависимость сопротивления датчика, а в некоторых случаях
для обеспечения температурной компенсации возникает необ-
ходимость в установке термистора. Кроме того, кремний не обла-
дает достаточной пластичностью, в связи с чем могут возникнуть
трудности, обусловленные возможностью разрушения от резких
сгибов или нажатий.
Иногда приходится использовать коэффициент тензочувстви-
тельности тензодатчика, определяемый как
коэффициент тензочувствительности =
приращение сопротивления -i
приращение длины * i
Таким образом, при удельном сопротивлении материала р,
длине, площади поперечного сечения и объеме тензодатчика
соответственно L, S и V сопротивление R можно выразить фор-
мулой
,, L Д2
R Р - Р J/ >
45
откуда, дифференцируя по L, получим .
dR 0 L 2R
-тг^^1г = -г-
Следовательно,
коэффициент тензочувствительности = = 2.
Однако на практике объем тензодатчика не остается неизмен-
ным, и обычно практическая величина его коэффициента тензо-
чувствительности равна 2,2.
Можно считать, что фактический коэффициент тензочувстви-
тельности состоит из двух членов:
коэффициент тензочувствительности — (1 2v) ф-
+ [(dp/p)/(dL/L)],
где v — коэффициент Пуассона. Здесь первый член обусловли-
вает пространственный эффект v, равный для металлов прибли-
зительно 0,3. У полупроводников решающую роль играет второй
член, который иногда называют пьезорезистивным эффектом [57].
Пьезоэлектрические тензодатчики используются в качестве
датчиков осязания для кисти робота [37]. Пьезоэлектрические
элементы могут использоваться также в маломощном приводе для
преодоления трудностей, связанных с гистерезисом, ползучестью
и нелинейностью; при этом высокие уровни сигналов компен-
сируются за счет обратной связи от кремниевых тензодатчиков,
приклеенных к кристаллу [38].
При необходимости в использовании большого количества
тензодатчиков, расположенных близко друг к другу, как это
имеет место в роботе, целесообразно применять импульсное
возбуждение, поскольку оно позволяет не только тысячекратно
увеличивать уровни сигнала, но и своевременно разделять сиг-
налы от разных датчиков, что сводит к минимуму взаимные по-
мехи, возникающие из-за близости расположения [45—47 ].
2.13, ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ ПО СКОРОСТИ И УСКОРЕНИЮ
При использовании в приводе электродвигателей постоянного
тока обычно не возникает особых трудностей в получении сигна-
лов обратной связи по скорости в системах сервоуправления
движением. При постоянстве величины магнитного потока в элек-
тродвигателе напряжение на зажимах содержит основную со-
ставляющую, пропорциональную скорости вращения двигателя.
Однако напряжение на зажимах якоря включает и дополни-
тельные составляющие, которые могут привнести ошибки при
использовании этого напряжения для определения скорости.
Первая из составляющих — падение напряжения на сопроти-
влении обмотки якоря. Вторая — падение напряжения под щет-
46
ками двигателя. Третья составляющая представляет собой не-
большие пульсации и электрические помехи, создаваемые при
вращении телом якоря, щеточным устройством и колебаниями
магнитного сопротивления магнитной цепи.
К счастью, упомянутые ошибки во многих случаях можно
исключить и использовать напряжение на якоре двигателя для
получения сигнала обратной связи по скорости. Это особенно
легко осуществить при питании якоря от источника тока, напри-
мер по схеме Бушеро [271.
Трудно ожидать, что в системы управления подвижными робо-
тами будут включаться тахогенераторы для выработки сигналов
обратной связи по скорости, так как это повлекло бы за собой
дополнительные усложнения, излишнюю массу и чрезмерные
расходы. Вообще точное управление скоростью вращения в ро-
боте гораздо менее необходимо, чем точное управление положе-
нием конечности.
Обратная связь по ускорению может иметь важное значение
в системе управления. Однако в подвижных роботах для получе-
ния сигналов обратной связи по ускорению вряд ли будут исполь-
зоваться акселерометры из-за связанных с этим дополнительных
трудностей и увеличения массы. Вместо этого сигналы ускорения
можно получить, дифференцируя сигналы скорости. С этим мето-
дом также связан ряд трудностей, возникающих, например,
из-за пульсаций напряжения под щетками тахогенератора. Однако
и эти трудности, и способы их преодоления хорошо известны.
Робототехническим устройствам, предназначенным для дальней
точной навигации, требуются очень точные измерительные устрой-
ства для определения скорости и ускорения, однако дополнитель-
ные расходы, связанные с применением прецизионных устройств,
вполне себя оправдывают.
Список литературы
1. Houk J. С. et al., Frequency Response of a Spindle Receptor, MIT
Res. Lab. Electron. Q. Prog. Rep., 67, October, 223 (1962).
2. Hammond P. H., Living Control Systems, Electron, and Power, 13,
September,338 (1967).
3. Marko H., Information Theory and Cybernetics, IEEE Spectrum, 4,
November, 75 (1967).
4. Worden F. G., Hearing and the Neural Detection of Acoustic Patterns,
Behav. Sci., 16, 20 (1971).
5. Blinkov S. M. and Glezer 1. I., The Human Brain in Figures and Tab-
les, Plenum (1968).
6. Tomovic R. and Boni G., An Adaptive Artificial Hand, Trans. IRE,
ЛС7, April, 3 (1962).
7. Giles A. F., Electronic Sensing Devices, Newnes (1966).
8. Anon., An Electronic Nose, Electron. Eng., 20, November, 367 (1948).
9. Lawrence S. J. et al., The Solid Electrolyte Oxygen Sensor, Proc. Joint
Autom. Control Conf. AACC, Colorado, 1969, 749.
10. Shaw E. N., Heat Control in Electronic Equipment, Electron. Eng.,
29, January/February/March, 13, 65, 115 (1957).
47
11. Shaw E. N., Liquid Cooling of Electronic Equipment, Electron. Eng.,
.30, September, 516 (1958).
12. Batcher R. R. and Moulic W., The Electronic Control Handbook, 79,
Caldwell-Clements (1946).
13. Bryce С. H. and Hole V. H, R., Measurement and Control by Thermis-
tors, Ind. Electron., 5, July/August, 294, 358.
14. Scarr R. W. A. and Setterington R. A. Thermistors, Their Theory,
Manufacture and Application, Proc. IEE, 107 B, September, 395 (1960).
15. McCann M. R., Calculation of V-l Curves for NTC Thermistors, Elec-
tron. Eng., 39, June/July, 346, 426 (1967).
16. Young John F., A Method of Precise Position Indication, Control, 11,
December, 588 (1967).
17. Van Santen G. W., Electronic Weighing and Process Control, Macmil-
lan (1967).
18. Andrews H. I., Electrical Weighing, Proc. IEE, 97, pt 1, May, 98 (1950).
19. Woodcock F. J., Some Electrical Methods of Measuring Mechanical
Quantities, ЛЕЕ, 97, pt 1, July, 136 (1950).
20. Tiffany A. and Wood J., Precision Strain Gauge Techniques, Elect-
ron. Eng., 30, September, 528 (1958).
21. Chandler R. L. and Dent E. J., Temperature Compensated Strain Gau-
ges, Electron. Eng., 32, July, 414 (1960).
22. Crawford J. C., A Piezoelectric Field Effect Strain Gauge. Exp. Meeh.,
11, April, 145 (1971).
23. Elphee E. K-, Tachometry in Industry, Ind. Electron., 1, November,
713 (1963).
24. Baker D. et al. (eds.), Design Technology, 486, Prentice-Hall (1970).
25. Winton H. J. and Linebarger R. N., Computer Simulation of Human
Temperature Control, Simulation, 15, October, 213 (1970).
26. Young John F., Applied Electronics, 156, Iliffe (1968).
27. Young John F., The Boucherot Effect, Wireless Wld, 68, August, 391
(1962).
28. McCormick E, J., Human Factors Engineering, McGraw-Hill (1964).
29. Berlincourt D. A., Piezo-Electric Transducers, Electro-Technology, N.
Y., 85, January, 39 (1970).
30. Kadlec C., The Piezo-Junction Transducer, Electro-Technology, N. Y-,
85, January, 39 (1970).
31. Anon., A Transistor Temperature Sensor, Ind. Electron., 5, August,
357 (1967).
32. Wright R. H. et al., Olfactory Coding, Nature, Loud., 216, 404 (1967).
33. Wright R. H., How Animals Distinguish Odours, Sci. J., 4, July, 57
(1968).
34. Kidd S., Communicating through the Skin, New Scient., 30, April 14,
82 (1966). .
35. Heist H. E., Can Flavour Be Controlled Automacally?, New Scient.,
32, November 10, 298 (1966).
36. Keidel W. D., Tuning between Central Auditory Pathways and the Ear,
Trans. IEEE, MIL7, April/July, 131 (1963).
37. Kinoshita G. et ah, Pattern Recognition by an Artificial Tactile Sense,
Proc. 2nd Int. Joint Conf. Artificial Intelligence, London, September, 1971 (Br.
Computer Soc.), 376.
38. Anon., Piezo-Electric Actuators for Precision Movements, Electron. Eng.,
44, June, 30 (1972).
39. Anon., Gas-Sensing Semiconductor, Electron. Eng., 43, August, 29 (1971).
40. Ranson J. B., Real-Time Oxygen Measurement for Combustion Con-
trol, Control and Instrum., 4, September, 46 (1972).
41. Ruskin R. E. (ed.), Humibity and Moisture, Vol. 1,219, Reinhold (1965)
42. Thoma P. E., A Resistance Humidity Sensing Transducer, Ind. Engng.
Chem. Ind (Int.) Edu, 19, May, 30 (1972).
43. Hole V. H. R., Thermistor Temperature Measuring Bridge Circuits,
Electron. Components, November 12, (1971); January 14, (1972).
48
44. Wlodarski W., Possibility of the Application of the Zener Diode as a Hyd-
rostatic Pressure Gauge, Electron. Lett., 6, February 5, 64 (1970).
45. Yates J. G., Pulse Excitation of Impedance Bridges, Nature, Lond.,
163, 132 (1949).
46. Prowse W. A. and Laverick E., Differential Transformer Bridge Ope-
rated by Sguare Waves, Nature, Lond., 163, 571 (1949).
47. Yates J. G. et al., Malti-Channel Measurement of Physical Effects
by Confluent Pulse Technique, with Particular Reference to the Analysis of Strain,
Proc. IEE, 98, pt 2, April, 109(1951).
48. Anon., Transducer Built and Priced Like I. C., Electronics, 45, Octo-
ber 9, 41 (1972).
49. Slocombe J. W. et al., Capacitive Moisture Measurement, Instr. Contr.
Systems, 42, March, 131 (1969).
50. Shuhei A and Gen-Ichiro K., A Pattern-Classification by the Time-
Varying Threshold Method—Application of the Method to Visual and Tactile Sen-
ses, Proc. Int. Joint Conf. Artificial Intelligence, May, 1969, 417.
51. Kaufman A. B., Velocity and Acceleration Transducers, Instr. Contr.
Systems, 44, April, 115 (1971)
52. Kakikura 54. et al., On the Control of an Industrial Robot with Tactile
Sensors, Trans. Soc. Instr. Contr. Eng., Japan, 7, 31 (1971).
53. McCulloch W. S., Why the Mind is in the Head, in: Embodiments of
Mind, 72, M. I. T. (1965).
54. Borisova L. F. and Lenshina L. K-> Analysis of Mathematical Model
for Mutial Inhibition Networks, Autom. Rem. Control, 33, December, 1189 (1972).
55. Fan L. T. et al., Review on Mathematical Models of the Human Ther-
mal System, Trans. IEEE, BME18, May, 218(1971).
56. Shitzer A., Addendum to Ref. 55, Trans. IEEE, BME20, January,
65 (1973).
57. Wise K- D. and Angell J. B., An I. C. Piezoresistive Pressure Sensor
for Biomedical Instrumentation, Trans. IEEE, BM20, March, 101 (1973).
58. Crccl.etiere W. J., Engineering Design for the Disabled, Trans. IEEE,
E16, February, 59 (1973).
59. Young John F., Cybernetic Engineering, Butterworths (1973).
Глава 3
МЫШЦЫ РОБОТА
3.1. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЫШЦЫ [1-5, 41]
Для некоторых применений роботов необходимо моделировать
работу мышцы человека. Поэтому представляется интересным
рассмотреть динамические характеристики человеческой мышцы.
Соотношение между силой F, развиваемой нагруженной мыш-
цей в движении, и скоростью ее движения V может быть вы-
ражено следующим образом:
- 1 - V/Vmax
““1 ’
где s — относительное возбуждение, равное отношению действу-
ющего возбуждения к максимальному; Fm№ — максимальная
сила; Vmax—-максимальная скорость; k—постоянная.
Графическая зависимость, соответствующая этому выраже-
нию, представлена на рис. 3.1, где k выбрано равным 5.
Рис. 3.1. Зависимость скорости дви-
жения от усилия, развиваемого
мышцей
Рис. 3.2. Зависимость момента
вращения от скорости для усред-
ненного локтевого сустава для
максимального выхода (/), про-
тезного устройства (2) и нормы (5)
Типичная кривая зависимости момента вращения от скорости
для локтевого сустава взрослого мужчины показана на рис. 3.2
[6, 33, 34]. Протезные устройства обычно дают характеристику,
проходящую намного ниже этой кривой. Тем не менее эта хара-
ктеристика близка к характеристике, которую можно рассматри-
50
вать как норму, что и показано на рис. 3.2. Отметим, что кривая
постоянной мощности представляет собой равнобочную гипер-
болу (рис. 3.1) и что в большинстве случаев средняя мощность,
развиваемая мышцой человека, равна 20 Вт.
Кривая, полученная экспериментальным путем, лежит не-
сколько ниже кривой постоянной мощности, поскольку постоян-
ная мощность соответствует постоянному значению произведения
силы на скорость.
Полученное соотношение между силой и скоростью может
быть выражено также следующим образом:
(F а) (V Ь) = const = b (Fo а) = а (Уо + Ь),
где а и b — постоянные; Fa—сила при V = 0; —скорость
при F = 0. Постоянная а приблизительно равна Ко/3.
Максимальное значение мощности задается выражением
полученным дифференцированием и приравниванием к нулю.
Кремер в обзоре литературы о физической силе человека [44]
показал, как быстро уменьшается выносливость при возрастании
мышечного усилия. Нелинейное соотношение между статическим
напряжением и длиной мышцы рассматривалось Инманом и
Ралстоном [47].
3.2. ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ
ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА [7—10, 23, 24, 26, 27]
Конечно, нет серьезных оснований считать, что действия ро-
бота должны приближаться к действиям человека. Тем не менее
в некоторых случаях (например, когда необходимо управлять не-
сколькими различными машинами, сконструированными пер-
воначально для использования человеком) желательно, чтобы
передаточная функция управления роботом приближалась к та-
ковой у человека, заменяемого роботом. Все это относится к ро-
боту общего назначения, используемому в среде, в которой про-
текает деятельность человека.
Эксперименты показывают, что типичная передаточная функ-
ция человека-оператора выражается как
выход „ (1 + Гар)
вход л (1+7\р)(1+Д3Р)
exp (—Tdp).
Здесь Td — время
«« 0,2 с; 7\ ъ 10
(высокочастотная
задержки (время реакции человека); Td
с (низкочастотная стабилизация); Т.2 0,5 с
стабилизация); Т3 0,1 с (инерционное
51
запаздывание); К—коэффициент усиления; TeiM не
менее все эти величины изменяются в широких пределах *.
Для успешного выполнения задания коэффициент усиления К
и постоянная времени Т3 должны частично регулироватся опера-
тором, но в то же время должны сохраняться стабильность на вы-
соких и работоспособность — на низких частотах.
Оказалось, что при угловой частоте выше 0,6 Гц амплитуда реак-
ции падает до 18 дБ/окт. Следует отметить, что на частоте порядка
3 Гц имеется небольшой выброс, на котором обычно выбирается
рабочая точка для управления силовым приводом самолета.
Более детальное исследование, относящееся к протезным
устройства, было выполнено Орловым [29].
Для статического исследования задержки, вносимой чело-
веком, полезно строить гистограмму числа событий в зависимости
от задержки. Очень простое устройство, пригодное для подобных
исследований, было создано Марклью [59] в Астонской киберне-
тической лаборатории. Шаговый искатель, такой же, какие ис-
пользуются на телефонных станциях, питается от сетевого источ-
ника питаний частотой 50 Гц через простой однопол упер иодный
выпрямитель. Благодаря этому шаговый искатель делает один
шаг за 1/50 с, т. е. один оборот в секунду. Таким образом, шаговый
искатель можно использовать как непрерывно вращающийся
50-контактный переключатель. Исследуемый входной сигнал по-
дается на ротор шагового искателя. К контактам переключателя
подсоединены 50 конденсаторов. Каждый конденсатор соответ-
ствует различной величине временной задержки. Если запуск
шагового искателя совпадает с началом какого-либо процесса,
например со стимуляцией нервной клетки, то движущийся кон-
такт можно использовать для хранения результата па различных
конденсаторах, причем каждый из них соответствует определен-
ному моменту времени вплоть до 1 с от момента стимуляции. С по-
мощью того же движущегося контакта можно затем извлекать
информацию, хранимую на конденсаторах, для последующего
воспроизведения, например на экране осциллографа или для фо-
тографирования.
Можно также отметить, что в большинстве экспериментальных
исследований мышечной деятельности животных и человека изу-
чалась работа мышцы в линейной области. В то же время известно,
что в критических ситуациях, когда работа мышцы происходит
в нелинейной области, могут быть получены очень высокие ско-
рости движения. Тэйлор высказал мнение, что ограничение иссле-
дований маломасштабным участком линейной аппроксимации
может затормозить развитие этой области исследования в целом
[49].
* Однако автор заметил, что, хотя публикуемые значения временных кон-
стант изменяются по крайней мере в 100 раз, отношение Т\/Т3 более постоянно
и изменяется в пределах, немногим больших 2:1.
52
3.3. ТРЕБОВАНИЯ К РАБОЧИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ
РУКИ И КИСТИ [50-56, 60]
Предполагается, что минимальные требования к антипоморф"
ной руке следующие.
1. Сгибание, вытягивание, отведение и приведение к верти-
кали, проходящей через плечо (т. е. движение в двух плоско-
стях).
2. Вращение в плече или, для удобства, в верхней части
руки.
3. Движение локтя.
4. Сгибание в запястье.
5. Вращение в запястье.
6. Захватывание (или зажимание).
Было бы несомненным преимуществом, если бы конечности не-
которых роботов могли двигаться естественным образом не только
с точки зрения внешнего подобия человеку, но и с точки зрения
управления и координации. Поэтому интересно изучить резуль-
таты научных исследований функционирования конечностей че-
ловека и получить эталон для сравнения с работой конечностей
робота.
Максимальная угловая скорость, развиваемая в течение 1 с
в суставах руки человека, порядка 2 рад/с, тогда как движения
пальца и вращения в предплечье осуществляются в два-три раза
быстрее. При подъеме массы в 5 кг максимальная скорость движе-
ния уменьшается в два раза. В локте она несколько меньше
1,7 рад/с, а в предплечье — почти в два раза больше.
Интересно отметить, что маленькие дети могут не только
«пролегать» мимо конечной позиции, но даже начинать движение
в неправильнм направлении. Мы не должны удивляться, столкнув-
шись с подобными действиями необученного робота.
Предполагают, что для вращения ненагруженного локтевого
сустава с частотой 3 Гц в полном диапазоне движения требуется
величина статического момента в 70 Н-м. Приведенные здесь
цифры дают исходные данные для формулирования инженерных
требований к системе управления робототехнической рукой,
способной к человекоподобным действиям.
Наиболее важная особенность кончиков пальцев человека —
способность к деформации, которая помогает пальцам выполнять
их функции. Напротив, относительная недеформируемость ногтей
даст большое преимущество при поднятии маленьких предметов.
Для передачи информации в центральную нервную систему очень
важен также рычажный механизм ногтей. Робот с непластичной
поверхностью пальцев и жесткими ногтями уступает человеку
при выполнении многих операций.
Следует также отметить, что при выполнении более трудо-
емких заданий, таких, как работа с молотком или отверткой,
человек обычно использует одну руку для силовых действий,
53
а другую — в качестве направляющей. Поэтому желательно,
чтобы робот имел по крайней мере две руки.
С точки зрения стандартизации и низкой стоимости желательно
также, чтобы у робота были универсальные кисти рук. Тем не
менее нет оснований отказываться от создания рук специального
назначения, приспособленных для выполнения заданий, трудных
для человека или вовсе ему недоступных. Необходимо также снаб-
дить робот гнездами питания для подключения портативных
электрических инструментов, которые он использует. Как и все
другие части робота, кисти рук должны легко заменяться.
Основная трудность при улучшении динамических характери-
стик руки робота вызвана противоречивыми требованиями к точ-
ности позиционирования и необходимому времени позициони-
рования. Поскольку любая система в той или иной степени ко-
лебательная, для достижения высокой скорости позиционирова-
ния следует стремиться к максимальному увеличению частоты
собственных колебаний системы. В случае уравновешенной си-
стемы поднимаемой роботом груз уравновешен весом робота.
В этом случае время позиционирования возрастает с увеличением
точности позиционирования. Для уменьшения колебаний могут
использоваться демпферы различного вида, хотя при наличии
электронного сервоуправления можно обеспечить соответствую-
щую подстройку системы [11].
Было подсчитано [35], что число ежедневных движений про-
теза руки человека порядка 2000, или 150 000 циклов за трех-
месячный период между профилактическими обслуживаниями.
Рука робота должна быть в состоянии выполнять по крайней
мере такое же число циклов между профилактическими обслужи-
ваниями, однако следует стремиться к гораздо более высоким
показателям.
Переоснащение роботов. По существу, рука движется в трех
различных измерениях, поэтому требуется лишь управление по
каждой из осей х, у, z. Другой подход предполагает управление
по радиусу и двум углам. При этом также требуются только
три независимых управления. Таким образом, если усилия,
развиваемые приводами, вполне достаточны для движения по
по всем координатам, то для идеализированной руки робота,
в принципе, необходимы только три отдельные управляющие
системы.
Однако такой подход представляется излишне упрощенным,
так как не учитывает, что локоть и кисть руки человека могут
сгибаться, позволяя руке огибать препятствие. Эта способность
резко расширяет круг заданий, которые могут выполняться че-
ловеком.
Переоснащение имеющихся роботов в соответствии с современ-
ными требованиями может дать какой-то экономический эффект.
Такому переоснащению подвергались некоторые первые роботы-
загрузчики. Тем не менее получающаяся в результате этого по-
54
теря гибкости управления чрезвычайно ограничивает область
применения таких роботов. С экономической точки зрения робот
общего назначения будет иметь гораздо больший рынок сбыта,
чем более ограниченное специализированное устройство.
Управление с обратной связью, вероятно, должны быть обя-
зательным в большинстве случаев. Это может быть обычная обрат-
ная связь, как в контуре сервоуправления. Кроме того, в ро-
боте, как и в живом' организме, обратная связь может обеспечи-
ваться управлением группами мышц-антагонистов, каждая со
своей собственной системой управления, которая тормозит соот-
ветствующую мышцу, когда возбуждена мышца-антагонист.
В дополнение к трем независимым и двунаправленным силам
и движениям, которыми должна быть наделена рука робота, необ-
ходимы также три независимые и двунаправленные пары сил
и вращений. Последние обычно можно обеспечить за счет выбора
варианта работы кисти.
Боттомли [30] показал, как обеспечить, чтобы рука робота
всегда двигалась по радиусу от плеча (к плечу), если расстояние
между локтем и кистью равно расстоянию между локтем и плечом.
Один зубчатый барабан устанавливается в плече, другой, поло-
винного диаметра, — в локте и соединяется с предплечьем. Бара-
баны замкнуты зубчатым ремнем или цепью наподобие мотоциклет-
ной. Таким образом, локоть поворачивается на двойной угол
поворота плеча, в то время как рука движется по радиусу. Этот
автор описывает также остроумное замковое устройство Стипера,
которое блокирует угол поворота, например, в локте, когда мала
тяга или ослаблен рабочий трос.
Захватывающие движения пальцев [12—16, 45]. Необходимо,
чтобы рука робота общего назначения могла воспроизводить как
можно больше обычных движений кисти и пальцев человека.
Захватывающие движения, которые осуществляются пальцами
человека, можно классифицировать следующим образом.
1. Захват ладонью относительно крупных объектов, когда
большой палец противостоит кончику указательного пальца.
2. Захват кончиками пальцев тонких объектов, когда большой
палец противостоит кончикам остальных пальцев.
3. Перьевой захват, используемый для письма или резания.
4. Боковой захват между кончиком большого пальца и боковой
стороной указательного пальца.
5. Стержневой захват, когда большой и остальные пальцы
загнуты вокруг стержня в противоположных направлениях.
6. Шаровой захват, когда все пальцы руки довольно равно-
мерно располагаются вокруг круглого предмета.
7. Круговой захват, когда один или более пальцев цепляются
за выступ или углубление.
Существует принципиальная разница между защемлением
(при захвате кончиками пальцев) и захватыванием (при стержне-
вом захвате). Она состоит в том, что при стержневом захвате
55
движение большого пальца задерживается относительно движения
остальных пальцев руки.Томович и Бони [15] предложили весьма
остроумную практическую реализацию этой особенности. Два
троса, которые управляют большим и остальными пальцами, просто
прикреплены к одному и тому же барабану в различных угло-
вых положениях. Тогда при одном направлении вращения (для
захвата кончиками пальцев) большой палец движется одновре-
менно с остальными пальцами. При противоположном направле-
нии вращения движение большого пальца задержано, что и тре-
буется для захвата стержня. Для приведения кисти в движение эти
исследователи используют четырехваттный двигатель с редукцией
100 : 1.
В первых роботах по созданию дистанционно управляемых
манипуляторов было обнаружено, что для многих применений
достаточно только двух противостоящих пальцев, образующих
клещевой захват. Одновременно были проведены эксперименты
с захватами охватывающего типа, но захваты с параллельными
губками оказались лучшими [17, 58]. Однако дальнейшая работа
по созданию манипуляторов, управляемых человеком, вероятно,
потребует осуществления более сложных действий, и конечно,
такая работа уже ведется при создании протезных устройств
(например, рука Ракича [32]).
Оригинальный тип захватывающего устройства использовался
при некоторых применениях промышленного робота «Версатран».
На каждый из двух противостоящих пальцев прикреплялась
накладка из резины или пластика, которая надувается. Когда
обе накладки надуты, можно надежно захватить предмет правиль-
ной формы. Очень важно, что такой, несвойственный человеку
способ захвата будет более широко применяться в будущих ро-
ботах.
Ринг [28] дополнил схват детектором направления движе-
ния (или проскальзывания). Для регулирования сжатия, созда-
ваемого кистью робота, силу сжатия можно связать с массой
предмета, который держит рука, если коэффициент трения между
кистью и предметом считать постоянным. Такое устройство поз-
воляет получить время срабатывания в одну десятую секунды.
Тринг [31 ] описал семипалую руку с одной степенью свободы,
которая может захватывать множество различных предметов.
Все семь пальцев относительно независимы и противостоят фик-
сированному «большому», но в отличие от протезного устройства
Ракича [32], которое также имеет относительно независимые
пальцы, здесь не делалась попытка внешне копировать руку
человека. Для робота это не обязательно. Если предусмотрено
единое управление всеми пальцами при помощи пружины, то,
как это было установлено при работе над протезами, нормально
открытая кисть предпочтительнее нормально закрытой [45].
Если двухпозиционный большой палец противопоставлен паль-
цам, которые могут передвигаться на 40 мм, то возможен захват
56.
предметов диаметром до 80 мм, хотя при этом на открывание
кисти до 40 мм, требуется 90% времени. Захватывающее усилие
должно быть равным по меньшей мере 70 Н. Наиболее удачна кисть
типа «трехпалый патрон» с двумя пальцами, противостоящими
большому. В протезах эти два пальца иногда выполняются из
латекса.
Высокий коэффициент трения кожи человека дает большое
преимущество для захвата и поднятия предметов. Этот коэффи-
циент приблизительно равен 3 и даже под водой уменьшается
незначительно. Существуют некоторые пластики и резины со
сравнимыми параметрами. Для протезирования кожи исполь-
зовались различные резины, кожи и пластики, хотя, по-видимому,
у поливинилхлоридных материалов имеются несомненные пре-
имущества [46]. «Кожа» робота должна быть водонепроницаемой
и максимально противостоять действию других жидкостей и
погодных условий.
Годден [36] указал на большие преимущества многоточечного
захвата для удерживания тяжелых предметов. Когда начинается
скольжение, оно прежде всего проявляется на краях контактной
поверхности [42].
В настоящее время трудно себе представить какую-либо
«кожу» для покрытия робота, хотя бы близкую по универсальности
к коже человека [37—40, 43, 57]; она должна быть снабжена
тактильными и тепловыми сенсорами, отталкивать жидкости,
охлаждаться при помощи испарения, самообновляться и самовос-
станавливаться. Первые роботы будут металлические, возможно,
с некоторым подобием кожи на пальцах.
Недавно стало известно о новом синтетическом пластике —
полипоните, предназначенном главным образом для использования
в качестве заменителя биологической ткани в медицине, хирур-
гии и фармакологии [48]. Этот пластик — производное полисти-
рола — гидрофилен и может выпускаться в виде пленки или по-
крытия для различных пластиков, металлов и стекол. Ожида-
ется, что этот материал будет широко применяться в медицине, и
если бы он мог производиться по низкой цене, то очень подошел
бы также для использования в качестве покрытия подвижного
робота.
3.4. РАБОТА РОБОТА ПО ПОДНЯТИЮ ГРУЗОВ [18, 61]
Одной из основных задач робота общего назначения будет
подъем различных грузов перед их перемещением. Важно поэтому
рассмотреть процесс подъема груза. Основная проблема здесь
заключается в том, что груз должен быть поднят вдоль линии,
которая не проходит через основание (или ноги) робота и через
его центр тяжести (ц. т.). Подобные проблемы, конечно, встреча-
ются в любом подъемном устройстве, например, в подъемном
кране. Тем не менее представляет интерес бегло рассмотреть
Действия человекообразного робота при подъеме груза.
57
Ё основе общих правил подъема груза для робота Лежат Два
принципа. Во-первых, поднимаемый груз должен быть захвачен
около основания. Во-вторых, он должен располагаться как можно
ближе к основанию (или ногам) робота.
Фактически «тело» робота должно использоваться как рычаг,
на котором вес поднимаемого груза уравновешивается весом тела.
Руки должны быть по возможности в вертикальном положении.
Точкой опоры подъемной системы рычагов является пятка или
Рис. 3.3. Действие робота при подъеме
точка на основании робота,
наиболее удаленная от груза.
Соотношение между раз-
личными силами выражается
следующим образом:
вертикальная составля-
ющая подъемной силы =
Ах вес тела
-= ’"(h + /tge)-b ’
где 0 — угол между верти-
калью и поднятой рукой
(рис. 3.3); h — высота зах-
вата над землей; I — расстоя-
ние от груза до пятки;
k и b — постоянные.
Было исследовано соотно-
шение между массой предме-
груза та, поднимаемого человеком,
и высотой, на которую чело-
век может поднять его без вреда для себя и утомления. В результате
была получена довольно сложная кривая зависимости массы от
высоты. Однако для того чтобы обеспечить роботу способность вы-
полнять работу, доступную человеку, необходимо только приблизи-
ться к этим экспериментально определенным характеристикам.
Автором предлагается приближенная формула, выражающая
соотношение между максимальной массой М (кг) и высотой Н (м),
на которую она может быть поднята человеком:
М2 4- 1600//2 = 3600.
Это соотношение дает для максимальной массы груза, который
можно едва оторвать от пола, величину 60 кг, и для максималь-
ной высоты, на которую можно поднять любой груз, — 1,5 м.
Ясно, что последняя цифра явно занижена для любого нормаль-
ного человека. Однако простота приведенного соотношения де-
лает его удобным хотя бы для установления первоначальных
требований к роботу.
58
3.5. МЕРТВЫЙ ХОД [19, 20]
Было высказано предположение, что график зависимости
движения искусственной конечности от среднего значения сигнала,
поступающего от нерва, не является прямой линией. На самом
деле он имеет вид двух кривых. Прямая, проходящая через на-
чало координат графика сигнал—сила, получается при медлен-
ном изменении силы, вызывающей движение. При быстром дви-
жении, если сигнал от нерва превосходит некоторую величину,
на графике появляется другая линия, которая в данном случае
не проходит через начало координат.
Рассмотрев оба направления движения конечности, приходим
к характеристике, показанной на рис. 3.4. В электронном управ-
Рис. 3.4. Характеристика мертвого
хода
Рис. 3.5. Транзисторная схема
мертвого хода
ляющем устройстве простая диодная схема мертвого хода может
легко реализовать приведенный вид характеристики для целей
сервоуправления. Оказалось, однако, что более сложные тран-
зисторные схемы мертвого хода дают преимущества при исполь-
зовании их в протезных устройствах.
Типичная транзисторная схема для моделирования мертвого
хода [21, 22] представлена на рис. 3.5. В этой схеме выходное
напряжение может только медленно изменяться при небольших
изменениях амплитуды входного сигнала из-за эффективного
сглаживающего RC-звена, включенного на пути прохождения
сигнала от входа к выходу. Однако при внезапном изменении
входного напряжения более чем на 30% конденсатор быстро за-
ряжается или разряжается транзисторами. Ценное качество этой
схемы заключается в чрезвычайно низкой величине и постоянстве
потребляемой энергии.
Схема мертвого хода, представленная на рис. 3.5, использо-
валась в протезах для исключения влияния флуктуаций входного
сигнала от нервных волокон человека. В целях экономии аккуму-
59
ляторной батареи в протезах применялись и другие варианты
схем мертвого хода и гистерезиса, которые будут описаны ниже.
В качестве примера на рис. 3.6 приведена полная характеристика
зависимости выходной силы от входного сигнала для типичного
протезного устройства. Пока сигнал не превышает некоторую
пороговую величину, реакция на выходе отсутствует, и затем
линейно зависит от амплитуды
сигнала. При изменении поляр-
ности входного сигнала возни-
кает эффект гистерезиса, вводи-
мый для того, чтобы избежать
неустойчивости. В устройство
мертвого хода включена схема
задержки, так что выход линеен
при очень быстрых изменениях
сигнала на входе. Это позволяет
осуществлять быстрые движе-
ния в обоих направлениях.
Устройства мертвого хода
иногда могут использоваться
для ограничения действия по-
мех, возникающих, например,
при колебаниях частоты напря-
менее, как и любое другое пере-
Положительная
сила
Отрицательный
сигнал
Положительный
сигнал
Отрицательная
сила
Рис. 3.6. Характеристика сила —
входной сигнал для типичного протез-
ного устройства
жения питающей сети. Тем не
движное устройство, робот желательно оснащать большим ко-
личеством узкополосных фильтров для подавления сигналов питаю-
щей частоты, которые могут служить серьезной помехой в работе
подвижного устройства.
Проблемы износа, его уменьшения и предотвращения также
весьма важны [25]. Подчеркнем еще раз, что роботостроители
могут многому научиться из опыта инженеров, работающих над
искусственными конечностями.
Список литературы
1. Wilkie D. R., The Circuit Analogue of Muscle, Electron. Eng., 22, Octo-
ber, 435(1950).
2. Wilkie D. R., The Relation between Force and Velocity in Human Muscle,
J. Physiol., 110, 249 (1950).
3. Fenn W. O. and Marsh B. S., Muscular Force at Different Speeds of
Shortening, J. Physiol., 85, 277 (1935).
4. Vickers W. H., A Physiologically Based Model of Neuromuscular Sys-
tem Dynamics, Trans. IEEE, MMS9, March, 21 (1968).
5. Harrison J. Y., Maximising Human Power Output, Hum. Factors, 12,
June, 315 (1970).
6. Livingstone S. M. and Styles В. C., Considerations for the Design of an
Electro-Mechanical Artificial Elbow, Des. Electron., 5, July, 20 (1968).
7. Fitts P. M., The Information Capacity of the Human Motor System in
Controlling the Amplitude of Movement, J. Exp. Psychol., 47, 381 (1956).
60
8. Sheridan T. В., Experimental Analysis of Time-Variation of the Human
Operator’s Transfer Function, in: Coales J. F. (ed.), Automatic and Remote Con-
trol, Vol. 2, 629, Butterworths (1961).
9. Garner К. C., Evaluation of Human Operator Coupled Dynamic Sys-
tems, Ergonomics, 10, March, 125 (1967).
10. Milhorn H. T., The Application of control Theory to Physiological Sys-
tems, Saunders (1966).
11. Van Santen G. W., Electronic Weighing and Process Control, Macmil-
lan (1967).
12. Schlesinger G., Die Mitarbeit des Ingenieurs bei der Durchbildung des
Ersatzglieder, Ver. Dtsch. Ingen., Berlin, 61, 6 (1917).
13. Tomovic R., The Human Hand as a Feedback System, in: Coales J. F.
(ed.), Automatic and Remote Control, Vol. 2 , 624, Butterworths (1961).
14. Kobrinski A. E. et al., Problems of Bio-Electric Control, in: Coales
J. F. (ed.), Automatic and Remote Control, Vol. 2, 619, Butterworths
(1961).
15. Tomovic R, and Boni G., An Adaptive Artificial Hand, Trans. IRE,
AC7, April, 3 (1962).
16. Hom W. G., Muscle Voltage Moves Artificial Hand, Electronics, 36,
32 (1963).
17. Goertz R., Manipulator Systems Development at ANL, Proc. 12th Conf.
Remote Systems Technology, 1964.
18. Whitney R. J., The Strength of the Lifting Action in Man, Ergonomics,
1, February, 101 (1958).
19. Bottomley A, H. and Cowell T. K-, An Artificial Hand Controlled By
the Nerves, New Scient., 21, March 12, 668 (1964).
20. Bottomley A. et al., Muscle Substitutes and Mio-Electric Control, J. Br.
IRE, 26, 439 (1963).
21. Fyson J. et al., Design Considerations in a Myoelectric Hand Prost-
heses, Proc. IEE, 116, February, 281 (1969).
22. Allison R. et al., British Patents 13371/65, 15204/65, 45639/65, 13661/65.
23. Sutton C. G., The Human Operator in a Control System, Br. Comm.
Electron., 4, December, 744 (1957).
24. Shearer J. L. et al., Dynamics of Human Operators, Control, 4, Ja-
nuary, 113(1961).
25. Lubrication and Wear in Living and Artificial Human Joints, Proc. Instn
Meeh. Engrs, 181, pt 3J (1967).
26. Mitchell M. B., Systems Analysis — The Human Element, Electro-
Technology, N. Y., 77, April, 59 (1966).
27. Costello R. G. and Higgins T. J., Bibliog. on Human-Operator Model-
ling, Trans. IEEE, HFE7, December, 174 (1966).
28. Ring N. D., A Study of Prehension, M. Sc. Thesis, Engng Dept., Uni-
versity of Cambridge (1966).
29. Kennaway A. (Chairman), Symposium on Powered Prostheses, Roehamp-
ton, October, 1965 (Ministry of Health).
30. Bottomley A. H., An Approach to a Powered Arm with Co-ordinate
Control, Proc. Instn Meeh. Engrs, 183, pt 3J, November, 82 (1968).
31. Th ring M. W., The Next Thirty Years in Engineering, Advan. Sei.;
24, September, 99 (1967).
32. Rakic M., The Belgrade Hand Prosthesis, Proc. Instn Meeh. Engrs, 183,
pt 3J, November, 60 (1968).
33. McWilliam R., Some Characteristics of Normal Movement in the Upper
Limb, Proc. Syrap. Powered Prostheses, Roehampton, 1965.
34. Livingstone S. M. and Crecraft D. L, Design of an Artificial Elbow:
An Electromechanical Solution, Proc. Instn Meeh. Engrs, 183, pt 3J, November,
32, (1968).
35. Montgomery S. R., Design of an Experimental Arm Prosthesis: Engi-
neering Aspects, Proc. Instn Meeh. Engrs, 183, pt 3J, November, 68 (1968).
36. Godden A. K-, SometFactors in the Design of an Adaptive Artificial
Hand, Proc. Instn Meeh. Engrs, 183, pt 3J, November, 50 (1968).
61
37. Montagna W., The Structure and Function of the Skin, Academic Press
(1962).
38. Anon., An Engineering Study of Human Skin, Engineering, Lond., 199,
363 (1965).
39. Sinclair D., Cutaneous Sensation, Oxford University Press (1967).
40. Sternbach R. A., Pain Academic Press (1968).
41. Pringle J. W. S., Models of Muscle (Symposia of the Society for Expe-
rimental Biology, No. 14), 41, Cambridge University Press (I960)"
42. Nightingale J. M. and Todd R. W., Adaptive Control of a Multi-Deg-
ree of Freedom Hand Prosthesis, Conf. Hum. Locomotor Eng., Sussex, Septem-
ber 1971 (Instn Meeh. Engrs), 249.
43. Ridge M. D. and Wright V., A Rheological Stady of Skin, in: Kenedi
R. M. (ed.), Biomechanics and Related Bio-Engineering Topics, 165, Pergamon
(1965).
44. Kroemer К. H. E., Human Strength, Hum. Factors, 12, June, 297 (1970).
45. Fletcher M. J., New Developments in Hands and Hooks, in: Klopsteg P. E.
and Wilson P. D. (eds.), Human Limbs and Their Substitutes, 222, McGraw-Hill
(1954).
46. Leonard F. and Milton C. L., Cosmetic Gloves, in: Klopsteg P. E. and
Wilson P. D., (eds.), Human Limbs and Their Substitutes, 239, McGraw-Hill
(1954).
47. Inman V. T. and Ralston H. J., The Mechanics of Voluntary Muscle,
in; Klopsteg P. E. and Wilson P. D. (eds.), Human Limbs and Their Substitu-
tes, 296, McGraw-Hill (1954).
48. Anon., Water-Loving Plastic Seen as Tissue Replacement, Ind. Res.,
13, October, 21 (1971).
49. Taylor A., The Limitations Imposed on the Muscle Servo by the Nature
of its Components, IEE Meet. Control Muscle Contraction Animal Movement,
May 8, 1972.
50. Napier J., The Evolution of the Hand , Sci. Am., 207, December
56 (1962).
51. Daniels G. S. and Hertzberg H. T. E., Applied Anthropometry of the
Hand, Am. J. Phys. Anthropol., 10, 209 (1952).
52. Tomovic R., Human Hand as a Feedback System, in: Coales, J. F. (ed.)
Automatic and Remote Control, Vol. 2, 622, Butterworths (1961).
53. Yamashita T. and Mori M., Engineering Approaches to Function of
Fingers, Rep. Inst. Ind. Sci., Tokyo Univ., 13, November, 60 (1963).
54. Long C., Intrinsic-Extrinsic Muscle Control of the Fingers, J. Bone Jt.
Surg., 50A, July, 973 (1968).
55. Merton P. A., How We Control the Contraction of our Muscles, Sci. Am.,
226, May, 30 (1972).
56. Neilson P. D., Speed of Response or Bandwidth of Voluntary System
Controlling Elbow Position in Intact Man, Med. Biol. Eng., 10, July, 450 (1972).
57. Von Bally K- et al., Development of a Bio-Compatible Rubber for Imp-
lantable Artificial Organs or Instrumentation, J. Audio, Eng. Soc., 18, Decem-
ber, 692 (1970).
58. Aldred J. K. et al., Mechanical Upgrading of Industrial Robots, Proc.
19th Conf. Remote Systems Technology, Miami, October, 1971, 69.
59. Marklew С. M., Pulse Delay Unit and Histogram Plotter, University
of Aston (1970).
60. Martin J. B. and Chaffin D. B., Biomechanical Computerized Simu-
lation of Human Strength in Sagittal Plane Activities, Trans. AHE, 4, March,
19 (1972).
61. Davies В. T., Moving Loads Manually, Appl. Ergonomics, 3, Decem-
ber, 190 (1972).
Глава 4
ЭЛЕКТРОПРИВОД РОБОТА
4.1. ПРАКТИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРИВОДАМ
Независимо от вида привода, выбираемого в качестве «муску-
лов» робота, существует ряд общих требований, предъявляемых
к приводу. У привода должно быть большое отношение выходной
мощности к массе. К тому же он должен обеспечить очень гибкое
управление движением. Наличие прерывистого движения совер-
шенно недопустимо для робота общего назначения. Следовательно,
выходной момент должен плавно изменяться во всем диапазоне
с максимальной быстротой. Торможение приобретает особенно
важное значение при рассмотрении вопросов безопасности.
Оказалось, что лучше использовать полную действующую силу
и управлять этой фактически существующей силой не непосред-
ственно, а путем изменения противодействующей силы. При
применении пневматических управляющих свойств это обеспечи-
вает плавную работу.
Для использования роботов важно, чтобы полная масса ро-
бота была минимальной. Это масса включает в себя массу испол-
нительного механизма, массу необходимого источника энергии и,
при использовании гидравлики, массу рабочей жидкости и преоб-
разующего оборудования. В то же время к. п. д. должен оста-
ваться максимально высоким.
Привод робота общего назначения должен быть бесшумным
в работе и совсем не иметь утечек рабочей жидкости или кислоты
аккумуляторной батареи.
Для того чтобы быть приемлемым для использования робот
должен удовлетворять требованиям безопасности. Должна быть
обеспечена легкость отключения привода и снятия прикладыва-
емого усилия. Желательно также, чтобы привод блокировался,
когда это требуется для целей безопасности.
Перезарядка или замена источника энергии должны либо
выполняться автоматически, либо быть операцией, не требующей
высокой квалификации персонала.
В некоторых случаях преимущество дает работа исполнитель-
ного механизма от того же источника (или, по крайней мере, от
источника того же вида энергии), что и логическое устройство,
управляющее исполнительным механизмом. С этой точки зрения
электрическим исполнительным механизмам должно отдаваться
предпочтение, хотя сейчас имеются в наличии субблоки на пневма-
тических элементах, выполняющие логические переключающие
операции без использовании электричества.
Какой бы вид привода ни выбирался для подвижного робота,
в каждом отдельном случае приходится принимать компромис-
63
сное решение относительно быстродействия и к. п. д. системы,
поскольку последний определяет габариты и массу необходимого
источника питания. Выбор смазки также требует особого внима-
ния [25].
Известно, что у животных и у человека в группах возбужден-
ных мышечных волокон возникает значительный тремор, который
уменьшается суммированием случайно накладывающихся тремо-
ров. То же самое можно сделать и в роботе. Однако следует пом-
нить, что тремор, если он мал, часто оказывается полезным.
Например, в сервоуправляемом графопостроителе полезно вводить
тремор для уменьшения эффекта «прилипания» пера к бумаге,
на которой идет запись. Автор этих строк обнаружил, что в не-
которых случаях полезно ввести тремор под прямым углом к тре-
буемому направлению движения. Это уменьшает прилипание
и не влияет на точность. Вращение стержневого исполнительного
элемента уменьшает прилипание при линейном движении.
4.2. СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
В настоящее время невозможно утверждать категорически,
что для робототехнического использования какой-то один из
возможных методов аккумулирования энергии предпочтителен во
всех случаях. Например, основным слагаемым суммарного запаз-
дывания системы является постоянная времени, определяемая
инерцией нагрузки и жесткостью системы. Для различных систем
эта постоянная времени (п. в.) имеет следующие значения [27,
29]:
Система И. в.
Гидравлическая........................................... 1,0
Электрическая........................................... 19,7
Пневматическая:
при 700 кПа....................................... 31,6
» 2000 кПа....................................... 18,25
В настоящее время невозможно хранить энергию, используя
несжимаемые рабочие жидкости, поэтому возникает необходи-
мость в первичном аккумулировании электрической и пневма-
тической энергии. Хранение электрической энергии менее сложно,
чем традиционное аккумулирование пневматической энергии,
зато электрический привод тяжелее и шумнее, чем пневматиче-
ский.
Клейн и Монтгомери [28] провели для конкретного случая
сравнение электрического и пневматического приводов и обна-
ружили, что, несмотря на меньшие исходную массу и габариты,
пневматическая система нуждается в каждодневных заправках
и ежедневные затраты на нее намного больше (предполагался рас-
ход энергии в 40 кДж).
64
По этим причинам в настоящее время электрическим системам
отдается предпочтение в тех случаях применения роботов, когда
масса, габариты, а возможно, также и шум существенно менее
важны, чем, например, в протезных устройствах.
Однако не будем спешить с обобщениями, ибо вполне воз-
можно, что дальнейшая работа над протезами изменит эту кар-
тину.
4.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ [1, 2]
Использование электродвигателей для механического при-
ведения в движение конечностей робота очень привлекательно.
Это объясняется наличием большого выбора соответствующих
устройств и гибких методов управления, но, наверно, главным
образом тем, что электрическая энергия, необходимая для за-
рядки силовых аккумуляторных батарей, почти повсеместно рас-
пространена. Даже в робототехнических устройствах, предназ-
наченных для космоса, желательно использовать электрические
исполнительные механизмы, поскольку электрические аккуму-
ляторы могут подзаряжаться от солнечных батарей.
Электродвигатели постоянного тока с возбуждением от по-
стоянных магнитов весьма удобны для электропривода. И не
только потому, что коэффициент полезного действия этих двига-
телей достигает 60% по сравнению с 40% для двигателей с элект-
ромагнитным возбуждением, но также и потому, что они дешевле,
бесшумнее, меньше по габаритам и легче, чем машины с обмоткой
возбуждения. Особенно малой массой характеризуются современ-
ные двигатели с металлокерамическими магнитами.
Однако скорость вращения двигателей, как правило, черес-
чур велика для непосредственного использования в приводе,
поэтому необходим редуктор, который не только понижает ско-
рость до нужной величины, но и увеличивает выходное усилие
или момент. К сожалению, коэффициент полезного действия зуб-
чатой передачи мал и изменяется приблизительно от 80% при
малых передаточных числах до 30% при больших, которые, по
всей видимости, и будут необходимы для робототехнических при-
менений.
Допустимая масса —наиболее важный фактор при выборе
электродвигателя для робота. Максимальное значение коэффи-
циента полезного действия будет получено при работе двигателя
с мощностью, равной половине максимальной, что позволит со-
кратить до минимума затраты в электрической энергии и потреб-
ление тока от источника питания. Кроме того, преимущество
большого по габаритам двигателя заключается в наличии большей
величины пиковой мощности для использования в случае аварии
и при других особых обстоятельствах. Однако при этом постоянно
Должна переноситься дополнительная масса. Эго большой недо-
статок для некоторых конкретных применений роботов, например
3 Дж. Ф. Янг 65
при их транспортировке космическим кораблем для работы
в открытом космосе.
Для многих применений роботов такой весовой (или стои-
мостный) «штраф» за использование двигателей увеличенных габа-
ритов будет недопустим, поэтому отношение мощности к массе
должно максимально увеличиваться за счет использования мало-
габаритных двигателей, работающих с максимально возможной
выходной мощностью. Компромисс между массой и к. п. д. необ-
ходим почти для всех обычных применений робота, причем при
исследовании этого вопроса не следует исключать из рассмотрения
и массу батарей источника питания.
Некоторые двигатели для робототехнических применений дол-
жны допускать эксплуатацию в условиях непрерывного режима
короткого замыкания на протяжении значительных временных
интервалов. Например, если робот должен сохранять зажимное
усилие или удерживать какой-то груз, усилие прикладывается
непрерывно, хотя движение отсутствует. Если обычный двигатель
постоянного тока с параллельным возбуждением стопорится при
постоянном напряжении питания, то потребляемый пусковой
ток становится сравнительно большим из-за отсутствия противо-
э. д. с., которая обычно ограничивает его величину. Для предо-
твращения чрезмерного потребления тока от источника питания
можно использовать автоматические выключатели с максималь-
ной токовой защитой, срабатывающие при достижении током не-
которой заданной величины, а в некоторых случаях и механиче-
ские концевые выключатели для отключения питания. Тем не
менее современные методы управления двигателями позволяют
осуществить режим непрерывного короткого замыкания при
сохранении постоянного значения тока; имеется также хорошая
перспектива использования методов, базирующихся на постоян-
стве момента, а не скорости. Методы, основанные на постоянстве
момента, широко используются применительно к подъемно-
транспортному оборудованию. Разработанные в последнее время
новые методы построения привода с постоянным моментом обе-
спечивают, однако, гораздо более гибкое управление, чем те,
которые реализуются в транспортных тележках, подъемных кра-
нах и лифтах [42, 43].
В протезах обычно используется двигатель постоянного тока
с возбуждением от постоянных магнитов на 12 В с начальным
пусковым моментом 0,012 Н-м. Через зубчатую передачу и само-
тормозящийся винт он обеспечивает силу сжатия пальцев
в 25 Н. Для питания используются аккумуляторные батареи
(15,6 В; 0,9 А-ч).
В тех случаях, когда в качестве источника механической
энергии для робота используются вращающиеся электрические
машины, обычно необходима значительная редукция скорости
вращения. Последнее можно осуществить применением червячного
редукционного механизма, дающего во многих случаях то допол-
66
нительное преимущество, что передача может быть сделена само-
тормозящейся. Реакция от груза не будет тогда вызывать по-
ворот вала двигателя после отключения питания, и благодаря
этому предотвратите я дальнейшее движение груза.
Таким путем может быть сэкономлена энергия, поскольку
отпадает необходимость в непрерывной ее подаче на приводной
двигатель при стопорении, например, после того, как груз уже
захвачен. Эта особенность наиболее важна в подвижных роботах,
питание которых осуществляется от электрических аккумуля-
торных батарей.
К сожалению, червячная передача обладает свойствами, не-
желательными для ряда применений: большими механическими
потерями, противоположными направлениями вращения вход-
ного и выходного валов, значительной нагрузкой на отдельный
зуб из-за того, что в каждый момент времени в зацеплении на-
ходится малое число зубьев. Все эти недостатки могут быть исклю-
чены введением простейшего варианта двухступенчатой линей-
ной планетарной передачи, которая может дать передаточное
отношение, скажем, 661 : 1, причем входной и выходной валы
располагаются на одной линии и вращаются в одном направ-
лении.
В некоторых случаях весьма привлекательно использование
в приводе линейного индукционного двигателя при условии, что
имеется или может быть легко обеспечено многофазное питание.
Двигатель с печатным якорем [3, 20] представляет собой усовер-
шенствованный вариант более раннего диского двигателя Барлоу
для работы на постоянном токе. У этого двигателя большое от-
ношение вращающего момента к моменту инерции, так что
механическая постоянная времени может достигать 30 мс, в то
время как в роторе нет стали и поэтому отсутствует возможность
его магнитного насыщения. Это устройство представляется много-
обещающим для применения в роботах. Кроме того, оно обеспе-
чивает получение малых скоростей без механической редукции.
Дэвис [44] полагает, что одно из самых высоких отношений
мощности к массе и мощности к объему дает американский дви-
гатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов
типа «Глоб» (25 Вт, 12 В). Длина двигателя 80 мм, диаметр 40 мм,
масса 0,3 кг.
Несмотря на то что к настоящему времени разработаны эле-
ктрические муфты и тормоза различных типов, значительная масса
и дополнительное потребление электроэнергии вынуждают счи-
тать нежелательным их использование в подвижных устройствах.
Тем не менее в некоторых случаях целесообразно рассматривать
возможность использования механического распределения энер-
гии от центрального электрического или иного двигателя при
помощи муфт. И действительно, в последнее время было разра-
ботано большое число разнообразных тормозов и муфт, например
Для использования в счетных машинах.
3* 67
Несколько удивительным кажется то, что в последнее время
стали уделять много внимания электромагнитному тормозу,
построенному на принципе возникновения вихревых токов, хотя
он в принципе не способен к работе как раз при подходе к нулевой
скорости. Тормозам других видов, например гистерезисному тор-
мозу, который лишен указанного недостатка, тем не менее уде-
лялось гораздо меньше внимания.
4.4. ШУМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В некоторых областях применения электрических двигателей
основная проблема связана с производимым ими шумом. Достиг-
нутый уровень шумов некоторых электрических бытовых при-
боров, применяемых в домашнем хозяйстве, таких, как стираль-
ные машины или пылесосы, в настоящее время принимается
безоговорочно, даже если это жужжание, но шум при работе под-
вижного робота может быть более нежелательным с психологи-
ческой точки зрения. Тем не менее во многих областях применения
роботов уровень шума будет совершенно безразличен.
При использовании электродвигателей в протезных устрой-
ствах можно ограничить уровень шума за счет использования че-
редующейся стальной и пластмассовой геликоидальной зубчатой
передачи, дающей приемлемую точность. Остаточный шум дви-
гателя уничтожается путем крепления его в эластичных рези-
новых опорах, что уменьшает передачу вибраций к других частям
конструкции. Кроме того, все устройство помещается в практи-
чески герметический корпус, что способствует уменьшению венти-
ляционного шума [15].
У некоторых малых двигателей оказалось возможным умень-
шить шум от щеток и контактов за счет покрытия части двигателя
оболочкой из пенистого пластика. Благодаря этому уменьшается
также попадание грязи и пыли в двигатель, если он не полностью
герметизирован. Для увеличения продолжительности срока служ-
бы двигателя в нем используются бронзовые подшипники, на-
полненные жидкой смазкой.
Такого рода двигатели обычно применяются в бытовых про-
игрывателях, работающих на батареях, поэтому в процессе из-
готовления они проходят испытания на уровень шума в звуконе-
проницаемой камере, в которой размещены микрофоны.
Для тех областей применения, где уровень шума очень ва-
жен, а общая масса робота не имеет решающего значения, на-
пример в роботах для больницы или библиотеки, можно исполь-
зовать недавно разработанное акустическое покрытие. Оно фор-
мируется из гибкого пенопласта толщиной около 5 см, покрытого
изнутри слоем легкой фибергласовой «кожи» из стекловолокна
на основе сырого каучука, которой придается форма, соответ-
ствующая покрываемой поверхности. Пластиковая пена снаружи
покрыта внешней оболочкой из свинцового листа с поверхностной
68
плотностью 25 кг/м2, который, в свою очередь, помещен между
слоями стекловолокна.
Это сочетание материалов с низкой резонансной частотой
образует комбинацию эластичность—масса, которая является
фильтром для вибраций. Покрытие успешно используется в ди-
зельных двигателях, поскольку может выдерживать температуру
до 120° С. На частоте 1 кГц достигается ослабление звука до
25—30 дБ.
Важно отметить, что шум, производимый роботом, может
создавать помехи не только людям и чувствительным приборам,
находящимся в окружающей его среде, но также и работе самого
робота. В некоторых случаях роботу, имеющему «уши», будет
необходимо обеспечить типичный для животных эффект «замира-
ния» для предотвращения маскирования внешних звуков шумом
от движения самого робота. Однако в шумной окружающей об-
становке не всегда легко разделить внутренние и внешние звуки,
и нередко придется принимать меры, чтобы избежать полной
беспомощности робота. Это фактически аналогично слушанию
во время коктейля, когда говорит сразу много людей. В некоторых
средах такой проблемы не существует, ибо окружающий шум
настолько велик, что любой шум, создаваемый роботом, совер-
шенно несуществен.
В связи с этим автор вспоминает, как он по просьбе Адмирал-
тейства несколько недель занимался уменьшением уровня шума
части оборудования, предназначенного для установки в машинном
отделении одного хорошо известного авианосца. Приходилось
работать, не считаясь со временем, хотя стояла великолепная
летняя погода. Уровень шума оборудования был успешно умень-
шен, но после его установки оказалось, что уровень шума в ма-
шинном отделении был настолько высок, что небольшой шум
от установленного оборудования вовсе не был бы слышен. В этом
случае автор представляет налогоплательщику право оценить
стоимость этой дополнительной работы.
При применении роботов желательно сохранять чувство
реальности относительно уровня шумов и тщательно анализи-
ровать, будет ли шум создавать неудобства людям. Если в рабо-
чей среде людей нет, то единственное основание для уменьшения
шума состоит в том, чтобы уменьшить чрезмерное механическое
изнашивание. Тем не менее уменьшение шума —• важнейший воп-
рос при использовании робота для бытовых нужд [15—17].
4.5. СОЛЕНОИДЫ В КАЧЕСТВЕ *’
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ [4—9]
Соленоиды — полезное устройство для применения в роботах
в тех случаях, когда требуется осуществлять линейное движение,
и в настоящее время имеется широкий выбор соленоидов различ-
ных видов и мощностей. Форма кривой зависимости усилия от
69
перемещения для соленоида зависит от длины и формы железного
сердечника, который втягивается в соленоид магнитным полем.
Если требуется, чтобы усилие было сравнительно постоянным
на пути перемещения, сердечник должен быть длинным. Короткий
середчник дает острый максимум на кривой зависимости усилия
от перемещения при условии, что ток, потребляемый соленоидом,
поддерживается постоянным.
Применение катушки с рамкой из магнитного материала ока-
зывает слабое влияние на тяговую силу, развиваемую в начале
хода сердечника, но вызывает значительное увеличение этой
силы в конце хода.
Максимальная сила, развиваемая соленоидом, определяется
следующим образом:
, п. п. с. X число витков X сила тока
максимальная сила = const---------------------------,
длина
где п. п. с. — площадь поперечного сечения. Электрическая
энергия, потребляемая соленоидом, по крайней мере в два раза
превосходит получаемую на выходе механическую энергию.
Параметры соленоидов с малым ходом стержня иногда улуч-
шаются фасонированием конца железного якоря. Например,
распространена форма якоря с коническим окончанием, который
вдвигается в коническую выемку в неподвижной части магнито-
провода.
Если требуется, чтобы тяговая сила была велика, когда соле-
ноид «закрыт», хороший результат достигается уменьшением пло-
щади контакта сопрягаемых частей, например приданием одной
из сопрягаемых частей куполообразной формы. Прием основан
на том, что при постоянной величине магнитного потока тяговая
сила пропорциональна квадрату потока, проходящего через
поперечное сечение, деленному на площадь сечения. В некоторых
случаях для получения большей величины тягового усилия при
крайних положениях стержня используются механические
рычаги.
Катушка соленоида обладает индуктивностью, и ее индуктивное
сопротивление изменяется при рабочем движении сердечника
соленоида. Вследствие этого при приложении к катушке солено-
ида постоянного напряжения формируется довольно сложная
волнообразная кривая тока.
Первоначально ток возрастает экспоненциально за счет ин-
дуктивного сопротивления «открытого» соленоида. Однако, как
только сердечник начинает двигаться, возникает противо-э. д. с.,
которая противодействует току и вызывает уменьшение его вели-
чины, в результате чего движение замедляется. При завершении
движения ток опять нарастает по экспоненте. Поскольку индук-
тивное сопротивление теперь увеличилось, ток нарастает, стре-
мясь к предельной величине, но уже медленнее, чем при «открытом»
соленоиде. Следует обращать особое внимание на те случаи,
70
когда индуктивная нагрузка, каковой и является соленоид,
включается с использованием полупроводниковых приборов.
При необходимости осуществлять манипулирование железными
грузами целесообразно устанавливать на робототехнических уст-
ройствах магнитные или электромагнитные «кисти». В некоторых
случаях такие кисти можно использовать, например, для раз-
деления стальных листов за счет взаимного отталкивания.
В большинстве применений в робототехнических устройствах
соленоиды будут возбуждаться постоянным током. Однако, если
требуется осуществлять возбуждение переменным током, магни-
топровод должен быть шихтованным. Для того чтобы исключить
вибрации и «гудение», обычно устанавливают экранированные
полюса. Экранирование состоит в окружении части поверхности
полюса замкнутым электрическим контуром, например медным
кольцом. К сожалению, на практике это приводит к понижению
надежности соленоида, поскольку нередки случаи разрушения
колец, окружающих полюса, и появления в результате этого
вибрации и шума. Для исключения вибраций в устройствах, ра-
ботающих на переменном токе, полюса должны иметь тщательно
обработанные поверхности [36].
В ряде работ автором рассмотрены некоторые из трудностей,
возникающих в случаях, когда индуктивная нагрузка, какой
является соленоидный клапан, должна подключаться при помощи
транзисторов [37, 38], трубок с холодным катодом [39] и маг-
нитных усилителей [40, 41].
4.6. ДВИГАТЕЛИ С БОЛЬШИМ ПУСКОВЫМ МОМЕНТОМ
И ПОВОРОТНЫЕ СОЛЕНОИДЫ
В некоторых случаях, когда в роботе с электроприводом тре-
буется осуществлять ограниченное угловое перемещение, можно
использовать поворотный соленоид. Широкое распространение
получили поворотные соленоиды «Ледекс» [10], использовавши-
еся, в частности, для приведения в движение поворотных пере-
ключателей. В соленоидах этого типа катушка, помещенная
в железную оболочку, обеспечивает осевую магнитную тяговую
силу, прикладываемую к оконечной пластине. Стальные шарики,
расположенные между этой оконечной пластиной и наклонными
направляющими, позволяют преобразовать осевую тягу электро-
магнита в поворотное движение пластины. Примером использо-
вания таких поворотных соленоидов может служить введение
их автором в состав оборудования для числового программного
управления станков.
В разработанные за последнее время устройства входят по-
воротные соленоиды, в которых железные зубцы ротора при вклю-
чении катушки электромагнита втягиваются в зазор между вну-
тренними и внешними зубцами статора. Преимущество этого
Устройства заключается в том, что его якорь имеет небольшую
массу и легко балансируется, а это уменьшает воздействие ударов,
71
ускорений и вибраций. Помимо этого у устройства'малырадиаль-
ные и осевые нагрузки в опорах, что повышает прочность и позво-
ляет широко разнести опоры. В устройствах такого типа обеспечи-
вается постоянство момента, хотя можно проектировать и уст-
ройства, у которых характеристика момента изменяется по
обратному квадратичному закону.
Преимущество устройств на базе соленоидов при использова-
нии их в приводе роботов, где требуется ограниченный угол
поворота (например, 35°), состоит в компактности и полной гер-
метичности; кроме того, их можно сделать чрезвычайно легко
взаимозаменяемыми, если это требуется для целей технического
обслуживания. Недостатком устройства для использования в под-
вижных роботах является очень большое потребление энергии,
например 15 Вт, при моменте, меньшем 0,1 Н-м. Добавлением
храпового механизма можно обеспечить непрерывное шаговое
вращение. Если установлен такой храповик-ограничитель, непре-
рывная подача энергии уже не обязательна, так что в некоторых
случаях требования к средней энергии рассеяния могут быть
весьма малыми.
При необходимости ограниченного углового движения для
использования в следящих приводах были разработаны двигатели
с большим пусковым моментом. У этих двигателей момент — ли-
нейная функция тока возбуждения. Типичное устройство такого
рода имеет ротор с постоянным магнитом и заключенный в обо-
лочку из эпоксидной смолы статор с внешним алюминиевым
кольцом. Основные характеристики этого устройства следующие:
Масса, кг .......................................... 0,1
Номинальный вращающий момент, Н-м.................. 0,01
Снижение момента (на максимальном токе), %:
при угле поворота 60°.......................... 92
» » » 70°............................ 80
» » » 80°............................ 45
Потребляемая мощность при моменте 0,03 Н-м
(/ = 25° С), Вт.................................... 8
Сопротивление (t = 25° С), Ом....................... 48
Чувствительность, Н-м/А............................. 0,1
Электрическая постоянная времени (L/R), с.......... 8-Ю-4
Противо-э. д. с.*, В-рад-Пс-1...................... 0,07
Максимальная температура обмотки, °C............... 155
Приблизительные габаритные размеры (диаметр X
X длина), м................................... 0,05x0,02
Отметим, что устройства «Ледекс» и шаговые искатели прин-
ципиально способны обеспечить вращательное движение только
в одном направлении. Если требуется реверс, то обычно исполь-
зуют два соленоида с зубчатой передачей на каждом, которые
автоматически вводятся в зацепление во время движения. Можно
использовать также дифференциальную схему движения двух
Мгновенное значение э. д. с. вращения (Прим. ред.).
72
соленоидов, которая была реализована в шаговых искателях
скорее для увеличения или уменьшения переходного сопроти-
вления, чем для обеспечения движения. Другое решение состоит
в установке реверсирующей коробки передач, по-видимому, тя-
желой, поскольку она должна приводиться в действие электри-
ческой энергией.
Вращающиеся шаговые устройства будут обладать преиму-
ществами, если в них применяется принцип шаговых искателей,
где «шагание» осуществляется при отпускании электромагнита,
а не при его возбуждении. Большее усилие возникает тогда как
раз в начале рабочего хода и обеспечивается пружиной, которая
запасает энергию при запитывании электромагнита. Этот прин-
цип в настоящее время принят и в других шаговых двигателях
[11].
«Стеромотор» * — это, по существу, двигатель переменного
тока, в котором ротор не уложен в традиционных опорах. Вместо
этого он катится по направляющему пути внутри статора. Бла-
годаря такому «качению» скорость на выходе мала, поскольку
для преобразования движения ротора во вращательное движение
выходного вала используется гибкая связь. Фактически это
двигатель переменного тока индукционного типа с неподвижными
обмотками статора и ротором с постоянными магнитами. Для
использования его в качестве шагового двигателя на обмотки
следует подавать импульсы постоянного тока, при этом возможно
получение до 1200 шагов за один оборот.
По ряду причин «Стеромотор» оказался весьма удобен в схе-
мах привода, работающего на переменном токе. Хотя инерцион-
ность ротора, как это видно по выходному валу, весьма незна-
чительна, все же при отключении питания неизбежно возникает
тормозной момент. (При работе на постоянном токе тормозной
момент весьма значителен). При работе на переменном токе иногда
проявляется полезное свойство этого двигателя, состоящее в том,
что его входное сопротивление сохраняется почти постоянным
во всем диапазоне скоростей вращения: от максимальной до ну-
левой. Некоторая неопределенность функционирования, возни-
кающая в стопорном режиме, совершенно безопасна. Ускоре-
ние и торможение происходят очень быстро: постоянная времени
достигает 0,02 с. Такие двигатели кажутся преспективными для
применения в приводах робототехнических устройств.
4.7. ШАГОВЫЕ СЕРВОДВИГАТЕЛИ
[12—14, 18, 19, 26, 32, 34, 35]
Шаговым серводвигателям в настоящее время уделяется все
большее внимание, что обусловлено ростом их значения в про-
мышленности. Так, студенты, занимающиеся у автора, начинают
* Тихоходный двигатель с катящимся ротором (Прим. ред.).
73
усиленно интересоваться применением шаговых двигателей для
цифрового управления станками и производственными процес-
сами.
Существуют два основных вида шаговых серводвигателей.
В шаговом двигателе с постоянными магнитами на роторе исполь-
зуется взаимодействие магнитного поля, создаваемого обмотками
статора, с полем возбуждения ротора. В шаговом двигателе
с переменным вдоль воздушного зазора магнитным сопротивле-
нием и невозбужденным ротором используется соленоидный прин-
цип взаимодействия между создаваемым обмотками статора маг-
нитным полем и невозбужденным ротором из магнитомягкого
железа. В обоих конструктивных вариантах по окружности ста-
тора располагается несколько соленоидных катушек, последо-
вательное возбужедние которых заставляет ротор осуществлять
вращательное движение, состоящее из ряда последовательных
шагов.
К преимуществам таких устройств по сравнению с другими
источниками движущей силы относятся независимость величины
шага от колебаний амплитуды питающих напряжений или им-
пульсов, нечувствительность к тряске и вибрациям и значитель-
ный срок службы, достигающий 109 циклов. Кроме того, у дви-
гателей такого типа хорошее быстродействие: время срабаты-
вания составляет 1 м/с. Величина перемещения за один шаг
может сохранять, и весьма точно, постоянное значение благодаря
использованию магнитных фиксирующих устройств.
Для приведения шагового двигателя во вращение существуют
различные последовательности возбуждения его обмоток. Один
из способов сравнительной оценки возможных последовательно-
стей возбуждения состоит в использовании в качестве числового
критерия отношения числа ампер-витков возбужденных обмоток
к величине потребляемой энергии, неизбежно рассеиваемой
в обмотках. Уменьшение энергии, необходимой для данного
способа возбуждения, имеет огромное значение для подвижных
устройств, в частности роботов, где требуется уменьшение массы
батарейных источников питания. Большое значение имеет также
и то, что шаговые двигатели лучше охлаждаются, а понижение
рабочей температуры способствует увеличению срока службы
устройства. Однако некоторые возможные последовательности
включения обмоток управления требуют сложной коммутирую-
щей аппаратуры, а это нежелательно с точки зрения стоимости,
сложности и надежности.
При выборе типа шагового серводвигателя для какого-либо
конкретного применения можно исходить из следующих сообра-
жений. Двигатель активного типа обеспечивает магнитную фик-
сацию, большую дискретность шаговых углов, и его целесооб-
разно применять в тех случаях, когда требуется определенность
положения, а частота управляющих импульсов меньше 300 имп/с.
С другой стороны, двигатель с переменным магнитным сопротив-
74
лением целесообразно использовать в тех случаях, когда не тре-
буется магнитная фиксация, нужна малая цена шага без ис-
пользования зубчатой передачи, а частота управляющих импуль-
сов достигает 1200 имп/с. Этот двигатель может быть использован
также в тех случаях, когда небольшая неопределенность поло-
жения не очень важна, и в особенности тогда, когда из-за нали-
чия железных опилок или частиц применение постоянных маг-
нитов недопустимо.
4.8. ОХЛАЖДЕНИЕ [21—24, 30, 31, 46]
Несомненные преимущества дает уменьшение габаритных раз-
меров робота общего назначения. В связи с этим представляется
весьма существенным использование современных методов мини-
атюризации. При миниатюризации электрического оборудования
возникают две основные трудности. Одна из них связана с до-
стижением хорошей изоляции, и здесь наиболее важный вопрос —
однородность применяемого изоляционного материала.
Другая, еще более существенная трудность, возникающая в на-
стоящее время, состоит в отводе тепла, выделяемого любым элект-
рическим оборудованием, и поддержании относительно низкой
температуры при работе в любых условиях. Важно снижать
потери энергии, идущей на нагрев, поскольку она потребляется
от основного источника, который подвижный робот должен пере-
носить на себе. Помимо этого, если происходит чрезмерный нагрев
каких-то частей робота, свойства материалов, из которых они
сделаны, могут резко изменяться, в результате чего в системе
появляется источник ненадежности.
Для того чтобы избежать чрезмерного нагрева, прежде всего
необходимо свести к минимуму тепловую мощность, рассеивае-
мую в единице объема, а это предполагает использование при-
боров и оборудования, обладающих наибольшим возможным
электрическим к. п. д. Несмотря на то что по мере совершенство-
вания оборудования происходит непрерывное увеличение эф-
фективного к. п. д., в каждый момент существует определенный
предел, который может быть достигнут. Таким образом, в любой
данный момент времени существует заданный определенный
минимум для количества теплоты, которая должна выделяться
за счет электрических потерь в оборудовании, и в то же время
существует заданный определенный максимум для допустимых
внутренних температур. Для того чтобы робот был надежен в ра-
боте, эти два противоречивых фактора должны быть согласованы.
Одним из путей разрешения этого противоречия является
увеличение поверхности охлаждения, обтекаемой воздухом
или жидкостью. В открытом космосе вместо этого необходимо
обеспечить достаточную излучающую поверхность. Между уст-
ройством, являющимся источником электрических потерь, вызы-
вающих нагрев, и основной охлаждающей поверхностью (или
75
поглотителем тепла) должен быть создан путь, обладающий
минимально возможным сопротивлением тепловому потоку. Важно
отметить, что повышение надежности не сводится только к ог-
раничению средней температуры устройства, ибо отказ может
произойти в любой появившейся «горячей точке». Другого рода
проблемы могут возникнуть в связи с принятыми средствами
охлаждения, и их следует внимательно рассмотреть на стадии
проектирования. К ним относятся, например, уменьшение на-
пряжения электрического пробоя или увеличение уровня пара-
зитных емкостей.
Там, где это возможно, желательно осуществлять охлаждение
за счет обтекания воздуха, и сейчас для этой цели имеется боль-
шой выбор теплопоглотителей, штампованных методом выдавли-
вания из сплавов. Для электрической изоляции устройства от
поглотителей обычно используются изолирующие винты и тонкие
шайбы из слюды, которые позволяют минимизировать падение
температуры на изолирующем материале. У хорошо спроекти-
рованных жидкостных систем охлаждения имеются определенные
преимущества, но их применение может быть нежелательно в под-
вижных системах. Это относится также к системам охлаждения
«испарительного» типа, в которых используется скрытая теплота
испарения жидкости.
Логическим развитием метода охлаждения за счет испарения
было бы введение какого-то подобия охлаждения за счет пото-
выделения. Однако подобный метод, по всей видимости, будет
со многих точек зрения нежелательным для робота общего на-
значения. Прежде всего он не подходит для использования в не-
которых средах, например пыльных или с очень высокой влажно-
стью. А перспектива иметь домашнего робота, который страдает
потливостью, в высшей степени неприятна!
В пневматической системе рабочий газ в жидком состоянии
под высоким давлением должен храниться и переноситься в бал-
лонах. Большое внимание при этом следует уделять тому, чтобы
температура баллона не поднималась слишком высоко, поскольку
это будет вызывать опасное увеличение давления. Дополнитель-
ная трудность состоит здесь в том, что любая утечка газа из си-
стемы будет вызывать локальное падение температуры, которое
может привести к замерзанию хранимой жидкости (обычно при
—55° С). Тогда прикосновение человека к баллону может вы-
звать сильный ожог. Ожог может вызвать и просачивающаяся
струйка газа. Следует предусмотреть какое-то устройство для
сброса давления, чтобы предотвратить взрыв в случае повышения
давления, о котором шла речь выше.
В некоторых случаях, например когда робот предназначается
для работы на холодной стороне Луны, будет необходимо обеспе-
чить средства нагревания, а не охлаждения. Поэтому желате-
льно, чтобы в таких случаях экстремальных колебаний темпера-
туры робот был оснащен двухцелевой системой температурной
76
стабилизации, которая может или нагревать или охлаждать
в зависимости от условий. Двигатели и вентиляторы, использу-
емые в лунном оборудовании, охлаждаются при помощи тепло-
рассеивающего покрытия, состоящего из микросфер окисла бе-
риллия, вкрапленных в силиконовый каучук [33].
Список литературы
1. Wilson R. R., Electric Motor Operated Actuators and Their Control,
Laurence Scott Eng. Bull., 9, 17 (1967).
2. Mitchel W. S. E., U. K- Developments in Myo-Electric Powered Pro-
stheses, Des. Electron., 5, July, 16 (1968).
3. Rothwell D., The Printed Circuit Servo Motor, Prod. Des. Eng., August,
(1964).
4. Taylor D., Electric Actuators, Control and Instrum., 2, June, 25 (1970).
5. Say M. G. (ed.), Electrical Engineer’s Reference Book, 225, Newnes
(1968).
6. Fink D. G., Standard Handbook for Electrical Engineers, 5.4, McGraw-
Hill (1968).
7. Walker R. C., Relays, 38, Chapman and Hall (1953).
8. Anon., British Solenoids for Control Purposes (Review), Automn Prog.,
April, 114 (1960).
9. Burdett G. A. T., Automatic Control Handbook, 2.1, Newnes (1962).
10. Young John F. and Wootton R., Progress on a Numerical Control Sys-
tem, G. E. C. Internal Rep., SWD 72 (1959).
11. Cullen G. W., The Design and Development of the Rotenoid, Compo-
nent Technol., 2, March, 20 (1966).
12. Victor R. A., Memory Logic Allows Stepping Motor to Catch Up, Con-
trol Eng., 8, February, 143 (1961).
13. Kieburtz R. B., The Stop Motor — The Next Advance in Control Sys-
tems, Trans. IEEE, AC9, January, 98 (1964).
14. Delgado M. A., Mathematical Model of a Stepping Motor Operating
as a Fine Positioner Around a Given Step, Proc. Joint Autom. Control Conf. A.A.
C.C., Colorado, 1969.
15. Harris С. M., Handbook of Noise Control, McGraw-Hill (1957).
16. Beranek L. L., Noise Reduction, McGraw-Hill (1960).
17. Allen С. H., Guidelines for Designing Quieter Equipment, Meeh. Eng.,
92, January, 29 (1970).
18. Bell R. et al., The Use of Stepping Motors in Numerically Controlled
Machine Tools— A Summary of the Present State of Development, Int. J. Mach.
Tool Des. Res., 10, December, 417 (1970).
19. Fredriksen T. R., The Closed Loop Step Motor, Automatica, 5, 61 (1969).
20. Berg M., Printed Circuit D. C. Motors, Elektron., Rdsch., 17, Novem-
ber, 582 (1963).
21. Johnson D. P. and Silcock R., Cooling for Reliability, Proc. Relia-
bility in Electronics Conf., IEE, December, 1969, 114.
22. Shaw E. N., Heat Control in Electronic Equipment, Electron. Eng.,
29, January/February/March, 13, 65, 115 (1957).
23. Shaw E. N., Liquid Cooling of Electronic Equipment, Electron Eng.,
30, September, 516 (1958).
24. Arcus A. A. et al., Testing for Chemical Inertness in Electronic Coo-
lants, Wescon Conv. Rec., 13, paper 2/4 (1969).
25. Vest С. E., Development and Use of an In Situ MoS2 Solid Film Lub-
ricant, Wescon Conv. Rec., 13, paper 3/1 (1969).
26. Head J. R., A Versatile Stepper-Motor Drive Unit, Des. Electron.,
7. June, 63 (1970).
27. Lambert T. H. and Hall M. J., Design and Control of Powered Arti-
ficial Arms, Proc. Instn Meeh. Engrs, 183, pt 3J, November, 1 (1968).
77
28. Klein P. M. V. and Montgomery S. R., Portable Power Supplies for
Prostheses, Proc. Instn Meeh. Engrs, 183, pt 3J, November, 26 (1968).
29. Davies R. M. and Lambert T. H., Dynamic Characteristics of Pneu-
matic, Electric and Hydraulic Actuation of Prosthetic and Orthotic Devices, Proc.
Int. Symp. External Control Hum. Extremities, 1966, 65.
30. Cook D. V., Cooling Electronics Naturallv, Mach. Des., 42, August 20,
126 (1970).
31. Schenck H., Heat Transfer Engineering, Prentice-Hall (1959).
32. Chiarella L. J., Rotation by the Digits, Machine. Des., 42, Novem-
ber 26, 84 (1970).
33. Anon., Heat Dissipating Insulating Encapsulant Used in Lunar Landing
Equipment, Insulation/Circuits, 17, May, 52 (1971).
34. King D. S., Stepper Motors for Digital Control Systems, Control and
Instum., 3, June, 29 (1971).
35. Olson W. L., Stepper Motor Replaces a Servo Motor, Electromech. Des.,
9, October, 44 (1965).
36. Young John F., Methods of Semiconductor Static Switching, Electl
Rev., 174, April 17, 591 (1964).
37. Young John F., The Switching of Inductive Loads Using Transistors,
Br. Comm. Electron., 10, November, 844 (1963).
38. Young John F., The Use of Transistors in Industrial Timer Circuits,
Electron Eng., 35, June, 366 (1963).
39. Young John F., Comparison of Cold-Cathode Tubes with Transistors,
Br. Comm. Electron., 11, July, 484 (1964).
40. Young John F., Ferro-Resonance, Problems and Applications, Electl
Rev., 176, May 2, 782 (1965).
41. Young John F., Using Capacitors to Improve Low-Cost Magnetic Amp-
lifiers, Engineer, Lond., 220, July 30, 176 (1965).
42. Young John F., Field Control of Motors with Constant—Current Arma-
ture Supply, Control, 12, January, 35 (1968).
43. Yong John F., Control Possibilities of Double-Stator Squirrel-Cage Mo-
tors, Control, 12, May, 416 (1968).
44. Davies B. L., A Prototype Portable Hydraulic Power Supply for Prost-
hetic Applications, Proc. Conf. Hum. Locomotor Eng., Sussex, September, 1971
(Instn Meeh. Engrs), 285.
45. Alderson S. W., The Electric Arm, in: Klopsteg P. E. and Wilson P. D.
(eds.), Human Limbs and Their Substitutes, 359 (see 403), McGraw-Hill (1954).
46. Breese J. C., Check before You Freeze that Design, Electron. Des., 21,
January 4, 90 (1973).
Глава 5
ЭНЕРГЕТИКА РОБОТОВ
5.1. ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ БАТАРЕЙ [1]
В обычной сервосистеме при существовании установившейся
ошибки выходные исполнительные устройства должны непрерывно
потреблять энергию, чтобы отработать эту ошибку. Для робота
наличие установившейся ошибки положения конечности или
кисти является обычным рабочим режимом, например, когда
кисть захватывает с некоторым усилием какой-либо предмет.
В такой ситуации потребление тока от источника питания явля-
ется нежелательным. В пневматических или гидравливеских
устройствах за счет сохранения постоянства давления непрерыв-
ное потребление энергии в этом случае почти отсутствует. Однако
электрическая кисть будет непрерывно потреблять ток от бата-
рей питания, если усилие, развиваемое кистью, должно поддер-
живаться электрическим двигателем, приводящим ее в дви-
жение.
Такое положение вещей особенно нежелательно в случае под-
вижного робота; здесь следует использовать какую-либо само-
тормозящуюся передачу, например червячную, при которой
двигатель может быть отключен после достижения заданного
усилия, что определяется входным сигналом сервосистемы. Тогда
любое изменение этого сигнала будет вызывать включение при-
водного двигателя и движение червячной передачи в прямом
или обратном направлении.
Применение такого червячного привода и отключающей схемы
дает и другие преимущества. Сервосистема может быть простого
переключающего или релейного типа, что позволяет уменьшить
потребление энергии и потери в усилителе, управляющем дви-
гателем, а также время нарастания усилия в исполнительном
механизме. Кроме того, такая система абсолютно стабильна при
захвате, поскольку приводной двигатель фактически отсоединен
от движущихся частей робота. При этом необходим компромисс
между эффективной шириной возникающей мертвой зоны и коэф-
фициентом усиления в контуре сервоуправления. Желательно,
чтобы мертвая зона была небольшой, однако, если она слишком
мала, то для обеспечения максимального момента вращения на
границе этой зоны необходим чрезвычайно большой коэффициент
усиления в контуре сервоуправления. Большой коэффициент
обратной связи контура обусловливает меньшую зависимость
работы системы от колебаний коэффициента усиления, нагрузки
и статического трения в движущихся частях и в то же время
уменьшает быстродействие системы. К сожалению, большая ве-
личина коэффициента усиления контура увеличивает также труд-
79
ности в обеспечении стабильности следящей системы и плавности
отслеживания, что может пагубно отразиться на работе робота.
Было установлено, что в протезных устройствах, для которых
в целях экономии энергии батареи предусмотрена такая мертвая
зона, предельная величина ее границы должна составлять 30 мВ
по входу при номинальной величине коэффициента усиления
усилителя около 500. Подобные «гасящие» контуры вводятся
в протезные устройства, чтобы сохранять их работоспособность
почти при полной разрядке питающей батареи и при этом обе-
спечивать зажимные усилие в 30 Н-м. Для исключения неустой-
чивости, вызываемой существованием мертвой зоны, желательно
вводить 50%-ный гистерезис, как это показано на рис. 3.6.
В хорошо известной советской искусственной силовой кисти
пальцы могут сжиматься и разжиматься на максимальной ско-
рости, причем эта кисть не имеет никакой обратной связи, кроме
визуальной обратной связи к человеку-оператору. Тем не менее
можно получить эффективные изменения скорости за счет «дер-
гания» двигателя; тогда результирующие импульсные изменения
скорости сглаживаются механической инерцией системы. Ка-
чество управления получается при этом невысоким. К тому же
потребление энергии батареи, небольшое з состоянии покоя,
резко возрастает при движении.
5.2. МУФТЫ И ТОРМОЗА
В настоящее время используется множество различных ти-
пов тормозов и муфт [11, 16]. Муфты или тормоза, установленные
в роботе, должны работать в соответствии с электрическими или
иными сигналами, поступающими от системы управления.
По-видимому, в дальнейшем будут в основном использоваться
электрические виды этих устройств. Иногда могут быть применены
устройства, в которых механическое движение создается за счет
электромагнитных сил; в других случаях предпочтение отдается
устройствам, разработанным в последнее время. Устройства од-
ного из видов содержат магнитный порошок (или жидкость),
который загустевает под действием электромагнитного поля.
К другому виду устройств относится хорошо известный индукцион-
ный тормоз. Однако такие устройства наиболее нежелательны,
поскольку они, в принципе, не способны работать при подходе
к нулевой скорости. С этой точки зрения предпочтение, по-ви-
димому, следует отдать гистерезисному типу устройств.
При построении промышленных роботов желательно приме-
нять метод принудительного возбуждения и торможения и, сле-
довательно, осуществлять торможение приложением реверсивной
силы. Однако иногда это невозможно будет осуществить из-за
ограниченности пространства, отводимого под оборудование, и
его массы. В таких случаях на роботах должны устанавливаться
муфты и тормоза.
80
При необходимости исключить использование динамического
управления скоростью можно применить простой облегченный
вариант механического регулятора или устройства с постоянными
магнитами, работающие на принципе возникновения вихревых
токов. При современных магнитных материалах такое устройство
не должно быть особенно тяжелым.
В муфтах и тормозах всегда неизбежно рассеивается энергия
в виде теплоты. Это явление особенно нежелательно в подвижном
роботе, поскольку рассеиваемая энергия потребляется от основ-
ного источника энергии, который переносится самим роботом.
Поэтому любое рассеивание энергии в виде теплоты в конечном
счете приводит к увеличению массы и габаритов подвижного
робота, а также к уменьшению коэффициента полезного действия.
Там, где это возможно, лучше использовать переключающие или
регенеративные методы управления по скорости.
При работе тормозов и муфт выделяющаяся в них теплота
должна быть каким-то образом отведена. Теоретически возможно
использовать ее для регенерации электроэнергии, но на практике
это нереально. Для робота, работающего в воздушной среде
с не очень высокими температурами, можно сконструировать
магнитную систему с простым естественным охлаждением за
счет потока воздуха, текущего за трущимися поверхностями
и через катушку. Однако такое решение неприемлемо для ро-
ботов, предназначенных для роботы в иных средах.
Магнитная порошковая муфта пригодна для использования при
очень больших усилиях, но не лишена недостатков: во-первых,
порошок — это абразив; во-вторых, он неравномерно распределен.
Магнитная жидкостная муфта пригодна для использования на
мощностях до 300 Вт и дает коэффициент усиления мощности
до 200. При этом обеспечиваются не только охлаждение и смазка
муфты за счет жидкости, но и плавность включения. Однако и
здесь возникает трудность, связанная с утечками, которые весьма
нежелательны в домашнем роботе.
Там, где это возможно, все же лучше избегать использования
муфт и тормозов в подвижных роботах.
5.3. 'ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОД [20, 21, 23, 26]
Малая жесткость обычных пневматических устройств при
использовании их с системой управления разомкнутого типа мо-
жет приводить к ряду трудностей. Нелегко, например, произ-
вести небольшие корректировки, необходимые при перераспреде-
лении нагрузки. Система управления замкнутого типа может улуч-
шить управление и увеличить жесткость системы, хотя и здесь
остаются трудности, связанные с обычно используемым низким
Давлением газа и возможной неустойчивостью замкнутой системы
управления.
81
Двуокись углерода, поставляемая в очень легких пластмас-
совых или матерчатых контейнерах, вероятно, лучше всего под-
ходит в качестве рабочего газа. Используемый редукционный
клапан понижает давление двуокиси углерода с 5250 до 600 кПа.
Если изобразить на графике зависимость давления от объема
для изотермических условий, то получится кривая, представлен-
ная на рис. 5.1.
Площадь под этой кривой представляет собой работу,
которая теоретически может быть получена от фиксирован-
ной массы газа. Однако, если давление не может превысить
уровень штриховой линии, то вся работа, представленная пло-
Р1' I
Ртах I
Рис. 5.1. Зависимость давления от
объема для пневматического привода
щадью над этой линией, теря-
ется. Кроме того, максималь-
ный объем тоже ограничен,
поэтому вся работа, представ-
ленная справа от вертикальной
штриховой линии, тоже теря-
ется. Очень низкие давления
использоваться не могут, так
же как и очень малые объемы,
при которых трудно осущест-
вить сжатие газа. Исходя из
этого используется только цен-
тральная площадь, и фактиче-
ски она представляет всего
лишь около 24% имеющейся
в наличии энергии. При умень-
шенной нагрузке, кроме того,
падает коэффициент полезного
действия, поскольку потребле-
ние остается таким же, как и при
полной нагрузке. Можно нес-
колько улучшить положение использованием в пневматических
системах более сложных дифференциальных приводов.
В поршневой системе трение поршня в цилиндре приводит
к некоторому различию значений давлений, требуемых для движе-
ния поршня в противоположных направлениях. Это различие
почти не зависит от нагрузки, однако при больших нагрузках
возможны некоторые отклонения, возникающие, по-видимому,
из-за деформации поршневых колец, которые обычно изготавли-
ваются из резины. Кроме того, по мере работы привода трение
возрастает, достигая в конце концов установившегося значения.
В этих системах используются смазки на базе двусернистого мо-
либдена.
Экспериментальные результаты, полученные при работе с та-
кими пневматическими устройствами, показывают, что обычно
при давлении 500 кПа достижимо значение работы порядка 20 Дж
на 1 г используемой двуокиси углерода. Было высказано предпо-
82
дожение, что лучшие результаты можно получить при более вы-
соких давлениях порядка 1500 кПа.
В пневматических устройствах возникает задача ограничения
движения поршневого исполнительного механизма из одного
крайнего положения в другое. Для этих целей можно использовать
пружину, но более целесообразно применять один поршень
с двойным оконечным цилиндром и двухдорожечные уплотнения
или два противостоящих поршня, каждый в своем собственном
цилиндре. Очень удобен способ, при котором два поршня соеди-
няются при помощи троса, в два витка намотанного на барабан,
с которого снимается выходное движение. Этот способ позволяет
избежать колебаний выходного момента, возникающих при дви-
жении рычажных исполнительных механизмов. Кроме того, по-
скольку трос непосредственно соединяется с поршнем, отсутст-
вует дополнительное трение тяги.
В недавно разработанном варианте пневматического привода
для уменьшения трения и утечек между поршнем и стенкой ци-
линдра применен принцип вращающегося уплотнения. Поршень
в этом случае очень свободно установлен в цилиндре, а просачи-
ванию газа через зазор препятствует эластичное неопреновое
уплотнение, загнутое таким образом, что оно может раскручи-
ваться. Фактически получается так, что, когда газ входит в ци-
линдр, он раздувает неопреновый шар, который заполняет про-
странство между поршнем и цилиндром и таким образом двигает
поршень вдоль цилиндра. Благодаря свободной посадке поршня
и уплотнению из гибкой загнутой мембраны уменьшается трение,
в то время как протечки за поршень исключаются. Поршневые
кольца становятся ненужными, точно так же, как и смазка.
Протечки могут возникнуть только вдоль приводного штока,
но даже это возможно лишь на одной стороне цилиндра двойного
действия и вовсе отсутствует у цилиндра одиночного действия
с обратным ходом под действием пружины. Привод работает
при давлениях до 900 кПа и в температурном диапазоне от —40
до +225° С. То, что здесь отсутствует смазка, очень заманчиво
для применения этого устройства в роботах. Ясно, что принцип
вращающейся мембраны можно приспособить для использования
с другими газами или жидкостями.
При анализе пневматических систем, например для проте-
зов, обычно принято делать различные упрощающие допущения
относительно вязкого трения, полной адиабатичности процесса,
идеальности газа и полного отсутствия утечек [23]. Стабилизация
пневматических протезных устройств за счет механической об-
ратной связи от сигнализирующих клапанов была рассмотрена
Лордом и Читти [31 ].
Опыт разработки протезов. Мышца Маккибена — весьма
остроумное пневматическое устройство, которое имеет вид рези-
новой трубки, покрытой крест-накрест нейлоновой оплеткой.
Когда трубка наполняется газом, действие оплетки заставляет
83
мышцу сокращаться; при этом она оказывается укороченной
на 1/3. С этой мышцей, однако, связан ряд трудностей. Например,
при ее работе возникает некоторое подергивание. Кроме того,
она развивает малую мощность, которая к тому же уменьшается
по мере сокращения. Тем не менее вполне возможно, что усовер-
шенствованные варианты этого устройства с применением более
ячеистой структуры будут применяться в роботах. Следует за-
метить, что, несмотря на использование пневматического привода,
может возникнуть необходимость в электроснабжении системы
управления. В настоящее время, правда, благодаря новейшим
достижениям в создании пневматических логических устройств
возможно построение полностью пневматических систем управ-
ления.
Вообще, как указал Дональд [39], преимущества пневмати-
ческих устройств заключаются в большом отношении мощности
к массе, малогабаритности управляющих клапанов и возможности
получения больших мощностей. По сравнению с пневматическими
устройствами электрические устройства имеют следующие недо-
статки: малое отношение мощности к массе, шумная работа за
счет зубчатой передачи, большая масса двигателя и необходи-
мость в редукторе.
Относительными недостатками пневматического привода явля-
ется уже отмеченная выше необходимость в двух отдельных ис-
точниках энергии — электрическом и пневматическом — и, для
некоторых случаев применения, сжимаемость газа.
В некоторых протезах полезным способом предотвращения
колебательной реакции оказалось использование обратной связи
по неустановившемуся давлению [15].
Широкое распространение в последнее время различных видов
аэрозольных распылителей, работающих на газе фреон-12, хра-
нящемся в разовом контейнере, может привести к его использо-
ванию в качестве источника энергии для исполнительных меха-
низмов будущих роботов.
Одна из трудностей использования сжиженного газа состоит
в том, что энергия, требующаяся для испарения, отбирается
главным образом от жидкости, что может привести к ее замерза-
нию, если среднее значение этой отбираемой энергии станет слиш-
ком высоким.
Интересно отметить, что удельная энергия бутана чрезвы-
чайно велика и составляет около 14 500 Вт-ч/кг по сравнению
с менее чем 500 Вт-ч/кг у лучших электрических средств хранения
энергии.
Основное препятствие, широкому внедрению этого газа
в качестве источника энергии — трудности, связанные с превра-
щением его в удобный для использования вид. Дальнейшая ра-
бота, возможно, снимет это препятствие, хотя сейчас трудно
рассчитывать па использование бутана в космосе. Дело еще более
далекого будущего — использование ядерной энергии.
84
Для управления протезными устройствами применяются пнев-
матические клапаны различных видов, например клапан Кис-
слинга и клапан Хендона. Последний из упомянутых клапанов
не только весьма легок, но и имеет хорошую линейность зависи-
мости скорости потока от перемещения [19].
Были обнаружены преимущества передачи пневматической
энергии по нейлоновым трубкам с внешним диаметром 3 мм и
внутренним — 2 мм и с давлением на разрыв 12 мПа; радиус
перегибов должен быть не менее 6 см [20].
Исследование пневматического привода в Астоне. Типичным
примером исследования управления конечностью является ра-
бота, проведенная в Астоне Дональдом [39]. Были исследованы
следующие вопросы:
1) экономия энергии;
2) применимость энергии на выходе;
3) минимизация стоимости и массы;
4) точность.
Поскольку рассматриваемые вопросы^’до некоторой степени
противоречивы, была сделана попытка достижения оптимума
путем согласования их между собой.
С точки зрения управления любое устройство, приводящееся
в движение сжимаемым газом и имеющее поворотные соединения,
неизбежно нелинейно в работе из-за сжимаемости газа, насыщения
и существования мертвых зон и гистерезисов в механической си-
стеме. Дональд использовал описательно-функциональный под-
ход к проектированию и включил в систему силовую обратную
связь с выхода, применив тензодатчики.
Широтно-импульсная модуляция сигнала, поступающего на
управляющий соленоид, оказалась лучшим методом управления,
в то время как методы амплитудно-импульсной модуляции и
частотно-импульсной модуляции не использовались главным
образом из-за ограниченной величины имеющегося напряжения
питания. Частота следования импульсов составляла 10 имп/с.
Полная схема системы замкнутого силового управления при-
ведена на рис. 5.2. Эталонный сигнал от —5 мВ (через 0) до
-j-5 мВ подается на вход первого суммирующего усилителя для
сравнения с напряжением от тензометрической мостовой схемы.
Выход усилителя, имеющего коэффициент усиления около 700,
непосредственно используется для управления одним из широтно-
импульсных модуляторов. Выход этого усилителя подключен
также к инвертирующему усилителю и через него — к управля-
ющему входу второго широтно-импульсного модулятора. Каждый
модулятор управляет одним из соленоидных клапанов, пропуская
сжатый воздух к поршню для выполнения рабочего хода и вы-
пуская его при обратном ходе.
Пневматическое управление осуществляется двухступенча-
тыми клапанами Кисслинга. Эти клапаны можно собирать в па-
кеты, поскольку они имеют прямоугольную форму. В процессе
85
работы золотник передвигается на 0,6 мм в каждом направлении
за счет тягового усилия, обеспечиваемого соленоидом. Диаметр
основного пневматического цилиндра 11 мм. В нем обычное рабо-
чее давление 600 кПа поддерживается при помощи редукционного
клапана, подключенного к баллонам с жидким газом, храня-
щимся под давлением 7000 кПа.
В лабораторных экспериментах с таким оборудованием исполь-
зуется сжатый воздух из-за его низкой стоимости. В дальнейшей
работе, возможно, будет использоваться дифференциальный ва-,
риант исполнительного механизма, что сократит расход газа и
уменьшит нежелательные эффекты от сжимаемости газа и темпе-
ратурных изменений.
Рис. 5.2. Схема управления конечностью, разработанная в Астоне Дональдом
Для того чтобы избежать «залипания» клапана, в устройстве
осуществляется импульсная подача газа за счет быстрого электри-
ческого открывания и закрывания управляющего клапана ос-
новного цилиндра. Конструкция пальцев аналогична конструк-
ции пальцев руки Ракича: движение кончика пальца осуществля-
ется в угле 250°, что аналогично движению пальца руки человека. -
В средней и оконечных частях пальца установлены датчики
усилий, механически защищенные от случайных ударов и па-
дений. В шарнирах понадобилось ввести некоторую податливость, ;-
чтобы получить достаточно хорошую посадку и уменьшить мерт-
вый ход, не вводя чрезмерного статического трения.В устройстве
использовались тензодатчики пленочного типа.
Трудности, возникающие при создании пневматических ко-
нечностей такого типа, связаны с нелинейностями системы. На-
пример, должен быть преодолен мертвый ход, достигающий 15%;
имеются также гистерезис и задержка в работе соленоидного кла-
пана; электрический гистерезис может возникнуть в цепях моду-:
лятора; статическое трение и дефекты обработки в исполнитель-
ном цилиндре препятствуют плавной работе, несмотря на пуль-
сирующее возбуждение.
В результате испытаний было предложено сустав между средней
и оконечной секциями пальца заменить постоянным изгибом
86
в 20°. Потери функции пальца при этом невелики, но значительно
упрощается цифровое устройство, а также уменьшаются трение
и мертвый ход. Кроме того, указанное упрощение облегчает уста-
новку тензодатчиков.
Проделанная в Астоне работа лишь закладывает фундамент
будущих исследований, а для создания экономичных и надежных
конечностей и их приводов предстоит еще много потрудиться.
Вариант пневматического клапана для протезов описали Кул
и Пистецкий [281. В нем используется расширение горячего про-
водника, нагретого электрическим током. Клапан очень мал
(3 X 0,3 см) и легок (1,5 г). Между срабатываниями был получен
временной шаг от 30 до 150 см, причем часть этого времени тре-
бовалась для уменьшения начального напряжения в проводнике.
Поток газа пропорционален силе тока в интервале между 75
и 100 мА, а требуемая управляющая мощность не превышает
0,2 Вт. Этот клапан использовался при управлении протезами
кисти и локтя.
5.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД [13, 20, 21, 40, 41]
Применение в роботах гидравлического привода заслуживает
внимания благодаря его нескольким потенциальным достоинст-
вам. За счет малой сжимаемости рабочих жидкостей гидравли-
ческий привод обладает большой жесткостью, что дает сочетание
высокой собственной частоты и большого быстродействия. У гид-
равлической системы велико отношение развиваемой мощности
к массе, низок уровень шумов, а кроме того, гидравлическое обо-
рудование хорошо отработано и безопасно в работе. Надежный
и простой гидравлический привод в настоящее время легко до-
ступен.
Однако с гидравлическими системами связан ряд трудностей.
Природа рабочей жидкости — высокая плотность и несжимае-
мость — делают ее неподходящим материалом для хранения
энергии. Поэтому приходится хранить энергию, необходимую
для гидравлического привода, в каких-то других видах, например
в газообразном, или в других формах — электрической или хими-
ческой. Более всего другого нежелательны утечки рабочей жид-
кости из исполнительного механизма [27]. В производственной
среде из-за утечек «захватываются» грязь и пыль, что приводит
к необходимости частой очистки рабочей жидкости. В домашней
обстановке утечки рабочей жидкости еще более нежелательны.
В высшей степени нежелательны даже утечки внутри системы,
например через клапаны или поршневые кольца, поскольку,
подобно внешним утечкам, они могут приводить к уменьшению
эффективности управления приводом.
Вообще говоря, в обычной гидравлической системе не просто
получить одновременно высокую эффективность управления и
значительные усилия в приводе, поэтому здесь необходимо идти
87
на компромисс. Вполне возможно, что кондукционные и индук-
ционные насосы [3], которые уже используются для жидких
металлов, будут в дальнейшем усовершенствованы до такой сте-
пени, что смогут применяться в роботах.
Гидравлический привод был успешно применен для приведения
в движение четырехногой шагающей машины [2], разработанной
по заказу Армии США фирмой «Дженерал Электрик». В качестве
рабочей жидкости использовалось масло под высоким давлением;
машина управлялась оператором, находившимся в ней.
С гидравлическими приводными механизмами связана серь-
езная проблема, возникающая в тех случаях, когда приходится
работать при очень низких температурах окружающей среды,
поскольку вязкость жидкости зависит от температуры, а пои
очень низких температурах возможно даже замерзание жидкости.
В связи с этим необходим специальный предварительный подо-
грев рабочей жидкости для запуска при очень низких температу-
рах. Например, при внешней температуре, достигающей — 40° С,
может потребоваться предварительный разогрев гидравлического
силового агрегата в течение 30 мин.
Несмотря на указанные трудности, в протезировании исполь-
зуются гидравлические силовые искусственные руки [13]. Пре-
имущества гидравлических систем перед электромеханическими
таковы: меньшее число частей и меньшая потребность в техниче-
ском обслуживании, улучшенные характеристики для применения
во влажных и запыленных средах, реализуемость модульных прин-
ципов, высокая эффективность передачи энергии и возможность
использования одного централизованного силового агрегата.
В этих устройствах обычно используется небольшой электриче-
ский насос, потребляющий токДилой 0,42 А без нагрузки (при
максимуме 1,2 А) от источника постоянного тока напряжением
12 В. В качестве рабочей жидкости используется «Октол-С» —
легкое масло для диффузионного насоса с очень слабым запахом,
подаваемое со скоростью 200 “см3/мин при давлении от 800 до
1600 кПа насосной станцией, имеющей массу 0,3 кг и габаритные
размеры 7x7x3 см (без учета батарей питания). Эти искусствен-
ные руки подвижны в плече, локте, запястье и кисти; самое бы-
строе движение — открывание и закрывание кисти — длится
1,0 с.
Типичный портативный гидравлический источник питания для
протеза описан Дэвисом [27]. В нем использовался насос Лукаса
с радиальной осью вращения, дающий максимальный к. п. д.
78% при давлении 2800 кПа. Насос приводился в движение с ча-
стотой врещения 2500 об/мин через редуктор от электродвигателя,
частота вращения которого составляла 7500 об/мин. Коэффициент
полезного действия передачи — 85%. Для достижения в приводе
сгибания локтя высокого пикового момента в 11 Нм при угловой
скорости вращения до 3 рад/с и максимальном угле 150° был при-
менен гидравлический аккумулятор. Для предотвращения уте-
88
чек рабочей жидкости в окружающую среду использовалась
гибкая сильфонная система из полихлорвинила. При применении
газов-хладагентов, таких, как фреон или серный гексофторид,
нахождение части газа в жидкой фазе может рассматриваться как
один из способов хранения энергии.
При подобных использованиях гидравлики возникают раз-
личные трудности, которые требуют дополнительного рассмотре-
ния. Это — возможность кавитации и тот факт, что низкое давле-
ние и большая скорость потока, обеспечивающие высокий к. п. д.
насоса, в то же время увеличивают габариты и массу привода,
требуют значительного объема масла и большого аккумулятора.
Кроме того, имеются трудности, связанные с наличием воздуха
в рабочей жидкости.
Силовой блок, предложенный Дэвисом [35], может обеспе-
чить 4,1 см3 масла в секунду под давлением 2500—3000 кПа и
развить мощность 10—12 Вт при общем коэффициенте полезного
действия 45%. Этот блок за 12 с наполняет аккумулятор рабочей
жидкостью, достаточной для двух циклов движения локтя. Масса
блока 0,56 кг, аккумулятор объемом 50 см3 увеличивает ее на
0,35 кг.
Маклейш и Марш обнаружили [29], что в то время как масса
жидкости в гидравлической системе уменьшается по мере увели-
чения используемого давления, масса аккумулятора возрастает.
Следовательно, существует оптимальная величина давления, ко-
торая и должна выбираться для достижения минимальной массы
системы. Это оптимальная величина лежит вблизи недостижимо
высокой цифры 10 000 кПа. Минимум кривой массы очень поло-
гий, но кривая круто идет вверх при давлениях ниже приблизи-
тельно 5000 кПа, когда увеличивается масса необходимой для
гидросистемы жидкости.
Майклеш и Марш рассмотрели методы достижения малой массы
и постоянного гидравлического давления, основанные на исполь-
зовании для хранения газа баллона, выполненного из гибкой ре-
зиновой камеры, расположенной внутри другой, жесткой камеры,
препятствующей движению первой. Правда, таким путем были
получены только низкие давления. Эти же авторы предложили
идею использования аэрозольного принципа на базе сжижаемого
газа арктон-13, находящегося с одной стороны гибкостенного
«мешочного» аккумулятора. Следует заметить, что при исполь-
зовании этого принципа весьма важен контроль температуры газа.
5.5. БАТАРЕИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
[4, 5, 7, 32, 42, 43]
В каждом отдельном случае применения электрических бата-
рей для питания подвижного устройства прежде всего следует
решить, использовать ли перезаряжаемые элементы, аккумуля-
торы, или вместо них можно применить сухие элементы. Если
89
основное требование состоит в низкой стоимости эксплуатации, то,
несомненно, следует использовать перезаряжаемые элементы.
Хотя начальная стоимость перезаряжаемого элемента в 2—4 раза
превышает стоимость эквивалентного сухого элемента, годовая
эксплуатационная стоимость сухих элементов от 4 до 30 раз выше.
Кроме того, имеется еще одно неудобство использования сухих
элементов, заключающееся в необходимости их частой покупки
и замены, тогда как перезаряжаемый элемент можно регулярно
подзаряжать и заменять один раз в год. Однако в случаях,
когда масса и объем устройства должны быть минимизированы,
важным преимуществом сухих элементов является то, что их
масса и объем приблизительно в два раза меньше, чем у эквива-
лентных перезаряжаемых элементов.
Однако масса сухих элементов может оказаться чрезмерно
большой в случае использования их для питания силового привода
робота, и тогда предпочтение следует отдавать перезаряжаемым
элементам. По этой же причине желательно, чтобы они не были
кислотного типа. Хотя серебряно-цинковые батареи дают во
многих конкретных применениях выигрыш в массе, у них огра-
ничено число циклов перезарядки 112]. Кроме того, батареи ука-
занного типа не полностью герметичны и имеется реальная воз-
можность утечки едкой щелочи через отдушины при необычных
условиях работы. Такое может случиться, если робот, например,
опрокидывается.
В настоящее время для множества применений в приводе от-
личные показатели безопасности, надежности и прочности никель-
кадмиевых элементов делают их предпочтительнее серебряно-
цинковых элементов, несмотря на удвоение массы, с которым при-
ходится мириться. Не представляется возможным привести здесь
точные данные, поскольку они в большой степени зависят от
конкретно рассматриваемого случая. И все же типичная никель-
кадмиевая батарея, питающая двигатель постоянного тока на-
пряжением 12 В, пусковым током 5 А и рабочим током 1,5 А
и обеспечивающая общую энергию 6 Вт-ч в день, будет иметь
массу около 0,7 кг и объем порядка 200 см3.
Электрическая емкость такой батареи составляет около
14 Вт-ч, так что в критической ситуации она может использова-
ться без подзарядки в течение двух дней. Батарея должна стоить
около 12 фунтов в год при условии, что она ежегодно заменяется;
причем стоимость подзарядки после того, как окупили себя
затраты на зарядное оборудование, можно в расчет не принимать.
В процессе работы, в которой участвовал автор, простые зарядные
устройства непосредственно встраивались в подвижные роботы,
с тем чтобы они могли производить зарядку от сети переменного
тока без какого бы то ни было зарядного оборудования.
Заметим, что по сравнению с никель-кадмиевой батареей
у 120-граммового баллона с углекислым газом приблизительно
та же масса, почти в 2 раза больший объем, приблизительно 1/4
90
энергетического запаса (поэтому баллон рассчитан только на
1 день), а стоимость его эксплуатации приблизительно в 6 раз
превышает стоимость эксплуатации никель-кадмиевой батареи.
Тем не менее в некоторых случаях относительная простота пневма-
тического привода оправдывает использование системы, работа-
ющей на углекислом газе.
5.6. ПОСЛЕДНИЕ РАЗРАБОТКИ [12, 32, 36, 44—46]
Совсем недавно разработаны ртутно-кислотные сухие элементы,
которые по сравнению с более ранними сухими элементами имеют
меньшие массу и габариты: они составляют 1/4 от массы и габа-
ритов эквивалентной никель-кадмиевой батареи. Тем не менее
стоимость эксплуатации этих новых сухих элементов даже более
высокая, чем у ранних элементов, а годовая стоимость прибли-
зительно в 50 раз превосходит годовую стоимость эквивалентной
никель-кадмиевой батареи. Здесь также остается общая трудность,
связанная с получением и хранением элементов для .замены.
Поэтому в настоящее время никель-кадмиевым элементам все еще
отдается предпочтение для использования их в качестве основ-
ного источника энергии для робота.
Не исключена возможность того, что в дальнейшем весьма
удобным источником питания для роботов могут оказаться водо-
родно-кислородные топливные элементы [6, 24, 25]. Такие устрой-
ства уже применялись в открытом космосе, хотя, возможно, лишь
из-за преимущества в массе, которое здесь важно. Недостаток
топливного элемента для использования его в домашних условиях
в качестве первичного источника энергии заключается в необ-
ходимости сжатого водорода. Топливный элемент в настоящее
время дает преимущество при использовании в тех случаях, когда
энергия потребляется непрерывно, в течение продолжительных
промежутков времени, превышающих, скажем 20 ч. При исполь-
зовании его в условиях высоких температур (200° С) и давлений
(4000 кПа) топливный элемент позволяет получить очень большие
значения удельной энергии, выражающиеся в ватт-часах на ки-
лограмм массы.
Препятствием для широкого применения перезаряжаемого
элемента является существование точки замерзания электролита.
Температура замерзания может достигать для щелочного эле-
мента — 27° С.
Оказалось полезным снабжать некоторые протезные устройства
механизмами для отключения двигателей при понижении напря-
жения батареи до предельно низкой величины.
В ряде случаев в качестве источника энергии может исполь-
зоваться так называемая механически перезаряжаемая батарея.
В этой батарее после полного использования целиком заменяется
анод. Для того чтобы осуществить замену, необходимо только
установить новый внутренний контейнер, в котором находятся
91
новый анод и некоторое количество свежего электролита в твер-
дом виде. Контейнер вставляется в наполненный водой катодный
бокс. Время, необходимое для этой перестановочной процедуры,
намного меньше, чем время, требующееся для зарядки аккуму-
ляторной батареи.
Один и тот же катод может использоваться при 50—100 заме-
нах анодного контейнера, благодаря чему достигается большая
суммарная долговечность. От батареи такого типа можно полу-
чить около 220 Вт-ч энергии на килограмм массы. Тот факт, что
батарея применима в очень широком диапазоне выходных токов,
делает ее источником энергии, удобным для использования в ро-
боте. Кроме того, этот аккумулятор может работать в сильно из-
меняющихся условиях окружающей среды и температурном диа-
пазоне от —40° С до +54° С. Оказалось, что, несмотря на необ-
ходимость в замене анода, эксплуатационные расходы на него не
выше, чем на аккумуляторы других систем. Приобретет ли этот вид
источника питания большое значение для использования в роботах,
будет видно в дальнейшем. Быть может, окажется более удобным
заменять всю батарею целиком, а затем ее переоборудовать.
К Другим недавним нововведениям относится так называемый
свободный от обслуживания аккумулятор, надежность которого
повышается за счет устранения сурьмы и использования мало-
испаряющегося электролита. Продолжительность службы этого
аккумулятора около трех лет.
От некоторых роботов потребуется работа при высоких внеш-
них температурах; для таких случаев перспективен литиево-
теллуриевый элемент. Он работает при температуре 500° С, а при
температуре ниже 400° С вообще не является источником энергии.
Тем не менее этот элемент массой всего лишь 500 г способен раз-
вивать выходную мощность 64 Вт при электрической емкости
100 Вт, в то время как объем его составляет менее 500 см3.
Электрическая емкость аккумуляторной батареи уменьшается
с понижением температуры, хотя при нормальных условиях плот-
ность электролита уменьшается не настолько быстро, чтобы выз-
вать его замерзание. Уменьшение емкости батареи может дости-
гать 15% при уменьшении температуры на 20° С. В связи с этим
возникают трудности в тех случаях, когда транспортное средство,
работающее от батареи, должно использоваться в холодном
складе. Трудности еще более увеличиваются, когда батарею пред-
стоит использовать в условиях дальнего космоса.
При составлении для робота общих энергетических требований
можно ориентироваться на эквивалентное энергетическое потреб-
ление у человека при выполнении различных заданий. Потреб-
ление энергии человеком изменяется от 100 Вт при малой актив-
ности приблизительно до 1 кВт при подъеме по ступенькам. Мож-
но ожидать, что общий к.п.д. первых роботов будет ниже, чем у
человека, и это следует учитывать при решении вопроса об энер-
гетических требованиях к роботу.
92
В некоторых случаях, используя солнечные элементы, можно по-
лучить энергию для подзаряда батарей робота от солнечных лучей.
Этот подход оказался наиболее эффективным при использовании
робототехнических устройств в космосе. Атомные батареи предо-
ставляют еще одну возможность получения малых мощностей.
Японская компания «Мацушита» выпустила новую высоко-
энергоемкую аккумуляторную батарею гальванических элемен-
тов с удельной энергией, приблизительно в 4—5 раз большей,
чем у серийно выпускаемых. В этой батарее используется органи-
ческий электролит совместно с литиевым отрицательным и поли-
углеродистым положительным электродами. Электрическое напря-
жение, получаемое от одного элемента, составляет 2,6 В. Герме-
тичная высокоэнергоемкая аккумуляторная батарея с отноше-
нием мощности к массе, приблизительно в 5 раз превышающим
распространенное, использовалась для энергоснабжения легкового
автомобиля «Шевроле Вега», который без подзаряда мог покрыть
расстояние в 160 км, развивая скорость до 100 км/ч [33].
Из изложенного ясно, что существуют большие возмож-
ности совершенствования как первичных, так и вторичных видов
источников электрической энергии для использования в роботе.
По многим причинам последним, очевидно, будет отдано пред-
почтение применительно к роботу, который, быть может, в конце
концов сам будет «заботиться» о своем подзаряде от сети.
5.7. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ
АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
[7, 14, 17, 30, 34, 37, 38, 47]
Несмотря на то что аккумуляторная батарея, казалось бы>
представляет собой удобное устройство для использования в каче-
стве основного источника питания в подвижном роботе, следует
иметь в виду, что здесь может возникнуть множество трудностей,
число которых никоим образом не уменьшается, когда батарея
используется в домашней обстановке. Например, электролит
аккумуляторной батареи может представлять определенную опас-
ность, хотя сейчас имеются полностью закрытые батареи, собран-
ные, например, из герметичных никель-кадмиевых аккумулятор-
ных элементов.
Аккумуляторная батарея робота должна регулярно заряжать-
ся. Процесс заряда можно представить себе как «питание» робота,
и по аналогии с человеком или любым животным здесь существует
оптимальная величина заряда — не слишком маленькая и не
слишком большая. Поэтому важно максимально автоматизировать
операцию заряда и обеспечить роботу, насколько это возможно,
наблюдение и контроль за своим собственным зарядом.
Первоначальный заряд аккумуляторной батареи наиболее
важен, и поэтому желательно производить его на заводе-изгото-
вителе. В начале очередного заряда его скорость может устанав-
93
ливаться довольно высокой; типичное значение силы зарядного
тока составляет 7% от емкости батареи в ампер-часах (т. е. 7 А для
батареи на 100 А-ч). Тем не менее, если на заряд отводится больше
времени, скорость следует уменьшить, но в любом случае она
должна уменьшаться по ходу заряда.
В процессе заряда батареи напряжение на ней будет постепен-
но нарастать, и следует управлять зарядом путем уменьшения
зарядного тока до тех пор, пока напряжение не достигнет уста-
новленного значения. Существуют различные методы управления
процессом заряда, каждый из которых имеет своих сторонников.
Быть может, лучше всего запросить рекомендаций у изготови-
телей аккумуляторной батареи, которые при выпуске большой
партии изделий больше других несут потери в случае применения
неудачного способа заряда.
Один из последних методов управления скоростью заряда со-
стоит в использовании контроля газа, выделяющегося при катали-
тической рекомбинации водорода и кислорода. Сам факт образова-
ния таких газов из-за возможности взрыва представляет опас-
ность в домашней обстановке.
Общие требования к аккумуляторной батарее, предназнача-
ющейся для робота, очень близки к требованиям, предъявляемым
при использовании ее в любом другом подвижном устройстве.
Это большой срок службы, незначительность ухудшения свойств
батареи, когда она не работает, высокая механическая прочность
и способность противостоять вибрациям и ударам, а также эффек-
там, возникающим при создании слишком большого заряда. Для
многих конкретных применений важной характеристикой акку-
муляторной батареи является возможность работы в широком
диапазоне температур. В общем случае требуется также мини-
мизация массы, габаритов и стоимости. Ясно, что идеальная акку-
муляторная батарея еще не создана, но работы по ее созданию
чрезвычайно важны для всего будущего робототехники.
Иногда для оптимального использования основного оборудо-
вания от робота будет требоваться работа в течение 24 ч ежедневно
за исключением коротких перерывов для текущего осмотра и
технического обслуживания. В таких случаях батареи питания
должны быть сменными и легко заменяемыми.
5.8. БЫСТРЫЙ ЗАРЯД
АККУМУЛЯТОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ [8, 9, 10]
В дальнейшем для некоторых применений роботов понадобится
быстрый заряд электрических аккумуляторных элементов. Это
требование особенно существенно на начальном этапе производ-
ства роботов, пока они еще относительно дороги и обладают по-
этому ограниченным энергоресурсом. Можно, конечно, заменять
аккумуляторные элементы робота таким образом, что он будет
продолжать работать, даже если один комплект элементов заря-
94
ждется. Однако результаты некоторых недавних работ по быстро-
му заряду аккумуляторных элементов показали, что совершенно
необязательно заменять разряженные аккумуляторные элементы
в тех случаях, когда есть возможность сделать короткий перерыв
для «заправки» робота.
Когда батарея полностью заряжена, начинается выделение
газа. При этом можно обнаруживать возникающее увеличение
давления газа и использовать его для управления процессом за-
ряда. Подобным же образом можно использовать увеличение тем-
пературы элемента. Другие методы контроля основаны на изме-
рении напряжения на клеммах элемента или на применении
довольно дорогостоящего кулонметра.
В одном из успешно применявшихся методов используется
вольт-амперная характеристика зарядного устройства. Это уст-
ройство позволяет производить заряд зарядным током силой
35 Is (где Is равно номинальной электрической емкости, делен-
ной на 10 ч), пока напряжение не достигнет некоторой максималь-
ной величины. Затем заряд продолжается меньшим зарядным
током силой //5 до тех пор, пока напряжение не упадет до не-
которой минимальной величины, после чего он производится с
более высокой скоростью. Такой способ позволяет осуществить
заряд всего лишь за 20 мин вместо обычных 14 ч.
Список литературы
I. Fyson J. et al., Design Considerations in a Myoelectric Hand Prost-
hesis, Proc. IEE, 116, February, 281 (1969).
2. Anon., Machine Clomps across Country, Electro-Technologv, N. Y., 8,
May, 29 (1969).
3. Blake L. R., Conduction and Induction Pumps for Liquid Metals, Proc.
IEE, 104A, July, 49 (1956).
4. Barak M., Batteries and Fuel Cells, Proc. IEE, 117, 1561 (1970).
5. Whiteway F. E., Power Sources in Bioelectrical Engineering, Electron,
and Power, 16, 309 (1970).
6. Lindstrom O., The Fuel Cell now makes its Entry on the Market, A.S.E.A.
JI, 40, 91 (1967).
7. Smith G., Storage Batteries, Pitman (1964).
8. Ball J. V., There Is No Overcharge for Fast-Charged Batteries, Elect-
ronics, 41, January 22, 97 (1968).
9. Zinder D. A., Fast Charging Systems for NiCd Batteries, Trans. IEEE,
IGA4, September/October, 555 (1968).
10. Lin W. C. et al., Fast Charging for NiCd Battery Used in Implant Elec-
tronic Systems, Trans. IEEE, BMEI7, October, 331 (1970).
II. Pech J. F., Electric Clutches, Mach. Des., 41, Desember 18, 47 (1969).
12. Klein P. M. V. and Montgomery S. R., Portable Power Supplies for
Prostheses, Proc. Instn Meeh. Engrs, 183, pt 3J, November, 26 (1968).
13. Stevenson D. A. and Lippay A. L., Hydraulic Powered Arm System
Proc. Instn. Meeh. Engrs, 183, pt 3J, 37 (1968).
14. Fryer T. B. and Sandler H., A Rechargable Battery System, Proc.
23rd Conf. Eng. Med. Biol., Vol. 12 (1970).
15. Davies R. M. and Lambert T. H., The Stability of Pneumatically Po-
wered Prostheses, Proc. 23rd Conf. Eng. Med. Biol., Vol. 12, 244 (1970).
16. West J. C., Clutches for Control Systems, Control, 12, January, 48 (1968).
17. Sauer FL, A Semicunductor Charging Device for Auxiliary Batteries
on Short Distance Transport Vehicles, Siemens Rev., 35, 313 (1968).
95
18. Seabors G. T., The Eligible Kinsfolk of Uranium, New Scient., 38, May 23,
410 (1968).
19. Wilson А. В. K-, Recent Advances in the Control of Externally Powe-
red Artificial Limbs, Proc. Instn. Meeh. Engrs, 179, pt 3H (1964).
20. Montgomery S. R., Design of an Experimental Arm Prosthesis: Engi-
neering Aspects, Proc. Instn Meeh. Engrs, pt 3J, November, 68 (1968).
21. Metzger J., Hydraulic or Pneumatic?, Mach. Des., 41, June 26, 126 (1969).
22. Boulden L. L., Hydraulics, Pneumatics, and Dollars, Mach. Des., 43,
February 18, 104 (1971).
23. Brann R. P., Linear Analyses of a Pneumatic Differential Actuator with
Positive Feedback for Prosthetic Control, Control, 10, August, 428 (1966).
24. Young G. J., Fuel Cells, Reinhold (1963).
25. Libhafsky H. A. and Cairns E. J., Fuel Cells and Fuel Batteries, Wi-
ley (1968).
26. Hall M. J. and Lambert T. H., Artificial Limbs—an Engineering App-
raisal, Hosp. Engr, 19, February (1965).
27. Davies B. L., A Prototype Portable Hydraulic Power Supply for Prost-
hetic Applications, Proc. Conf. Hum. Locomotor Eng., Sussex, September, 1971
(Instn Meeh. Engrs), 285.
28. Cool J. C. and Pistecky P. V,, Miniature Electrically Operated Propo-
rtional Valve, Proc. Conf. Hum. Locomotor Eng., Sussex, September, 1971 (Instn
Meeh. Engrs), 271.
29. McLeish R. D. and Marsh J. F. D., Hydraulic Power from the Heel,
Proc. Conf. Hum. Locomotor Eng., Sussex, September, 1971 (InstnMeeh. Engrs), 211.
30. Robertson J., What is there to Choose between Traction Battery Char-
gers? Meeh. Handl., 58, October, 95 (1971).
31. Lord M. and Chitty A., Stabilisation of Pneumatic Prosthetic Systems,
Proc. Conf. Hum. Locomotor Eng., Sussex, September, 1971 (Instn Meeh. Engrs),
307.
32. Barak M., Developments in Electrochemical Energy-Conversion Devi-
ces. Batteries and Fuel Cells, Proc. IEE, 112, July, 1439 (1965).
33. Anon., High-Energy Battery Promising for Electric Cars, Electl Rev.,
190, May 26, 720 (1972).
34. Soderholm L. G., Voltage Sensing Circuit Matches Charge to Battery
Condition, Des. News, 27, March 20, 46 (1972).
35. Davies B. L., A Portable Hydraulic Power Unit for Prostheses, Eng.
Med., 1, January, 41 (1972).
36. Salihi J. T., Two for the Road, Spectrum, 9, July, 43 (1972).
37. Moreton P. L., Fuel Gauge for the Electric Car, Proc. IEE, 119, June,
649 (1972).
38. Brugger C., Industrual Battery Charger for Mobile Equipment, Control
and Instrum., 4, October, 45 (1972).
39. Donald A.,Develoment of a Control System for a Single Digit Artifi-
cial Limb, University of Aston (1970).
40. Younkin G., Which Drive, Electrical or Hydraulic?, Control Eng., 19,
November, 50 (1972).
41. Anon., Don’t Let Your Fluids Be a Drain on Profits, Metalworking Prodn,
117, March, 60 (1973).
42. Collins D. H., Power Sources, Pergamon, (1970).
43. Feder D. 0. and Biagetti R. V., The Lead-Acid Battery, a New Shape
for an Old Workhorse, Bell Labs Rec., 50, August, 207 (1972).
44. Heise G. W. and Carey C. N., The Primary Battery, Wiley (1971).
45. Barak M., Recent Developments in Batteries and Voltaic Cells, Elect-
ron. Power, 18, August, 290 (1972).
46. Anon., A New Electric Vehicle Project, Original Equipt Mfg Des., 2,
March, 72 (1973).
47. Wilke W., Voltage Monitor Protects NiCd Batteries, Electronics, 46,
March I, 85 (1973).
-Глава 6 ; Vmi и.
УСТОЙЧИВОСТЬ
И СТАБИЛЬНОСТЬ РОБОТОВ
Способы стабилизации регулирующих и следящих систем,
несомненно, представляют обширную область исследований. Тем
не менее во многих публикациях, относящихся к этой области
рассмотрены чисто теоретические методы, которые редко исполь-
зовались для стабилизации реальных устройств.
В такой ситуации был бы чрезвычайно полезен приближенный
метод расчета, использующий допущение линейности системы
и позволяющий получить исходные данные для дальнейшего про-
ектирования [24]. В этой главе будут кратко описаны исследо-
вания, проведенные автором, и методы, примененные им для ре-
шения научных и практических задач. Предлагаемая трактовка
не может быть исчерпывающей, но будет показано, что изложенные
методы полезны для практического применения.
6.1. УПРОЩЕННАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ
ПРИ ПОМОЩИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
Для удовлетворения жестких технических требований, предъ-
являемых к системе управления с замкнутым контуром, зачастую
требуются сложные и длительные методы расчета. Однако в не-
которых случаях, когда техническое задание менее жесткое, в пер-
вом приближении можно считать систему линейной. Тогда ока-
зывается возможным использовать упрощенные методы расчета.
Так, для широкого круга задач требуемые характеристики
не являются критическими и основная цель расчета состоит в обес-
печении заданной точности при сохранении устойчивости. Иногда
к системам управления предъявляются очень жесткие требования,
выполнение которых трудное и потом}' весьма дорогостоящее дело.
Однако опыт автора позволяет утверждать, что при подробном
рассмотрении такие жесткие требования оказываются совершенно
неоправданными для намечаемого применения.
Обычно в тех случаях, когда требования к рабочим характе-
ристикам неспецифичны и некритичны, основные узлы контура
регулирования определены заранее и необходимый общий коэф-
фициент усиления вытекает непосредственно из минимально
приемлемых рабочих характеристик. Если известны необходимые
для расчета данные основных узлов (это, к сожалению, бывает
редко), то основная задача состоит в обеспечении устойчивости
системы. Поэтому желательно располагать способом быстрого,
хотя бы и приближенного, расчета устойчивого контура регу-
лирования, который без чрезмерной задержки позволял бы оце-
нить стоимость предлагаемой схемы. Подход, который будет
4 Дж. Ф. Янг 97
здесь описан, дает упрощенный путь решения задач стабилиза-
ции при помощи обратной связи.
Стабилизация систем регулирования [1]. Для раскрытия
сущности предлагаемого метода полезно сперва рассмотреть
один подход к преобразованию передаточных функций, реализу-
емый последовательным подключением к системе корректирующей
цепи. Если передаточная функция разомкнутой системы имеет
вид
Ух __ /11
Vi " (1 -\-Тр)(\ +Т2Р)
и к ней последовательно подключено фазоопережающее звено
с передаточной функцией
Уо _ Лх(1 ДУзР)
Vx l+TiP ’
то общая передаточная функция становится равной
Уо ЛА(1+Г3р)
Ух (1 + т1Р) (1 + т2р) (1 + TiP)
Теперь, если 7\ = Т3, а это легко достигается правильным рас-
четом фазоопережающего контура, то в последнем выражении
члены, включающие эти временные константы, сокращаются и
общая передаточная функция системы принимает вид
Уо _________ДА________
У1 (1 + Т 2р) (1 + TiP)
Можно видеть, что фазоопережающее звено было здесь эф-
фективно использовано для замены Т2 в исходной передаточной
функции на 7\ в новой передаточной функции и таким образом
восстановлен первоначальный вид характеристики. Этот прием ,
хорошо известен и широко используется для «улучшения» переда-
точной функции. Простота его осуществления вызывает желание
выяснить, возможно ли разработать подобные приемы для тех
случаев, когда требуется использовать стабилизацию при помощи
обратной связи, например для того, чтобы обеспечить некоторый
допуск на неизбежный дрейф характеристик.
Стабилизация при помощи обратной связи. В том случае,
когда система должна быть спроектирована со стабилизацией при
помощи обратной связи, как это показано на рис. 6.1., рассмотре-
ние устойчивости системы принято начинать с определения харак-
теристики разомкнутой системы, полученной воображаемым раз-
рывом контура в точке X. Эта характеристика имеет вид
Уf __________A±A2A3Af (1 Ц- TiP)___________1____
ех (1 -\-Т2р) (1 А-ТзР) (1 + iP) А А2А3А4Т4р (\A-Tip)
Можно видеть, что если обеспечивается равенство —
то в числителе и знаменателе сокращается по одному сомножи-
телю.
98
Однако, если знаменатель не может быть легко разложен на
множители, то возникает вопрос о приведении этой характеристики
к виду, удобному для анализа влияния на общую устойчивость
замкнутой системы любых изменений параметра Л4 и, возможно,
Рис. 6.1. Структурная схема стабилизации с помощью об-
ратной связи
также Т4. Существуют различные возможные подходы к решению
этой задачи, на которых мы не будем здесь останавливаться, по-
скольку они детально освещены в литературе по следящим систе-
мам.
Наибольший интерес представляет устойчивость всей замкну-
той системы. Для ее исследования вовсе не обязательно было раз-
Рис. 6.2. Вариант структурной схемы, приведенной на рис. 6.1.
рывать контур в точке X на рис. 6.1. Вместо этого можно разор-
вать контур в точке У. При этом исходную структурную схему
(рис. 6.1) удобно привести к виду, показанному на рис. 6.2. Обе
схемы функционально идентичны; единственное различие состоит
лишь в том, как они начерчены. Обратная связь, охватывающая
звенья с постоянными времени Т2 и Т3, теперь представлена
в виде прямой связи, охватывающей звено с постоянной времени
7\. Главная обратная связь преобразована в единичную. Если
теперь разорвать контур в точке У, характеристика разомкнутого
контура примет вид
Гу __ _______-Д-Д_______/ I 4р \
Су (1 + Тгр) (1 + тзр) \ 1 + Т\р 1 + Т<р ) •
4*
99
Теперь эту функцию можно легко преобразовать к виду, обеспе-
чивающему устойчивость замкнутой системы.
Первое упрощение, как уже отмечалось, достигается выполне-
нием;, условия Т\: Тj. При этом уравнение принимает вид
Уу =
еу (1 4- T'lP) (1 4~ Т2р) (i 4- Гзр) ’
откуда следует, что контур управления можно упростить, приведя
его к виду, показанному на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Упрощенный контур
управления
Очевидный следующий шаг состоит в выборе коэффициента
усиления обратной связи Л4 таким, чтобы выполнялось условие
^1^4 гр .
тогда член 1 4- Т2р появится в числителе и знаменателе и может
быть сокращен. В результате функция передачи принимает вид
Уу_____________________________AiA2AsAf____
еу (1 4- Tip) (1 4- ТЗр)
Теперь в уравнение входят только две постоянные времени Тх
и Т3 и, следовательно, неустойчивость абсолютно невозможна.
В процессе преобразований, направленных на достижение
устойчивости, постоянная времени Т2 фактически была исключена
из уравнений для разомкнутого контура. Благодаря этому число
постоянных времени было уменьшено с трех, когда легко возни-
кает неустойчивость, до двух, когда неустойчивость не может
возникнуть.
Довольно длительное вычисление передаточной функции зам-
кнутой системы приводит к уравнению
У« __ ______1___
У1 (1 4- Т.р) (1 + ТЗр) 4- Л4Л2Л3Л^ 1 4- Тгр
Здесь первая часть выражения в правой части есть передаточная
функция
У у____________________
еу (1 4*7’1Р)(1 4- Т Зр)
замкнутой системы, охваченной обратной связью с коэффициентом
усиления Af. Вторая часть выражения для передаточной функции
замкнутого контура — просто передаточная функция звена с по-
стоянной времени Т2. Таким образом, суть предложенного упро-
щенного метода стабилизации сводится к исключению звена
100
с постоянной времени Т2 из контура регулирования, что делает
систему абсолютно устойчивой.
Следует отметить, что в некоторых практических случаях
исключение этого звена недопустимо, поскольку оно приводит
к неприемлемой общей рабочей характеристике замкнутой си-
стемы. Однако п тогда применение столь простого и быстрого
метода оправдано: полученные результаты служат отправной
точкой для дальнейшего анализа. Во многих случаях постоянная
времени Т2 мала и ее исключение из контура регулирования
не вызывает возражений. Предложенный способ может быть без
труда распространен на системы управления, содержащие более
трех инерционных звеньев. Преобразования, если это требуется,
можно выполнять до тех пор, пока все, кроме одного, инерцион-
ные звенья не будут исключены из контура регулирования.
В большинстве практических случаев снижение их числа до двух
оказывается достаточным.
6.2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ
ПРИБЛИЖЕННОГО МЕТОДА РАСЧЕТА
Существует возможность распространения приближенного ме-
тода расчета устойчивости па системы, содержащие интеграторы
в контуре регулирования. Так, в системе, показанной на рис. 6.4,
Рис. 6.4. Управляющий контур с интегратором
если Т4 = 7\, из замкнутого контура можно исключить звено
с постоянной времени Т2. Для этого передаточная функция звена
обратной связи должна быть равна Л4/(1 + Tip), гдеЛ4 = A1AfT2.
Однако такое преобразование еще не делает систему устойчивой.
Если вместо этого взять звено обратной связи с передаточной
функцией, равной Л4 (1 + Т4р)/(1 + 7\р), где Л4 = AtAf (Т2 +
+ Т3) и Т4 = Т2Т3/(Т2 + Т3), то передаточная функция разом-
кнутой системы будет равна
А^А2А3Ар
(1 + Tip) р
и неустойчивость исключится.
101
Если теперь ввести звено обратной связи с предложенными па-
раметрами в контур регулирования и провести трудоемкие вы-
числения передаточной функции замкнутой системы, то в итоге
получим
Ер _________1_________УА2^s_ / Г 1 । „АгФгДИП. 1
Ex (1 4- ТгР) (1 4- ТзР) (Г + Т1Р) р! L Г (1 + ЛР) Р J ’
Эта передаточная функция соответствует передаточной функции
контура, приведенного на рис. 6.5.
Таким образом, оба звена с малыми постоянными времени
фактически исключены из контура и неустойчивость оказывается
невозможной.
5_г~г~
* <+Тяр
4/ AzA3
lj+ТрУр
Af
Рис. 6.5. Замкнутый контур управления с заданными
параметрами обратной связи
Переходная характеристика, получаемая в результате этой
очень простой процедуры, не всегда может быть применена не-
посредственно, но предлагаемый метод настолько прост и так
быстро дает результат, что можно рекомендовать его применение
на начальном этапе проектирования любой системы.
Описанный метод межет быть распространен также на нели-
нейные системы. Как для линейных, так и для нелинейных систем,
если требуется обеспечить их устойчивость, жизненно необхо-
димо исследовать зависимость устойчивости от значений парамет-
ров звеньев. Полезным инструментом такого исследования может
служить способ сравнения корней квадратных уравнений числи-
теля и знаменателя выражения передаточной функции.
Автором показано [2], что корни уравнения х2 + ах + кУ = О
могут быть представлены в виде —Z?exp (=t/L), где cos L = а/2Ь
при а/2 < Ь, или —ехр (—L), где cosh L = а/2Ь при а/2 > Ь.
Эти зависимости хорошо интерпретируются геометрически: при
изменении величины а/2 кривая корней представляет собой ги-
перболу, переходящую в окружность. Если корни действительные,
их отношение просто равно exp 2L. Эти результаты оказались
в высшей степени полезными при проектировании следящих
систем управления. Описанный подход успешно использовался
автором при проектировании нескольких систем, которые были
настолько нелинейны, что практически не поддавались проек-
102
тиройанию известными методами |3], особенно в тех случаях,
когда постоянные времени изменялись в очень большом диапазоне.
В настоящее время во всем мире разрабатывается множество
методов проектирования следящих систем 122]. Еще ни один
из них не получил всеобщего распространения и одобрения, хотя
многие из этих методов были реализованы практически. Найтин-
гейл и Тодд [25] предложили проектировать протезные устрой-
ства с адаптивными системами управления исходя из принципа
автоматического выполнения устройством подсознательных дей-
ствий человека, а те действия, которые обычно выполняются
человеком сознательно, производить под сознательным управле-
ние человека [26].
Во всех случаях проектирования разработчик должен четко
сформулировать цель для системы управления. Когда это сделано,
может быть построена система управления, максимально точно
осуществляющая целевую функцию управления и при изменении
внешних условий перестраивающаяся для достижения опти-
мального управления. Однако следует признать, что для живых
систем точного определения оптимального управления не суще-
ствует, и поэтому часто требуется заглядывать далеко в будущее
для получений сейчас точных условий, которым в дальнейшем
будет соответствовать оптимальное управление. Такого рода
«предвидение» еще недоступно для адаптивных систем управления.
6.3. ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
СЕРИЕСНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
До недавнего времени обычным было ступенчатое регулиро-
вание скорости тяговых сериесных двигателей. Однако с разви-
тием тиристорной техники стало возможным осуществлять плав-
ное регулирование скорости [4 ] таких двигателей, работающих
от аккумуляторных батарей, установленных на подвижном устрой-
стве.
В типичной схеме ток нагрузки протекает от аккумулятора
через один из тиристоров. Этим же током заряжается конденсатор.
Через короткий промежуток времени включается второй тиристор,
что приводит к разряду емкости и запиранию первого тиристора.
Включение полупроводникового выпрямителя на якорную цепь
двигателя позволяет непрерывно поддерживать ток, несмотря на
то, что во время коммутации тиристоров двигатель отключается
от источника питания. Скорость может регулироваться изменением
частоты включения тиристоров.
В последнее время была проделана большая работа по исполь-
зованию подобных схем для управления подъемными механизмами
(например, автопогрузчиками с вилочным захватом) и результаты
этой работы могут быть непосредственно применены в схемах
управления подвижными роботами.
103
6.4. УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯМИ
РЕГУЛИРОВАНИЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Принято считать, что управление тяговыми двигателями обяза-
тельно должно быть подобно управлению двигателем сериесного
типа. Методы управления такими двигателями хорошо известны
из опыта их эксплуатации в электрифицированных транспортных
средствах, а также в кранах и лебедках. Тем не менее в последние
годы разработан другой метод, обеспечивающий постоянство
вращающего момента и основанный на регулировании сравни-
тельно маломощной обмотки возбуждения электрического дви-
гателя.
Новый метод основан на использовании известной схемы, со-
гласно которой якорь низковольтного двигателя подсоединяется
Рис. 6.6. Схема Бушеро в приводе с
постоянным моментом
к источнику высокого напряже-
ния через высокоомный рези-
стор [5—И]. Однако, посколь-
ку потери на резисторе зна-
чительны и ограничивают
допустимую мощность двига-
теля, новый метод предусмат-
ривает использование схемы со
сравнительно низкими поте-
рями.
Схема Бушеро [12—13] со-
стоит из последовательного
колебательного контура, запи-
тываемого от источника пере-
менного тока резонансной час-
тоты. Нагрузка подключается
параллельно одному из эле-
ментов контура — конденса-
тору или катушке индуктивности. В данном случае [14]
нагрузкой является выпрямитель, питающий якорь двигателя
(рис. 6.6).
Основное свойство схемы Бушеро состоит в том, что она обес-
печивает постоянство тока нагрузки независимо от величины ее
сопротивления или противо-э. д. с. в обмотке якоря. Благодаря
тому что якорь питается от источника тока, можно полностью
снимать напряжение с обмотки возбуждения, не вызывая чрез-
мерного потребления тока от источника. Если же в обмотку
возбуждения подай ток, двигатель приходит во вращение с по-
стоянным моментом, величина и направление которого находятся
в прямой зависимости от величины и направления тока в обмотке
возбуждения двигателя. При этом момент почти не зависит от
скорости вращения. Такая характеристика двигателя представля-
ется идеальной как для создания тяги, так и для механизмов подъ-
ема в роботе.
104
Достоинство данной схемы состоит также в том, что благодаря
малой величине потерь в цепи постоянного тока номинальное на-
пряжение на зажимах якоря двигателя примерно равно напря-
жению сети. Этим исключается необходимость в использовании
низковольтного двигателя со сравнительно высоковольтным ис-
точником питания.
Недостатками схемы являются высокая стоимость и большая
масса конденсатора и катушки индуктивности. Тот факт, что для
ее питания требуется источник переменного тока, не считается
теперь большим недостатком благодаря хорошо развитой технике
преобразования постоянного тока в переменный. Однако и здесь
следует обращать внимание на инженерно-экономические пока-
затели .
При сравнении с известной системой регулирования У. Лео-
нарда полная стоимость описанного устройства оказывается не-
намного меньшей. Однако несомненным преимуществом этого
устройства для применения в робототехнических системах явля-
ется возможность снижения массы и габаритов, что позволяет
использовать его также в обычных подъемных устройствах.
Исследование возможностей данной системы для целей управ-
ления кибернетическими и робототехническими системами было
проведено в Астоне Дж. Кларком, Р. Г. С. Месси и Бенксом [14].
6.5. РЕГУЛИРОВАНИЕ ДВУХСТАТОРНОГО
КОРОТКОЗАМКНУТОГО ДВИГАТЕЛЯ [23]
Инженер П. М. Ж- Бушеро хорошо известен благодаря соз-
данной им конструкции электродвигателя с двойной беличьей
клеткой, получившей широкое распространение. К сожалению,
его важная работа над эффектом Бушеро и первыми вариантами
двигателей известная значительно меньше. Отчасти это объясня-
ется тем, что сам Бушеро мало писал об этих двигателях. Тем
не менее они могут быть применены в робототехнике как машины
с регулируемой скоростью; именно с этой целью они исследова-
лись в Астоне Эрлом и Робертсоном [23].
У двухстаторного двигателя один короткозамкнутый ротор
и два отдельных статора, расположенных вдоль одной линии соосно
с валом ротора. Установлено, что в таких двигателях можно
различными способами получить широкодиапазонпое регулирова-
ние характеристики момента в функции скорости.
Если обе статорные обмотки запитываются от одного много-
фазного источника питания, то вращение одного из статоров
относительно общей оси вызовет изменение э. д. с., наводимой
в короткозамкнутом роторе, изменение тока, циркулирующего
в роторе, и, следовательно, создаваемого вращающего момента.
Другой метод управления состоит в регулировании действующего
значения напряжения, приложенного к одной из статорных об-
моток, при условии, что оба статора зафиксированы друг относи-
105
тельно друга и амплитуда напряжения, приложенного к другой
статорной обмотке, постоянная. В качестве варианта фазу напря-
жения, прикладываемого к одной из статорных обмоток, можно
изменять относительно напряжения на обмотке другого статора.
При необходимости как амплитуду, так и фазу можно изменять
при помощи электронных средств. Хотя описанные двигатели
представляются весьма перспективными, для практического при-
менения они пока недоступны.
Одна из проблем, возникшая в процессе экспериментальной
работы над этими двигателями, связана с феррорезонансом [15—
17], вызываемым подключением емкости для частичной компен-
сации индуктивного сопротивления статорных обмоток.
6.6. ПРОСТЫЕ ПОДВИЖНЫЕ МАШИНЫ [18—22]
В ходе подготовки к решению проблем, связанных с надеж-
ностью подвижных роботов, в Астоне исследовалась работа ма-
леньких подвижных устройств — «черепах». Первые модели та-
ких машин обладали низкой надежностью, и повысить ее оказа-
лось возможным лишь после рассмотрения причин каждого от-
каза.
Ниже перечислены наиболее интересные вопросы этого иссле-
дования.
1. Работа устройств электронного управления и цепей логики
при питании от аккумулятора.
2. Необходимые размеры аккумулятора, частота и продол-
жительность его перезаряда.
3. Взаимодействие между отдельными узлами схемы управ-
ления при работе от общего источника питания.
4. Возможность создания роботов, подключающих себя к ис-
точнику питания, когда в этом возникает необходимость (при до-
статочной фантазии этот процесс можно представлять как про-
цесс «принятия пищи»),
5. Действие изменяющейся среды на аппаратуру управления
и подвижные части устройства.
6. Приспосабливаемость роботов к изменяющейся среде.
7. Требующаяся скорость движения.
8. Методы передачи роботу информации об окружающей
среде.
9. Эффективные методы управления движущей силой.
10. Устройства безопасности (выключатели, срабатывающие
при обнаружении препятствия, аварийные выключатели) и их
расположение на корпусе робота.
11. Эффективные методы, обеспечивающие быструю разборку
робота для технического обслуживания и в то же время преду-
сматривающие «защиту от детей».
12. Возможность резервирования отдельных узлов и приемле-
мость ухудшения характеристик робота в аварийных ситуациях.
106
Является ли предпочтительной полная остановка в случае любой
неисправности или допустимо продолжать работу, несмотря на
ухудшение характеристик?
13. Возможность саморемонта.
14. Шум, создаваемый роботом.
Из приведенного, далеко не полного, списка видно, что иссле-
дование небольших подвижных роботов может помочь разрешить
часть проблем еще до того, как они возникнут в связи с большими
подвижными роботами, предназначенными для практических
целей. Правда, некоторые вопросы могут быть успешно изучены
на неподвижных устройствах, но заключительный этап исследо-
вания желательно проводить на подвижных объектах.
В ряде экспериментов использовались простые подвижные
роботоподобные машины, выполненные в виде жука или чере-
пахи. По-видимому, одна из лучших публикаций, относящихся
к этой теме, принадлежит Уолтеру [18]. Позднее роботы такого
типа были детально исследованы Анджайном [19].
В Астонской кибернетической лаборатории проводились опыты
с небольшой машиной «Астор», также имевшей форму черепахи
122]. Механика устройства была разработана П. А. Киддом и
С. Дж. Ллойдом, которые для повышения надежности применили
транзисторы в системе управления первых образцов.
У первой модели было три колеса: два задних и одно переднее,
расположенное в центре. Задние колеса вращались свободно,
а переднее имело привод от двух двигателей, один из которых,
тяговый, обеспечивал движение модели вдоль траектории, а дру-
гой, «сканирующий», приводил колесо во вращение вокруг вер-
тикальной оси, чем обеспечивалось рулевое управление. Все
действия устройства производились посредством этих двух дви-
гателей.
Движение робота зависит от сигналов на входе, поступающих
от двух фотоэлементов — «глаз», микрофона — «уха» и датчика
контакта с корпусом, обнаруживающего наличие препятствия.
Машина выполняет следующие действия:
1. При отсутствии внешних сигналов робот ищет источник
света.
2. При встрече с препятствием машина отступает и продол-
жает поиск источника света.
3. Если один из фотоэлементов обнаруживает слабый свет
впереди устройства, оно начинает двигаться в направлении
света.
4. Если другой фотоэлемент обнаруживает сильный свет впе-
реди, устройство начинает двигаться в противоположном на-
правлении.
5. Если микрофон улавливает звук свистка, робот полностью
останавливается — «замирает» на некоторое время.
6. Если происходит некоторое число совпадений обнаружения
слабого света и фиксаций звука свистка, вырабатывается своего
107
рода условный рефлекс: в течение определенного времени звук
свистка воздействует на машину так же, как источник слабого
света.
Выполнение указанных действий обеспечивается следующим
образом.
1. При поиске оба двигателя работают одновременно. Ско-
рость их вращения регулируется так, что, несмотря на внешне
случайный характер движения модели, за определенное время
йрштстИи!
Сильный clem
B'upafHutaHue
башенки"
осуществляется поиск
в пределах угла 360°.
2. Чтобы исключить
столкновения, тяговый
двигатель выключается
на некоторое время при
встрече с препятствием.
Такой режим работы
оставляет сканирую-
щему двигателю время
на поворот колес в нап-
равлении от препятст-
вия до возобновления
движения.
3. Всякий раз, когда
фотоэлемент, располо-
женный спереди, реги-
стрирует источник сла-
бого света, тяговый
двигатель немедленно
Рис. 6.7. Функциональная схема модели «Астор» выключается, а скани-
рующий продолжает
работу до тех пор, пока
ведущее колесо не расположится в направлении источника
света. Затем сканирующий двигатель выключается, вновь вклю-
чается тяговый двигатель, и устройство движется в направлении
источника света. Так образуется период ожидания, во время
которого производится установочная рулевая операция.
4. Если световой сигнал, обнаруживаемый фотоэлемен-
тами, становится слишком сильным, вновь включается скани-
рующий двигатель и возобновляется поиск источника слабого
света.
5. При звуке свистка оба двигателя отключаются и машина
«замирает».
6. Для моделирования условного рефлекса сигналы звукового
входа и входа слабого света подаются на схему совпадений,
выход которой поступает на счетчик. Сигнал па выходе счетчика
появляется только после определенного числа совпадений сиг-
налов слабого света и звука свистка. Если «подкрепления» не
производится, то выход постепенно стирается и таким образом
108
моделируется «забывание». Пока существует сигнал на выходе
памяти совпадений, при звуке свистка выполняется та же после-
довательность действий, что и при получении сигнала от слабого
источника света.
Функциональная схема этой системы управления показана на
рис. 6.7. Она построена в основном на интегральных схемах и
заменила собой более раннюю систему, выполненную на дискрет-
ных элементах. Ее разработали и построили сотрудники Астон-
ской кибернетической лаборатории Олстон и Фокселл 122].
Весьма вероятно, что трудности, с которыми пришлось столк-
нуться при работе над этими схемами, будут характерны и для
других разработок подвижных робототехнических устройств.
Так, опыт, полученный в этих первых исследованиях, был ис-
пользован при создании машины «Астра-3» с контактным под-
водом энергии, предназначенной для изучения проблем, связан-
ных с подвижными и независимыми роботами.
Список литературы
1. Young John F., Simplified Feedback Stabilisation, Process Control
Antonin, 10, June, 233 (1963).
2. Young John F., The Roots of Quadratic Equations, Control, 7, Novem-
ber, 237 (1963).
3. Young John F., Electronic and Magnetic Amplifier Voltage and Fre-
quency Regulators, Electricity in Industry, Mo. 9 (1956).
4. Mazda F. F., An Electric Vehicle Controller, Electron. Components,
12, March 19, 235 (1971).
5. Andriesse R. D., Split Field Servo Motors, Control, 9, August, 425
(1965).
6. Anon., Characteristics of British Servo Motors, Autornn Prog., June,
198 (1960).
7. Williams F. C., The Velodyne, in: Servomechanisms, H.M.S.O., 134 (1951).
8. Williams F. C. and Uttley, Albert M., The Velodyne, ЛЕЕ, 93, pt ЗА,
1256 (1946).
9. Larnpert W. E. C., Naval Applications of Electrical Remote Position
Controllers, ЛЕЕ, 94, pt 2A, 236 (1947).
10. Taylor P. L., Servomechanisms, Longman, 193 (1960).
11. West J. C., Servomechanisms, English Universities Press, 182 (1955).
12. Yeung John F., The Boucherot Effect, Wireless Wld, 68, August,
391 (1962).
13. Young John F., Voltage Regulator Comparison Circuits, Control, 6,
June, 90 (1963).
14. Young John F., Field Control of Motors with Constant Current Arma-
ture Supply, Control, 12, January, 35 (1968).
15. Young John F., Ferroresonance; Problems and Aplications, Electl Rev.,
176, May 21, 782 (1965).
16. Young John F., Bibliography on Ferroresonance, deposited with Lib-
rary at University of Aston.
17. Young John F., Using Capacitors to Improve Low-Cost Magnetic Amp-
lifiers, Engi- neer, Lond., 220, July 30, 176 (1965).
18. Walter W. G., The Living Brain, Duckworth (1953).
19. Angyan A. J., Machina Reproducatrix, in: Mechanism of Thought Pro-
cesses, Vol. 2, 933, H.M.S.O. (1959).
20. Zemanek H. et al., A Model for Neurophysiological Functions, in: Cherry
C. (ed.), Information Theory, 1960, 270, Butterworths (1961).
109
21. Kukhtenko A. I., The Dynamics of Devices Which Imitate Living Orga-
nisms; in: Coales J. F. (ed.), Automatic and Remote Control, Vol. 2, 658, But-
terworths (1961).
22. Young John F., Cybernetics, Iliffe (1969).
23. Young John F., Control Possibilities of Double-Stator Squirrel—Cage
Motors, Control, 12, May, 416 (1968).
24. Young John F., Phase Measurements in Feedback Amplifiers, Electron.
Eng., 27, July, 311 (1955).
25. Nightingale J. M. and Todd R. M., Adaptive Control of a Multi-Degree
of Freedom Hand Prosthesis, Proc. Conf. Hum. Locomotor Eng., Sussex, Septem-
ber, 1971 (Instn Meeh. Engrs), 249.
26. Nightingale J. M., Intelligent Prostheses, Proc. I.E.E. Meeting on Uses
of Robots, London, April, 1973, 3.
Глава 7
ПОДВИЖНЫЕ РОБОТЫ
7.1. ТРЕБОВАНИЯ К ПОДВИЖНЫМ РОБОТАМ
Традиционный робот в научно-фантастической литературе
весьма человекоподобен и, следовательно, свободно передвига-
ется. Однако большинство роботов, существующих в наши дни,
полностью фиксированы и могут передвигаться только при вме-
шательстве человека. Немногие роботоподобные устройства, обла-
дающие подвижностью, обычно ограничены фиксированными
траекториями перемещения: либо рельсовыми путями, либо
направляющими подземными кабелями [1, 21]. Те же роботы,
которые были созданы полностью подвижными, всегда находились
под непосредственным непрерывным наблюдением человека. При-
мером могут служить робототехнические устройства, сконструи-
рованные для манипулирования опасными взрывчатыми или
радиоактивными материалами.
Серьезным ограничением некоторых робототехнических уст-
ройств, предназначенных для промышленных целей, было отсут-
ствие у них подвижности. Например, было бы преувеличением
ожидать, что промышленное загрузочное устройство сможет
выполнять свою работу при полном отсутствии наблюдения со
стороны человека, если только оно не построено как интегральная
специализированная часть специализированной машины. Даже
небольшое смещение номинально фиксированного погрузчика
по отношению к загружаемой машине вызовет неправильное
их взаимное расположение при условии, что применяется робот-
погрузчик общего назначения, отделенный от загружаемой им
машины.
Можно облегчить положение, снабдив закрепленный погруз-
чик каким-либо видом управления с обратной связью, что дела-
ется редко, а может быть, и вообще никогда не делается. Одна
из причин этого состоит в том, что для погрузчика, закрепленного
в некотором положении, потребовались бы очень длинные, очень
гибкие и очень хорошо управляемые руки. Кроме того, потребо-
вался бы какой-то датчик положения, предпочтительно визуаль-
ный. Будет показано далее, что для выполнения каких-либо
непредусмотренных движений простой робот-погрузчик должен
быть весьма усложнен.
Одна из причин усложнения связана с возможностью причи-
нения ущерба промышленной среде, который может быть выз-
ван использованием подвижного роботоподобного устройства,
находящегося в опасной близости к движущимся частям высоко-
производительного промышленного оборудования. Возможное по-
вреждение станка может оказаться даже более нежелательным,
111
чем повреждение подвижного робота, как из-за высокой начальной
стоимости современных станков, так и из-за очень большой сто-
имости любого простоя, вызванного поломками оборудования.
Робот-погрузчик в крайнем случае можно заменить человеком,
а дорогостоящий станок — нельзя.
Из этих соображений, вероятно, в течение некоторого времени
подвижные роботы будут нескольких ограниченных типов. Во-
первых, наводимый робот для использования на заводах и скла-
дах в качестве транспортного средства и ограниченный железно-
дорожными путями робот-сцепка. Во-вторых, подвижный робот
наверняка войдет в домашний обиход как логическое продолже-
ние уже существующих неподвижных, по полностью автомати-
зированных бытовых механизмов. В-третьих, контролируемый
робот, например, автопилот, используемый и в воздухе, и на
море. Роботы этого типа максимально подвижные, но вовсе не
ожидается, что они будут работать совершенно без наблюдения
со стороны человека. В-четвертых, полуподвижный робот, наз-
ванный так за то, что он связан с управляющей ЭВМ буксируемым
электрическим кабелем. Еще один пример — подвижная сельско-
хозяйственная машина [17, 18].
Возможно, наиболее показательным примером частично кон-
тролируемого робота является советское роботоподобное устрой-
ство «Луна-16», которое прилунилось, собрало образцы лунного
грунта и затем благополучно возратилось на Землю. Это большое
достижение нельзя недооценивать, даже если робот управлялся
людьми, ибо неизбежные задержки между передачей человеком
команды и приемом этой команды роботом, между осуществлением
действия и приемом на Землю сообщения о результате его выпол-
нения делают такое управление очень трудной задачей.
В настоящее время наблюдается непрерывный прогресс в соз-
дании аккумуляторных электрических транспортных средств для
перевозки пассажиров и грузов [29—31]. Некоторые достижения
в этой области будут применяться и в подвижном роботе. Напри-
мер, в ряде случаев электрические двигатели встраиваются прямо
в колеса автопогрузчика с вилочным захватом; если при этом
управляются также и ведомые колеса, то повышается маневрен-
ность.
Для таких задач, как исследование планет, очень привлека-
тельна идея создания автономного подвижного робота, который
может принимать команды от людей и передавать им информа-
цию о своих находках, будучи независимым во всех других от-
ношениях. Представляется, что советский подвижный аппарат
«Луноход» — одно из устройств такого рода. Подобные устройства
будут необходимы при исследовании отдаленных планет, когда
неизбежны большие задержки в передаче сообщений. По мнению
Катлера, в качестве подсистемы системы управления человек
оставляет желать много лучшего [34]. Он предлагает производить
средства дальнего наблюдения и манипуляторы, работающие так,
11?
как работает человек на пределе своих возможностей, чтобы из-
бавить астронавтов от необходимости работать в космосе и на
других планетах. Советскую программу можно, по-видимому,
отнести именно к этому направлению.
Полностью автономные роботы требуются даже для задач,
возникающих гораздо ближе к нашей планете (например, работа
на обратной стороне Луны, исследования последствий ядерных
взрывов в воздухе пли даже обследование изнутри канализацион-
ных и нефтяных труб).
7.2. РОБОТЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ
ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ [23—28, 38, 108-111]
Некоторые из возможных способов и проблем управления
транспортными средствами с помощью роботов были рассмотрены
в гл. 1. В том случае, когда транспортное средство должно пере-
возить людей, вопросы безопасности приобретают первостепенное
значение.
Исследования показали, что водитель автомобиля сперва смот-
рит на дорогу вперед до пределов видимости, затем отводит взгляд
к транспортному средству, которым он управляет, затем снова
смотрит вперед вдоль дороги и т. д. При скорости 25 км/ч води-
тель 60% времени проводит, глядя на 50 м вперед, т. е. с упре-
ждением около 7,5 с, и 80% времени — смотря на 30 м вперед,
т. е. с упреждением приблизительно 5 с. Предполагается, что
человек использует центральное зрение для обнаружения препят-
ствий, а периферическое — для выдерживания основного на-
правления движения.
Рассматривались возможности проектов автоматизированного
движения транспорта, но до настоящего времени в них, кажется,
основное внимание уделялось проблемам следования за впереди
идущим автомобилем с автоматически управляемыми рулем и
дистанцией [76—86, 104].
7.3. СИСТЕМА «РОБОТАГ» [1, 21, 83]
Система «Роботаг» относится к тем видам автоматического
транспорта, которые довольно широко используются. Робото-
техническое транспортное средство не является полностью авто-
номным, так как управляется сигналами поля провода, зако-
панного на глубине приблизительно 2 см от поверхности, ио ко-
торому идет ток частотой около 2 кГц. Тем не менее этот транспорт
можно запрограммировать на поочередное прибытие в несколько
мест назначения.
Тягач обнаруживает положение закопанного провода при
помощи двух катушек-датчиков, расположенных на поворотной
тележке, на которой установлено переднее, рулевое, колесо.
Для рулевого управления используется серводвигатель посто-
113
явного тока, установленный таким образом, что он вращает
поворотную тележку до тех пор, пока обе катушки не будут
расположены симметрично относительно направляющего про-
вода.
Другие катушки, установленные на поворотной тележке,
принимают сигналы, побуждающие буксир начать движение или
остановиться, а также сигнализируют о положении и передают
информацию управляющей системе, например, при необходимости
выбрать правильный маршрут, чтобы буксир точно пришел в пункт
назначения. Сигнал частотой 400 Гц, вырабатываемый установ-
ленным на буксире генератором, используется для передачи
в систему управления информации о положении буксира через
закопанные катушки, которые принимают этот сигнал по мере
продвижения буксира. Вычислитель, установленный па буксире,
используется для определения его положения по отношению
к некоторой фиксированной точке системы, что необходимо,
например, для определения точно запрограммированных мест
остановки и выбора маршрута при разветвлении направляющего
кабеля. При использовании вычислителя иногда необходимо
произвести дополнительные вычисления, чтобы оценить данные,
полученные для возможных маршрутов. Для числа пунктов
остановок до 25 включительно буксир программируется при по-
мощи ряда тумблеров; при большем числе пунктов остановок
(до 90) подключается наборное поле, подобное тем, что исполь-
зуются в аналоговых вычислительных машинах. Буксир прод-
вигается к требуемой точке остановки по кратчайшему маршруту
и ожидает там до тех пор, пока снова не будет приведен в движение
по своему маршруту.
Для приведения этого робототехнического транспортного сред-
ства в движение используется тяговый двигатель, управляемый
путевыми командами. Исходя из требований безопасности ско-
рость движения ограничивается интервалом 3—10 км/ч. Электро-
магнитный соленоид, управляющий тормозами, автоматически
включается, как только робототехническое транспортное средство
останавливается, а перед включением двигателей система блоки-
ровки проверяет, выключены ли тормоза. В системе использова-
лись следующие виды транспортных средств: автопогрузчики
с вилочным захватом, большие крытые тележки и тележки, имею-
щие ход в двух направлениях. Однако наиболее распространенным
видом, вероятно, был малый тягач, который может прокладывать
себе путь через переполненный склад. Это тягач может нести груз
в 1 т или тянуть два прицепа с грузом материалов до Ют, хотя
известны и более длинные сцепки.
Обычный «Роботаг» может транспортировать 4,5 т по уклону
1 : 10, но имеется более мощная модификация, позволяющая
транспортировать 20 т по ровной поверхности или 10 т по уклону
1 : 10. Мощность тягового двигателя около 1,7 кВт. Ниже при-
водятся его краткие технические данные.
114
Максимальное тяговое усилие, Н....................... 4540
Номинальное тяговое усилие, Н........................ 1920
Полная нагрузка (при горизонтальной поверхности и
расчетном сопротивлении качению прицепов 230 Н
на 1000 кг), кг.................................... 8500
Скорость без груза, км/ч ............................ 3,22
» при полной загрузке, км/ч...................... 1,98
Масса (включая аккумулятор иа 400 А-ч), кг . . . 1000
Диаметр тормоза (дискового электромагнитного, укреп-
ленного на удлиненной части вала якоря тягового
двигателя), мм ..................................... 121
Напряжение батареи (свинцово-кислотный аккумуля-
тор), В.............................................. 24
Емкость аккумуляторной батареи, А ч............. 400—658
Минимальный радиус поворота, м .................. 1,372
Высота центра буксировочного зацепа, мм .............. 232
Диаметр стержня буксировочного зацепа, мм............. 25,4
Размер задних колес (из цельной резины), мм........... 305Х 108
» передних колес (сдвоенных, из полиуретана), мм 203X44
Общая длина, ....................................... 1,784
» ширина, м...................................... 0,787
Длина платформы, м ................................. 1 >245
Ширина платформы, м................................. 0,762
Колесная база, м.................................... 0,838
Расстояние между задними колесами по колее, м ... 0,610
Высота платформы, м................................. 0,812
Полная высота, м.................................... 0,864
Система, в основном подобная «Роботагу», сейчас применяется
для автоматической транспортировки грузов в больницах [66].
Тележки весят около 225 кг, их высота 1,5 м. Направляющий пу-
тевой провод, заделанный в пол, несет сигнал частотой 6,5 или
10 кГц. Управление наведением осуществляется от съемных пуль-
тов, построенных на диодах; при помощи рукоятки тележку, если
это необходимо, можно вручную убрать с линии управления.
Тележки могут подниматься вертикально, заезжая в лифт, и
планируется, что они будут автоматически перемещаться на за-
рядную площадку всякий раз, когда возникнет потребность
в подзаряде батарей. Как и в системе «Роботаг», вся трасса раз-
делена на блоки для предотвращения столкновений; после оста-
новки установленной продолжительности тележка автоматиче-
ски возобновляет движение. Есть основания полагать, что эти
роботоподобные устройства будут в состоянии выполнять работу
60 чел., которые потребовались бы в настоящее время для тран-
спортировки такого же количества грузов в больнице на 800 коек.
Исходя из этих данных, подсчитали, что система окупит себя
за 7—8 лет работы.
7.4. РОБОТОПОДОБНЫЕ ГОРОДСКИЕ
ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА [67, 119, 120]
Компания «Бендикс» (Энн Арбор, США) построила испыта-
тельный трек площадью 6 га для исследований автоматически
управляемых автомобилей и автофургонов, предназначенных для
115
перевозки пассажиров. Сообщалось, что значительная часть от
10 млрд, дол., ассигнованных Федеральным правительством на
развитие общественного транспорта на следующие 12 лет, пойдет
на автомобили с электронным управлением без участия человека.
Для начала в экспериментах этой компании будут использо-
ваться три дешевых шведских автофургона, в которых обычные
двигатели заменены электродвигателями, питаемыми от аккуму-
ляторных батарей. В настоящее время испытательный трек со-
стоит из круговой направляющей диаметром 100 м, соединенной
несколькими вспомогательными направляющими полосами. Общая
длина трека, таким образом, около 1,5 км. На треке имеются три
пассажирские станции.
Между транспортными средствами, идущими с максимальной
скоростью 50 км/ч, система управления поддерживает интервал
в 10 с, хотя есть надежда, что в дальнейшем он будет уменьшен
до 5 с. Подземные направляющие провода расположены под
проезжей частью на расстоянии 60 см один от другого и переме-
жаются каждые 7,5 или 4 м на крутых поворотах, где предел
скорости снижается до 25 км/ч. В каждом из пересечений магнит-
тное поле, создаваемое током частотой 145 кГц, текущим в про-
воде, падает до пуля. Эти нулевые точки обнаруживаются си-
стемой управления транспортным средством, и информация пере-
дается в центральную управляющую ЭВМ посредством сдвига
частоты (96 кГц) несущего сигнала.
Для передачи и получения сигналов управления вдоль путей
расположены придорожные станции связи. На случай выхода из
строя основной направляющей системы трека установлена вспо-
могательная независимая система, определяющая при помощи
магнитометров положение транспортного средства.
Магнитометры расположены на расстоянии 30 м друг от друга
в зонах быстрого движения и на расстоянии 2,5 м в зонах очень
медленного движения. Если расстояние между любыми транспорт-
ными средствами становится меньше одного из расстояний между
блоками магнитометров, транспортные средства автоматически
тормозятся до полной остановки.
От центральной ЭВМ транспортном}' средству передаются
следующие команды: «Старт», «Тормоз», «Идти к станции X»,
«Идти с постоянной скоростью» (между 25 и 110% от номиналь-
ной максимальной скорости), «Включить (выключить) свет»,
«Включить (выключить) кондиционирование воздуха», «Вклю-
чить (выключить) стеклоочиститель ветрового стекла». Команда
имеет вид 16-битового слова, за которым следует дополнение
к нему, содержащее три идентифицирующих бита. Каждое тран-
спортное средство может ежесекундно принимать до четырех
команд со скоростью 4800 бит/с. Центральная командная ЭВМ
информирует транспортное средство о пункте назначения, и код
этого пункта хранится транспортным средством, хотя предпо-
лагается, что в будущем каждый пассажир сможет задавать свой
116
пункт назначения при помощи кнопок, имеющихся внутри тран-
спортного средства.
Наведение транспортного средства осуществляется при помощи
двух катушек, установленных на бамперах, каждая на расстоянии
около 40 см от центральной линии. В катушках наводится ток
от третьего, «наводящего», провода, закопанного под проезжей
частью, что очень напоминает систему «Роботаг». Чтобы обеспе-
тить выбор маршрута, разные секции наводящего кабеля рабо-
тают на различных частотах, а частичное перекрытие секций
кабеля обеспечивает непрерывность наведения. Непрерывность
приема команд обеспечивается наличием на транспортном сред-
стве двух пар приемных и передающих катушек: одна пара впе-
реди и одна пара сзади.
Специальный сигнал передается на транспортное средство для
сигнализации ему о замедлении хода по управляемой характери-
стике замедления и для останова. Управляемая характеристика
замедления задается в настоящее время на диодной матрице,
хотя планируется использовать для этих целей интегральное
постоянное запоминающее устройство. Замедление управляется
путем сравнения сигнала от устройства, измеряющего расстояние
и дающего импульс через каждый 23 см перемещения, с командным
сигналом, хранящимся в памяти. Результат сравнения исполь-
зуется на самом транспортном средстве для управления тормо-
жением и движением его вперед до полной остановки в пределах
15 см от требуемой точки.
Для измерения скоростей, меньших 8 км/ч, используется та-
хометр. Помимо этого измеряются расстояния между точками
пересечения наводящего кабеля. Оценки стоимости каждого та-
кого транспортного средства колеблются в пределах от 5000
до 8000 дол. В управляющей системе используется центральная
ЭВМ типа PDP11/20 с памятью на 12 000 слов, которая при не-
обходимости может быть расширена до 32 000 слов.
7.5. МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ РАБОТЕ С «РОБОТАТОМ»
Меры безопасности, которые были предусмотрены при работе
с оборудованием системы «Роботаг», кроме их большой важности
для сегодняшего практического применения этой системы пред-
ставляют интерес для приложения к более широкому классу
подвижных роботов.
Некоторые из мер, обеспечивающих безопасность, относятся
только к траспортному средству, следующему по направляющей.
Сюда входят меры по остановке транспортного средства в слу-
чаях исчезновения на трассе направляющего сигнала тока или
отклонения — по этой же причине —- тягача от трассы.
Однако другие меры безопасности представляют интерес и
при более широком применении полностью подвижных робото-
117
подобных транспортных средств. Например, на транспортном
средстве устанавливается легкий бампер, немного выступающий
вперед. Прогибание этого бампера останавливает тягач еще до
того, как он достигнет препятствия. Если, тем не менее, первый
бампер не сработает, имеется другой, более жесткий дублирующий
бампер, который в этом случае все-таки остановит тягач.
Если уровень напряжения питающей аккумуляторной бата-
, реи, установленной на тягаче, сильно понижается, работа управ-
ляющей системы становится ненадежной. Поэтому приняты меры
для остановки тележки, если батареи разряжены ниже безопас-
ного рабочего уровня. В подвижной системе при непредвиденных
обстоятельствах весьма вероятны перегрузки, и поэтому, чтобы
избежать потенциальной опасности, ее необходимо обеспечить
перегрузочными автоматическими выключателями и предохрани-
телями. Очевидная опасность, с которой можно столкнуться при
использовании такой системы на складах, — это опасность по-
жара в случае очень большой перегрузки, так что вполне понятна
необходимость в указанных мерах предосторожности.
Для того чтобы предупредить людей о приближении тележки,
используются вспышки света или звуковые сигналы, подаваемые
с самого тягача или из точек вдоль пути его следования по тре-
ковой системе. Тягач может автоматически управлять подачей
предупреждающих сигналов вдоль пути следования по направля-
ющей только одним своим приближением. Он может также уп-
равлять светофорами или останавливать движение, например
на пересечении с дорогой, предназначенной для обычных тран-
спортных средств, и автоматически открывать ворота на своем
пути, чтобы обеспечить себе прохождение. Благодаря тому что
ворота не держатся постоянно открытыми, сохраняется тепло.
Направляющая трасса разделена на блоки, как на железной
дороге, так что тягач не сможет попасть в любую секцию мар-
шрута, пока впереди идущее транспортное средство не покинет
эту секцию. Благодаря этому тягач предохранен от столкновения
с впереди идущим тягачом или сцепкой. Такая мера предосто-
рожности усилена тем, что тягач не может попасть в некоторую
секцию трека до тех пор, пока секция через одну впереди не
очистится от транспорта.
Главная управляющая система трека содержит устройство
памяти, которое автоматически «наблюдает» за положением каж-
дого транспорта в системе и, если требуется, воспроизводит эту
информацию на наглядной схеме. Система памяти используется
также для запуска в секцию ожидающего транспорта, как только
трасса освобождается.
Другие типичные причины для остановки тягача таковы:
тягач находится па разветвляющейся секции, но уже есть тягач
на другом пути, близкий к точке разветвления; впереди пересе-
чение путей, и на другого пути находится тягач, направляющийся
к пересечению. Ясно, что каждый блок должен по длине превос-
118
ходить длину сцепки. Важно также, чтобы число блоков вдоль
любой замкнутой петли в системе было нечетным, так как в про-
тивном случае имеется опасность «полного заполнения», когда
каждый второй блок вдоль петли занят и дальнейшее движение
невозможно.
Система «Роботаг» дает следующие преимущества: а) эконо-
мятся дорогостоящие людские ресурсы; б) благодаря тому что
исключается элемент непредусмотренности действий человека,
уменьшается число аварий, возникающих, например, при по-
пытках «срезать углы» длинным автопоездом, составленным из
трейлеров.
При этом обеспечивается очень точное управление и время,
необходимое для любого рейса, точно известно. Последнее чрез-
вычайно важно, что понятно каждому, кто, подобно автору, пы-
тался применить технику сервоуправления с замкнутым контуром
для управления и организации производства. Такие попытки
всегда терпят неудачу из-за больших колебаний временного
параметра у человека, выполняющего какое-либо задание по
транспортировке или передаче материалов (пли информации)
из одного места в другое.
Подобная робототехническая система не только обеспечивает
безопасность людей, но и позволяет уменьшить случайные потери
грузов, происходящие, например, при проезде через плохие
покрытия или край погрузочной платформы.
Система управления, подобная системе управления «Робо-
тагом», совсем недавно использовалась в Дорожной исследова-
тельской лаборатории для управления автомобилем «Ситроен
DC19» на скорости 130 км/ч при помощи электрогидравлической
системы рулевого управления и автомобилями «Мини» и «Кортина»
посредством системы рулевого управления, построенной на элек-
тродвигателе постоянного тока [28].
7.6. АВТОМАТИЧЕСКИЙ ТРАКТОР
ДЛЯ ФЕРМЫ [17, 18, 47, 63, 121]
Брук [43] указал на то, что процесс рулевого управления
трактором требует исключительно много времени, хотя во многих
отношениях он гораздо менее важен, чем другие задачи, решаемые
водителем трактора. Управление рулем трактора может мешать
оператору осуществлять правильные действия, например обеспе-
чивать точное распределение семян, удобрений или пестецидов
или оптимизировать процесс обмолота; в других случаях, в част-
ности при бороновании, человек вынужден расточать свои
способности на выполнение повторяющихся операций.
Такое положение дел вызвало к жизни ряд исследований воз-
можности полного исключения оператора или, по крайне мере,
облегчения его труда размещением его в таком месте, откуда он
мог бы управлять несколькими машинами одновременно. Уорнер
119
указал [45|, что такое автоматическое функционирование может
позволить работать в неблагоприятных погодных условиях и
завершить работы, пока существуют оптимальные условия, за-
висящие от состояния почвы, погоды и урожая, даже если они
кратковременны.
В некоторых случаях применение автоматически управляе-
мых тракторов в сельском хозяйстве может не только облегчить
труд человека, но и дать лучшие результаты. Примерами служат
прокладка дренажа [41], сбор урожая свеклы и прореживание
пропашной культуры [42]. Однако требуется еще много сделать,
прежде чем мы сможем эффективно управлять комбинированной
уборочной машиной.
Для указанных применений требуется довольно высокая точ-
ность рулевого управления, хотя, вообще говоря, она необхо-
дима только для близко лежащих проходов [43]. Для наведения
использовались закопанные направляющие провода, располо-
женные с промежутком не более чем 6—12 м. Если, однако, имеется
возможность определить отношение вертикальных составляющих
сил поля на каждой стороне трактора, промежутки между ка-
белями могут быть увеличены до 30—60 м. Для обнаружения
поля частотой 1 кГц, создаваемого током кабеля менее 100 мА,
использовались три ферритовых сердечника с вертикальным рас-
положением осей.
Был также исследован метод наведения, при котором с по-
мощью ультразвука производилось обнаружение борозды и
затем осуществлялось движение по ней. Оказалось, что ультра-
звуковой метод пригоден для использования на твердом покрытии,
таком, как гудронированное шоссе, но не очень хорошо применим
на неровной вспаханной поверхности. Выдвигались предложения
по применению оптических методов, и они действительно исполь-
зовались для управления прокладкой дренажа. Велись работы
и по применению допплеровских методов для измерения радаром
скорости трактора, а созданные на этих принципах устройства
были предложены для обнаружения препятствий взамен емкост-
ных датчиков приближения к препятствию. Трактор, легко иду-
щий по траве со скоростью 11 км/ч, такое устройство остановит
примерно в 1,25 м от препятствия, застопорив задние колеса
и отключив двигатель.
В автоматических тракторах для сельского хозяйства исполь-
зовались гидравлические системы рулевого управления [44].
Было подсчитано, что при замене одного водителя сумма, в 5- -
10 раз превышающая его годовую зарплату, высвобождается для
капитальных затрат на оборудование автоматического наведения.
В Англии, где выпуск тракторов составляет около четверти мил-
лиона в год, рынок сбыта для удачных робототехнических систем
должен быть большой [45].
В тех случаях, когда для наведения требуется подземный
кабель, затраты составляют примерно 25—40 фунтов на гектар
120
[44] . Реальная стоимость управляющей системы, включающей
только основные неотъемлемые части, оценивается в 400—500
фунтов. Предполагается, что в настоящее время лучше [всего
дополнить стандартный трактор управляющим блоком, хотя
в дальнейшем потребуются специальные автоматически управляе-
мые тракторы.
Становится ясно, что, подобно большинству других применений
роботов, использование тракторов-роботов в сельском хозяйстве
сдерживается не недостатком методов, а нехваткой средств на их
развитие. Хотя использование подземных направляющих ка-
белей — вполне приемлемое решение для небольших хозяйств,
вполне возможно, что и другие методы, например с использова-
нием оптики, найдут широкое применение. В конце концов можно
ожидать, что на фермах будут работать полностью автоматизи-
рованные робототехнические машины, занятые не только поле-
выми работами, но и уходом за домашним скотом. Уже ведется
научное исследование проблем, связанных с управлением жизне-
деятельностью домашних животных [46], и подобные работы,
по всей видимости, будут развиваться и в дальнейшем.
7.7. ЛЕТАЮЩИЕ РОБОТЫ
В научно-фантастической литературе роботы обычно ходят,
но не летают. Реальные роботоподобные устройства, к сожалению,
более разнообразны. Наиболее известный пример полностью
подвижного, полностью независимосго робота дает управляемое
оружие — роботоподобный реактивный снаряд [39, 40]. Эти
устройства в трудных условиях обнаруживают цель и делают
это намного точнее, чем любой человек.
В космосе летающие роботы шпионят за деятельностью на
Земле. Там они, однако, выполняют также и гораздо более мир-
ную работу: ретранслируют телевизионные программы и иссле-
дуют Луну. В этом отношении робот намного более разносторо-
нен, чем человек. Эта разносторонность, вероятно, еще более
возрастет, когда мы научимся производить роботов с более слож-
ной нервной системой. Уже оказалось возможным сконструиро-
вать автопилот [87], который не только управляет горизонталь-
ным полетом самолета, но и производит автоматически взлет и
посадку.
Сейчас имеется дополнительная возможность создания под-
вижного робота, основанная на принципе работы аппарата на
воздушной подушке. Этот принцип уже использовался в бытовых
приборах и в газонокосилках, но еще никогда не применялся
для «подвешивания» подвижных роботов [62]. Широко исполь-
зуемыми разновидностями летающего робота являются подни-
маемые на шарах-зондах радио- и радиолокационные системы
[88—90], предназначенные для передачи на Землю необходимых
для предсказания погоды данных о верхних слоях атмосферы,
121
хотя направление перемещения определяется здесь не самой си-
стемой, а направлением ветра.
Радиоуправляемая беспилотная авиация долгое время исполь-
зовалась для таких целей, как учебная стрельба, где невозможность
использования пилота очевидна. Например, самолет-мишень «Ко-
ролева Пчела» [91], который использовался в начале 40-х го-
дов, был просто модификацией «Тигрового Мотылька» — обыч-
ным образом пилотируемого биплана. «Королева Пчела» управля-
лась с Земли при помощи 10 кнопок или иногда от диска напо-
добие телефонного. Было найдено решение для весьма успешной
посадки «Королевы Пчелы», снабженной поплавками взамен
колес, при помощи дистанционного управления, даже если море
было неспокойно. Усовершенствованный вариант этого самолета
был известен под названием «Королева Оса». Системы управления,
подобные этим, использовались также на радиоуправляемых бы-
строходных катерах-целях «Королева Утка» и «Королева Чайка».
От этих систем управления впоследствии перешли к более слож-
ной системе «Рестлес», которой также оснащались радиуправля-
емые быстроходные катера. Стоящие в море на мертвом якоре
катера запускались и управлялись с берега при атаке военных
судов.
Позднее, в начале 50-х годов, в Австралии был создан самолет-
мишень «Индвик» [92]. Он мог взлететь с управляемой от гиро-
скопа тележки многократного применения. Пневматический при-
вод снабжался воздухом, хранящимся под давлением около
14 000 кПа, после фильтрации и понижения давления приблизи-
тельно до 4000 кПа. Электрическая энергия для «Индвика» по-
ступала от генератора постоянного тока с параллельным воз-
буждением, параллельно которому подключался работающий
вхолостую 12-батарейный свинцово-кислотный аккумулятор. Уго-
льный регулятор напряжения поддерживал напряжение на уровне
27щ0,5 В. Основное энергоснабжение обеспечивалось газо-
турбинным двигателем. В дальнейшем было проведено много
новых разработок, вплоть до создания проектов использования
беспилотной авиации в бою [93, 94, 96].
7.8. КОСМИЧЕСКИЕ РОБОТЫ [68—70, 97, 98, 117, 122]
Были проведены исследования проектов роботов разового
применения и дистанционно управляемых манипуляторов, предна-
значенных для выполнения работ вне космического корабля при
отсутствии челночных систем, которые могут перевозить ремон-
тников к спутникам, находящимся на орбите. Возможность соз-
дания дистанционно управляемых космических роботов была
быстро реализована; действительно, уже «Сервейор-3», осуществив-
ший беспилотный лунный полет, был оснащен «копателем», управ-
ляемым с Земли. Оказалось возможным собрать образцы лунной
породы и уложить их с отклонением в пределах 6 мм от требуемой
122
позиции. Однако потенциальная ценность такого дистанционного
манипулирования была практически продемонстирована в январе
1968 г. «Сервейором-7», когда копатель был использован для
устранения неожиданно возникшей на Луне неисправности одного
из приборов.
В Аргонской национальной лаборатории обнаружили, что
оператор, «сняв пиджак» и используя копирующий манипулятор,
способен на то же, что и оператор, находящийся в космосе. В обоих
случаях для выполнения задания требуется в три раза больше
времени, чем если бы оно выполнялось непосредственно рукой
человека. Дистанционные манипуляторы были предложены для
любых космических применений, где есть опасность для людей
либо требуется выносливость, где получается выигрыш в стои-
мости и массе, или просто повышается вероятность успеха. Такие
дистанционные манипуляторы были названы андроидальными
телеоператорами, или, для краткости, андроидами, но хочется
надеяться, что термин «андроид» не получит широкого распро-
странения, поскольку он имеет весьма специальное и вполне опре-
деленное значение.
У космического манипулятора, предлагаемого в настоящее
время, семь движений: одно для захватывания, три переносных
и три угловых. У манипулятора «Сервейора» —четыре движения,
каждое с шаговым управлением с Земли. Единственной формой
обратной связи к оператору является неподвижное изображение,
на обработку которого затрачивается около 1 мин. Управление
поэтому очень замедленное. Обычно манипуляторы двустороннего
действия, т. е. имеющие обратную связь к оператору, приводят
к затратам приблизительно в 3—10 раз большего времени на
выполнение задания, чем при работе вручную, в то время как
манипуляторам одностороннего действия — без обратной связи —
требуется примерно в 30—100 раз больше времени на выполнение
этого же задания. Однако за обратную связь приходится распла-
чиваться дополнительной массой около 45 кг.
Исследования привели к предварительному проекту стандар-
тизованного электрического космического манипулятора общего
назначения для использования при полетах как с экипажем, так
и без него. Обычно такой летательный аппарат должен произвести
стыковку со спутником, чтобы передать груз, открыть люки, за-
менить электронные модули спутника и отстыковаться от него
после проверки системы. От этого аппарата требуется выполнять
такую работу по меньшей мере Юраз в два года. Он должен удер-
живать максимальное сжатие в течение 30 с, не допуская превыше-
ния температуры в 100° С. Время задержки в передаче сигналов
управления должно быть между 0,24 и 1,0 с. Исследования по-
казывают, что такие требования выполнимы.
Конструкция, опубликованная в конце 1969 г., содержала
две руки, по одной с каждой стороны телевизионной камеры.
Общая масса летательного аппарата, включая топливо, составляла
123
почти 450 кг; при этом номинальная мощность и пиковая мощ-
ность были соответственно 200 и 1000 Вт. Кроме того, на аппарате
могла устанавливаться камера крупного плана на полужестком
креплении. Подобные исследования приближают время, когда
мы будем готовы послать в космос настоящих роботов, которые
будут передавать нам информацию, но уже без непосредственного
управления каждым их движением.
Наличие задержек управления делает совершенно очевидной
необходимость создания именно такого полунезависимого робота,
который выполняет общие команды и не требует поэлементного
управления.
Для тех случаев, когда имеется задержка между действиями
человека-оператора и управляемого устройства, например при
нахождении последнего в космосе или на другой планете, была
предложена [681 грубая оценка времени Тс, необходимого для
выполнения задания:
Тс = 1,6Т0 + Т3/1,65,
где То — время, затрачиваемое при отсутствии задержки; Т3 —
время задержки.
Следовательно, при управлении с Земли манипулятором, на-
ходящимся на околоземной орбите, при задержке 0,75 с время
выполнения задания удваивается.
Представляется, что в дальнейшем «оператор» будет устанав-
ливать подзадачи для космического робота и не будет необходи-
мости в непосредственном управлении [71—74]. Шеридан и
Феррел исследовали эту проблему путем моделирования, исполь-
зуя копирующий манипулятор модели 8 фирмы AMF с при-
водом на шаговых двигателях и управлением от расширен-
ной ЭВМ PDP8. Человек устанавливает подцели и процедурные
ограничения, а остальную работу робот выполняет автоматиче-
ски, преодолевая таким образом трудности, связанные с задерж-
ками в передаче информации.
Мало освещенное в печати, но весьма значительное ро-
бототехническое «мастерство» продемонстрировала советская
«Луна-20», которая прилунилась, пробурила грунт и собрала
в сферическую капсулу образцы лунного грунта, а затем верну-
лась на Землю и приземлилась в буран в Казахстане — все это
совершенно без участия человека [95—1231.
7.9. ПОДВИЖНЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ [99, 100, 102]
Манипулятор в некотором смысле можно рассматривать просто
как современный вид универсального подъемного крана. Конечно,
некоторые виды экскаватора и подъемного крана также способны
к широкому классу действий, и граница между этими более ран-
ними устройствами и позже появившимися манипуляторами
весьма расплывчата.
124
Например, робот«Мэнмепт»фирмы GE фактически представляет
собой тоже кран, который может быть оснащен различными
видами захватывающих устройств, таких, как механические
зажимные губки или вакуумные чашки для подъема стекла.
Успех подобных машин фактически определяется высоким каче-
ством управления, поскольку оператор наделен тонким осяза-
нием и имеется обратная связь от исполнительной части к опе-
ратору. Преимущество таких машин главным образом заключа-
ется в уменьшении утомляемости оператора при выполнении
трудоемких операций.
Полезность создания такого манипулятора полностью под-
вижным также очевидна, если только может быть оправдано
главное препятствие — повышенная стоимость. Одно применение,
где стоимость, несомненно, может быть оправдана, — это обсле-
дование и ремонт ядерного реактора или подобной системы после
какого-либо происшествия. Устройство такого типа под назва-
нием «Битл» использовалось в Центре по разработке ракетных
ядерных двигателей в Неваде. «Битл» нес экипаж из двух человек
в массивной защищенной кабине и имел две руки по 5 м длиной.
Управление этим устройством оказалось слишком дорогим, и в бо-
лее поздних устройствах, как правило, предусматривалось ди-
станционное размещение оператора (или операторов) в безопас-
ной среде.
Манипулятором такого более позднего вида было «Подвижное
дистанционно управляемое манипуляционное устройство», или
MRMU. Он весил только 11 000 кг в сравнении с 80 000 кг
«Битла», управлялся по радио, а несколько телевизионных ка-
мер обеспечивали визуальную обратную связь. Основой тележки
для MRMU послужил переоборудованный армейский грузовой
гусеничный транспорт, который мог передвигаться со скоростью
50 км/ч, т. е. примерно в 4 раза быстрее, чем «Битл», поскольку
тяжелой защитной кабины «Битла» больше не требовалось.
Вариантом ограниченно свободного транспортного средства,
используемого для повседневных перевозок в радиоактивных
средах, является «Маленький бродяга» фирмы GM/PaR. Он
состоит из платформы площадью 1 м2, которая несет единствен-
ную руку и две стереокамеры, смонтированные на колонне в цен-
тре платформы. Последняя установлена на гусеничной тележке
и соединена со станцией операторского управления кабелем,
который определяет допустимое движение тележки.
«Подвижный робот», или «Мобот» [5], несет на себе аккуму-
ляторные источники питания, благодаря чему обладает большей
подвижностью, хотя для передачи сигналов команд все еще ис-
пользуется буксируемый кабель. Каждая из двух рук этого уст-
ройства наделена тремя суставами, способными к полному полу-
сферическому движению, благодаря чему достигается макси-
мум гибкости. Кроме этой особенности устройство дополнено
стрелой для камер, краном-укосиной и вилочным захватом.
125
«Мобот» смонтирован на трех колесах, причем единственное
заднее колесо используется для рулевого управления. Макси-
мальная скорость 5 км/ч; пневматические тормоза включаются
автоматически, когда «Мобот» останавливается. Скорости пере-
движения и движения руки управляются ножными дросселями,
в то время как основное управление осуществляется оператором
при помощи шарнирных переключающих рычагов. Команды
передаются по трехжильному кабелю, а для мультиплексной
передачи используются синхронные коммутаторы.
Ниже приведены некоторые ориентировочные технические дан-
ные «Мобота».
Максимальная грузоподъемность (в любом положении
руки), кг ........................................ 12
Регулируемое давление подушек «пальца», кПа . . О—100 ‘
Площадь поверхности «пальца», см2...................... 35
Максимальное усилие «пальца» (задействована полная ,, л
поверхность «пальца»), Н............................. 350
Сжорость смыкания «пальцев», см/с...................... 8,5
Кисть:
опрокидывающий момент при вращении, Н-м 45 и
частота вращения без нагрузки (вращение непре- 4
рывное), об/мин................................. 10
опрокидывающие усилие при выдвижении, Н 200
скорость телескопического выдвижения без на-
грузки, см/с.................................... 12
длина хода, см .................................... 9
Запястье:
момент, Н-м............................................. 55 '
максимальная частота вращения (полусфериче- У
ская зона действия), об/мин...................... 2 »
Локоть: ,<ф
момент, Н-м....................................... 165 *
максимальная частота вращения (полусфериче- А
ская зона действия), об/мин..................... 0,75 .у
Плечо:
момент, Н-м............................................ 330 у
максимальная частота вращения (полусфериче-
ская зона действия), об/мин................... 0,33
просвет в захвате руки ........................Отверстие
0 16 см
Сравнительно дешевый «Самоходный антропоморфный мани-
пулятор» или САМ [ЮЗ], представляет собой четырехколесную
дистанционно управляемую тележку с шарнирной «рукой», уста-
новленной: на полукруглой рельсовой колее. Манипулятор мо-
жет работать в зоне от уровня земли приблизительно до двух мет-
ров от земли. Руки манипулятора представляют собой протезы
с «Ранчо Лос Амигос», которые дистанционно управляются от
экзоскелетона, надетого на человека-оператора. На голове опе-
ратора укрепляется шлем, от которого управляется телевизион-
ная камера, установленная на манипуляторе. Команды управле-
ния поступают по коммерческой 64-канальной радиолинии
PCM-FM.
126
7.10. ПОДВИЖНЫЙ МАНИПУЛЯТОР «МАСКОТ» [7—11]
Некоторые из наиболее выдающихся результатов по подвиж-
ным манипуляторам были получены начиная с 1959 г. в Лабора-
тории сервомеханизмов национального комитета по ядерной энер-
гии (CNEN) в Касации (Италия) под руководством К- Манчини.
Эта работа будет описана здесь довольно подробно, поскольку она
дает прекрасный образец для будущих работ по автономным
роботам. Исследования, базировавшиеся на предшествующей ра-
боте Отдела дистанционного управления CNEN, ознаменовались
созданием подвижного манипулятора «Маскот», который сейчас
выпускается серийно фирмой «Селения» в Риме.
С самого начала «Маскот» проектировался на основе точного
инженерного расчета. Было установлено, что стоимость 1 см3
рабочей зоны для манипулятора механического типа составляет
около 1000 дол. Поскольку стоимость любого подвижного ро-
бота-манипулятора первоначально оценивалась приблизительно
в 50 000 дол., «Маскот» должен был обеспечить минимальную рабо-
чую зону объемом более 50 см3, обладать способностью к манипу-
лированию рабочим грузом массой в 23 кг, поднимать груз на
высоту 4 м и иметь «ловкость», сравнимую с той, которую дает
механический манипулятор.
Подвижное исполнительное устройство было смонтировано па
дистанционно управляемой тележке с электрогидравлическим
приводом и оснащено стереотелевизионной камерой. Каждая из
двух рук имела семь возможных движений: три поступательных,
три вращательных и седьмое—сжимающее.
Примечательная черта «Маскота» состоит в том, что для всех
семи движений каждой руки используется идентичное модульное
сервоуправление. Стабилизация следящих систем осуществляется
посредством обратной связи по скорости. Поскольку это пред-
ставляет интерес, приведем технические данные стандартизован- *
ной сервосистемы.
Максимальный вращающий момент, Н-м................... 20
Максимальная частота вращения, об/мин................ 70
Максимальный угол самосинхронизации, ...° ........... 900
Пусковой момент трения, Н-м.......................... 0,1
Ширина полосы пропускания, Гц ....................... 25
Упругая деформация, рад/Н-м......................... 0,002
Полный коэффициент демпфирования нагрузки .... >1 !
Двухфазный двигатель, используемый в сервосистеме, был
специально разработан и изготовлен. Его технические характе-
ристики следующие:
Частота питающего напряжения, Гц....................... 50
Пусковая мощность короткого замыкания на фазу, Вт 180
Максимальный момент, Н-м.............................. 0.5
Частота вращения без нагрузки, об/мин.............. 2 900
Пусковое ускорение, рад-с-2 ....................... 80 000
Момент трения, Н-м ................................. 0,001
127
Двигатель и управляющее устройство проектировались для
непрерывного режима работы при максимальном моменте, по-
этому для охлаждения двигателя при температуре окружающей
среды 25°С потребовался воздушный поток в 30 м3/мин. Был
установлен вентилятор, охлаждавший двигатель при нагревании
его свыше определенной температуры. Средняя температура дви-
гателя минимизируется за счет управления не одной, а обеими
обмотками одновременно, что способствует увеличению срока
службы двигателя. Максимальная выходная мощность по каж-
дому из каналов — 500 Вт.
В первом устройстве «Маскот» большое внимание было уделено
конструкции и используемым материалам. Например, исполь-
зовались управляющие кабели из нержавеющей стали, применя-
лись коррозионно-стойкий алюминий и антирадиационные смазки.
При работе конструкция сохраняла напряженное состояние,
несмотря на изменение взаимных положений нижних и верхних
частей руки благодаря использованию специальных кулачков.
Для обеспечения безопасности при отказах устройство было
наделено следующей особенностью: в случае неисправности все
движения автоматически блокировались выключением электро-
магнитного тормозного размыкающего устройства, в результате
чего пружина задействовала тормоз. На неисправность указывало
превышение основным управляющим напряжением на сельсине
установленной максимальной величины или уменьшение этого
напряжения до нуля.
Масса исполнительного блока 775 кг, габаритные размеры
125X110X170 см. Максимальная скорость движения схвата
75 см/с при пусковом трении 2,5 Н и упругой деформации
0,028 м/Н.
В результате проведенной работы было предложено повысить
скорость и «чувствительность» перемещения, уменьшить трение
в сервоприводе и стальные приводные тросы заменить лентами.
В первых образцах «Маскота» веса рук уравновешивались про-
тивовесами, но при этом увеличивалась инерционность системы.
В последующих образцах вес уравновешивался электрическими
моментами, создаваемыми в блоках сервопривода. Этот новый
подход обеспечивал и большую свободу при конструировании рук.
Трение и инерционность рук, в большой степени определяемые
блоками сервопривода, были уменьшены также благодаря введе-
нию обратной связи по моменту. Благодаря перечисленным из-
менениям оператор стал лучше «ощущать» систему как в динамике,
так ив статике.
В то же время было уменьшено необходимое число проводов
между задающим и исполнительным блоками, что позволило
увеличить гибкость движения последнего. Кроме того, были
уменьшены размеры сервоприводов и, следовательно, самих рук.
При этом появилось дополнительное преимущество, заключав-
шееся в увеличении универсальности системы, поскольку теперь
128
могло быть обеспечено выполнение более широкого круга работ
с помощью устройства меньших размеров.
В более поздних устройствах использовались высокоэффектив-
ные усилители мощности переключающего типа с естественным
охлаждением. Одна из целей применения подобных видов уси-
лителей мощности состоит в уменьшении габаритов управляющих
усилителей мощности до такой степени, чтобы их можно было
не располагать дистанционно, а устанавливать непосредственно
на «тело» робота. Поскольку теперь к роботу должны подводиться
только маломощные управляющие сигналы, можно использовать
подводящий кабель меньшего сечения и более легкий, а в конеч-
ном счете ориентироваться на использование максимальной гиб-
кости радиоуправления.
В дальнейшем работа над «Маскотом» была продолжена 112,
13]. Однако мы не будем пытаться привести здесь исчерпывающее
описание технических приемов, примененных в «Маскоте». Под-
робное описание дается в публикациях итальянских исследова-
телей, которые, без сомнения, приложили максимум усилий, чтобы
эта информация была доступна широкому кругу специалистов.
В дальнейшей работе над «Маскотом» по соображениям, ко-
торые приведены ниже, использовался двухфазный серводвигатель.
1. Двигатель прочный и требует небольшого (или вовсе не
требует) технического обслуживания.
2. У двигателя большое отношение максимального выходного
момента к моменту трения, что обусловливает высокую чувстви-
тельность системы.
3. Двигатель плавно вращается благодаря постоянству мо-
мента на полном обороте вала двигателя.
Вместо одного увеличенного двигателя для привода исполь-
зуются четыре сопряженных двигателя, что позволяет создать
компактное устройство с уменьшенным полным моментом инер-
ции, увеличенной поверхностью для рассеивания тепла и большей
величиной перегрузочной способности. Двигатель питается от
источника напряжения 115 В с частотой 60 Гц. Другие характе-
ристики стандартного двигателя следующие:
Максимальная управляющая фазовая мощность, Вт . . .33
Пусковой момент, Н-м ............................... 0,1
Частота вращения без нагрузки, об/мин................. 3 500
Пусковое ускорение, рад-с-2 ......................... 34 500
Выходная мощность, Вт............................... 10
Максимальное напряжение на управляющей обмотке 150 В,
хотя обычно она работает при напряжении 100 В и переключа-
ется на 150 В, когда требуется максимальный момент. Максималь-
ная мощность рассеяния при полном напряжении составляет
70 Вт и падает до 25 Вт в состоянии покоя. Максимальный момент
на выходе сервопривода исполнительной части, равный 20 Н-м,
5 Дж. ф. янг 129
может поддерживаться в течение 15 мин при температуре окру-
жающей среды 20° С.
Измерение положения осуществляется за счет изменения фазы
сигнала (400 Гц) линейного сельсина, работающего в диапазоне
углов ---60°. Сельсин питается током частотой 2 кГц; этот же
источник используется для питания двухфазных тахогенераторов,
вырабатывающих сигналы скорости. Благодаря использованию
новой схемы общее число проводов между задающей и исполни-
тельной частями уменьшилось по сравнению с более ранним
«Маскотом» с 55 до 33. Испытания с пленочными потенциомет-
рами для измерения положения не дали положительных ре-
зультатов.
Приводные двигатели располагаются непосредственно на ре-
дукторе. Редукционное отношение между валами двигателей и
выходным валом 38: 1, между выходным валом и линейным сель-
сином — 10 : 1. Момент трения при пуске составляет 0,03 Нм.
Внешний диаметр редуктора немногим более 12 см.
Характеристики сервоусилителя уже были приведены на
стр. 127. Упомянем особо о применении усилителя мощности с раз-
делением времени, позволившего получить миниатюрное и про-
стое устройство с малыми потерями и охлаждением за счет
естественной конвекции. Преимущества такого решения предста-
вляются многообещающими для возможного использования в уси-
лителе мощности, установленном на подвижном устройстве, упра-
вляемом по радиоканалу разделенными во времени импульсами.
В настоящее время используется кабель длиной до 300 м.
Исследовательская работа над «Маскотом» привела к его се-
рийному производству фирмой «Селения» в Риме. В серийном
образце существенно то, что робот создан фактическим саморемон-
тирующимся, так как одна рука манипулятора может ремонти-
ровать другую. В нем предусмотрены также две различные меры
для обеспечения безопасности в случае неисправности. Во-пер-
вых, при отключении питания руки и кисти запираются в послед-
нем положении. Во-вторых, при незначительной неисправности,
например отказе системы охлаждения, оператор уведомляется
за 90 с до автоматического выключения и может завершить задание
или выполнить обходной маневр. Для уменьшения утомления
оператора коэффициенты обратной связи регулируются; если
это необходимо, оператор, сосредоточенный на действии одной
из рук ма'нипулятора, может блокировать контур управления
другой руки при помощи ножного управления.
Научно-исследовательская работа, приведшая к успешному
серийному производству роботов-манипуляторов «Маскот», бе-
зусловно, заслуживает самой высокой оценки не только за выда-
ющиеся инженерные достижения, но и за бескорыстие исследо-
вателей: полученные результаты непрерывно публиковались,
а возникающие трудности, так же как и успехи, совершенно
открыто обсуждались.
130
Пожалуй, высшую заслуженную похвалу этому конечному
результату выразил Баллингер. По его словам, машина настолько
впечатляет своим человекоподобием, что возникает желание от-
давать приказания непосредственно ей, а не оператору [6].
И если надежды на будущее оправдаются, то это почти наверняка
станет возможным.
7.11. УПРАВЛЕНИЕ БЛИЖНИМ ПОЛЕМ [49]
В некоторых случаях, когда робототехническое устройство
должно управляться человеком, робот соединяется проводами
с пультом управления. Это ограничивает подвижность робота
и оператора, а кроме того, заставляет принимать меры против
спутывания управляющего кабеля. В некоторых случаях при-
ходится опускать управляющий кабель к роботу сверху.
При использовании для управления радиоканала можно
обеспечить большую подвижность и робота, и оператора. Типич-
ным случаем, с которым автор столкнулся несколько лет назад,
было радиоуправление вагонеткой канатной дороги на длинном
пути, уходящем в море и предназначенном для буровых работ.
Радиоуправление осуществлялось на частоте порядка 60 МГц.
В том случае, когда робототехническое устройство должно
управляться или поддерживать связь, находясь в космосе, без-
условно, нет другого пути, кроме использования радиосвязи.
Проблема задержки в управлении, возникающая при этом спо-
собе, уже обсуждалась ранее.
Существует большой круг проблем, связанных с управлением
и связью на максимальных расстояниях порядка 100 м при тре-
бовании полной свободы передвижения и робота, и человека
(или второго робота). Радиосвязь привносит проблемы отыскания
полосы спектра и исключения влияния помех. Связь при помощи
световых волн не всегда легко осуществима из-за жесткой на-
правленности. Возможна также ультразвуковая связь, которая,
однако, не имеет широкого применения, за исключением ограни-
ченного использования для дистанционного управления подъем-
ным краном.
В одной из систем — «Телемотив», в которой решены многие
из проблем, связанных с управлением и связью на расстояниях
до 100 м, используются эффекты индукции ближнего поля на
средних частотах порядка нескольких сотен килогерц. Индук-
ционное поле быстро ослабевает с увеличением расстояния от излу-
чающей антенны — приблизительно обратно пропорционально
кубу этого расстояния. Эффект проявляется на расстояниях от
источника приблизительно до 1/10 длины волны. Следовательно,
система, построенная на действии индукционного поля, в прин-
ципе представляется идеальной для рассматриваемого случая.
В системе используются частоты в диапазоне 250—400 кГц при
мощности излучения 60 мВт и чувствительности приемника около
5* . 131
0,05 мВ. Такая система позволяет получить дальность действия
до 60 м, и для ее увеличения можно использовать ретрансляторы.
В процессе проверки для получения разрешения от Почтового
ведомства обнаружилось, что такая система невосприимчива
к высокочастотным помехам. Можно создать надежную конструк-
цию, которая легко и быстро ремонтируется необученным пер-
соналом, даже если переносной передатчик оператора мал и ле-
гок. Управляющие каналы разнесены по частоте на 125 Гц в пре-
делах полной полосы частот 4 кГц, и пользователь может иметь,
скажем, 20 систем, работающих в одном и том же цехе за счет
использования различных несущих частот и разделения их ин-
тервалами для исключения взаимных помех. В некоторых слу-
чаях два разных оператора могут на различных частотах управ-
лять одним объектом по принципу «первым пришел — первым
обслужен». Система ближнего поля сейчас широко используются
для различных целей.
7.12. МАШИНЫ «РИВЕТ» [14—16, 101]
Для обозначения дистанционно управляемых устройств иногда
применяют термин «телехирик». Слово заимствовано из греческого
языка и означает «отдаленная рука». Машина, сконструированная
в Харвэле, известна под названием «Ривет» (Rivet—Remote
Inspection Vehicle, Telechiric). При движении это устройство,
оборудованное антенной, которая связана с телевизионной ка-
мерой и выдвигается, когда это необходимо, напоминает очерта-
ниями ползущего человека. Рука с радиусом действия около
150 см способна поднимать грузы массой до 35 кг. В процессе
движения машина может преодолевать препятствия высотой
в один ее шаг, что составляет половину ширины колеи тележки,
т. е. в четыре раза превосходит высоту препятствия, преодолеваемого
гусеничным транспортным средством. Тележка обладает высокой
маневренностью и способна взбираться по ступенькам, идущим
под углом 45°, а также поворачивать в коридоре шириной 1,2 м.
По описанию Баллингера [61, «Ривет» может войти в контору,
пройти под письменным столом и затем взобраться на него. Тринг
демонстрировал различные универсальные ползающие машины,
и некоторые из них могли взбираться по ступенькам.
7.13. ПОДВИЖНЫЕ МАШИНЫ,
УПРАВЛЯЕМЫЕ БОЛЬШОЙ ЭВМ [2, 3, 19, 22, 37]
Ряд факультетов в различных университетах мира получил
солидную финансовую поддержку, которая позволила вести ра-
боту по управлению полностью подвижной машиной от большой
цифровой ЭВМ.
Такие исследования проводились в М. I. Т. [33] под руковод-
ством Минского и Паперта, в Стэнфордском университете под
132
руководством Маккарти [20, 35, 36 ] и в Эдинбурге под руковод-
ством Мичи [4, 32, 65, 107, 124].
В M.I.T. весьма сложная суставная искусственная рука и
кисть [33] управлялись ЭВМ PDP6, получающей информацию
от телевизионной камеры. Кисть этой руки могла захватить и
поднять кубики разных размеров, а затем собрать из них вполне
определенную фигуру на заданной площади. Фигуры можно
собирать в заданной последовательности.
Имея дело с такими сложными сборочными операциями, трудно
выбрать задание, которое было бы не слишком трудным и не
слишком простым. В Стэнфорде использовалась полностью под-
вижная машина, смонтированная на управляемой тележке. В на-
чале работы не стремились встроить ЭВМ в подвижное устройство,
поэтому мощный кабель подводился к ЭВМ сверху. Тележка
приводилась в движение двумя шаговыми двигателями с незави-
симыми приводами к ведущим колесам на каждой стороне тележки.
Телевизионная камера, установленная на тележке, также приводи-
лась в движение шаговым двигателем. На первом этапе работы
стэнфордская тележка не оснащалась рукой, но могла толкать
объекты вдоль пути движения. На тележке устанавливался оп-
тический дальномер, снабжавший ЭВМ дополнительной инфор-
мацией по кабелю. В дальнейшем было решено заменить кабель-
ные линии связи радиоканалами. Для управления использовалась
большая ЭВМ, работающая в режиме с разделением времени.
Обнаружение контура изображения в электронной системе,
связанной с телевизионной камерой, а также процессы дифферен-
цирования, сегментирования изображения и реконструкции сег-
ментов использовались в ЭВМ для построения эквивалентного
линейного контурного рисунка осматриваемого объекта. Управле-
ние движением тележки производилось прямым отсчетом коорди-
нат от исходного положения, хотя этот способ ведет к ошибкам,
связанным с проскальзыванием и неровностями поверхности.
В недавней работе над устройством «Фредди» на отделении
машинного интеллекта Эдинбургского университета для искус-
ственного зрения использовалась телевизионная камера на види-
коне. Большая двухпалая рука управлялась ЭВМ по сигналам
от телевизионной камеры. Эта работа была направлена главным
образом на создание программного обеспечения для интегральной
«познающей» системы, т. е. системы, которая может строить
абстрактные модели внешнего мира и манипулировать ими [124,
Робот «Хивип» фирмы «Хитачи». Японский робот-рука
«Хивип МК1» фирмы «Хитачи» представляет собой сборочное
устройство, которое осматривает ортогональную проекцию объ-
екта сборки и составляющие его части, затем устанавливает
последовательность сборки и управляет семистепенным манипу-
лятором в процессе сборки. Эта работа фирмы «Хитачи» описана
Июри и др. [50, 105, 106]. В отличие от первых промышленных
133
роботов, для которых требовалось подробное программирование
точной последовательности всех движений робота, инструкции
для «Хивипа» задаются всего лишь в виде чертежа объекта сборки
в трех проекциях аналогично тому, как это делается при выпол-
нении сборки человеком.
Робот объединяет три подсистемы: «глаз», «мозг» и «рука».
Одна из телевизионных камер на видиконе осматривает чертеж
сборки, в то время как другая осматривает стол и определяет
местоположение группы деталей, ожидающих сборки и произ-
вольно расположенных на столе.
Каждое телевизионное изображение разбивается на 76 800
элементов: 240 по вертикали и 320 по горизонтали, и световой
поток, отраженный от каждого из этих элементов, кодируется
в аналого-цифровом преобразователе пятиразрядным кодом (32
уровня кодирования).
Вычисления, необходимые для управления движениями руки,
осуществляются управляющей ЭВМ «Хитак-7250», которая имеет
память на сердечниках объемом 32 768 16-разрядных слов и тре-
бует 2 мкс на цикл и 4,5 мкс на операцию сложения. ЭВМ обра-
батывает информацию о сцене, осматриваемой объективами ка-
мер, до тех пор, пока не останется только одно требуемое изоб-
ражение. Оставшаяся после обработки изображения информация
«прореживается» в три шага: сначала каждый четвертый элемент
изображения, затем каждый второй и вслед за этим отдельные
элементы изображения вводятся в ЭВМ, которая сама выбирает
соответствующий уровень для получения двухуровневого черно-
белого изображения и может также дифференцировать изображе-
ния для выделения контуров объектов.
Семистепенная шарнирная рука робота «Хивип» с параллель-
ными захватывающими губками управляется одновременно семью
независимыми сервосистемами, в каждой из которых используются
сельсин, разлагающий сигнал на составляющие для определения
положения, и серводвигатель постоянного тока с тиристорным
управлением.
Выданный роботу чертеж трех проекций сканируется телеви-
зионной камерой и используется для получения в ЭВМ списка
точек, линий и контуров. Исходя из этого перечня определяется
трехмерная конфигурация объекта сборки, причем обычные про-
блемы, связанные с невидимыми линиями, исключаются в ЭВМ
программным путем. Затем структура объекта сборки вычисля-
ется программой и разбивается на подмножества составляющих
ее частей, необходимых для сборки.
Отдельные детали, находящиеся на столе, обнаруживаются
при сканировании телевизионной камерой, и эта информация,
закодированная пятью битами, поступает в ЭВМ. Цвет объектов
в описываемой работе не рассматривался. ЭВМ определяет и запо-
минает положение каждого из объектов на столе и выбирает де-
тали, необходимые для требуемого процесса сборки. Последова-
134
дельность сборки вычисляется как процесс, обратный такому про-
цессу разборки, который потребует минимального количества
сборочных движений. Затем выбираются две параллельные по-
верхности на объекте, удобные для захвата пальцами робота.
В ЭВМ вычисляются необходимые для сборки траектории и дви-
жения кисти, а также углы в каждом из сочленений, после чего
семь движений одновременно и независимо управляются ЭВМ
и таким образом реализуется движение по непрерывной траек-
тории.
Программное обеспечение для этого робота составляет более
400 000 слов; программа хранится на магнитном барабане ем-
костью 512 000 слов. Для программирования использовался
язык Фортран. На обработку изображения затрачивалось до
240 с: 20 с шло на чтение чертежа, 50 с — на распознавание каж-
дого объекта, 10 с — на принятие решение и в среднем 180 с —
на движения руки при сборке. Полагают, что для подобных целей
необходимы новые более быстродействующие процессоры, в ко-
торых будет применяться распараллеливание операций.
Стэнфордский проект [53, 112—115, 126]. В проекте по искус-
ственному интеллекту Стэнфордского университета механическая
рука использовалась для складывания кубиков, местонахождение
которых определялось программой прослеживания контура. В пер-
вых экспериментах [51, 52, 54] программа обнаруживала и выде-
ляла только контуры хорошо освещенных белых кубиков, лежа-
щих на черном столе; однако исследование последнего времени
было посвящено обнаружению контура в условиях, к которым
предъявлялись менее жесткие требования.
Сканирующая телевизионная трубка видикон дает множество
из 333x256 отсчетов яркости изображения 60 раз в секунду.
Яркость каждого отсчета кодируется четырьмя битами информа-
ции (16 уровней яркости). Для получения оптимальных результа-
тов эффективная ширина этого окна в 16 уровней квантования яр-
кости регулируется за 1 мкс путем варьирования динамического
диапазона и разрешающей способности. Для получения макси-
мальной разрешающей способности 16 уровней квантования укла-
дываются в пределах 1/8 В при полном рабочем диапазоне видео-
усилителя 1 В, в то время как для получения максимального ди-
намического диапазона 16 уровней развернуты на весь диапазон
в 1 В.
Получаемая таким образом эффективная разрешающая спо-
собность возрастает и становится эквивалентной 128 уровням
(семь бит). Информация вводится в машину через высокоскорост-
ной цифровой канал с пропускной способностью 24 млн. бит/с.
ЭВМ PDP6 управляет наклоном и поворотом передающей теле-
визионной камеры, фокусным расстоянием линз объективов, по-
воротом объективов турели, цветными светофильтрами, фокусиров-
кой и потенциалом мишени видикона. Ирисовая диафрагма в на-
стоящее время устанавливается вручную. На диске, помещенном
135
между турелью и видиконом, установлены три цветных фильтра
и один нейтральный, выбираемые за 0,2 с.
Программа ЭВМ выбирает одно из 64 значений потенциала ми-
шени в диапазоне от 0 до 50 В, правда, для стабилизации изобра-
жения после изменения потенциала мишени требуется около 10
телевизионных кадров. Не допускается превышение этим потен-
циалом величины, создающей максимально допустимую величину
среднего тока сигнала.
В первых экспериментах в Стэнфорде нужно было настраивать
камеру вручную, чтобы выделить те детали сцены, которые необ-
ходимы для выполнения конкретного задания, и, кроме того, про-
грамма прослеживания контура могла оперировать только про-
стыми замкнутыми контурами. Для обнаружения контуров исполь-
зовался простой градиентный оператор размером 3 X 3. В даль-
нейшей работе использовался локальный оператор, описанный
Хукелем [55], который охватывает от 32 до 177 точек растра.
Этот оператор может обнаруживать малоконтрастные изображения
в значительной области, несмотря на наличие шумов. Нет необ-
ходимости, чтобы все контуры прослеживались за один раз, по-
скольку программа предусматривает соединение конечных точек
линий всякий раз, когда достигается ранее встречавшаяся точка.
Постепенно, при помощи различных надежных процедур, соста-
вляющих программу, в памяти ЭВМ выстраивается законченная
картина контуров сканируемых объектов.
Эта процедура в том виде, в каком она описана Пинглом и Те-
ненбаумом [56], действительно имеет преимущество перед некото-
рыми ранее применявшимися методами, состоящее в том, что
благодаря обратной связи процесс сканирования изображения
адаптируется к недостаткам рассматриваемой сцены, в результате
чего возможно получение оптимальных результатов. Фальк опи-
сал методы получения информации от неполных контурных рисун-
ков объектов [57, 125].
Опубликован ряд статей, описывающих программы, языки
программирования и системы разделения времени, используемые
в Стэнфорде [51—54, 58].
В некоторых экспериментах в Стэнфорде использовалась меха-
ническая рука, которая представляет собой протез, изготовленный
в госпитале «Ранчо Лос Амигос» под Лос-Анджелесом [59, 64].
В каждом из шести суставов этой руки установлен потенциометр
для создания позиционной обратной связи; скорость движения
руки управлялась изменением ширины управляющих импульсов.
Кисть руки выполнена в виде захвата с двумя параллельно рас-
положенными пальцами. Для целей управления ЦВМ PDP6
и PDP10 были объединены в комплекс, имеющий магнитную па-
мять в 128 000 бит и систему разделения времени для PDP10.
Для программирования использовался алголоподобный язык
SAIL. Демонстрация этой системы показала, что она может сло-
жить четыре кубика с разноцветно окрашенными гранями в башню,
136
причем каждая сторона башни будет окрашена в четыре разных
цвета.
Стэнфордский робот программировался таким образом, что
мог установить наклонную плоскость, по которой затем вкаты-
вался на платформу, чтобы забрать коробку, лежащую на этой
приподнятой платформе [75]. Роботу требовалось около 30 мин
на выполнение задания, из них 20 мин затрачивалось на вычисле-
ния в ЭВМ SDS940 с разделением времени и 10 мин на выполнение
необходимых физических движений. Следует отметить, что по-
требовалось около года кропотливой подготовительной работы,
прежде чем ЭВМ смогла выполнить такое задание.
Последние достижения в Стэнфорде производят глубокое впе-
чатление, но нужно помнить, что они потребовали огромной ем-
кости машинной памяти. Тем не менее исследования подобного
рода дают направление будущим работам не только по линии упро-
щения процедур и программ и усовершенствования методов зри-
тельного обнаружения объектов, но также и по созданию мето-
дов использования параллельной обработки информации для ее
ускорения и одновременного выполнения нескольких операций.
7.14. НОГИ, КОЛЕСА ИЛИ ГУСЕНИЦЫ?
Колесо не встречается нигде у животных, что, возможно, свя-
зано с трудностями в кровоснабжении и передаче нервных импульс-
сов к вращающемуся суставу; у животных используются только
обычные биологические механизмы. Для робота такого ограниче-
ния не существует, поэтому он имеет преимущество, ибо может
использовать колеса в качестве источника движения.
Если предполагается использовать колеса, то нужно решить,
сколько колес выбирать, как они будут приводиться в движение,
как будет регулироваться скорость, будут ли колеса приводиться
в движение реверсивным приводом, какой вид торможения будет
использоваться, какой вид амортизации и шины наиболее под-
ходят. Все эти подробности необходимо определить по отношению
к отдельному классу намечаемых применений, и с экономической
точки зрения этот класс потенциальных применений должен быть
как можно шире.
Подвижный робот должен обладать максимальной маневрен-
ностью в малом пространстве и способностью к развороту по
окружности малого радиуса. С этой точки зрения было бы жела-
тельно снабдить робот тремя колесами с независимым управлением.
Тем не менее такая сложность управления вряд ли достижима
в малогабаритном подвижном роботе.
Гусеничные шасси, имеющие преимущества при использовании
их в роботе, были бы нежелательны для применения в домашнем
роботе, если не приняты специальные меры для предотвращения
повреждения пола во время поворотов. Тем не менее, некоторые
виды гусениц позволяют роботу преодолевать перпятствия, кото-
137
рые остановили бы колесный робот. Например, гусеничный робот
способен взбираться по ступенькам, и устройство, построенное на
этом принципе, было предложено использовать в домашней ин-
валидной коляске. Гусеничные роботы, хорошо передвигающиеся
по пересеченной местности, могут использоваться при исследова-
нии планет. Однако здесь серьезным препятствием становится
масса робота, поэтому был предложен иной вариант — исполь-
зовать очень легкие и упругие колеса большого диаметра с очень
упругими спицами. Шина, предложенная для этого варианта колеса
[48], сконструирована из сетки рояльных струн диаметром 0,85 мм,
уложенных с интервалом 5 мм. В общей сложности 800 жил, ка-
ждая по 80 см длиной, сплетены, сформованы вручную и закреп-
лены на вращающихся алюминиевых дисках. Протектор шины
сделан из титановых полос, расположенных елочкой для повыше-
ния износостойкости, а внутри сетчатой шины вмонтированы амор-
тизирующие кольца, чтобы ограничить прогиб, когда шина наез-
жает на неровности.
Пенев рассмотрел возможность обучения робота езде не вело-
сипеде [116].
Большинство будущих роботов будет работать в той же самой
среде, что и человек. Эта среда приспособлена для передвижения
на двух ногах прямохождением, с отрывом от земли одной ноги
на каждом шаге. К сожалению, этот вид движения в самой своей
основе неустойчив, и если потребовать от робота, чтобы он ходил
подобно человеку, его придется учить ходить, как учат ребенка.
Поэтому ходящие роботы в прошлом обычно были просто разно-
видностью колесной тележки с колесами на каждой ступне. Ни-
какого отрыва ноги от земли. В таком подходе нет особых преиму-
ществ по сравнению с простым использованием колес без шагания.
Тем не менее Тринг предложил робот с единственной шагающей
ногой, которая дает устойчивую опору при помощи взаимного
сцепления двух агрегатов, каждый из которых содержит два
стержня [118]. Они в принципе подобны опорам, используемым
для шагающего экскаватора. Каждая из двух ног-стержпей слу-
жит опорой для робота, пока другая продвигается вперед.
Другой путь решения проблемы сохранения равновесия —
использование более чем двух ног. Например, три ноги могут обес-
печить статическое равновесие, хотя они мало что дают для со-
хранения равновесия при движении, если только не используется
специальная форма ступней, сконструированных так, что при всех
положениях вертикаль, проходящая через общий центр тяжести,
попадает в треугольник опоры.
Четыре ноги делают возможным продвижение за счет исполь-
зования одной из ног, в то время как три другие обеспечивают рав-
новесие. Вообще, чем больше ног используется, тем легче разре- *
шаегся проблема сохранения равновесия при движении. Этот
метод был использован в шагающем экскаваторе. Однако по мере
увеличения числа ног уменьшается их преимущество перед ко-
138
лесами в отношении преодоления препятствий и подъема по сту-
пенькам.
Если количество ног таково, что некоторые из них избыточны,
удобно предусмотреть втягивание любой ноги в случае выхода ее
из строя, чтобы не ограничивались возможности передвижения.
На пути достижения подвижности кажется маловероятным, что
робот будет копировать человека. В частности, у ступней человека
не очень удачная форма для сохранения равновесия в условиях
Земли.
Таким образом, все виды передвижений: на ногах, колесах
или гусеничных шасси и даже с использованием принципа воздуш-
ной подушки — имеют недостатки, поэтому тому или иному спо-
собу должно отдаваться предпочтение в зависимости от основного
назначения робота.
7.15. ЛУНОХОД
Интересно сравнить некоторые приблизительно известные ха-
рактеристики весьма удачного советского подвижного лунного
робота — «Лунохода-1» с приблизительно известными характери-
стиками американской автоматической тележки «Лунный ски-
талец» [60, 61]. «Лунный» скиталец» «Луноход-1»
Масса, кг 210 750
Грузоподъемность, кг . . . . 450
Длина, см 310 220
Ширина, см 205 214
Высота, см 115 138
Емкость, м3 2,3 6,5
Количество колес 4 8
Диаметр колес, см 80 50
Двигатели системы управления 75 Вт Скользящего типа
Приводные двигатели . . . . 185 Вт Отдельный двигатель на каждое колесо
Ширина колеи, см Колесная база, см 180 160
230 170
Количество рейсов 3 Периодический режим работы
Дальность действия, км . . . 36 8
Продолжительность работы . . 12,5 ч 9 лунных дней
Источники энергии Два Ag-Zn аккумулятора (36 В, ’121 А-ч) Солнечная батарея плюс аккумуляторы; атомная батарея
Восемь колес «Лунохода-1» смонтированы попарно, с незави-
симой амортизацией и индивидуальным двухскоростным двига-
телем. В груз «Лунного скитальца» входят следующие слагаемые:
180 кг — люди, 60 кг — научная аппаратура, 30 кг — образцы.
1.39
Список литературы
1. Marriott J., Robotugs Are on the March, Electron. Wkly, October 6,
7 (1965).
2. Rosen C. A., Machines that Act Intelligently, Sci., J., 4, October,
109 (1968).
3. Maguire H. T. and Arnold W,, Intelligent Robots-. Slow Learners, Elec-
tronics, 40, May, 1, 117 (1967).
4. Anon., Gripping Thoughts of Robot Freddy, Eng. Now, November 27,
8 (1970).
5. Clark J. W., The Mobot Mark 3 Remote Handling System,
Proc. 9th Conf. Hot Labs Equipt, November, 1961 (A.N.S.), 111.
6. Ballinger H. A., Machines with Arms, Sci. J., 4, October, 59 (1968).
7. Barabaschi S. et al., An Electronically Controlled Servoroanipulator,
Proc. 9th Conf. Hot Labs Equipt, November, 1961 (A.N.S.), 143.
8. Mancini C. and Roncaglia F., The Electronic Servomanipulator Mas-
cot 1 of C.N.E.N., Alta Freq., 32, 379 (1963).
9. Goertz R. C., Fundamentals of General Purpose Remote Manipulators,
Nucleonics, 10, November, 36 (1952).
10. Ferguson K. R. et al., Remote Handling of Radioactive Materials, in:
McLain S. and Martens S. H. (eds.), Reactor Handbook, 2nd edn, Vol. 4, Ch. 14,
463, Interscience (1964).
11. Goertz R. et al., Preliminary Report on the ANL Mark E4A Master-
Slave Manipulator, Proc. 14th Conf. Remote Systems Technol., 1966 (ANS).
12. Galbiati L. et al., A Compact and Flexible Servo-System for Master-
Slave Electric Manipulators, Proc., 12th Conf. Remote Systems Technol., Novem-
ber, 1964 (ANS), 73.
13. Potts C. W. et al., Transistorised Servosystem for Master-Slave Elec-
tric Manipulators, Proc. 9th Conf. Hot Labs Equipt, November, 1961 (ANS).
14. Ballinger H. A., Telechiric Devices and Systems, in: Ministry of Tech-
nology Conference on Sea and Seabed Technology, H.M.S.O. (1967).
15. Laymen D. C and Thornton, G., Remote Handling of Mobile Nuclear
Systems, U.S. A.E.C. Div. of Tech. Inf., Book ref. TID 21219 (1966).
16. Homer G. M., Mobile Manipulator Systems, Proc. 14th Conf. Remote
Systems Technol., 1966 (ANS).
17. Anon., A Radio Controlled Tractor, Electron. Eng., 38, July, 457 (1966).
18. Anon., An Automatically Controlled Farm Tractor, Electron. Eng., 31,
January, 43 (1959).
19. Sutro L. L. and McCulloch W. S., Steps toward the Automatic Recog-
nition of Unknown Objects, Proc. IEE/NPL Conf. Pattern Recog., 1968.
20. Feldman J. G. et al., The Stanford Hand-Eye Project, Proc. Int. Joint
Conf. Artificial Intellingence, New York, 1969 (ACM), 509.
21. Helps F. G., Driverless Tractor for Materials Handling, J. Br. IRE,
25, March, 273 (1963).
22. Sutro L. L. and Kilmer W. L., Assembly of Computers to Command
and Control a Robot, A.F.I.P.S. Conf. Proc., 34, Spring, 113 (1969).
23. Keckler W. G. and Larson R. E., Control of a Robot in a Partially Unk-
nown Environment, Automatica, 6, 469 (1970).
24. Gordon D. A., Experimental Isolation of Driver’s Visual Input, Publ.
Rds, Wash., 33, 266 (1966).
25. Gordon D. A., Perceptual Basis of Vehicular Guidance, Publ. Rds, Wash.,
34, 53 (1966).
26. Biggs L., Directional Guidance of Motor Vehicles, Ergonomics, 9, Mav,
193 (1966).
27. Weit D. H. and McRuer D. T., Dynamics of Driver Vehicle Steering
Control, Automatica, 6, 87 (1970).
28. Penoyre S., A Robot in the Driver’s Seat, New Scient., 50, May 13,
371 (1971).
29. Hender B. S. Recent Developments in Battery Electric Vehicles, Proc.
IEE, 112, December, 2297 (1965).
140
30. Byrne J. V. and Lacy J. G., Compatible Controller-Motor System for
Battery-Electric Vehicle, Proc. IEE, 117. February, 369 (1970).
31. Eadie R. J., Electronic Speed Control for DC Motors, Electron. Eng.,
40, January, 10 (1968).
32. Barrow H. G. and Salter S. H. Design of Low-Cost Equipment for Cog-
nitive Robot Research, Mach. Intell., 5, 555 (1969).
33. Ernst H. A., MH 1, A Computer Operated Mechanical Hand, A.F.I.P.S.
Conf. Proc., 21, 39 (1962).
34. Culter С. C., Man, A Subsystem? IEEE Spectrum, 4, August, 69 (1967).
35. Nilsson N. J., A Mobile Automation, Proc. Int. Joint Conf. Artifi-
cial Intelligence, New York, 1969 (A.C.M.), 509.
36. Nilsson N. J. and Raphael B., Preliminary Design of an Intelligent
Robot, in: Tou J. T. (ed.), Computer and Information Sciences, Vol. 2, 235, Aca-
demic, New York (1967).
37. Khol R., The Electric Brain, Mach. Des., 71, May 29, 102 (1969).
38. Kao H. S. R., A Feedback Analysis of Eye Head Angular Displacements
in Human Vehicular Guidance, Proc. Int. Symp. Man—Machine Systems, Sep-
tember, 1969, Vol. 2.
39. Pout H. W., The Evolution of Guided Weapons, Aeronaut. J., 73,
547 (1969).
40. Augustine N. R. and Yates R. M., The Evolution of the US Tactical Mis-
sile Program, Aeronaut. J., 74, 957 (1970).
41. Harris G. O. and Perkins D. J., A Light-Operated Gradient Controller
for Agricultural Drain Laying Machines, Electron. Eng., 37, June, 364 (1965).
42. Cox S. W. R., Automatic Control of Static and Field Equipment, IEE
Colloquium on Automation in Farming, January, 1969, 1/1.
43. Brooke D. W. I., Off-the-Wire Guidance for Leader Cable Vehicles,
IEE Colloquium on Automation in Farming, January, 1969, 8/1.
44. Owen V. M., Automation in the Field, IEE Colloquium on Automation
in Farming, January, 1969, 2/1.
45. Warner M. G. R., Automatic Control for the Driverless Operation of
Farm Tractors, IEE Colloquium on Automation in Farming, January, 1969, 4/1.
46. Owen V. M., Livestock Environment Control, IEE Colloquium on Auto-
mation in Farming, January, 1969, 6/1.
47. Warner M. G. R., The Automation of Agricultural Field Work, Proc.
Istn Meeh. Engrs, 179, pt 3H, 295 (1965) (Instn Meeh. Engrs/U.K- Automation
Council).
48. Anon., Wire Mesh Wheel Mimics Pneumatic Type, New Scient, 50, June 3,
574 (1971).
49. Rowley W. P. and Hannaford D. E., Controlled Range «Wireless» Ope-
ration of Mechanical Handling Machines, Proc. Joint Conf. Electron, Control Meeh.
Handl., Nottingham, July 1971 (IERE), 145.
50. Masakasu Ejiri et al., An Intelligent Robot with Cognition and Deci-
sion-Making Ability, Proc. 2nd Int. Joint. Conf. Artificial Intelligence, London,
September, 1971 (Br. Computer Soc.), 350.
51. Pingle К- K., Singer J. A. and Wichman W. M., Computer Control of a
Mechanical Arm Using Visual Input, Proc. I.F.I.P.S., 1563, North-Holland (1968).
52. McCarthy J. et al., A Computer with Hands, Eyes and Ears, Proc. Fall
Joint Computer Conf., 33, 329 (1968).
53. Tenenbaum J. M. et al., A Laboratory for Hand-Eye Research, Proc.
I.F.I.P.S., Ljubljana (1971).
54. Pingle К. K., Visual Perception by a Computer, in: Automatic Inter-
pretation and Classification of Images, 277, Academic Press (1969).
55. Hueckel M., An Operator which Locates Edges in Digitized Pictures,
J. Ass. Computer Machinery, 18, January, 113 (1971).
56. Pingle К. K. and Tenenbaum J. M., An Accomodating Edge Follower,
Proc. 2nd Int. Joint Conf. Artificial Intelligence, London, September, 1971 (Br,
Computer Soc.), 1.
57. Falk G., Scene Analysis Based on Imperfect Edge Data, Proc. 2nd Int.
Joint Conf. Artificial Intelligence, London, September, 1971 (Br. Computer Soc,), 8.
141
58. Feldman J. A, and Sproull R. F., System Support for the Stanford
Hand-Eye System, Proc. 2nd Int. Joint Conf.Artificial Intelligence, London, Sep-
tember, 1971 (Br. Computer Soc.), 183.
59. Feldman J. A. et al., The Use of Vision and Manipulation to Solve
the «Instant Insanity» Puzzle, Proc. 2nd Int. Joint Conf. Artificial Intelligence,
London, September, 1971 (Br. Computer Soc.), 359.
60. Zimmerman M. D., Apollo 15: Design for Moon Mobility, Mach. Des.,
43, July 22, 20 (1971).
61. Anon., Lunar Rover Expands the Frontiers of the Moon, Mach. Des., 43,
July 22, 57 (1971).
62. Anon., Air Cushion Handling at Cranfield with Disc Skirt, Mater. Handl.
News, June, 60 (1971).
63. Warner M. G. R., Driverless Farm Tractors, Electron and Power, 17,
August, 308 (1971).
64. Kay A. C., Manipulators as Terminal Devices, Proc. IEEE Int. Comput.
Group Conf., Washington, June, 1970, 290.
65. Barrow H. G. The Development of a Real World Interface, Proc. Conf.
Man-Computer Interaction, NPL, September, 1970 (IEE), 89.
66. Anon., Electronic Orderlies Hasten Hospital Automation, Electronics,
44, September, 13, 36 (1971).
67. Anon., Electronics in the Driver’s Seat, Electronics, 44, November 22,
89 (1971).
68. Interian A., Allen W. and Kugalh D. A., A Remote Manipulator Sys-
tem for Space Applications, Proc. Int. Symp. Man-Machine Systems, Cambridge,
September, 1969 (IEEE).
69. Blackmer R. H., Interian A. and Clodfelter R. G., The Role of Space
Manipulator Systems for Extra-Vehicular Tasks, Proc. 2nd Natl Conf. Space Main-
tenance and Extravehicular Activities, Las Vegas, August, 1968.
70. Bradley W. E., Telefactor Control of Space Operations, Astronaut. Aero-
naut., 5, May, 32 (1967).
71. Sheridan T. В and Ferrel W. R., Human Control of Remote Compu-
ter-Manipulators, Proc. Int. Joint. Conf. Artificial Intellingence, New York, 1969
(A. С. M.), 483.
72. Ferrel W. R., Remote Manipulation with Transmission Delay, Trans.
IEEE, HFE6, September, 24 (1965).
73. Ferrell W. R., Delayed Force Feedback, Hum. Factors, 8, October,
449 (1966).
74. Ferrell W. R., and Sheridan T. B., Supervisory Control of Remote
Manipulation, IEEE Spectrum, 4, October, 81 (1967).
75. Cole 1. S., An Experiment in Robot Tool Using, in: Systems for the Se-
venties, 224, IEEE (1970).
' 76. Fenton R. E. at al., One Approach to Highway Automation, Proc.
IEEE, 56, April, 556 (1968).
77. Bender J. G. and Fenton R. E., A Study of Automatic Car-Following,
Trans. IEEE, T18, November, 134 (1969).
78. Gazis D. C. et al., Non-Linear Follow-the-Leader Models of Traffic
Flow, Op. Res., 545 (1961).
79. Levine W. S. and Athans M., On the Optimal Frror Regulation of a String
of Moving Vehicles, Trans. IEEE, AC11, July, 355 (1966).
80. Peppard L. E. and Gourishankar V., Optimal Control of a String of Mo-
ving Vehicles, Trans. IEEE, AC15, June, 386 (1970).
81. Peppard L. E. and Gourishankar V., An Optimal Car-Following System,
Trans. IEEE, VT21, May, 67 (1972).
82. Szekely-Doby S., Research on Vehicles without Conductors for
the Improvement of Highway Schemes, Automatism, 17, April/May,
140 (1972).
83. Pawula J., Moving Material with Driverless Trains, Automation, 19,
June, 69 (1972).
84. Anon., Radar Controlled Car: A Step toward Automated Highways, Ind.
Wk, 172, February 14, 65 (1972).
142
85. Anon., Optics for Readouts (Ferranti Light-Guided Car), Electron, Ap-
ril, 11 (1972).
86. Anon., London Trafic under the Magic Eve, Control and lustrum., 4,
July/August, 9 (1972).
87. Blakelock J. H., Automatic Control of Aircraft and Missiles, Ch. 6,
Wiley (1965).
88. Dymond E. G., Measurements in the Upper Air by Radio Sonde, Re-
search, 3, 345 (1950).
89. Dymond E. G., The Kew Radio Sonde, Proc. Phys. Soc., 59, 645 (1947).
90. Jones F. E. et al., The Radar-Sonde System for the Measurement of
Upper Wind and Air Data, Proc. IEE, 98, pt 2, August, 461 (1951).
91. Henslow M., The Miracle of Radio, 104, Evans (1946).
92. Baynton E. W. et al., Jndivic-Radio Controlled Aircraft, Proc. IRE
Aust., 17, August, 267 (1956).
93. Anon., A Drone Air Force for Combat Being Designed by Two Teams,
Electron. Des., 20, February 3, 26 (1972).
94. Aronson R. B., RPVs: The End of Manned Military Flight? Mach. Des.,
44, April 20, 20 (1972).
95. Anon., Automatic Craft Brings Back Oldest Rock Samples from Moon,
New Scient., 53, March 9, 545 (1972).
96. Barkan R., The Robot Airforce Is About to Take Off, New Scient., 55,
August 10, 280 (1972).
97. Blackmer R. H. and Clodfelter R. G., The Application of Remote Mani-
pulators in Space, Nucl. News, 12, March, 40 (1969).
98. Interian A. and Kugath R., Remote Manipulators in Space, Astronaut.
Aeronaut., 7, May, 40 (1069).
99. Hunt C. L. and Linn F. C., The Beetle, S.A.E.J1, 70, September, 52 (1962).
100. Jones D. G., MRMU in Case of Radioactive Trouble, Meeh. Eng., 86,
May, 29 (1964).
101. Spielrein R. E., Some Modern Prosthetic and Orthotic Trends and De-
velopments Seen as a Challenge to the Engineering Profession, J. Inst. Engrs Aust.,
41, June, 73 (1969).
102. Newman N. and Tait К. E., Manipulators: A Survey, Elect. Eng. Trans.
Inst. Engrs Aust., EE8, April, 1 (1972).
103. Johnsen E. G., Man, Teleoperators and Robots; An Optimum Team
for Space Exploration, J. Spacecraft Rockets, 9, July, 554 (1972).
104. Heyes M. P. and Ashworth R., Further Research on Car Following
Models, Transport!! Res., 6, September, 287 (1972).
105. Masakazu E. at al., Prototype Intelligent Robot that Assembles Objects
from Plan Drawings, Trans. IEEE, C21, February, 161 (1972).
106. Anon., Industrial Robot, Mach. Des., 44, January 13, 39 (1972).
107. Barrow H. G. et al., Tokyo-Edinburg Dialogue on Robots in Arti-
ficial Intelligence Research, Computer J., 14, February, 91 (1971).
108. Fenton R. E., Automatic Vehicle Guidance and Control — A State
of the Art Survey, Trans. IEEE, VT19, February, 153 (1970).
109. Hajdu L. P. et al., Design and Control Considerations for Automa-
ted Ground Transportation Systems, Proc. IEEE, 56, April, 943 (1968).
110. Bender J. G. et al., An Experimental Study of Vehicle Automatic
Longtudinal Control, Trans. IEEE, VT20, November, 114 (1971).
111. Anon., Adaptive Computer may Control Cars, Electronics, 45, Septem-
ber 25, 6E (1972).
112. Rosen C. A. and Nilsson N. J., An Intelligent Automation, IEEE
Int. Conv. Rec., pt 9, 50 (1967).
113. Fu K. S., Learning Control Systems, Review and Outlook, Trans. IEEE,
AC15, April, 210 (1970).
114. Keckler W. G. and Larson R. E., Control of a Robot in a Partially
Unknown Environment, Automatica, 6, May, 469 (1970).
115. Fu K. S., Learning Control Systems and Intelligent Control Systems',
An Intersection of Artificial Intelligence and Automatic Control, Trans. IEEE,
AC16, February, 70 (1971).
116. Penev G. D., Certain Problems in Adaptive Control, Soviet Phys. Dokl.,
16, No. 6, 422 (1971).
117. Tomovic R., Robots for the Exploration of the Hostile Environment,
Proc. 4th l.F.A.C. Symp. Automatic Control in Space, Dubrovnik, 1971.
118. Thring M. W., The Robot Age, Engineering, Lend., 209, February 6,
128 (1970).
119. Mayhan R. J. et al., Reference Signal Generation for Synchronous
Longitudinal Control, Proc. S. E. Symp. Systems Theory, University of Kentucky,
120. Maugl.an R. J. et al., Longitudinal Reference Signal Generation for
Automatic Vehicle Control, Proc. IEEE, 60, November, 1454 (1972).
121. Brooke D. W. I., The Automation of Field Cultivation, I.E.E. Colloquium
On Control and Automation in Agriculture, 1973, March 20.
122. Hawley A. E. et al., Electronic Packaging Techniques for Surveyor
Lunar Spacecraft, IEEE Int. Conv. Rec., 11, pt 6, March, 157 (1963).
123. Vinogradov A., Luna 20 Samples from vhe Moon, Geotimes, 17, Octo-
ber, 16 (1972).
124. Michie D. et al., Vision and Assembly as a Programming Problem,
Proc. 1st Conf. Industrial Robot Technology, Nottingham, March, 1973, 185.
125. Falk G., Interpretation of Imperfect Line Data as a Three-Dimen-
sional Scene, Artificial Intell., 3, Summer, 101 (1972).
126. Fikes R. E. et al., Learning and Executing Generalised Robot Plans,
Artificial Intell., 3, Winter, 251 (1972).
127. Salter S. A., Arms and the Robot, Edinburgh Univ. Bionics Reports,
No. 9, April (1973).
Глава 8
КОНЕЧНОСТИ РОБОТА
8.1. РУКИ И КИСТИ РОБОТА
Во всем мире в настоящее время работа по созданию рук и ки-
стей робота ведется с учетом разнообразия их применений. Эту
работу можно грубо разделить на несколько различных напра-
влений.
1. Дистанционно управляемые руки и кисти для использова-
ния в средах, потенциально опасных для человека.
2. Дистанционно управляемые руки и кисти, созданные для
увеличения эффективной физической силы человека-оператора либо
для увеличения или модификации габаритов человека-оператора.
3. Руки и кисти совершенного робота, имеющие встроенную
систему автоматического самоуправления движением и работаю-
щие на базе ряда основных принципов, заложенных в конструк-
цию.
4. Протезные устройства для людей, лишившихся конечно-
стей.
Достижения во всех этих областях интересны и полезны для
исследователя-робототехника. По некоторым сведениям в одной
только атомной промышленности многие сотни статических дистан-
ционных манипуляторов копирующего типа используются как
людьми, работающими в промышленности, так и учеными [1, 2].
Тем не менее во многих таких манипуляторах применяются только
напрямую управляемые человеком-оператором рычажные меха-
низмы, причем человек-оператор может наблюдать результаты
своих действий или непосредственно, или на экране телевизора
и видоизменять эти действия, если требуется, за счет визуальной
обратной связи [2].
8.2. ДИСТАНЦИОННО УПРАВЛЯЕМЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ
[3, 4, 59—69, 91]
Существование различных сред, потенциально опасных для
человека, определило необходимость в разработке машин, при-
годных для дистанционного манипулирования и управляемых че-
ловеком-оператором, находящимся в безопасной среде. Разработки
такого рода представляют значительный интерес для исследова-
теля-роботехника, ибо они демонстрируют потребность в робо-
тах н, кроме того, те образцы механизмов, которые были разра-
ботаны, могут дать хороший ориентир при создании автоматиче-
ски управляемых конечностей для автономных роботов.
Трудности, возникающие при разработке таких систем дистан-
ционного манипулирования, в значительной степени вызваны эф-
фектами изменения в моментах инерции нагрузок. Введение редук-
145
ционной передачи между приводным двигателем и нагрузкой мо-
жет сгладить действия этих эффектов, но тогда сама инерция элек-
трического двигателя приобретает большее значение. Человек-
опера гор испытывает неизбежное чувство досады из-за задержки
реакции исполнительной части копирующего манипулятора. По-
этому эксплуатация электрогидравлики зачастую предпочтитель-
нее непосредственного использования электродвигателей в при-
воде.
Обнаружено, что некоторые устройства, управляемые челове-
ком-оператором, полезно снабдить тактильной обратной связью
в дополнение к обычной визуальной обратной связи. Тогда опе-
ратор приобретает чувство осязания. Эта особенность иногда трак-
туется как отражение усилия. Дополнительное преимущество та-
кой системы состоит в том, что у оператора меньше шансов при-
ложить излишнее усилие при любом движении и тем самым
повредить оборудование. При обращении с любой подобной систе-
мой необходимы меры безопасности, чтобы не причинить вреда
оператору в случае ошибки. Чтобы избежать физического утомле-
ния человека-оператора, необходимо очень быстрое появление
ответного движения.
Такие характеристики манипулятора, управляемого челове-
ком, как грузоподъемность и способность непрерывно держать
груз, можно легко сделать превосходящими аналогичные характе-
ристики «невооруженного» человека. Тем не менее в то время как
простые задания выполняются манипулятором приблизительно
с той же самой скоростью, что и невооруженной рукой человека,
более сложные задания могут выполняться только медленно или
быть вовсе невыполнимыми. В большинстве случаев скорость ра-
боты системы человек-манипулятор составляет приблизительно
только одну восьмую от скорости работы «невооруженного» че-
ловека, выполняющего то же самое задание. Исходя из этого огра-
ничения, мы должны ожидать, что наши автономные роботы бли-
жайшего будущего будут столь же медленными пли, возможно,
еще медленнее. Тем не менее благодаря полному отсутствию у ав-
тономного робота утомляемости и необходимости в сне зачастую
можно будет принять низкую скорость его функционирования,
поскольку при обеспечении незначительного наблюдения за ро-
ботом, с участием или без участия человека, заданная работа мо-
жет продолжаться по 24 ч в сутки.
От первых манипуляторов, управляемых человеком, требова-
лась только способность к перемещению радиоактивного химиче-
ского образца из одной точки в другую. Иногда использвались
простые гидравлические клещи. Однако этот тип манипулятора
был не очень жестким, давал резкие толчки при движении испол-
нительной части и допускал манипулирование только малыми
грузами.
В настоящее время виды простых манипуляторов весьма раз-
нообразны. Рассмотрим для примера «Мини-Манип», изготовлен-
ие
ный Корпорацией программных и дистанционных систем. Полная
масса этого устройства всего лишь около 7 кг. Оно включает го-
ризонтальную руку, имеющую подвижность в пределах ±45°,
с вертикальной исполнительной рукой на одном конце и вертикаль-
ной управляющей рукой — на другом. Длина каждой из трех рук
около 60 см. Все эти руки при манипулировании можно повернуть
вместе на угол 360q в вертикальной плоскости и на угол ±60°
от вертикали. Предплечье может вращаться на угол ±170°'С,
в то время как схват на конце руки осуществляет качание на 45
и 135° вниз и поворот на ±210°. Пальцы схвата на конце руки мо-
гут раздвигаться приблизительно до 7,5 см. Имеется храповой
стопорный замок для фиксации схвата. Можно манипулировать
грузом массой около 2,25 кг в рабочей зоне объемом 0,85 м3.
Другой вариант этого манипулятора совершает правильное
Z-образное движение, при котором исполнительная рука движется
вверх (при движении управляющей руки вверх) и таким образом
повторяет естественное движение оператора, хотя, конечно, в та-
ком варианте масса устройства увеличивается приблизительно
до 12,5 кг. Эти манипуляторы относятся к классу простейших,
но легко позволяют, например, увеличить вертикальное движение
руки оператора в два раза и обеспечить повышенные нагрузочную
или захватывающую способности.
Изучение таких манипуляторов с прямыми связями может дать
полезный перечень требований, предъявляемых не только к сило-
вым манипуляторам, но и к автономному работу.
Ограничения, накладываемые па манипулятор чисто механи-
ческого вида, таковы.
1. Задающая и исполнительная части обычно должны быть ме-
ханически связаны друг с другом и с механическим основанием,
на котором выполняется работа.
2. Объем рабочей зоны манипулятора весьма ограничен, и во-
обще полная свобода движений отсутствует.
3. Оператору иногда необходимо использовать две руки для
работы, выполнимой одной рукой (так как не всегда возможно
осуществить умножение усилия, прикладываемого оператором),
что утомительно для оператора.
4. Достижимая скорость функционирования намного ниже
таковой у «невооруженного» человека: обычно только одна вось-
мая от скорости, достигаемой при работе одной рукой.
Время, необходимое человеку для поднятия объектов различной
массы, колеблется. Представляется, что опубликованные на этот
счет данные [27] хорошо описываются уравнением
время на подъем = 0,3 Д
масса объекта
1,8
где время выражается в секундах, а масса объекта — в килограммах.
Большая быстрота достигается при помощи искусственных
Устройств.
147
8.3. СИЛОВЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ [5, 22, 23]
Можно добавить электрический или гидравлический привод
к простым видам манипуляторов, описанных выше. Такие мани-
пуляторы хорошо подходят для транспортировки и переориента-
ции объектов. Конечно же, обычный электрический подъемный
кран, управляемый человеком, представляет собой элементарный
вариант такого манипулятора, особенно, когда он оснащен зах-
ватным механизмом — автоматическим или управляемым челове-
ком-оператором. Всякое подобное управление ограничено в ско-
рости.
Тем не менее обнаружилось, что такая односторонняя форма
управления должна иметь очень ограниченное применение. Един-
ственный вид обратной связи к оператору в этих случаях визуаль-
ный и иногда, кроме того, слуховой. Оказалось также, что для
получения точного управления необходимо добавить какой-ни-
будь вид механической или тактильной обратной связи к кисти
человека-оператора и, возможно, к его конечностям.
Начиная приблизительно с 1949 г. было создано много раз-
личных типов таких копирующих манипуляторов двусторон-
него действия, что стимулировалось главным образом необхо-
димостью проведения работ во враждебных организму человека
средах, таких, как области высокой ядерной радиации или, в пос-
леднее время, подводная среда. Такие устройства, очевидно, мо-
гут быть использованы и для работ, производимых в космосе,
но управляемых человеком-оператором, находящимся на Земле,
хотя здесь также возникают дополнительные сложности, обусло-
вленные неизбежной задержкой в передаче сигнала [28].
Простейшей формой обратной связи к оператору в некоторых
манипуляторах была «шкала соприкосновений» — калиброванный
круг, иногда дополненный звуковой индикацией, чтобы опера-
тору не нужно было наблюдать за шкалой.
Первые манипуляторы двустороннего действия обладали спо-
собностью манипулировать только малым грузом около 0,5 кг.
Тем не менее они продемонстрировали полезность нового под-
хода, который позже был усовершенствован в различных моде-
лях, пока грузоподъемность не достигла нескольких сот кило-
граммов.
Максимальная скорость функционирования, достигнутая в ма-
нипуляторах на электродвигателях, соответствует приблизи-
тельно 10 Гц и достаточна для многих целей. Эта цифра соответ-
ствует возможностям «невооруженного» человека. Однако огра-
ничение частотной характеристики обратной связи до этой частоты
оказывается невыгодным, поскольку ограничивает скорость функ-
ционирования, которая может быть развита человеком, управля-
ющим манипулятором.
Гортц указал па то, что, когда используется обычный ручной
инструмент, человек через руку получает от инструмента боль-
148
шой объем сенсорной информации и поэтому желательно, чтобы
полоса пропускания обратной связи была увеличена и в дистан-
ционном манипуляторе, управляемом человеком, и в самоупра-
вляющемся роботе [6].
Для работы с такими системами с обратной связью и высокой
точностью воспроизведения необходимо иметь полосу пропуска-
ния до 100 или даже 1000 Гц. Тем пе менее введение сенсорной
обратной связи, возможно, вызовет трудности, связанные с об-
ратной связью по ложной информации, возникающей из-за не-
достатков системы [30].
Американское устройство «Минатор», использовавшееся в экс-
периментах по ядерным полетам, имело корпус шарообразной фор-
мы с пятью многозвенными руками, причем три руки были снаб-
жены телевизионными камерами. Устройство подвешивалось на
самоходном подъемном кране.
Интересно привести основные технические данные силового
электрического манипулятора, форма которого полностью сов-
падает с формой руки человека.
Кисть (сменная):
скорость открывания—закрывания, см/с .................... 1
усилие сжатия, Н.....................................0—350
максимальное раскрытие, см.........................6,5
Запястье:
момент при повороте, Н-м...................... 17
скорость поворота, об/мин............................. 2
угол поворота, ...° .........................320
момент вращения (возможно непрерывное вращение),
Н-м...............................................3,5
Локоть:
момент при сгибании, Н-м ............................ 55
скорость сгибания, об/мин............................. 2
угол сгибания, 0.....................................320
расстояние от запястья до локтя, см.................. 40
Плечо:
момент при повороте, Н-м............................ 100
скорость поворота, об/мии............................. 2
угол поворота, °.....................................228
расстояние от локтя до плеча, см..................... 38
Тело:
момент вращения, Н-м ................................ 20
скорость поворота (непрерывное вращение), об/мин . . 3
грузоподъемность, кг .............................. 25
Использование в манипуляторах электрического привода дает
некоторые преимущества. Например, можно достигнуть макси-
мальной подвижности исполнительного органа и в то же время
так расположить задающий орган, что будет обеспечен наилучший
обзор. С электрическим приводом очень легко получить на задаю-
щем органе усилия намного меньшие или намного большие,
чем усилия, развиваемые на исполнительном органе; отношение
перемещений органов манипулятора можно изменять подобным же
149
образом и вообще сделать отношения усилий и перемещений
независимыми друг от друга. Благодаря этому задающая и
исполнительная части могут иметь совершенно различные раз-
меры и формы, что дает большие преимущества при манипулиро-
вании очень малыми или очень большими грузами. Последний слу-
чай очевиден и, по-видимому, должен быть более распространен
однако возможность создания микроскопических копирующих
манипуляторов много обещает для будущих работ например,
по отладке интегральных схем.
Важно также, чтобы некоторые блоки робота и некоторые эле-
менты исполнительного органа манипулятора легко ремонтиро-
вались подобными же блоками. Например, это существенно для
космических применений и очень полезно в ядерных применениях,
где элементы исполнительного органа могут быть загрязнены.
Были сконструированы блоки с электрическим управлением, ко-
торые могли разбираться и ремонтироваться аналогичными бло-
ками. Это направление, вероятно, должно еще более развиваться
в будущем, когда увеличится число используемых роботов, так
как очень желательно исключить труд человека на любых опера-
циях по техническому обслуживанию.
На практике обнаруживается, что человек-оператор достигает
приемлемой ловкости обращения с такими устройствами всего
лишь после часа работы, хотя может понадобиться несколько не-
дель или месяцев, чтобы по-настоящему овладеть требуемыми дви-
жениями, так как на кисти исполнительной руки имеются только
два пальца. По-видимому, основное препятствие приобретению
необходимого умения кроется в мышлении человека и состоит
в том, что человек при управлении имеет свойство мыслить всегда
с точки зрения необходимых собственных действий, а ему вместо
этого следует мыслить с точки зрения действий, требуемых от
схвата манипулятора. Указанная трудность не будет встречаться
при работе с роботом, который еще не обучен, так как это в основ-
ном проблема сложившихся стереотипов.
Эксперименты показали, что рассматриваемые манипуляторы
допускают весьма высокие инерционные нагрузки и трения, по-
скольку возможна относительно низкая жесткость соединения
между задающим и исполнительным органами. Установка клиппи-
рующих устройств, которые ограничивают максимальный сигнал
и, следовательно, максимальное усилие, как обнаружилось,
ведет к значительному увеличению надежности таких систем.
С манипулятором с замкнутым контуром управления связана
трудность достижения стабильности работы сервосистем, несмотря
на изменяющийся характер нагрузки, приводящая к следящей
управляющей системе, которая в принципе нелинейна. В работе
над подобными системами, имеющими эффективно изменяющиеся
параметры, такие, как постоянные времени, автору удалось про-
демонстрировать применимость сравнительно простых конструк-
тивных методов в тех случаях, когда, например, основная нагру-
150
зочная постоянная времени изменяется, превышая эффективную
в отношении 12 : 1 [10, 11], о чем уже упоминалось в гл. 6.
Манипуляторы, управляемые от пульта управления. В насто-
ящее время существуют разнообразные применения, в которых
дистанционно управляемые манипуляторы управляются кнопками
от пульта управления, а не прямым копированием движений че-
ловека.
Типичный образец такого манипулятора PAR 3000 оснащен
кистью клещевого типа с ходом пальца около 12,5 см, способной
к максимальному зажимному усилию около 900 Н со скоростью
движения при сжатии около 7,5 мм/с. Эта кисть легко заменяется
кистями других типов. Усилие зажима контролируется электри-
ческой муфтой, а максимальное усилие зажима устанавливается
ручкой на пульте управления. Передняя секция запястья легко
снимается вместе с двигателями привода, которые в ней располо-
жены, что позволяет осуществить доступ к внутренним частям.
Плечо и предплечье руки выполнены в виде единой коробчатой
конструкции, так как это позволяет соединить следующие преи-
мущества: жесткость, герметичность и легкость разборки. Герме-
тизация достигается при помощи О-образных колец. Внутри руки
установлены регулируемые извне натяжные звездочки цепной
передачи, а легкий доступ к платам упрощает техническое обслу-
живание. Роликовые цепи передают усилие от двигателей, приводя
в движение кистевой, локтевой и плечевой суставы. Двигатели
вместе с их предохранительными фрикционными муфтами устано-
влены под кожухом плеча, и положение муфты можно регулиро-
вать, открыв кожух. Непрерывное вращение плеча обеспечивается
с помощью двигателя плечевого сустава, также снабженного фрик-
ционной муфтой.
Оператор пользуется пультом управления размером примерно
38 X 20 X 15 см со скользящими ручками с нулем в среднем по-
ложении для управления линейными движениями и поворотными
ручками — для вращательных движений. Схема управления и
источники питания для электродвигателей расположены в шкафу,
установленном на роликах. Используются магнитный усилитель
и тиристорный вариант бесступенчатого управления совместно
с защитой от перегрузки. Общая потребляемая мощность около
1 кВ-А. В сборке узла запястья предусмотрено гнездо, так что
имеется возможность питать внешние электрические инструменты,
используемые совместно с манипулятором.
Если требуется, можно обеспечить боковые движения в шар-
нире запястья и весь манипулятор вместе с телескопической рукой
установить на передвижной мостовой системе. Крюк для перемеще-
ния тяжелого груза находится на кожухе плеча и легко доступен
кисти манипулятора.
Манипулятор полностью герметичен, так что его можно по-
грузить в воду; вся его электропроводка находится внутри. По-
добные устройства изготавливаются для подводных использова-
151
ний с гарантируемой неограниченной глубиной погружения.
Внутри такого устройства, целиком заполненного смазочной
жидкостью, помещен глубинный компенсатор для поддержания
давления, слегка превышающего внешнее. В приводах исполь-
зуются гидромоторы с номинальным давлением в гидросистеме
около 12 000 кПа.
Итак, технология производства рук и кистей усовершенствован-
ного манипулятора развивается, и нет сомнений в том, что такие
устройства будут непосредственно использоваться в автономном
подвижном роботе. Безотлагательные требования к ним — умень-
шение массы и совершенствование источников питания. Это —
своего рода «естественный отбор». t
8.4. ПРОТЕЗЫ РУК И КИСТЕЙ [57, 58, 72—78] *
Во всем мире была проведена большая работа по созданию про-
тезных устройств, еще более ускоренная талидомидской трагедией.
Типичный последний пример — искусственная рука и кисть, со-
зданные в Монреале [25]. Хотя эта рука вместе с кистью весит
немногим более 1 кг, она может поднимать груз массой в 10 кг,
используя кисть и сгибание в локте. У этого протеза имеются че-
тыре основных движения: прямое и возвратное движение в плече,
естественное движение в локте, поворот запястья на угол 180°
и движения пальцев кисти.
Основной источник питания представляет собой никелево-
кадмиевый аккумулятор, напряжением 12 В, заряда которого до
перезаряда достаточно на один день работы. Высокоскоростной элек-
тродвигатель приводит в движение гидравлический насос, который
по пластиковой трубке снабжает непахнущей рабочей жидкостью
высокого давления гидравлические силовые цилиндры,
вмонтированные в руку. Основное управление может осуще-
ствляться непосредственно электрическими сигналами, идущими
к мышце от нервных волокон.
При помощи червячной передачи и системы рычагов кисть при-
водится в движение через миниатюрную роликовую цепь прибор-
ного типа, которая имитирует сухожилия человека. Захват мо-
жет осуществляться между большим и остальными пальцами или,
при отсутствии большого пальца, остальными пальцами кисти.
Такое устройство не только сулит чудеса в протезировании,
но и, по-видимому, найдет непосредственное применение в ро-
боте.
Для руки робота нет необходимости быть сочлененной подобно
руке человека или протезу руки. Высказывались предположе-
ния, что суставная рука или нога имеет преимущество перед теле-
скопическим вариантом и что расстояние от плеча до кисти должно
быть только порядка 1/6 от длины полностью вытянутой руки.
Однако телескопическая форма руки при условии, что она имеет
достаточно секций, может давать большое отношение «вытянутой»
152
к «втянутой» длине, и, кроме того, имеется дополнительная воз-
можность во втягивании руки прямо в тело и даже непосредственно
через тело робота. Этот подход фактически используется для
рук промышленных роботов, которые будут рассмотрены в сле-
дующей главе. Тем не менее у руки суставного типа имеется
преимущество: сгибающаяся рука может огибать препятствия,
что позволяет ей работать с трудно доступными объектами. Число
степеней свободы увеличивается, хотя, конечно, за счет неизбеж-
ного усложнения управления.
Способы приведения в движение протезных устройств рассма-
тривались в гл. 5.
8.5. ЭКЗОСКЕЛЕТОНЫ [94]
Была проведена определенная работа по созданию машин, ко-
торые предназначались для ношения человеком и использовались
для усиления его физических возможностей. Такие машины из-
вестны под названием экзоскелетон. В процессе разработки этих
устройств прежде всего изучались возможные основные движения
тела человека. Оказалось, что человек может выполнять одновре-
менно приблизительно 20 или 30 различных управляемых дей-
ствий.
Научные исследования, начавшиеся в середине 50-х годов в
Корнельских лабораториях по аэронавтике, показали, что адап-
тивный экзоскелетон должен иметь около 35 штифтовых сочлене-
ний, и, как минимум, одно скользящее, чтобы не создавать не-
удобств человеку, носящему его.
Тогда же было проведено исследование усилий в приводах,
размеров и типов привода, необходимого для такого устройства.
Было обнаружено, что для нагрузки около 4500 Н, приложенной
к руке в любом направлении, необходимо поперечное сечение
конструкции 2,5 х 5 см между позвоночником и локтем и 2,5 х
х 2,5 см между локтем и кистью.
Для того чтобы избежать необходимости в использовании элек-
тропривода с редукцией или преобразования линейного движения
во вращательное с большим угловым перемещением, были выбраны
специальные поворотные гидравлические силовые цилиндры.
Они должны быть диаметром 10 см и длиной 10 см, чтобы выдержи-
вать нагрузку при перепаде давления в гидроцилиндрах около
200 кПа. Был признан желательным еще больший перепад давле-
ния для уменьшения массы и размера оборудования. Усилия отра-
жались к оператору только в том случае, когда они превышали
некоторую величину.
8.6. ДАТЧИКИ РАВНОВЕСИЯ
Тело стоящего или идущего человека нельзя рассматривать
как устойчивую конструкцию. Поэтому возникает необходимость
в очень чувствительном обнаружении поворотных движений
153
й любом направлений, Для того Чтобы можно было осуществить
корректирующее действие [92].
У человека восприятие этих поворотных движений обеспечи-
вается полукружными каналами внутреннего уха. Сигналы от по-
лукружных каналов могут использоваться также для воздействия
на мышцы глаза, с тем чтобы компенсировать необходимые движе-
ния головы и тела. Благодаря этому на сетчатке может сохраняться
устойчивое изображение.
Полукружные каналы человека состоят из гладкоствольной
трубки диаметром приблизительно 0,28 мм, образующей замкну-
тый контур, который заканчивается камерой, называемой «ампула».
Внутри ампулы находится водонепроницаемая мембрана, извест-
ная под названием «купула». Отклонения купулы, создаваемые
давлением жидкости в трубке малого диаметра, вызывают передачу
нейронных сигналов от волосковой клетки.
Вязкостное сопротивление потоку жидкости (или эндолимфы)
линейно зависит от скорости потока, так как канал трубки глад-
коствольный. Упругость купулы влияет на движение жидкости
за счет воздействия на вязкостное трение и инерцию потока жидко-
сти. В каждом внутреннем ухе имеются три взаимно перпендику-
лярных полукружных канала. Хотя все три соединены общей ка-
мерой, называемой «утрикула», взаимодействие их, по-видимому,
не играет важной роли в функционировании этой системы полу-
кружных каналов.
Общая зависимость выхода системы полукружных каналов от
угловой скорости движения головы принимает вид
выходное отклонение ____ kpT
угловая скорость движения головы (1 + рТ±) (1 + рТ)
Значения 7\ и Т здесь сильно различаются, так что эта зависи-
мость начинает очень походить на характеристику электронного
RC-усилителя. Обычные значения постоянных времени: Т 10 с;
Т2 0,005 с. Следовательно, для быстрых движений выходные :
отклонения пропорциональны угловой скорости движения го-
ловы. Однако эта зависимость ухудшается при очень быстрых дви-
жениях. Большая постоянная времени этой системы, пощсей ви-
димости, позволяет системе медленно подходить к нулю^в конце
движения.
Было бы очень желательным наличие какого-либо датчика уг-
ловой скорости или углового ускорения, помещенного в «голове»
робота, при условии, что такой датчик мог бы работать внутри
обучающейся системы, с тем чтобы исключить необходимость со-
здания системы управления для корректировки действий.
Для перемещения робота, установленного на колесах, пона-
добятся только два датчика, расположенных под прямым углом,
но роботу, имеющему какое-то подобие ног (например, роботу,
преодолевающему препятствия, или роботу, который может под-
ниматься вверх по ступенькам), потребуются, по крайней мере,
154
три датчика, осуществляющих функцию датчиков равновесия че-
ловека. Подходящие датчики были созданы в результате работы
вад инерциальными навигационными системами, хотя для роботов,
предназначенных для обычных условий Земли, требуются датчики,
меньшие по размеру и гораздо менее точные.
8,7. ДРУГИЕ УСТРОЙСТВА
В последнее время работа над такими устройствами, как упра-
вляемое оружие, вызвала некоторый интерес к приборам, которые
применимы и в роботе для обнаружения изменений положения
или нарушения равновесия. Например, подобные датчики тре-
буются для гироориентиров, радиоантенных устройств и устройств,
стабилизирующих фото- и кинокамеры. Типичный прибор ма-
ятникового типа, используемый для этих целей, обеспечивает
максимальный выходной сигнал 25 В и может обнаруживать от-
клонения по каждой оси вплоть до угла в 1°. Требуемое возбужде-
ние создается напряжением 50 В, частотой 400 Гц. Резистивная
среда, используемая в таких датчиках, электролитическая [12].
Хотя эта среда обеспечивает большой выходной сигнал и высокую
чувствительность, возникает значительное изменение выходного
сигнала при изменении температуры. Кроме того, поскольку вяз-
кость электролита также зависит от температуры, демпфирование
маятникового элемента очень чувствительно к температуре; при
больших колебаниях температуры вполне возможны изменения
в отношении 10:1.
Этих трудностей можно избежать, если использовать датчик
электромагнитного типа, так как его температурная чувствитель-
ность мала, и выбрать жидкость с учетом только механического
демпфирования. Однако полученные выходные напряжения здесь
намного меньше, чем в датчике электролитического типа.
В других электролитических приборах, чтобы получить зна-
чение отклонения от вертикали для гиросистем, обычно исполь-
зовался эффект движения пузырька газа в электролите.
Пишущий эти строки сталкивался с электромагнитными дат-
чиками для управления станками по двум осям. Они дают хоро-
шую повторяемость, но довольно громоздки для роботов.
Сложные методы, которые использовались в авиации и упра-
вляемых ракетах для определения положения и инерциальной
навигации, по-видимому, идеально подходят для использования
в роботах. Однако такой подход, возможно, привнесет излишнюю
точность и чрезмерную стоимость. Дополнительные недостатки
этих методов заключаются в большом времени, необходимом для
запуска, и относительно больших энергетических затратах.
Можно использовать маятник, имеющий очень большой период
колебаний и, как еще один вариант, маховик со слегка эксцен-
трически смещенным центром тяжести. Однако, если ошибки, выз-
ванные горизонтальными ускорениями, должны быть минимизи-
155
рованы, то могут потребоваться периоды, превышающие 30 с,
и, кроме того, подшипники должны быть ударостойкими и обла-
дать очень малым трением [19].
Возникающие угловые ускорения имеют значения порядка
1 рад/с2. Было предположено, что полукружные каналы могут рас-
сматриваться действующими подобно интегрирующему угловому
акселерометру. У человека вторая производная вертикальной
составляющей скорости, по-видимому, также очень важна, что
подтверждается странными ощущениями, возникающими при пе-
реезде на автомобиле через «горбатый» мост или при поездке
в плохо спроектированном лифте.
Был создан экспериментальный полукружной канал, который
будет описан ниже.
8.8. РОБОТ-КЛАДОВЩИК
s
Даже на предприятиях, имеющих массовое производство, ра-
бота складов в очень большой степени влияет абсолютно на всю
экономику предприятия. Именно поэтому автор предложил про-
мышленности [31} метод управления всеми процессами предприя-
тия, который прочно базируется на кодировании товаров, хра-
нящихся на складах.
В этой системе, которая использовалась на предприятии по
производству промышленного оборудования, все возможные пред-
меты на складах и вся документация предприятия, в том числе
и чертежи, обозначались кодовым числом, состоящим из двубук-
венного идентифицирующего кода, за которым следовало число,
состоящее из трех цифр для предприятия среднего размера, иден-
тифицирующее предмет в пределах определенной категории. Та-
кая система может быть наиболее эффективна, если она исполь-
зуется для всех видов управления: производством, закупками и
сбытом. Использовались и более сложные системы кодирования,
предусматривающие полностью цифровые коды, базирующиеся,
например, на конфигурации, хотя такое кодирование требует не-
которого специального штата для реализации этой системы.
В настоящее время основной принцип построения такой си-
стемы управления хранением основан на том, что склад предста-
вляет собой действительно сердце предприятия. Исходя из этого
Тринг предложил использовать робота-кладовщика [29]. Его
преимущества заключаются в том, что он неутомим и не подвержен
скуке, может получать от ЭВМ и запоминать длинный список
инструкций, может сигнализировать ЭВМ о состоянии складов и
делать все это практически без ошибок. В то же время он может
быть наделен силой автопогрузчика с вилочным захватом и лов-
костью кисти человека.
Задания, которые должны выполняться таким роботом-кла-
довщиком, следующие: получить прибывшие грузы, например
с грузовиков, вскрыть упаковку и прочитать этикетки, определить
156
нужную ячейку склада, например путем запроса центральной
ЭВМ, затем разложить эту партию груза. Подобным образом ро-
бот должен выдавать отдельные предметы со складов, а также
проводить периодическую инвентаризацию. Тринг предложил
возможный вариант конструкции, в котором рука робота распо-
ложена на колесной тележке и снабжена несколькими различ-
ными кистями. Этот робот должен уметь определить нужный ларь,
выдвинуть его, захватить предметы или группу предметов, поме-
стить их в контейнер, затем опечатать и уложить этот контейнер
в штабель. Можно использовать тактильное или оптическое очув-
ствление; кроме того, если в первых применениях нас удовлетво-
ряло жесткое вычисление положения робота, то в дальнейшем для
определения положения робота, возможно, потребуется непре-
рывно действующая система очувствления.
Для автоматизированного хранения на складе используются
краны-штабелеры, управляемые индивидуальными мини-ЭВМ [55]
Французская система [90], известная как «Система Робот»,
использует транспортер «Трансферобот» и робот «Трансробот».
Транспортер может перемещать «Трансробот» и управляет им по
плоскому разматывающемуся кабелю. «Трансферобот», в свою
очередь, связан с центральным пультом управления плоским ка-
белем, наматывающимся на катушку. Для определения местополо-
жения используются магнитные детекторы.
8.9. ХОЖДЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА [13, 14]
Представляет интерес рассмотреть функционирование человека
при ходьбе для сравнения с шагающим роботом.
Если в качестве первого приближения рассматривать ногу
человека как жесткий цилиндр длиной, скажем, 90 см, диаметром
12 см и с плотностью вещества 1,1 г/см3, то объем такой ноги будет
приблизительно 10 000 см3, а масса порядка 11 кг. Это примерно
соответствует данным взрослого мужчины, весящего 70 кг.
Уравнение движения такой упрощенной ноги
<41 20 . с g . Q
= —1 >5 —~— sin 0,
dt2 длина
где 0 — угол отклонения ноги от вертикали, a g — ускорение силы
тяжести. Для малых углов отклонения ноги от вертикали можно
считать sin 0 0, и тогда недемпфированная собственная частота
«качаний» ноги будет приблизительно равна
1 fl.S—Л_у/._
2л \ длина/
что дает около 2/Зкол/с, или, как это принято у военных, 80 шаг/мин.
Поскольку эта величина выражает собственную частоту «ка-
чаний» ноги, более быстрая ходьба требует расходования допол-
нительной энергии. Было предположено, что установка пружины
157
между ногами для увеличения собственной частоты качаний может
увеличить скорость хождения без чрезмерного увеличения рас-
ходуемой энергии.
Были сделаны попытки продолжить анализ такого рода с уче-
том эффекта подъема и опускания центра тяжести при ходьбе,
возникающего за счет работы ступней человека *. Помимо этого
делались попытки доказать существование оптимальной скорости
хождения у человека, чтобы определить минимальные затраты
энергии.
- Размеры ног и ступней у человека принимаются фиксирован-
ными. Незначительные изменения их размеров можно осуществить
(например, созданием специальных ботинок), но только с условием,
что при этом будет увеличена масса.
Для робота подобных ограничений не существует, и можно
будет организовать работу его ног таким образом, чтобы достиг-
нуть оптимальной эффективности при выполнении конкретного
задания.
Механическая мощность, развиваемая человеком на отрезке
времени в 30 мин, порядка 375 Вт и может возрастать до 1125 Вт
на очень коротких временных интервалах.
Литература по работе мышц и расходованию энергии у чело-
века при ходьбе рассмотрена Греве и Кавана [34], а обзор сов-
ременного уровня знаний по относительному фазированию дей-
ствий различных мышц ноги и ступни человека при ходьбе выпол-
нен Полом [35]. Маккензи [37] рассмотрел работу коленного
сустава при ходьбе, а особенности походки человека, в том числе
и при спуске по ступенькам, были изучены Контини и др. [38, 39].
Франк [15—17, 24] указал на несколько очень интересных фак-
тов, касающихся передвижения на ногах. Во-первых, необходим
способ управления, зависящий от скорости, так как если при ма-
лой скорости требуются небольшие или вовсе не требуются «ди-
намические ощущения», то когда скорость возрастает, информация
о состоянии тела становится необходимой. Во-вторых управление
должно рассматриваться как составное — и непрерывное, и дис-
кретное, так как ноги должны отрываться от земли и вновь уста-
навливать контакт. Для того чтобы управлять шестью степенями
свободы тела, потребуется по крайней мере шесть независимых
управлений.
При теоретическом изучении возможности построения проте-
зов ног, требующих только таких команд, как «Вперед», «Стоп»,
«Повернуть влево» и т. д., Вит предположил, что ступни при ходьбе,
так же как и в положении стоя, только обеспечивают опорную по-
верхность и средство для отталкивания с использованием лодыжки,
но не выполняют стабилизирующую функцию [19]. Если это так,
* Это соотношение выражается следующим образом:
„ (длина шага — длина ступни)3
вертикальный подъем = =------т------2----------—
оХдлина ноги
158
то размерь! ступней не имеют значения. Подобные соображения
приводят к шагающему устройству с поворотным исполнительным
механизмом в бедре и телескопической ногой, приводимой в движе-
ние линейным исполнительным механизмом. Необходимо только
блокировать суставы лодыжек в положении стоя.
Для телескопического исполнительного механизма обычный
гидравлический цилиндр, управляемый золотником, неэффекти-
вен. Основное телескопическое действие ноги происходит, когда
ступня поднята над землей и сила противодействия мала. Необ-
ходим такой механизм, у которого эффективная площадь поверх-
ности поршня увеличивается, когда противодействующая сила
превышает некоторую величину.
В качестве первого шага на пути к созданию двуногой шагаю-
щей машины Холл и Уитт успешно продемонстрировали устройство,
которое могло стоять на своих двух ногах и шагать на месте [32].
Эти ноги не сгибались, но вытягивались и сокращались при по-
мощи линейных исполнительных механизмов гидравлического
действия.
После ранних попыток использовать для измерения углов на-
клона маятник с большим периодом колебаний, образованный
слегка эксцентрически закрепленным маховиком [19], стали при-
спосабливать для этой цели гироскопы совместно с датчиками
угла, встроенными в универсальный шарнир. Угловая скорость
измерялась путем дифференцирования сигнала с последующей
подачей на фильтр низких частот (10 Гц) для отделения высоко-
частотного шума. Тем не менее из-за того, что гироскоп требует
большого времени для запуска и потребляет значительную энер-
гию, исследовали другое устройство, основанное на принципе дей-
ствия полукружных каналов человека.
Для определения движений легкого масла, образующего вязкую
среду и заполняющего изогнутую замкнутую медную трубку,
использовали индуктивный тип датчика с Е-образным сердечни-
ком. Ширина полосы пропускания этого искусственного полу-
кружного канала от 0,02 до 30 Гц.
Когда описываемое двуногое устройство марширует на месте,
можно быстро подложить деревянную чурку под одну из ступней
без какой-либо задержки шага; тогда одна из ног удлиняется,
в то время как другая укорачивается, чтобы компенсировать крайне
неровный характер только что возникшей поверхности.
Каждая нога конструкции, описанной Никольсом и Уиттом,
представляет собой два почти вертикально расположенных с не-
большим промежутком стержня, раздельно шарнирно-прикреп-
ленных к передней и задней частям «бедра» и к носку и пятке [33].
Было показано преимущество в несколько большем разнесении то-
чек крепления к пятке и носку, чем точек крепления к бедру. Если
бедра этого устройства слегка раскачивает из стороны в сторону
человек, сидящий на нем верхом, то устройство идет вперед.
Ноги приводятся в движение рычагами от платформы, на которой
159
сидит человек (выражались сомнения в абсолютной необходимости
этой связи для человека-оператора). Устройство демонстрирова-
лось в действии человеком без ног, который оказался в состоянии
передвигаться и был очень доволен обретенной способностью.
Работы, подобные этой, много обещают не только для примене-
ний в протезах, но также для применения в роботе, что, в свою
очередь, будет содействовать развитию протезирования. Робертс
указал на то, что в то время как у большинства не обитающих
в воде животных функции перемещения и поддержания веса обес-
печиваются одним и тем же механизмом, в инженерных устрой-
ствах принято решать эти две задачи раздельно [36]. Он показал
моделированием, что коленный сустав человека построен таким
образом, что совершенно стабильно поддерживает вес независимо
от угла, под которым согнуто колено.
8.10. ГИБКИЙ КОЛЕННЫЙ СУСТАВ
Было бы очень желательно, чтобы подвижный робот мог легко
взбираться по ступенькам. Недавние работы показывают, что ме-
ханическое устройство ноги робота, способного выполнять такого
рода действие, по-видимому, не будет слишком сложным.
Были продемонстрированы протезы ног, содержащие свободно
сгибающийся коленный сустав, сгибание которого можно забло-
кировать. Это делается в том случае, когда человек сознательно
сокращает остатки мышц ноги, таким образом посылая миоэлек-
трические сигналы в систему управления [26]. Хотя коленный
сустав может быть заблокирован при сгибании, он всегда свободно
разгибается. Когда сустав полностью разогнут, электромагнит,
блокирующий сгибание, выключается, так что нога может снова
сгибаться в коленном суставе.
Человек с таким протезом может за несколько часов трени-
ровки обучиться хождению по ступенькам. Система управления
работает от шестивольтовой батареи, которой хватает на 20 000
сгибаний в течение 24 ч.
Тринг проводил демонстрацию гусеничного роботоподобного
устройства, которое способно взбираться по обычным домашним
ступенькам, неся при этом значительный груз.
Хотя было бы желательно, чтобы робот общего назначения мог
взбираться по ступенькам, наиболее разумная цель— постараться
сделать его таким дешевым, чтобы было нетрудно обеспечить ка-
ждый этаж своим собственным роботом.
8.11. ЛОДЫЖЕЧНЫЕ СУСТАВЫ
Естественно ожидать, что шагающий робот сможет двигаться
в любой среде, в которой может перемещаться человек. Сюда вхо-
дит хождение по наклонным поверхностям, и для того чтобы достичь
степени гибкости, доступной человеку, желательно, чтобы робот
160
был снабжен подобием ступни человека, закрепленной на лоды-
жечном суставе.
В этой связи представляет интерес проделанная работа по со-
зданию сустава лодыжки для использования в протезах ног. Не-
возможно было найти ни один материал, который мог бы сравниться
с живой тканью по износостойкости и усталостной прочности,
приспособляемости и отношению развиваемого усилия к массе.
Тем не менее в подвеске Нейдхарта для железнодорожных систем
успешно использовалась резина, которая была применена также
в искусственном суставе лодыжки, разработанной в AWRE.
Ротор, профилированный в виде шестиконечной звезды, под-
держивался в полом шестиугольнике шестью отрезками резино-
вого корда диаметром 10 мм. Это позволяло ступне отклоняться
вперед, назад или в стороны приблизительно на 15° относительно
ноги и также поворачиваться примерно на 15° в каждую сторону.
Истинный инженерный подход, учитывающий экономический ас-
пект, был предпринят при разработке таких лодыжечных суставов.
8.12. БОЛЬШАЯ ЧЕТЫРЕХНОГАЯ
ШАГАЮЩАЯ МАШИНА [18, 20, 21]
Недавно разработанная шагающая машина имеет вид четырех-
ногого существа и весит около 1350 кг. Она несет на себе человека-
оператора и предназначена для увеличения его габаритов и силы,
главным образом, для военных целей в трудных полевых условиях.
Машина копирует движения четырех конечностей человека-опе-
ратора. Разработка этой машины фактически финансировалась
американской армией. В ней применяются методы силовой обрат-
ной связи, разработанные для использования в манипуляторах.
Машина предназначена в основном для таких целей, как подъем
по крутым склонам, преодоление речных берегов и т. д. Это делает
исследование интересным, хотя из ряда работ, например Баллин-
гера [1], следует, что возможности гусеничного автомобиля для
этих целей, по-видимому, еще полностью не использованы.
«Четырехножка» имеет 3,3 м в высоту и может двигаться со ско-
ростью около 8 км/ч по равнинной поверхности с грузом 225 кг.
У каждой из четырех ног длиной 2 м две степени подвижности в
бедре и одна в колене.
В машине используется гидравлический привод, основным
источником энергии является бензиновый двигатель. Три движе-
ния каждой ноги ограничены по амплитуде; движения в лодыжке
или вокруг собственной оси отсутствуют. Нога человека, для
сравнения, имеет восемь различных движений, к которым добав-
ляются три возможных движения таза. Эта работа вряд ли когда-
нибудь найдет непосредственное применение в роботоподобных
устройствах, хотя из нее можно извлечь полезные уроки. Опера-
тор, пристегнутый ремнями к сидению, управляет одновременно
12 движениями и реагирует на 12 входов силовой обратной связи.
Б Дж. ф. Янг 161
Обратная связь от подошв ступней шагающей машины отсутст-
вует. Увеличение хода рук и ног оператора равно 4. При первом
же обучении оператора управлению машиной обнаружилось, что
невозможно успешно ходить, если ее задние ноги не видны опера-
тору. Поэтому прежде всего было необходимо поставить зеркала
заднего вида, хотя после небольшой практики этот же оператор
смог приспособиться к требованиям нового способа передвижения
и даже управлял машиной с завязанными глазами.
Обучаясь управлять машиной, оператор неожиданно столкну-
лся с различными трудностями. Например, человеку непривычно
передвигаться при горизонтальном положении тела, а кроме
того, бортовая, килевая качки и рысканье машины не совпадают
по фазе, тогда как оператор ограничен тем, что его обычные во-
семь степеней свободы движения ноги уменьшены всего лишь до
трех. Зависимость момента от угла сгибания в коленном суставе
нелинейная, и в то же время оператор должен приспособиться к
различиям в динамической характеристике, трении, силе ног и
т. д. Одна из трудностей состоит в том, что при ходьбе оператор
всегда располагает одну ступню неподвижно отностельно земли,
что невозможно, когда он управляет машиной. Из-за этих ограни-
чений машина «хромает».
Разновидности действий, к которым оказалась способной та-
кая «четырехножка» после 15 ч тренировки оператора, следующие:
хождение, поворот, балансирование на трех ногах (или на двух,
расположенных по диагонали). Машина преодолевает препятст-
вия высотой 1,2 м, проходит по узким тропинкам и пробирается
между препятствиями; приподнимает задок «джипа», используя
одну ногу; подталкивает «джип» передними ногами; раскачиваясь
и скользя, перемещается с 450 кг груза. Она поднимает одной
ногой груз весом 225 кг и точно устанавливает его на тележку.
Основной бензиновый двигатель мощностью 67 кВт, гидравли-
ческие насосы, теплообменники для масла и воды с вентиляторным
охлаждением, аккумулятор, фильтры и т. д. должны быть выпол-
нены в расчете на гидравлическое управление. Подача рабочей
жидкости составляет примерно 225 л/мин при давлении около
1500 кПа, тогда как при давлении около 23 000 кПа система
позволяет получить максимальные усилия. Управление полно-
стью гидравлическое, электроника не применяется.
Утверждается, что устройство, подобное этому, может^конку-
рировать с вертолетом при использовании на неровной местно-
сти и имеет то преимущество, что для подготовки оператора не
требуется продолжительной и дорогостоящей тренировочной про-
граммы. С точки зрения робототехники эта работа интересна
главным образом тем, что демонстрирует возможности четырех-
ногой шагающей машины. Кроме того, она выявляет трудности,
которые могут возникнуть при функционировании такого транс-
спортного средства совместно с робототехническим «мозгом»,
поскольку человек-оператор обнаруживает необходимость в ве-
162
сьма обширной координации. Именно она отнимает значительное
время при обучении, и поэтому следует ожидать, что для обуче-
ния системы, управляющей четырехногим транспортным сред-
ством, понадобится достаточно продолжительное время.
До того как была полностью сконструирована четырехногая
шагающая машина, проводились некоторые предварительные
испытания со «скелетной» машиной, не снабжавшейся никакой
дополнительной энергией, кроме энергии самого оператора, и
эти испытания также прошли успешно.
8.13. ДРУГИЕ АНТРОПОМОРФНЫЕ МАШИНЫ [39—52, 70, 71]
Машины, подобные «четырехножке», были названы антропо-
морфными за то, что они по форме походят на человека и дубли-
руют его манипуляционные способности. Работы по антропоморф-
ным машинам в значительной степени связаны с именем Мошера
из фирмы «Дженерал Электрик». Еще совсем недавно предпола-
гали, что обычная лопата может быть включена в категорию ан-
тропоморфных машин; утверждали также, что нетренированный
человек вполне способен пользоваться лопатой. Сейчас от этого
мнения отказались, о чем свидетельствует официально установ-
ленная подготовка, которую ввели на некоторых золотых приис-
ках до того, как рабочие начнут считаться «специалистами по
лопате». Однако, имеется много преимуществ в использовании
машин для увеличения возможностей человека, и ряд работ в
этом плане представляет интерес для робототехники. Например,
машине, в отличие от человека, легко доступно непрерывное вра-
щение отвертки.
Здесь, может быть, интересно будет упомянуть об опыте, при-
обретенном автором этих строк при работе на поточной линии.
Мастер этой линии обладал изобретательным умом и изобрел но-
вую отвертку, которая должна была революционизировать произ-
водство. Отвертка приняла вид стойки с ручкой, которая враща-
лась рукой, т. е. весьма напоминала точилку для карандашей.
Ручка вращала вал, снабженный отвертывающим наконечником.
Деталь, в которую должен был вворачиваться винт, зажималась
в тиски, и винт наживлялся рукой; затем ручка, хотя к ней при-
кладывалось усилие, направленное в сторону, поворачивалась,
винт вращался и ввинчивался в заготовку.
Вскоре я обнаружил, что это изобретение было в высшей
степени неудачным, ибо не обладало никаким «чувством». У каж-
дого примерно десятого винта я просто сбивал головку, оставляя
тело винта бесполезно вставленным в деталь. Тогда я взял простую
отвертку с храповиком и нашел, что трудностей стало на-
много меньше и что можно фактически удвоить производитель-
ность. Рабочий был раздосадован, когда убедился в этом, но я не
был первым человеком, отказавшимся использовать его изобре-
тение. Наиболее интересно здесь то, что изобретение не было
6* 163
удачным потому, что оператор не ощущал усилие, которое он
прикладывал, и отсутствовал ограничитель типа предохранитель-
ной фрикционной муфты.
В программе CAMS исходили из того, что робот без «чувства
осязания» срывал бы двери с петель, разрывал бы стулья при
попытке поднять их и вдавливал бы пруток в трубу при попытке
вставить его. Поэтому использование силовой обратной связи
стало важнейшей чертой программы.
Одним из результатов этой программы был копирующий ма-
нипулятор «Хэндимэн» для использования, например, в атомной
технике. У каждой из двух рук этого манипулятора 10 степеней
подвижности и электрическое управление гидравликой. Руки
оператора укладываются в мягкое крепление, называемое «каркас
повторителя». Испытания «Хэндимэна» на операции вставления
шпильки в отверстие показали необходимость использования
силовой обратной связи к оператору в процессе обучения, так
как без нее работа оказывается неустойчивой. При использовании
силовой обратной связи время на выполнение задания было умень-
шено наполовину, а расход мощности — в три раза, так что общее
потребление энергии сократилось в шесть раз. В другом экспери-
менте этой программы голова оператора находилась на высоте
около 4,5 м от пола; он стоял на двуногом сооружении, которое
должен был удерживать в состоянии равновесия. Это управление
осуществлялось сгибанием ног и изгибанием в талии. Некоторые
операторы — и это понятно — так нервничали, что были не
в состоянии сохранять равновесие, поэтому был сделан вывод
о необходимости расслабления.
Экзоскелетон «Хардимэн» надевается на человека и предназна-
чается для увеличения его мускульной силы. Он управляется
гидравлически при давлении рабочей жидкости около 20 000 кПа,
и человек, в него одетый, может поднять груз массой 700 кг на
высоту около 2 м, т. е. его мускульная сила увеличивается прибли-
зительно в 25 раз. Работа над экзоскелетоном показала, что для
каждой из его ног требуется как минимум пять степеней подвиж-
ности. Для сохранения равновесия при подъеме тяжелого груза
длина ступеней может увеличиваться. Совершенно очевидно, что
машина такого типа может быть построена высотой 6 или даже
10 м.
Другая работа в этой области — создание промышленного
погрузочно-разгрузочного крана «Мэн-Мейта» [62, 64, 89]. Это
была длинная рука с единственным локтевым суставом: плечевой
сустав располагался на уровне пола. Эта суставная рука позволяла
работать при максимальном перемещении 3,5 м и минимальном —
1,5 м и в то же время могла сгибаться в угле 220° (от упора до
упора). Она могла удлиняться со скоростью около 0,45 м/с и под-
нимать груз со скоростью 0,6 м/с; скорость сгибания составляла
45° в секунду. Силовая обратная связь к оператору обеспечива-
лась по трем степеням подвижности и имела максимальное значе-
164
ние около 20 Н. Питание 10 кВ, трехфазное. Давление в гидро-
системе составляло 12 000 кПа, и движение блокировалось при
исчезновении давления. В распоряжении оператора имелись
вакуумная чашка, крюковой и механический захваты, рассчи-
танные на груз приблизительно 180 кг. «Мэн-Мейт» использо-
вался для покрытия окунанием корпусов холодильника стекло-
видной эмалью, загрузки конвейера и погрузки бочек.
Описанный советским ученым, проф. Г. П. Катысом из Инсти-
тута проблем управления АН СССР метод передвижения лунных
транспортных средств [54], по крайней мере, довольно необычен.
Длинный стержень поддерживается двумя опорами А и В; стер-
жень выступает за опору у каждого конца. Тяжелый груз может
скользить вдоль стержня от одного конца к другому. Когда груз
достигает одного конца, скажем А, его вес вызывает подъем опоры
на другом конце В. Стержень может теперь поворачиваться вокруг
оставшейся опоры А как около центра, и опора В может быть
поставлена в некоторую выбранную по окружности движения
точку. Это действие затем может быть повторено, но уже с грузом,
движущимся к другому концу стержня В, так что опора А может
подниматься и перемещаться по окружности.
Список литературы
1. Ballinger Н. A., Machines with Arms, Sci. J., 4, October, 59 (1968).
2. Johnson E. G. and Corliss W. F., Teleoperators and Human Augmen-
tation, AEC/NASA Technology Survey, US Govt. Printing Office.
3. Goertz R. C., Fundamentals of General-Purpose Remote Manipulators,
Nucleonics, 10, November, 36 (1952).
4. Goertz R. C. and Thompson W. M., Electronically Controlled Mani-
pulator, Nucleonics, 12, November, 46 (1954).
5. Mosher R. S., An Electrohydraulic Bilateral Servo-manipulator, Proc.
8th Conf. Hot Labs Equipt. December, 1960 (A.N.S).
6. Goertz R. C., Manipulator Systems Development at ANL, Proc. 12th
Conf. Remote Systems Techno!., November, 1964 (A.N.S.), 117.
7. Goertz R. C. and Thompson W. M., Master-Slave Servo-Manipulator
Model 2, Proc. 4th Symp. Hot Labs Equipt, 1955 (O.T.S., Dept of Commerce,
Washington), TID 5280.
8. Grace J. E. A. et al., A Radiation Stable Heavy Duty Electromecha-
nical Manipulator, Proc. 8th Conf. Hot Labs Equipt, December, 1960
(A.N.S.).
9. Goertz R. C. et al., The ANL Model 3 Master-Slave Electric Manipu-
lator, Proc. 9th Conf. Hot Labs Equipt, November, 1961 (A.IX.S.), 121.
10. Young John F., Electronic and Magnetic Amplifier Voltage and Frequency
Regulators, Electricity in Industry. No. 9 (1956).
11. Young John F., Simplified Feedback Stabilisation, Process Control
Automn, 10, June, 233 (1963).
12. Giles A. F., Electronic Sensing Devices, Newnes (1966).
13. Cotes J. E. and Meade F., The Energy Expenditure and Mechanical
Energy Demand in Walking, Ergonomics, 3, 97 (1960).
14. Wilkie D. R., Man as a Source of Mechanical Power, Ergonomics,
3. January, 1 (1960).
15. Frank A. A., private communication.
16. Vukobratovic M., Frank A. A. and Juricic D., On the Stability of Bi-
Ped Locomotion, Trans. IEEE, BME17, January, 25 (1970).
165
17. Frank A. A. and McGhee R. B., Some Considerations Relating to the
Design of Autopilots for Legged Vehicles, Symp. Aids Hum. Motion, January,
1968 (sponsored by General Electric and US Army, Warren, Michigan).
18. Anon., The Walking Truck, Mach. Des., 41, April 17, 32 (1969).
19. Witt D. C., Powered Lower Limb Prosthesis, Symp. Basic Problems
Prehension, Movement Control Artificial Limbs, London, 1968 (Instn Meeh. Engrs),
paper 4, 18.
20. McGhee R. B., Finite State Control of Quadruped Locomotion, Simula-
tion, 9, September, 135 (1967).
21. McGhee R. B., Some Finite State Aspects of Legged Locomotion, Math.
Biosci., 2, 67 (1968).
22. Ingram D. J. and Stonehouse В. H., The GEC Power Manipulator, G.E.C.
JI, July, 153 (1958).
23. Anon., Remote Handling Epuipment, Des. Components Eng., October,
489 (1961).
24. Anon., The Machine Walks, New Scient., 47, September 3, 473 (1970).
25. Anon., Electro-Hydraulic Control for Artificial Arm, Electron, and Po-
wer, 16, May, 186 (1970).
26. Horn G. W., E.N.A.S.r.L., Electro-Control, private communication.
27. Ring N. D. and Welbourn D. B., A Self-Adaptive Gripping Device:
Its Design and Performance, Proc. Instn Meeh. Engrs, 183, pt 3J, November,
45 (1968).
28. Ferrel W. R. and Sheridan T. B., Supervisory Control of Remote Mani-
pulation, IEEE Spectrum, 4, October, 81 (1967).
29. Thring M. W., A Preliminary Design Study of a Robot to Operate a Large
Industrial Store, Proc. Joint Conf. Electron. Control Meeh. Handl., Nottingham,
July, 1971 (IERE), 375.
30. Palmer J., Experimental Proprioceptive Grab, Proc. Joint Conf. Elec-
tron. Control Meeh. Handl, Nottingham, July, 1971 (IERE), 385.
31. Young John F., A Stock Control Coding Scheme for Industrial Electro-
nics, Electron. Components, 9, March, 295 (1968).
32. Hall J. I. and Witt D. C., The Development of an Automatically-Sta-
bilised Powered Walking Device, Proc. Conf. Hum. Locomotor Eng., Sussex, Sep-
tember, 1971 (Instn Meeh. Engrs), 131.
33. Nichols G. K. and Witt D. C., An Experimental Unpowered Walking
Aid, Proc. Conf. Hum., Locomotor Eng., Sussex, September, 1971 (Instn Meeh.
Engrs), 144.
34. Grieve D. W. and Cavanagh P. R., Changes of Electromyographic Pat-
terns and Limb Movements Related to the Speed of Walking, Proc. Conf. Hum.
Locomotor Eng., Sussex, September, 1971 (Instn Meeh. Engrs), 1.
35. Poul J. P., Comparison of EMG Signals from Leg Muscles with the Cor-
responding Force Actions, Proc. Conf. Hum. Locomotor Eng., Sussex, September,
1971 (Instn Meeh. Engrs), 13.
36. Roberts T. D. M., Knee-Joint Kinematics and Control-Signal Economy,
Proc. Conf. Hum. Locomotor Eng., Sussex, September, 1971 (Instn Meeh. Engrs),
379.
37. McKenzie D. S., Knee Controls for Artificial Legs, in: Kenedi R. M. (ed.),
Biomechanics and Related Bio-Engineering Topics, Pergamon (1965).
38. Contini R., Gage H. and Drills R., Human Gait Characteristics , in:
Kenedi R. M. (ed.), Biomechanics and Related Bio-Engineering Topics, Perga-
mon (1965).
39. Mosher'R. S., Handyman to Hardiman, S. A. E. Congress, Detroit,
January, 1967, paper 670088.
40. Mosher R. S., Industrial Manipulators, Sci. Am., October, 88 (1964).
41. Mosher R. S. and Murphy W. W., Human Control Factors in Walking
Machines, A.S.M.E. Hum. Factors Meet, Chicago, November 7th, 1965.
42. Mosher R. S., Force Reflection Electrohydraulic Servomanipulator,
Electro-Technology, N.Y., (1960).
43. Mosher R, S., Operator-Machine Relationships in the Manipulator,
Electro-Technology, N.Y., (1960).
166
44. Mosher R. S., Exploring the Potential of a Quadruped, S.A.E. Int. Auto-
motive Eng. Congress, Detroit, January, 1969, paper 690191.
45. Mosher R. S., Robots to Amplify Man’s Manufacturing Efforts, Proc.,
AS.M.E. Des. Eng. Conf., Chicago, 1970.
46. Barnes S., Machines that Walk, Mach. Des., 37, February 17, 156 (1965).
47. Barnes S., Army Looks at «Living» Vehicles, Mach. Des., 39, Maj' 25,
18 (1967)..
48. Liston R. A. and Mosher R. S., A Versatile Walking Truck,
A.S.M.E./N.Y.A.S. Transportation Eng. Conf. Washington, October, 1968, paper
68 TRAN.
49. Liston R. A. and Mosher R. S., The Development of a Quadruped Wal-
king Machine, A.S.M.E., August, 1967, paper 67TRAN34.
50. Anon., Robots Herald New Design Capabilities, Prod. Eng., 41, Feb-
ruary 16, 82 (1970).
51. Berker M. G., Theory of Land Locomotion, University of Michigan
Press (1956).
52. Gray J., How Animals Move, Cambridge University Press (1953)
53. Anon., Mechanical Arm Can Even Thread Needles, Electron. Des., 19,
November 11, 30 (1971).
54. Anon., Leg Up for Lunokhod, New Scient., 53, January 6, 26 (1972); Ka-
tys G. P., Aviatsiya Kosmonaut., No. 12, 28 (1971).
55. Anon., Automated Warehousing — A Slave Computer on Every Stacker
Crane, Meeh. Hand!., 59, May, 85, (1972).
56. Anon., The Humanoids are Coming, Meeh. Eng, 94, January, 32 (1972).
57. Fletcher M. J. and Leonard F., The Principles of Artificial-Hand
Design, ArtiL Limbs, 2, May, 78 (1955).
58. Godden A. K., Some Factors in the Design of an Adaptive Artificial-
Hand, Proc. Instn. Meeh. Engrs. 183, pt 3J, 50 (1968).
59. Somers J. C., The Manipulator: Its Design and Applications, Meeh.
Eng., 82, February, 64 (1960).
60. Harbison S. G. et al., Application of Systems Analysis Techniques
to Remote Systems, Trans. Am. Nucl. Soc., 12, November, 848 (1969).
61. Lilywhite P. L., A Survey of Forging Manipulators and Their Appli-
cations, J. Iron St. Inst., 190, December, 394 (1958).
62. Anon., True Arm with Wrist Designed for Handling Materials, Mach.
Des., 41, May 29, 18 (1969).
63. Anon., Micromanipulator for Miniature Assemblies, Engineering, Lond.,
195, February 8 , 240 (1963).
64. Anon., Firm Manipulates Cost Out of Heavy Welding, Steel, 153, Au-
gust 5, 40 (1963).
65. Sines G., Microclaws for Use in Micromanipulation, Rev. Sci. Instrum.,
37, July 973 (1966).
66. Dolan С. P., High Vacuum Micromanipulation, Rev. Sci. Instrum.,
39, July, 1060 (1968).
67. Anon., Manipulators, Nucl. Eng., 7, 228 (1962).
68. Goertz R. C. et al., The ANL Mk TV2—An Experimental Five-Motion
Head-Controlled TV System, Trans. Am. Nucl. Soc., 9, November/ 619 (1966).
69. Anon., Rocket Lab Arms Self for Safety, Chem. Eng., 69, August 6, 72 (1962).
70. Chironis N. P., Can Engineers Soon Make Every Man a Superman?, Prod.
Eng., 39, March 25, 38 (1968).
71. Johsen E. G., Humanoids: The Remote Systems Technology, Nucl. News,
12, March, 37 (1969).
72. Klopsteg P. E. and Wilson P. D. (eds), Human Limbs and Their Sub-
stitutes, McGraw-Hill (1954).
73. Battye С. K. et al., The Use of Myoelectric Currents in the Operation
of Prostheses, J. Bone Jt. Surg. 37B, August, 506 (1955).
74. Anon., Brain Waved Artificial Leg, Sci. Dig., 20, Desember, 37 (1946).
75. Spielrein R. E., Some Modern Prosthetic and Orthotic Trends and Deve-
lopments seen as a Challenge to the Engineering Profession, J. Inst. Eng. Aust.,
41, June, 73 (1969).
167
76. Wedlick L. T., External Power and Recent Concepts in Control of Limb
Prostheses, Med. J. Aust., February 8, 278 (1969).
77. Engen T. J., Development toward a Controllable Orthotic System for
Restoring Useful Arm and Hand Actions, Orthop. Prosthet. Appliance J., 17,
June, 184 (1963).
78. Weltman G., Myoelectric Control of a High-G Servobrace. Proc. 5th
Int. Conf. Med. Electron., 1963, 627.
79. Anderson M. H., Upper Extremity Orthotics, Thomas (1965).
80. Simson D. C. and Sunderland G. D., 'A Position Servo Control System
for Powered Prostheses, Wld Med. Electron. Instrum., 3, May, 116 (1965).
81. Dorcas D. S. and Scott R. N., A Three-State Myo-electric Control,
Med. Electron. Biol. Eng., 4, July, 367 (1966).
82. McLaurin C. A., The Use of Electricity in Upper Extremity Prosthe-
ses, J. Bone Jt. Surg., 47B, August, 448 (1965).
83. Simpson D. C., Functional Requirements and Systems of Control for
Powered Prostheses, Biomed. Eng., 1, 250 (1966).
84. Scott R. H., Myoelectric Control of Prostheses and Ortheses, Bull. Prosth.
Res., 10—7, Spring, 93 (1967).
85. Baits J. C. et al., The Feasibility of an Adaptive Control Scheme for
Artificial Prehension, Proc. Instn Meeh. Engrs, 183, pt 3J, 54 (1968).
86. Mann R. W. and Reimers S. D., Kinesthetic Sensing for the EMG Con-
trolled Boston Arm, Trans. IEEE, MMS11, March, 110 (1970).
87. Simpson D. C., Control of a Multi-Movement Prosthesis, Proc. 9th Int.
Conf. Med. Biol. Eng., Melbourne, August, 1971, 230.
88. Newman N. and Tait К. E., Manipulators: A Survey, Inst. Engrs Aust.,
Elect. Eng. Trans., EE8, April, 1 (1972).
89. George R. L., Materials Handler has Hydraulic Muscle, Hydrauls Pneum.,
25, August, 53 (1972).
90. Hyam J., High Bay but Look No Stacker Cranes, Meeh. Handl., 59, August,
37 (1972).
91. Johnson E. G. and Corliss W. R., Human Applications in Teleope-
rator Design and Operation, Wiley (1971).
92. Litvintsev A. I., Vertical Posture Control Mechanisms in Man, Automn
Remote Contr., 33, September, 590 (1972).
93. Охоцимский Д. E., Платонов А. К. Алгоритмы управления движением
шагающего автомата. — В кн.: V Всесоюзное совещание по проблемам управ-
ления. Рефераты докладов. М., 1971, ч. 3.
94. Mizen N. J., Machines with Strength, Science J., 4, October, 50 (1968).
Глава 9
ПРАКТИЧЕСКИЕ РОБОТЫ
9.1. КОПИРУЮЩИЕ РОБОТЫ
ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
[2, 7, 8, 14, 20, 31, 38, 40, 43, 44, 54, 57, 61, 70, 71]
На протяжении всего текущего века наблюдается растущий
интерес к автоматизации производства. Если какое-либо действие
человека в результате инженерного изучения движений может
быть сведено к последовательности «терблигов», или классифици-
рованных движений [12], то нет серьезных оснований сомневаться
в том, что эти стереотипные движения могут быть выполнены ма-
шиной вместо человека-оператора.
Как уже отмечалось, идея такой замены человека-оператора
была вызвана не соображениями гуманности, а чисто экономиче-
скими соображениями. При таком положении дел существует
насущная потребность в уменьшении стоимости оборудования для
автоматизации, и единственным путем достижения в настоящее
время такого уменьшения стоимости является максимально воз-
можная стандартизация оборудования. В результате увеличи-
вается количество выпускаемой продукции, что ведет к уменьше-
нию стоимости единицы продукции.
В настоящее время широко используется, например в автомо-
билестроительной промышленности, тип производственной линии
[11, 22, 23, 39], в которой совершенно стандартные станки жестко
соединены негибкой конвейерной системой. Однако в такой системе
выход из строя только одного из основных узлов может привести
к остановке всей линии.
Более современный подход состоит в использовании стан-
дартных станков, соединенных относительно гибкой системой кон-
вейеров [22]. Такая «цепочечная» система относительно адап-
тивная, но и тут не обходится без трудностей. Основная труд-
ность, с которой автор столкнулся в работе над системами такого
рода, — это смещение детали на конвейере.
Даже легкое давление может вызвать смещение детали, кото-
рое помешает подающему механизму станка должным образом
захватить ее. Этого давления, создаваемого микровыключателем,
предназначенным для обнаружения наличия детали, вполне доста-
точно, чтобы сместить легкую деталь. Автор достиг некоторого
Успеха, используя в таких случаях электронные бесконтактные
выключатели, поскольку они не требуют никакого контакта
с деталью.
Тем не менее трудность остается, ибо точное выравнивание
Детали зачастую не так-то легко осуществить. Смещение детали
Даже Гв ничтожной доле процента от общего числа случаев
169
неприемлемо в любой машине, имеющей высокую производи"
тельность, если делается попытка вовсе обойтись без участия
человека-оператора.
Исходя из вышеизложенного и ясно осознавая некоторые
трудности, перейдем к рассмотрению ряда появившихся в послед-
нее время устройств, предназначенных для механических погру-
зочно-разгрузочных работ, например для загрузки станков.
Наиболее известны два вида устройств такого рода: «Юни-
мейт», созданный фирмами «Юнимейшн» и GKN, и «Версатран»,
созданный фирмами AMF и «Хаукер Сидлей». Схему движения,
принятую в «Юнимейте», можно сравнить со схемой движения,
используемой при управлении горизонтальной и вертикальной
наводками пушки, смонтированной на турельной установке.
Движения «Версатрана» базируются на раздельном управлении
по трем направлениям, расположенным под прямыми углами.
У «Юнимейта» больше радиус действия, чем у «Версатрана»;
минимальный радиус действия «Юнимейта» приблизительно равен
максимальному радиусу действия «Версатрана», и существует
мнение, что это делает их взаимодополняющими [19]. «Верса-
тран» больше подходит для непосредственной замены человека,
поскольку требует приблизительно такой же производственной
площади и имеет примерно такой же радиус действия. Президент
фирмы «Юнимейшн» [8] заявил, что если к 1970 г. в эксплуатации
находилось только 260 таких устройств, то их число к 1974 г. .
возрастет до 50 000, а время опытной наработки к середине 70-х
годов составит 60 000 ч.
Интересно отметить, что Тринг относит эти устройства к «не-
очувствленным» роботам [21 ] в том смысле, что у них нет никакой /
осязательной или визуальной обратной связи.
Эти автоматические промышленные манипуляторы и цепочеч-
ные системы имеют общее преимущество, заключающееся в том,
что между станками возможно значительное накапливание дета-
лей. Кроме того, облегчается обслуживание оборудования, так.
как большая .. часть линии может функционировать, пока один
станск проходит техническое обслуживание, во время которого
для него накапливаются детали.
9.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ КИСТИ НА СТАНКАХ [24]
Для загрузки такого оборудования, как прессы, использова- '
лось множество разнообразных видов механических кистей. Эта
операция повторяющаяся. Заготовка захватывается, помещается
в станок и освобождается от захвата; затем кисть отводится в сто-
рону в целях безопасности и готовится к следующей операции.
При этом одни кисти приводятся в движение основным двигате-
лем станка, другие имеют независимый привод. В первом случае
при работе с прессами на усилия от’20 до 1000 кН осуществляется
до 70 ходов в минуту и безопасная работа возможна при установоч-
170
ном зазоре около 6,5 см. Независимо работающая кисть управ-
ляет работой станка и поэтому должна снабжаться блокировками,
обеспечивающими контроль состояния кисти до начала рабочего
хода. Безопасной скоростью для такой системы считается 50 ходов
в минуту.
Типичная промышленная кисть может манипулировать дета-
лями диаметром 18 см, а также деталями квадратной или прямо-
угольной формы с площадью сечения до 230 см2; с большими дета-
лями манипулирование осуществляется на пониженных скоростях.
Достижимая точность позиционирования — 0,075 мм в любом
направлении.
Эти станочные механические кисти оснащаются различными
типами захватных устройств, например вакуумными присосками
или захватывающими пальцами; в некоторых случаях замена
одного типа другим занимает всего лишь несколько минут. Для
стали или железа используются «электромагнитные» кисти.
Вакуумные присоски работают от ротационного вакуумного
насоса, который позволяет обеспечить легкий переход от разреже-
ния к нагнетанию. Этот переход иногда используется для отделе-
ния замасленных или прилипнувших деталей от вакуумных
присосок. Обычно используется давление воздуха 400—600 кПа,
при этом подача насоса составляет около 0,3 м3/мин.
На некоторые кисти устанавливалась пара противостоящих
пальцев, управляемых клином, приводимым в движение от пневмо-
цилиндра. Применялись и электромагнитные захватные устрой-
ства, хотя здесь имеется трудность, возникающая из-за остаточ-
ного магнетизма, который препятствует освобождению детали.
Иногда для разделения нескольких стальных деталей (например,
пластин) использовались магнитные устройства, которые, ка-
жется, предназначались главным образом для облегчения ручного
труда человека, а не для установки на оборудование.
В отдельных случаях оказалось возможным одновременно за-
гружать и разгружать станки, используя две руки, которые пере-
мещаются во время работы станка. Работа такого станка при об-
служивании его человеком-оператором была бы очень опасна,
но она безопасна при замене человека более жестко управляемым
роботом-загрузчиком.
Некоторые виды механических кистей и рук создавались адап-
тивными, и их можно было переставлять с одного станка на другой
по мере необходимости. В ряде случаев схемы включения, ранее
предназначавшиеся для руки и кисти человека, стали использо-
вать для создания автоматической защиты, благодаря которой
человек-оператор мог безопасно работать с машиной.
Обычно используются кисти (или захватные головки) следу-
ющих типов: стандартного клещевого, крючкового, стержневого,
стамесочного, ограничительного и неопренового. Для большинства
применений вполне подходит стандартный клещевой захват,
имеющий две губки — верхнюю и нижнюю, на каждой из которых
171
располагаются два выступающих клещеподобных захватывающих
зуба. Захват крюкового типа используется для взятия деталей,
которые имеют удобное отверстие для введения крюка. У захвата
стержневого типа только один выступающий зуб на каждой из
губок, что позволяет детали наклоняться во время подъема.
Стамесочный захват имеет плоскую, в форме стамески, нижнюю
губку и раздвоенную верхнюю губку. Лезвие стамески исполь-
зуется для отделения нижней поверхности детали от станка.
Захват с ограничением специально сконструирован для захвата
любых деталей, у которых имеется по краю вертикальный бортик,
чтобы не разрушить последний и не оставить на нем метки. У не-
опренового захвата верхняя губка покрыта неопреном, что позво-
ляет избежать повреждения поверхности детали. Наличие такого
широкого выбора кистей для робота выявляет тенденцию к приме-
нению вместо кисти общего назначения более или менее специа-
лизированной кисти, приспособленной для выполнения конкрет-
ной работы.
Некоторые виды погрузочно-разгрузочных устройств можно
было, как уже упоминалось выше, переставлять с одного станка
на другой. Другие, подвижные, иногда устанавливались на от-
дельной раме, снабженной колесами, и их можно было откатить
с дороги, чтобы обеспечить легкий доступ к станку, например
для технического обслуживания. Следующий логический шаг
на этом пути — полностью независимый погрузочно-разгрузочный
робот, который можно использовать с любым станком, и в послед-
ние годы появились различные виды такого робота.
9.3. «ПЛАНОБОТ» [13]
«Планобот»— одна из первых программируемых механиче-
ских рук — был изготовлен фирмой «Плэнит Корпорейшн оф Лан-
синг» в Мичигане.
Кисть этой руки выдвигалась по радиусу на расстояние при-
мерно от 1 до 1,8 м и осуществляла наклон в пределах угла до.
60°, что позволяло использовать это робототехническое устрой-
ство для загрузки и разгрузки большого класса станков и им
подобных машин. Кисть закреплялась на конце длинной прямой
руки, которая могла выдвигаться, наклоняться вверх и вниз и
осуществлять поворот на угол 60° около вертикальной оси. Помимо
этого было предусмотрено вращение в запястье. В командоап- >
парате могло храниться до 45 различных позиций кисти, задавае- '
мых настройкой положения потенциометров, разбитых на 45
групп по пять потенциометров в каждой. В каждой из групп че-
тыре потенциометра хранили требуемое положение руки и кисти,
а пятый использовался для установки постоянной времени рези-
стивно-емкостной схемы, управляющей длительностью задержки
шагового переключателя, который передавал управление от одной
группы из пяти потенциометров к следующей.
172
У этого основного шагового переключателя имелось шесть
переключающих контактов или уровней и 45 различных последо-
вательных позиций. Рассогласование между требуемым положе-
нием, установленным на потенциометре, и действительным поло-
жением руки усиливалось и подавалось на реле, которые управ-
ляли соленоидами клапанов, управлявших, в свою очередь,
движением. Для вращательных движений использовались гидро-
моторы, а для поступательного движения, наклона и зажима —
цилиндры двойного действия.
Быстрое угловое перемещение «Планобота» осуществлялось
со скоростью 90° в секунду, что соответствует движению на мак-
симальном радиусе с максимальной скоростью 3 м/с. При при-
ближении к конечной позиции на расстояние около 4 см скорость
движения замедлялась приблизительно до 8 см/с, чтобы исклю-
чить перебег. Выдвижение и втягивание руки осуществлялось со
скоростью около 30 см/с.
«Планобот» программируется в каждой позиции установкой
четырех управляющих потенциометров таким образом, чтобы
кисть выходила в нужную точку. Затем шаговый переключатель
переводится в следующее положение, и операция настройки вы-
полняется для этого шага.
В каждой позиции времязадающий потенциометр первона-
чально устанавливается на максимальное время, чтобы запро-
граммированная операция сперва осуществлялась замедленно.
Если же обнаруживается, что движение производится удовлетво-
рительно, время задающие потенциометры можно отрегули-
ровать для уменьшения времени задержки на любом шаге и таким
образом ускорить выполнение всей операции. В «Планоботе» была
предусмотрена возможность непрерывного движения по любой
из степеней подвижности на протяжении одного или нескольких
шагов, в то время как движения по другим степеням подвижности
изменялись на каждом шаге. Например, кисть могла втягиваться
до тех пор, пока не пройдет препятствие, а затем продолжать
втягиваться, одновременно осуществляя поворот в сторону.
9.4. «ЮНИМЕЙТ» [17, 52]
У робота «Юнимейт» одна рука с гидравлическим приводом,
оснащенная двупалой кистью с пневматическим приводом. Пальцы
кисти могут быть различных видов, выбираемых в зависимости
от задания, которое предстоит выполнить; кроме того, они до-
вольно легко заменяются, поскольку закрепляются всего лишь
четырьмя винтами диаметром около 0,6 см. Каждый палец имеет
ограниченное движение в 6° около оси поворота, так что длина
выбираемого пальца зависит от размера и формы детали. Обычно,
если расстояние от оси поворота до вершины пальца около 15 см,
то фактическая длина пальца составляет 12 см и ход кончика
пальца — около 3,5 см. Пальцы приводятся в движение двойным
рычагом, преобразующим в угловое движение линейное переме-
173
щение поршня пневматического цилиндра, расположенного вдоль
оси руки. Усилие сжатия максимально при сомкнутых пальцах
и изменяется от 1600 Н при давлении воздуха около 350 кПа до
600 Н при 70 кПа. Действующее значение усилия сжатия прямо
пропорционально котангенсу угла между нормалью к пальцу и
осью руки, так что оно уменьшается по мере сжимания. Это значе-
ние, кроме того, обратно пропорционально расстоянию от оси
вращения до кончика пальца.
Максимальная грузоподъемность «Юнимейта» около 12 кг,
хотя на пониженной скорости он может манипулировать грузом
около 36 кг. Номинальная точность позиционирования с грузом —
около 1,25 мм. Следует отметить, что последняя цифра относится
к «Юнимейту» и совсем не обязательна для его «окружения» или
машины, которая им загружается. Хотя масса «Юнимейта» около
1600 кг, довольно сильные вибрации пола, с которыми автор
сталкивался при работе в промышленности, могут привести к за-
труднениям, и не исключено, что потребуется крепить это загру-
зочное устройство к загружаемой им машине. Если придется по-
ступать таким образом, наверное, было бы лучше, если бы загру-
зочное устройство имело меньшую массу. Габаритные размеры
«Юнимейта» примерно 1,5X1,2X1,4 м; устройство может пере-
возиться обычным автопогрузчиком с вилочным захватом.
Система управления «Юнимейта». Робот «Юнимейт» может
расположить кисть в любой точке горизонтальной площадки,
образованной радиусом 1,8=Д),5 м и горизонтальным углом по-
ворота 220°. Кисть робота, кроме того, подвижна в вертикальной
плоскости в пределах угла 220° с вершиной в запястье. Вся рука „
поворачивается в вертикальной плоскости относительно центра
вращения, так что кисть можно установить в рабочую позицию,
находящуюся на расстоянии минимум 15 см и максимум 2,4 м от
пола. Таким образом, рабочая зона руки фактически имеет форму
телесного угла внутри полой сферы.
Рука может вращаться вокруг центра вращения с максималь-
ной скоростью 110° в секунду, и кисть поворачивается вокруг
своего центра вращения с такой же скоростью. В шарнире запя-
стья может осуществляться поворот на угол 180° — от упора до
упора — с той же скоростью 110° в секунду.
Функциональная схема системы управления показана на
рис. 9.1. Гидравлический цилиндр фирмы «Паркер Ханифан»,
использующийся в приводе, запитывается рабочей жидкостью ->
под давлением от 5200 до 6500 кПа, поступающей от источника
гидропитания через сервоклапан, управляемый сервоусилителем.
В источнике гидравлической энергии используется шестеренный
насос, приводимый в движение трехфазным двигателем мощностью
7,5 кВ. Для поддержания давления при потреблении, превыша-
ющем возможности насоса, установлен аккумулятор емкостью
около 11 л. При падении давления ниже уровня 3200 кПа аварий-
ный выключатель низкого давления прекращает работу устройства.
174
Гидравлическая схема и исполнительные механизмы этого
устройства были описаны Забо [31]. Когда производится ручное
программирование системы, на вход сервоусилителя подается
сигнал ручной установки; когда же выполняются повторяющиеся
операции, на вход сервоусилителя вместо этого сигнала посту-
пает сигнал от компаратора. Измерение фактических перемещений
относительно фундамента машины осуществляется кодирующим
устройством. Во время установочной операции цифровой выход-
ной сигнал кодирующего устройства в виде 80-битовых слов запи-
сывается на магнитный барабан, приводимый в движение шаго-
вым двигателем. На магнитный барабан записываются только
конечные положения каждого требуемого движения, а образую-
щаяся траектория и затрачиваемое время не записываются.
h Рука
— „ I--------Г
Сербоклапан Гидравлические _______
. цилиндр Гййдирунццее
\ устройство
цилинвр
1 Цепь обратной
--------ic“,9ja
Источник
сиВропитания
Управление
обучением
yow+f- Цело обучения
цся» повторения
$ выход
"^барабана
Магнитный барабан
ALJwS барабана
Рис. 9.1. Функциональная схема системы управления
«Юнимейта»
Сигнал окончания программы используется для возвращения
барабана в исходное положение, после чего работа может повто-
ряться до тех пор, пока внешний сигнал не вызовет ее прекра-
щение.
При работе «Юнимейта» по программе, записанной на магнит-
ном барабане, сигнал с выхода кодирующего устройства поступает
на цифровой компаратор, где он сравнивается с сигналом требу-
емого положения, поступающим в цифровом виде от барабана.
Когда по всем пяти сервоуправляемым движениям руки достига-
ется совпадение этих сигналов и когда удовлетворены все необ-
ходимые внешние сигналы-условия, барабан памяти передвига-
ется на следующий шаг.
Пять степеней свободы этого устройства таковы: 1) радиаль-
ное перемещение руки; 2) перемещение руки по вертикали; 3) по-
ворот руки вокруг вертикальной оси; 4) поворот кисти вокруг
продольной оси; 5) поворот кисти в вертикальной плоскости.
В устройстве предусмотрено управляемое замедление движе-
ния по любой из степеней подвижности при завершении движения,
е. при приближении к точке, в которой происходит совпадение
Цифровых значений сигналов. Все пять сервосистем робота, как
175
правило, работают одновременно, так что при переходе к конеч-
ному положению формируется сложная траектория. Однако раз-
личными способами может устанавливаться приоритет движения.
Например, можно сделать так, чтобы вертикальное движение
к конечному вертикальному положению завершилось до любого
горизонтального движения, что используется, скажем, в тех слу-
чаях, когда деталь должна быть подана к станку горизонтально.
Кроме того, для подобных операций можно установить приори-
тет количественно и таким образом определить, каково должно
быть приближение к конечному (например, вертикальному) поло-
жению, прежде чем разрешится любое другое (например, горизон-
тальное) движение. Такого рода управление задает степень искрив-
ления конечного участка траектории, например, определяет,
насколько острым должен быть угол между горизонтальным
и вертикальным движениями.
Емкости памяти «Юнимейта» — 200 последовательных команд.
Для выполнения любых внешних операций устройство снабжено
изолированными десятиамперными контактами, управляемыми
памятью. Система предназначена для работы при максимальной
температуре окружающего воздуха 50° С. Расчетный срок службы
системы — 40 000 ч; через каждые 2500 ч работы рекомендуется
производить текущие технические проверки. Требуемая мощность
трехфазного питания-— 11,5 кВ-А.
«Юнимейт»— совершенно универсальное устройство, пред-
назначенное для выполнения повторных серий операций, в то же
время позволяющее периодически производить перестройку про-
граммы на совершенно отличную операцию.
Ниже приведены цифры, которые отражают результаты, до-
стигнутые при использовании этого устройства. На операции
разгрузки машины для литья под давлением «Юнимейт» работал
с производительностью 135 деталей в час при 1—2% брака, тогда
как производительность человека-оператора — 108 деталей в час
при браке до 20%.
При использовании «Юнимейта» в промышленной обстановке
в условиях помех возникли сложности [30]: обнаружилось, что .
в некоторых случаях из-за воздействия внешних полей возможно
стирание из памяти на магнитных сердечниках. Хотя память
на бумажной ленте не имеет этого недостатка, ее сложнее пере-
программировать. Память на проводниках с магнитным покрытием
оказалась наиболее подходящей для использования в средах х
с помехами [27, 46].
9.5. УСТРОЙСТВА «ВЕРСАТРАН»
[3, 18, 37, 41, 42, 53, 66, 68]
Название «Версатран» охватывает несколько различных
устройств, выпускаемых фирмами AMF и «Хаукер Сидлей».
Наиболее сложный вариант устройства способен к обширному >
176
классу операций. Кисть «Версатрана», закрепленная в запястье,
в котором она может поворачиваться вокруг двух взаимно пер-
пендикулярных осей, способна нести рабочий груз массой до 45 кг.
Кисть закреплена на конце руки таким образом, что ее можно
перемещать горизонтально и вертикально на —40 см от сред-
него положения, а также поворачивать вокруг вертикальной
оси на угол —120'. Таким образом, покрываемое рукой прост-
ранство представляет собой часть цилиндра радиусом около 80 см
и высотой около 80 см внутри угла 240°. Считается, что точность
позиционирования составляет около 1,25 мм, хотя для всех
осей на максимальном вылете она равна —3 мм.
Вертикальная колонна устройства приводится в движение
двумя гидравлическими цилиндрами, которые поворачивают ко-
лонну вокруг ее оси при помощи звездочек, охваченных цепями.
Вертикальное движение руки осуществляется гидравлическим
цилиндром, вертикально перемещающим зубчатое колесо между
двумя зубчатыми рейками, одна из которых прикреплена к вер-
шине основного вертикального вала, а другая — своей нижней
частью — к корпусу. В корпусе имеется вертикальное отвер-
стие, охватывающее основную вертикальную колонну, и он может
перемещаться вертикально гидравлическим цилиндром по схеме
рейка—шестерня.
В корпусе имеется также горизонтальное отверстие, в котором
перемещается горизонтальная рука. Это горизонтальное движение
осуществляется от гидравлического мотора, установленного на
верхнем конце основного вертикального вала. Гидромотор вра-
щает вертикальный вал прямоугольного сечения, другой конец
которого имеет опору в нижней части основной вертикальной
колонны. В корпусе, на валу квадратного сечения, установлено
зубчатое колесо, причем таким образом, что оно может вращаться
валом и в то же время свободно скользить вверх и вниз вместе с
корпусом. Это зубчатое колесо сцепляется с горизонтальной зуб-
чатой рейкой, закрепленной на горизонтальной руке устройства.
Таким образом, когда гидравлический мотор на верхнем конце
основного вала приводится в действие, он вращает вертикальный
прямоугольный вал и зубчатое колесо, которое входит в зацепле-
ние с горизонтальной зубчатой рейкой, заставляя горизонтальную
руку двигаться вперед и назад. Запястье и кисть смонтированы
на конце этой горизонтальной руки.
Через горизонтальную руку проходят два приводных вала.
Один из них вращается зубчатым колесом, приводимым в движе-
ние зубчатой рейкой, которая перемещается взад и вперед гидрав-
лическим цилиндром, вертикально установленным на корпусе.
Другой конец этого вала вращает запястье вокруг оси 'горизон-
тальной руки. Второй приводной стержень проходит через за-
пястье, и его возвратно-поступательное движение задается дру-
гим, на этот раз соосным с рукой, гидравлическим цилиндром,
который движет взад-вперед зубчатую рейку, находящуюся с
177
кистевой стороны запястья. Эта рейка зацепляется зубчатым коле-
сом, вызывающим поворот всей кисти вокруг оси, проходящей
под углом к руке.
Схваты кисти руки запитываются рабочей жидкостью, посту-
пающей по гибким трубкам, расположенным снаружи. Для выпол-
нения специальных работ на роботе могут устанавливаться кисти
различных видов.
Двигатель мощностью 6 кВт обеспечивает магистральное гид-
равлическое энергоснабжение устройства рабочей жидкостью под
давлением около 7000 кПа при расходе около 36 л/мин. При от-
казе системы гидроснабжения рука не сможет повернуться или
упасть, поскольку блокирование клапанов гидравлической си-
стемы обеспечивает безопасность в случае аварии. В системе ис-
пользуется 55-градусный масляный термостат.
Общая схема, принятая для управления, совпадает с показан-
ной на рис. 9.1, за исключением того, что при управлении по
непрерывной траектории вместо магнитного барабана использу-
ется магнитная лента, а при управлении «от точки к точке»— по-
тенциометры.
Устройство имеет длину около 1,2 м, ширину 0,7 мм и общую
высоту 1,8 мм при полной массе 600 кг. Скорость движения руки
в вертикальном и горизонтальном направлениях 0,9 м/с, скорость
поворота вокруг вертикальной оси — 90° в секунду. На полной
скорости может переноситься груз массой 18 кг, и максимальный
груз 45 кг может переноситься на пониженной скорости.
Предусмотрено воздушное охлаждение устройства при тем-
пературе внешнего воздуха от 0 до 45° С. Расчетный срок службы
устройства при условии выполнения текущего технического обслу-
живания составляет 40 000 ч. Требуется трехфазный источник
электропитания частотой 50 Гц, мощностью 6,5 кВ-А. Устрой-
ство можно поставить на маленькие колеса. Для увеличения
вылета примерно до 1,4 м можно установить более длинную гори-
зонтальную руку.
Время простоя, зафиксированное при эксплуатации первых
моделей, составляло 20% [8], но уменьшилось до 2,5% и менее
в более поздних моделях. Подобных цифр и следует ожидать при.
таком новом подходе. Только обратная связь «по опыту» может
улучшить устройство.
«Версатран» с управлением «от точки к точке». В одной из
модификаций «Версатран» используется как устройство с управ-
лением «от точки к точке». В данном случае кисть предназначается
для движения с максимально возможной скоростью между лю-
быми двумя точками в рабочей зоне. В этом варианте машина
пригодна для выполнения таких работ, как загрузка и разгрузка
машин, штабелирование и т. д.
Для хранения требуемой последовательности операций исполь-
зуется программный барабан, хотя сообщалось также и об исполь-
зовании электронных кольцевых счетчиков, построенных на де-
178
сятипозиционных модулях. Заданные по осям положения руки
хранятся совокупностью потенциометров, причем для каждого
из трех движений используются 30 потенциометров. В одном из
вариантов устройства потенциометры монтировались в блоки
по шесть потенциометров в каждом, так что для увеличения
объема памяти могли добавляться дополнительные модули.
Программное устройство смонтировано в отдельной консоли,
отделенной от основного агрегата робола. Программа хранится
на съемном наборном поле, благодаря чему возможно хранение
различных программ. Требующаяся последовательность операций
первоначально намечается на бумаге графически, а затем наби-
рается на наборном поле. Вслед за этим осуществляется пошаго-
вый ручной переход по набранной последовательности, во время
которого нужные положения руки и кисти устанавливаются по-
тенциометрами раздельно по каждой из осей.
Типичное применение такого устройства — автоматическая
загрузка и разгрузка тележек у печи для обжига кирпича. Здесь
оказалось возможным при помощи четырех устройств «Версатран»
выполнять работу 12 мужчин в каждой из двух смен и легко
перепрограммировать устройство при изменении размеров
кирпича.
Интересно отметить, что стандартные устройства в этом при-
менении были, как это ни странно, смонтированы в перевернутом
виде. Кирпичи захватывались пневматическими надувными по-
душками, наполняемыми газом до давления 35 кПа.
Максимальное число позиций руки в последовательности
обычно 30, тогда как максимальное число шагов — 100. От основ-
ного устройства может управляться в общей сложности 12 вход-
ных и выходных цепей. В другой модели предусмотрено в каче-
стве стандарта 20 шагов, но это число может быть увеличено:
18 положений руки добавляются при использовании стандартной
группы из трех модулей по шесть потенциометров в каждой. Это
число позиций, в свою очередь, можно увеличить подключением
дополнительных модулей.
На операции загрузки и разгрузки поковок была достигнута
производительность от 120 до 1200 единиц в час.Манипулирование
поковками производилось при температуре до 1200° С. Примером
применения робота, когда оказалось возможным заменить людей
и таким образом производить работу в опасной для человека среде,
служит процесс нанесения покрытия детонационным распылением.
Человек не может долго находиться внутри рабочей кабины в тя-
желых условиях ударных волн и чрезвычайно высокого уровня
шума. Тем не менее «Версатран» успешно использовался в этих
условиях для загрузки и разгрузки машин и развивал произво-
дительность до 600 деталей в час.
Выпускается также упрощенный вариант «Версатрана», име-
ющий только два движения. Название этого устройства — «Сим-
плтран».
179
Для облегчения выполнения операций, представляющих собой
повторение простейшей операции с незначительными позицион-
ными различиями, были введены методы подпрограмм [31 ].
Такой подход может значительно уменьшить число шагов, необ-
ходимых для хранения в общей программе. Создание адаптивного
управления схватом позволило «Версатрану» производить захват
отдельных предметов из большой группы [31, 32]. В ряде случаев
устройство устанавливалось на рельсовый путь до 25 м длиной,
вдоль которого оно могло перемещаться со скоростью до
45 см/с [31 1.
«Версатран» может устанавливаться на рельсы (как идущие
по полу, так и подвесные), обеспечивающие движение от одного
рабочего участка к другому [58, 59]. Гидравлические агрегаты
и блоки программного управления не обязательно перемещать
вдоль пути вместе с рукой. Может использоваться прямой или
круговой вариант рельсового пути, по которому возможно дви-
жение со скоростью около 45 см/с. Пункты остановок программи-
руются или заранее, как и движения руки, или во время остановки,
или во время движения в том или ином направлении. Грузоподъем-
ность этого устройства около 68 кг при движении руки по гори-
зонтальной и вертикальной осям со скоростью около 90 см/с.
Рука поворачивается в горизонтальной плоскости на угол 240°
со скоростью 90° в секунду; точность позиционирования ±1,5 мм.
Зажимы для деталей на конце руки могут вращаться в угле 360°
и поворачиваться на угол 280°.
«Версатран» с контурным управлением. В тех случаях, когда
требуется, чтобы рука робота двигалась по непрерывно контроли-
руемой траектории, а не по кратчайшему пути от точки к точке,
для «Версатрана» используется другое устройство управления.
Для таких применений робота необходимо, чтобы рука была спо-
собна к действительно непрерывно управляемому движению со
скоростью и ускорением, управляемыми вдоль всей траектории
движения.
В этом случае используется отдельное устройство управления,
в состав которого входят два лентопротяжных механизма, пред-
назначенных для цифровой памяти. При программировании необ-
ходимая последовательность рабочих движений задается прове-
дением руки робота вручную при помощи выносного пульта
управления, подсоединенного к руке. Для предотвращения пре-
рывания программы поочередно используются сдвоенные программ-
ные магнитные ленты, короткие же программы могут быть много-
кратно повторены на лентах. Магнитные ленты могут также по-
давать сигналы на внешнее оборудование и, в свою очередь, управ-
ляться внешним оборудованием. Незначительные изменения про-
граммы могут производиться путем изменения части записи на
ленте. Применяется стандартная магнитная лента шириной 6 мм
приборного типа; обычный рабочий цикл составляет 16 мин на
одну ленту. Пока одна лента перематывается, другая управляет
180
машиной. Скорость движения ленты — 19 см/с. Для многократной
записи на ленту коротких повторяющихся программ можно ис-
пользовать автоматическую переписывающую систему. Устрой-
ство имеет 12 гнезд для осуществления внешних функций
управления.
9.6. ДРУГИЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
[70, 74, 77]
В настоящее время выпущено множество других разнообразных
робототехнических погрузочно-разгрузочных устройств. Приме-
рами могут служить робот «Минимэн», созданный фирмой «Фостер
Флуидикс»; манипулятор «Вэлмэн» для процесса ковки; разработки
Ноттингемского университета, реализованные фирмой «Хаукер
Сидлей»; промышленное робототехническое устройство «Хивип»
фирмы «Хитачи»; робот «Трансива» фирмы «Тэйлор» [31 ] и робот
«Эри Аутоплейс» [31 ].
Робот «Минимэн» имеет вылет около 30 см, подъем около 7,5 см
и вращение в угле 90°. Максимальное число шагов программы —
40, длительность цикла — от 2 до 55 с. Наиболее важная черта
•«Минимэна» — наличие обратной связи от датчика, расположен-
ного в передней части устройства, что позволяет в результате
поиска обнаруживать произвольно расположенный предмет.
У этого устройства имеется гидравлический привод по одной из
осей и пневматический — по трем другим осям, где движение
происходит между механическими упорами. «Минимэн» — деше-
вое устройство: его цена менее 500 фунтов.
В Ноттингемском университете группа специалистов под
руководством профессора Хегинботэма разработала «Минитран» —
простую сборочную машину, выпускаемую сейчас фирмой «Хаукер
Сидлей». Группа продолжает работать над программируемой двух-
осевой сборочной машиной, которая будет в конечном счете про-
граммироваться оператором, задающим машине требуемые дви-
жения.
В работе «Хивип Мк-1» фирмы «Хитачи», описанном на стр. 133,
для управления двумя телевизионными камерами и манипуля-
ционной рукой используется цифровая ЭВМ «Хитак 7250» [35,
62—64]. Одна камера рассматривает ортогональную проекцию
объекта сборки, а другая — разрозненный набор деталей, под-
лежащих сборке. Затем ЭВМ принимает решение по выбору наи-
более экономичной последовательности движений манипуляцион-
ной руки устройства в процессе сборки. У кисти робота семь
возможных движений.
В Ноттингемском университете разработан также двухосевой
стол для позиционирования деталей. После фотоэлектрического
обнаружения деталей, случайным образом расположенных на
столе, стол движется по двум осям и переносит деталь в заданную
позицию [9, 10].
181
Рука, использовавшаяся в стэнфордском проекте по искус-
ственному интеллекту, коротко описана Полом [25]; как уже
упоминалось, она была спроектирована и изготовлена в госпи-
тале «Ранчо Лос Амигос» близ Лос-Анджелеса в качестве протез-
ного устройства для парализованной руки человека [26, 29].
У этой искусственной руки шесть степеней свободы и рабочая зона,
приблизительно совпадающая с рабочей зоной руки человека.
На кисти установлен захват тисочного типа. В приводе руки ис-
пользуются двигатели с печатным якорем и волновая передача,
причем два первых сустава вращательные, следующий—теле-
скопический, а три сустава запястья имеют пересекающиеся оси.
Положение в каждом из суставов определяется структурно
объединенным с суставом потенциометром, выход которого посту-
пает на 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Дви-
гатели управляются 9-разрядным широтно-импульсным преобра-
зователем, который дает максимальный выходной импульс дли-
тельностью 15 мс. В цифровую импульсную следящую систему
включена управляющая машина PDP6; частота взятия отсчетов —
60 в секунду.
Робот «Трансива» [31 ], производимый фирмой «Тэйлор»,
может оснащаться различными кистями, такими, как схват тисоч-
ного типа, внешний и внутренний кронциркульный схват, вакуум-
ная всасывающая головка или магнитная головка. Высота подъема
руки по вертикали — от 10 до 30 см, горизонтальный вылет —
от 10 до 60 см. Рука перемещается в угле 180° и занимает фикси-
рованные положения при углах 0, 90 и 180°. Запястье поворачи-
вается на угол 180°. Рука может манипулировать грузом около
45 кг на вылете 1,2 м.
«Трансива» программируется по 15 каналам предварительной
пробивкой отверстий в картах программного устройства барабан-
ного типа, которое вызывает срабатывание конечных выключа-
телей, управляющих соленоидными клапанами гидравлического
привода. Электрический двигатель напряжением 1,1 кВ приводит
в движение гидравлический насос, обеспечивающий давление
около 2800 кПа.
Робот «Сайдмэн» [36], выпускаемый фирмой «Мицубиси»,
используется для загрузки и разгрузки со скоростью до 940 дета-
лей в час пресса для листового металла. Источником энергии
служит сжатый воздух, управляемый предварительно программи-
руемым поворотным пластмассовым барабаном, на котором вруч-
ную устанавливаются кулачки диаметром 12 мм.
В Австралии фирмой IHI созданы промышленные роботы
«Флексимэн» [50 ] и «Консларм». Возрастает интерес также и к авто-
матическим сборочным машинам [55].
«Эри Аутоплейс» — дешевая рука, работающая на сжатом
воздухе под давлением 400—600 кПа, которая может манипули-
ровать грузами приблизительно от 28 г до 4,5 кг [31 ]. В комплекте
имеются четыре различные руки из нержавеющей стали. Выбор
182
руки, устанавливаемой на робот, зависит от того, требуется ли
ротация, качание, выдвижение или какая-либо их комбинация.
Могут использоваться кисти, имеющие один фиксированный и
один подвижный палец, два одновременно движущихся захваты-
вающих пальца, подвижное запястье или вакуумную присоску.
Робот выполняет различные виды операций, например непрерывно
повторяющиеся или одноцикловые операции, которые могут
быть сблокированы с внешним оборудованием. У «Аутоплейса»
вертикальный подъем около 7,5 см, выдвижение порядка 30 см,
вращение в угле 22° и радиальный поворот на угол 270°; макси-
мальный вылет руки около 60 см. Двигательные способности
этой руки можно описать объемом, ограниченным концентриче-
скими сферами [33].
Норвежский робот «Тралфа» (компании «Андерхауг и Девил-
бис») предназначается для нанесения покрытий распылителем
[75, 761. Сначала человек осуществляет рукой робота с распыли-
телем всю необходимую последовательность движений; одновре-
менно выходы резольверов, установленных в суставах, записы-
ваются со скоростью около 80 отсчетов в секунду на магнитную
ленту. После этого робот может повторять записанные движения,
.управляя электрогидравлическим приводом в соответствии с за-
писью на магнитной ленте. Наличие детали может обнаруживаться
фотоэлектрически, с помощью ультразвука или конечного выклю-
чателя. В случае обнаружения детали начало цикла задерживается
на время до 6 с, что позволяет детали продвинуться на позицию.
На ленте может храниться программа продолжительностью до
109 с. Максимальная скорость движения руки 1,7 м/с; в запястье
может осуществляться горизонтальное или вертикальное качание
в угле 210°. Грузоподъемность устройства около 30 кг на малой
скорости и 15 кг — на большой. Общая масса устройства 650 кг,
потребляемая мощность 4,5 кВ-А.
Устройство состоит из вертикальной части длиной около 75 см,
которая может качаться вперед и назад в угле ±=80°, и установлен-
ной на ней горизонтальной руки приблизительно 1,6 м длиной.
Эта горизонтальная рука может поворачиваться на угол ±75°
в горизонтальной плоскости и на угол ±68° — в вертикальной.
Габаритные размеры основания руки, устанавливаемого на полу,
приблизительно 1,1X0,75x0,83 м, так что вершина вертикальной
части руки находится на расстоянии около 1,85 м от пола.
Взаимодействие промышленного робота, возможно, подвиж-
ного, с окружающей его средой рассматривалось Белчером и др.
[65].
9.7. СРАВНЕНИЕ РОБОТА И ЧЕЛОВЕКА
С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЭКОНОМИКИ [72, 73, 78]
Экономика «Версатрана». Представляет интерес привести
здесь некоторые данные фирмы AMF — производителя «Верса-
трана»— для экономического сравнения этой машины с человеком,
183
выполняющим такую же работу. Данные фирмы переведены
в проценты.
Предполагается, что часовая стоимость использования чело-
века на выполнении некоторой операции составляет 100 единиц.
Заметим, что сюда включаются заработная плата, дополнительные
льготы и т. д., а обычные заводские накладные расходы в этом
рассмотрении не учитываются. Далее предполагается, что стои-
мость робототехнического оборудования эквивалентна капитало-
вложению объемом 472 000 единиц, т. е. в 4720 раз превышает
часовую стоимость труда человека. Предполагается также про-
порциональное снижение стоимости оборудования в течение 10 лет.
И последнее предположение состоит в том, что один робот может
выполнять работу только одного человека и что робот и человек
работают непрерывно в одну смену, что составляет 2000 ч в год.
Стоимость этой машины на пять лет аренды задается вели-
чиной 10 920 единиц в месяц. Тогда часовая стоимость эксплуата-
ции робота при односменной работе составляет 80,7 единиц, из
которых 65,4 единиц — стоимость аренды. При двухсменной
работе эта стоимость составляет 45,6 единиц, а при трехсменной
работе она падает до 32,6 единиц в час. Напомним, что эти вели-
чины сравниваются с предполагаемой для труда человека стоимо-
стью в 100 единиц в час.
Стоимость машины уменьшается до 3940 условных единиц
в месяц, если она куплена полностью и предполагаются 10-летний
срок службы до списания и прямо пропорциональное снижение
ее стоимости. В этом случае часовая стоимость односменной
работы робота составляет 38,9 единиц, из которых 23,6 единиц
приходятся на амортизацию. При двухсменной работе эта стоимость
составляет 24,6 единиц, в то время как при трехсменной работе
она падает до 18,66 единиц в час по сравнению со 100 единицами
для труда человека.
Фирма-производитель устройства «Версатран» указывает, что
приведенные цифры не включают положительный эффект умень-
шения брака и положительное действие на другое оборудование
постоянства временных циклов на протяжении длительных пе-
риодов времени.
Забо [31 ] предположил безотносительно к какому-либо кон-
кретному устройству, что при оценке среднего времени между .
отказами в 600 ч, времени простоя меньше 2% и ожидаемом сроке
службы в 40 000 ч работы конкурируют с человеком. Период оку-
паемости капиталовложений лежит между 1 и 2,5 годами и зависит
от производительности и количества смен работы.
Экономика «Юнимейта» [60, 67J. Линдбом предложил при
выборе критерия для применения промышленного робота учиты-
вать следующие факторы. Прежде всего должны рассматриваться
такие характеристики робота, как скорость движения, масса де-
талей, которыми робот может манипулировать, точность пози-
ционирования, манипуляционная способность и эффективность
184
использования памяти робота. Вслед за этим следует принимать
в расчет такие факторы, связанные с введением робота в технологи-
ческий процесс, как ориентирование деталей в этом процессе, одно-
родность деталей, а также трудность манипулирования материа-
лом, из которого изготовлены детали, например в случае работы
с тканями или кожей.
Важны также организационные вопросы, связанные с объемом
внедрения новых методов и нововведений, возможным существо-
ванием других идей и программ, и, конечно же, должен быть
внимательно рассмотрен важнейший фактор воздействия роботи-
зации на трудовые отношения.
Экономические факторы должны иметь большой вес при любом
обсуждении критерия, принимаемого для решения вопроса о вне-
дрении промышленных роботов. Иногда другие методы, например
специализированная автоматизация, могут оказаться экономиче-
ски более подходящими для конкретно рассматриваемого приме-
нения. Такие экономические факторы, как сменность работы,
продолжительность работы, стоимость труда человека, стоимость
установки робота и вспомогательного оборудования (запасных
частей, ориентирующих устройств, конвейеров или проверочных
устройств) могут иметь очень важное значение. Следует рассмо-
треть не только начальную стоимость оборудования, но и стои-
мость его сервисного и технического обслуживания, а также срав-
нить их с аналогичными затратами на эквивалентное оборудование
специализированной автоматики, используемое для выполнения
этой же работы. В результате всестороннего экономического ана-
лиза, безусловно, выявляется полезность или бесполезность
капиталовложения в робототехническое оборудование.
Время окупаемости Р (в годах), необходимое для покрытия
начальной стоимости робота, задается делением стоимости робота
и его оснастки I на разность между годовой экономией труда L
и величиной годовых эксплуатационных расходов М.-.
р —____L__
L — M
Предположим, что / = 2500 дол., L = 11 000 дол. и М =
= 2000 дол. Тогда при односменной работе время окупаемости
робота будет равно 2,7 года. При двухсменной работе экономия
труда удваивается, а эксплуатационные расходы увеличиваются
всего лишь приблизительно на 50%, в результате чего время оку-
паемости уменьшается до 1,3 года. Линдбом полагает, что три
года — типичное время окупаемости для относительно быстро
устаревающего специализированного автоматического оборудова-
ния; однако реальная цифра для роботов, вытекающая из ана-
лиза миллиона часов работы,—• около 5 лет.
В дальнейшем Линдбом уточнил свою формулу, добавив в число
рассматриваемых величин стоимость Z оборудования, обслужи-
ваемого роботом, в расчете на год (обычно около 15% от начальной
185
стоимости робота), а также величину q, которая представляет
собой коэффициент увеличения (или уменьшения) производитель-
ности, вызванного установкой робота взамен человека-оператора.
Конечное уточненное уравнение таково:
L — М. ± q (L + Z) '
Взяв те же самые цифры, что и выше, и положив q = +0,2
(т. е. 20%) и Z = 15% от начальной стоимости оборудования,
обслуживаемого роботом (например, при I = 200 000 дол. Z =
= 30 000 дол.), получим время окупаемости Р — 0,85 года. Если,
однако, случится так, что робот работает медленнее, чем заменяе-
мый им человек, в выражении ставится знак минус и с теми же
данными при двухсменной работе время окупаемости будет равно
2,9 года.
При условии, что робот и его оснастка стоят 25 000 дол.,
пропорциональное снижение стоимости составляет 5000 дол.
за 5 лет, часовая стоимость обслуживания робота — 75 центов,
а стоимость труда человека — 5,5 дол. в час., Линдбом оценивает
отдачу капиталовложений при двухсменной работе в 56%. Он
полагает, что для сокращения дополнительных затрат перед по-
купкой первого робота в цехе следует найти потенциальные воз-
можности для использования 3—5 роботов, поскольку это умень-
шит, в частности, стоимость технического обслуживания.
Хегинботом проанализировал экономику роботов в [72, 73].
9.8. ТРУДНОСТИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ РАБОТЕ
В СПЕЦИАЛЬНЫХ СРЕДАХ
При работе в некоторых промышленных средах небольшие
утечки рабочей жидкости не создают серьезных трудностей и робот
(или манипулятор) можно регулярно обмывать из шланга. Однако
другие среды предъявляют к уплотнению робота более крити-
ческие требования.
Например, трудности, возникающие в связи с утечками рабо-
чей жидкости, фактическими или потенциальными, по существу,
исключают возможность использования гидравлического привода
в радиоактивной среде. Утечка рабочей жидкости в высшей сте-
пени нежелательна также при космическом применении роботов.
И одна лишь мысль о возможном просачивании жидкости в до-
машней обстановке настолько невыносима для домохозяйки, что
вопрос о гидравлике снимается, несмотря на то что домашний
робот может убирать за собой свою собственную грязь.
На пневматический привод не накладывается подобных ограни-
чений, и, действительно, пневматическая энергия нередко исполь-
зуется в радиоактивных «горячих камерах». Используемый воздух
или газ, если необходимо избежать загрязнения, можно отфиль-
тровать и очистить. В космосе весьма важно избежать замерзания
186
любой применяемой жидкости, и самое минимальное, что может
там потребоваться,— это очень осторожный ее подогрев. Возможно,
что в космических применениях предпочтение будет отдано пол-
ностью герметичным электрическим двигателям.
Для использования под водой были созданы различные спе-
циальные манипуляторы. Одно из первых устройств базировалось
па модели 300 фирмы «Дженерал Миллс» с добавочным уплотне-
нием и работало на глубинах до 10 м. Для поддержания положи-
тельного давления эта рука наполнялась сжатым воздухом, и
таким образом предотвращалась протечка воды в механизм.
Более поздние устройства создавались стойкими к коррозии в усло-
виях высокой влажности.
В ряде сред система управления роботом будет объектом воз-
действия сильных электрических помех и радиационных эффектов
[4]. В обоих этих случаях возможно экранирование (так же как
и в частном случае воздействия сильных магнитных помех), ко-
торое, правда, всегда вызывает нежелательный эффект увеличе-
ния общей массы робота. Поскольку на стадии проектирования
и изготовления возможная среда использования робота неизве-
стна, следует позаботиться о том, чтобы система управления робо-
том была максимально защищена от воздействия помех.
В некоторых случаях будет необходимо использовать подвиж-
ные роботы в условиях сильных механических ударов и вибрации.
К счастью, эти вопросы хорошо’изучены [15, 16], и, по-видимому,
основная проблема будет сводиться здесь лишь к достижению
удовлетворительной защиты от ударов и вибраций по низкой
стоимости и без существенного увеличения массы. Первое из этих
условий важно для домашнего робота, а второе — для любого
подвижного робота.
9.9. ПОДВОДНЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ [1, 5, 48, 49, 51]
Некое подобие непосредственно управляемого механического
манипулятора было установлено еще на первых глубоководных
водолазных костюмах, В 50-х годах интерес к глубоководным ра-
ботам возрастает как в военно-морских, так и в гражданских
кругах.
Вслед за первыми работами, которые использовали модель
300 фирмы «Дженерал Миллс» в качестве манипулятора для пла-
вательного бассейна, был модифицирован манипулятор модели 500
и установлен на трактор, способный работать на глубинах около
1500 м; это устройство использовалось в Тихом океане.
Батискаф «Триест» оснащался подводным вариантом манипу-
лятора модели 150, всесторонне модифицированным, снабженным
пневматическими стабилизаторами для компенсации изменений
давления и заполненным маслом. При этом эффективная гермети-
зация подвижных сочленений при перепаде давлений оказа-
лась неосуществимой, вследствие чего возникла необходимость
187
в установке подводного оборудования на давление, в точности
соответствующее глубине работы в настоящий момент.
Трудности, с которыми здесь пришлось столкнуться, связаны
с изолирующими материалами, износом щеток и созданием предо-
хранительных фрикционных муфт, работающих в герметической
масляной среде. При подводном использовании гидравлических
двигателей также возникают некоторые трудности, в том числе
связанные с утечками, поэтому в настоящее время отдают пред-
почтение электрическим двигателям.
Использование подводных робототехнических устройств при
разработке месторождений полезных ископаемых, подъеме зато-
нувших кораблей и бурении нефтяных скважин, вероятно, будет
расширяться в последующие несколько лет. Эффективное умень-
шение веса подобных устройств при погружении является их
достоинством.
Для глубоководных работ в океане применялись дистанционно
управляемые тягачи, снабженные зрительным, акустическим и
магнитным устройствами обнаружения [28]. Хорошо известно
французское устройство «Кэпсаб», созданное фирмой «Технические
средства Луи Менара» в Париже [45], которое использовалось
для постановки якорей на больших глубинах. Спуск «Кэпсаба»
под воду управляется инжекцией сжатого воздуха в большой
балластный резервуар, расположенный в верхней части устрой-
ства. Воздух вытесняет воду из резервуара, благодаря чему можно
получить диапазон от положительной плавучести в 1800 кг до
отрицательной плавучести в 1200 кг. Закачивание и удаление воз-
духа управляется по кабелю оператором, находящимся на судне.
Объем воздуха во время погружения автоматически поддержи-
вается постоянным за счет подачи добавочного воздуха. «Кэпсаб»
может применяться для постановки якорей массой от 5000 до
400 000 кг на глубинах порядка 200 м.
Советский придонный телеуправляемый робот «Краб» [56]
использовался для исследования подводного хребта, поднима-
ющегося с глубины 2100 м, вершина которого располагается
всего лишь в 60 м ниже водной поверхности. «Краб» оснащен
акустическим глубинным искателем, который используется для
прекращения спуска аппарата в пяти метрах от дна. Затем вклю-
чается освещение и начинает работать встроенная телевизионная
камера. «Краб» оснащен манипулятором, с помощью которого он
может собирать образцы.
Полагают, что в 1968 г. в эксплуатации находилось более 40
подводных исследовательских судов; из них 33 принадлежали
США, четыре —Советскому Союзу, по три — Японии и Франции
и один — Англии.
У американской тележки «Алюминаут», которая вместе с дру-
гой тележкой под названием «Алвин» использовалась при поиске
потерянной у берегов Испании в 1966 г. водородной бомбы, ме-
ханические «руки» по 5 м длиной. Для некоторых подводных при-
188
менений требуются очень длинные руки, в связи с чем возникают
трудности управления. Причинами являются ограниченное про-
странство, отводимое для оператора, инерционность руки и вяз-
кость воды, в которой движется эта рука. Кроме того, вследствие
малых размеров основной тележки, реакция на действие руки,
кисти и на вес груза может привести к нежелательном)' движению
тележки, вызванному противодействием.
Если рука устанавливается на подводном судне, необходимо
сделать ее легко и полностью отделяющейся от судна в случае
аварии, поскольку безопасность подводного экипажа должна быть
превыше всего. Компенсация давления, о которой уже шла
речь, может помочь предотвратить «судорожные» движения
конечностей, когда с изменением глубины изменяется давление
воды.
Трудности, возникающие при непосредственном управлении
человеком подводными манипуляторами (оператор не может оста-
ваться под водой бесконечно долго, и подъем и спуск могут зани-
мать продолжительное время), стимулируют развитие дистанционно
управляемых устройств, которые позволяют оператору, воору-
женному телевидением, оставаться на поверхности.
Робототехническое устройство для сбора придонных образцов
было создано фирмой «Терресеч» [34]. Оно представляет собой
высокий цилиндр с четырьмя закрепленными на нем ногами.
Устройство опускается на заданное место с гидрографического
судна и затем работает автоматически, добывая неразрушенные
образцы придонной мантии. Тяжелый груз поднимается сжатым
воздухом, затем освобождается и падает на наковальню, заставляя
трубку для сбора образцов углубиться в морское дно и получить
5 см внутреннего образца. Информация о числе ударов и глубине
проникновения в породу может, если позволяет погода, пере-
даваться по проводам на надводное судно, которое, однако,
может не находиться в фиксированном положении, поскольку и
углубление, и взятие проб, и увеличение плавучести для возвра-
щения на поверхность автоматически выполняются самим робо-
том — сборщиком образцов.
Военно-морской флот США располагает необитаемым погру-
жаемым аппаратом в форме торпеды, предназначенным для под-
ледных исследований [69]. У этого устройства фибергласовый
корпус длиной около 3 м, и оно может работать на глубинах до
30 м и расстояниях до 3 км от места погружения. Устройство
развивает скорость 5,6 км/ч и имеет автономность 10 ч.
Подводные манипуляторы, управляемые с поверхности (6).
Наиболее известный аппарат, управляемый оператором, находя-
щимся на поверхности,— устройство «Карв», принадлежащее
военно-морской артиллерийской базе на Китайском озере в США.
Этот аппарат используется главным образом для извлечения сна-
рядов после испытательных стрельб. В общей сложности 37 таких
извлечений было выполнено до того, как «Карв» использовался
189
для извлечения потерянной у берегов Испании водородной бомбы,
находившейся на глубине около 750 м.
Французская коммерческая «Генеральная компания по раз-
витию оперативного исследования подводного пространства» вла-
деет подобным судном, известным под названием «Теленаут». Это
устройство передвигается в любом направлении на глубинах
до 1000 м. Рука, установленная на «Теленауте», может манипули-
ровать грузом 50 кг на расстоянии 1,1 м от судна. У «Теленаута»
очень открытая конструкция, поскольку автоматически работа-
ющее устройство не нуждается в большом герметичном кор-
пусе.
Наличие нефти и газа под морским дном стимулирует производ-
ство роботоподобных бурильных средств, особенно после недав-
них несчастных случаев при бурении с вышки в плохую погоду.
Полностью располагающиеся под водой бурильные и исследова-
тельские средства с дистанционным наблюдением или управлением
с поверхности (или даже с берега) вызовут большой интерес у неф-
тяных и рудообрабатывающих компаний, поэтому такие средства
почти наверняка будут производиться.
В настоящее время «Мобот» фирмы «Шелл» может приблизиться
к подводной скважине и закрепиться на ней. Он может передви-
гаться вокруг скважины, работая инструментами, подобными
гаечному ключу. «Мобот» имеет форму трубы высотой около 7,5 м;
его вес в погруженном положении около 1500 кг. Подобное устрой-
ство представляет собой и «Юнимо».
Список литературы
1. Ballinger Н. A., Machines with Arms, Sci. J., 4, October, 58 (1968).
2. Narraway R., The Anatomy of Industrial Robots, Prod. Des. Eng., March,
(1969).
3. Garatt, G., Versatran Robots, Machinery, 114, January 22, 133 (1969).
4. Spelman F. A., Electrical Interference in Biomedical Systems, Trans.
IEEE, EMC7, 428 (1965).
5. Anon., Submersible Work Boats, Ocean Ind., 3, No. 2 (1968).
6. Karinen R. S., Land-Based Remote Handling Background of Under-
water Handling Eguipment, A.S.M.E. Conf. Underwater Technol., May, 1965,
paper 65-UNT-7.
7. Rosenblatt A., Robots are Ready to Grapple with Dirty Jobs in Factories,
Electronics, 40, March 20, 165 (1967).
8. Spector L. F., The Robots Are Coming — Or Are They?, Mach. Des.,
42, July 9, 38 (1970).
9. Heginbotham W. B., Research Activities in Mechanical Assembly at
Nottingham, Prod. Engr, 48, August, 363 (1969).
10. Heginbotham W. B., Automatic Assembly Tomorrow, Prod. Engr, 49,
July, 282 (1970).
11. Hannard A., Transfer Machines and Automation, A.C.E.C. Rev., No. 1,
2 (1960).
12. Carson G. B. (ed.), Production Handbook, Ronald Press (1957).
13. Graham J. M., Programmer for Mechanical Arm, Control Eng., 5, Sep-
tember, 180 (1958).
14. Mosher R. S., Industrial Manipulators, Sci. Am., 211, October,
88 (1964).
190
15. Vigness L, The Fundamental Nature of Shock and Vibration, Electl Mfg.,
June, 89 (1959).
16. Macduff J. N. and Curreri J. R., Vibration Control, McGraw-Hill
(1958).
17. Engelberger J. F., A Robot Factory Worker, New Scient., 29, February 3,
270 (1966).
18. Kevem J., Robot Lends Hand in Design of Automatic Machinery, Prod.
Eng., 38, March 13, 105 (1967).
19. Hanify D. W., Reprogrammable Control — Industrial Robots, Proc.
Joint Conf. Electron. Control Meeh. Handl., Nottingham, July, 1971 (IERE),
349.
20. Parks J. R. and Bell D. A., Sensory Devices and Industrial Robots,
Proc. Joint Conf. Electron. Control Meeh. Handl., Nottingham, July, 1971 (IERE),
349.
21. Thring M.' W., A Preliminary Design Study of a Robot to Operate a Large
Industrial Store, Proc. Joint Conf. Electron. Control Meeh. Handl., Nottingham,
July, 1971 (IERE), 375.
22. Anon., Applications of Work Handling Equipment to Linked Machine
Tools and Transfer Machines, part 7 of Guide to Work Handling Eguipment for
Machine Tools and Presses, P.E.R.A. (1961).
23. Holbeche H. W., How Austin Developed Unit Construction Transfer
Machines, Machinist, 99, February 4, 51 (1955).
24. Anon., Work Loading and Unloading Equipment, part 2 of Guide to Work
Handling Equipment for Machine Tools and Presses, P.E.R.A. (1958).
25. Paul R., Trajectory Control of a Computer Arm, Proc. 2nd Int. Joint
Conf. Artificial Intelligence, London, September, 1971 (Br. Computer Soc),
385.
26. Feldman J. et al., The Use of Vision and Manipulation to Solve the
«Instant Insanity» Puzzle, Proc. 2nd Int. Joint Conf. Artificial Intelligence, Lon-
don, September, 1971 (Br. Computer Soc.), 359.
27. Anon., Plated Wire Finds Spot in Productivity Robot, Electronics, 44,
August 30, 25 (1971).
28. Buchanan C. L., Deep Ocean Search by Visual, Acoustic and Magnetic
Sensors, Trans. IEEE, AU19, June, 124 (1971).
29. Kay A. C., Manipulators as Terminal Devices, Proc. IEEE Int. Com-
put. Group Conf., Washington, June, 1970 , 290.
30. Balmer T. R., Unimate, Des. News, 22, July 5, 36 (1967).
31. Szabo M., Robots Gear for Action with Fluid Power, Hydrauls Pneum.,
24, September, 77 (1971).
32. Anon., Versatran Industrial Robot with Adaptive Control, Mach. Prod.
Eng., 119, November 3, 659 (1971).
33. Stefanides E. J., Patchboard Air Valve Logic Controls Robot Mani-
pulator, Des. News, 26, June 12, 53 (1971).
34. Anon., Seabed Sampler Tested, Oceanology, 6, October, 22 (1971).
35. Anon., Industrial Robot, Mach. Des., 44, January 13, 39 (1972).
36. Eshelman R. H., Iron Hands get a Brain Cell, Automot. Ind., 146, May 1,
47 (1972).
37. Fox D., Five Ways to Auto Load Bore and Face Grinders, Metalwkng.
Prod., 116, February, 72 (1972).
38. Anon., The Growing Importance of Industrial Robots, Mach. Prod. Eng.,
121, August 23, 253 (1972).
39. Kay E., Buffer Stocks in Automatic Transfer Lines, Int. J. Prod. Res.,
10, April, 155 (1972).
40. Anon., Robots— Plenty of Questions, Few Answers, Mater. Handl. News,
September, 4 (1972).
41. Anon., Robot «Proving Ground», Meeh. Eng., 94, January, 36 (1972).
42. Anon., Versatran Robot Improves Production of Timer Parts, Mach. Prod.
Eng., 120, May 3, 621 (1972).
„ 43. Hoskins С. E., The Robots are Coming, Machinery, 77, October,
33 (1971).
191
44. Eshelman R. H., Iron Hands get a Brain Cell, Automot. Inds., 146,
May 1, 47 (1972).
45. Edmiston. K., Menard's Method of Seafloor Anchoring, Undersea Tech-
nol., 13, May, 35 (1972).
46. Anon., Storing Program Sequence for Industrial Robot, Control Eng.,
18, October, 74 (1971).
47. Newman N. and Tait К. E., Manipulators: A Survey, Inst. Engrs,
Aust., Elect. Eng. Trans., EE8, April, 1 (1972).
48. Hunley W. H. and Houck W. G., Underwater Manipulators, Meeh. Eng.,
88, March, 35 (1966).
49. Jones R. A., Manipulator Systems: A Means for Doing Underwater Work,
Naval Eng. J., 8, February, 107 (1969).
50. Anon., Portable Manipulator, Automation, 9, August, 91 (1962).
51. Clark J. W„ Applying Remote Handling Techniques for Marine Science,
Instrum. Soc. Am. JI, 8, September, 58 (1961).
52. Shosan S., Industrial Robots — Their Potential in Today's Plant Opera-
tions, Plant Eng., 23, July 10, 57 (1969).
53. Sutherland J. M., Industrial Robots and Automation, Computers Au-
tomn, 19, October, 36 (1970).
54. Anon., Industrial Robot Peens Complex Aircraft Parts, Control Eng.,
17, November, 46 (1970).
55. Wick С. H., Trends in Assembly, Mfg. Eng. Mgmt, 69, August, 26
(1972).
56. Anon., Soviets Develop Robot Sea Bottom Vehicle, Undersea Techno!.,
13, August, 11 (1972).
57. Szabo M., Industrial Robots Catch Engineer's Interest, Hydrauls Pneum.,
25, August, 28 (1972).
58. Anon., And Robot Travels Under Own Steam, Meeh. Handl., 59, August,
51 (1972).
59. Anon., Versatran Robot with Programmed Traverse Motion, Machinery,
121, July 19, 85 (1972).
60. Lindbom T. H., Robots: Capabilities and Justification, Mfg. Eng. Mgmt,
69, July, 17 (1972).
61. Anon., Are Robots Relevant?, Meeh. Handl., 59, September, 29
(1972).
62. Masakasu E. et al., An Intellingent Robot with Cognition and Deci-
sion-Making Ability, Proc. 2nd Int. loint Conf. Artificial Intelligence, London,
1971 (Br. Comput. Soc.), 350.
63. Masakasu E. et al., A Prototype Intelligent Robot That Assembles
Objects from Plan Drawings, Trans. IEEE, C21, February, 161 (1972).
64. Kigami S., Robot for Industrual Use and Labour Saving, J. Inst. Electr.
Commun. Engrs Japan, 54, November, 1531 (1971).
65. Belcher J. V. et al., Electrical Upgrading of Industrial Robots, Proc.
19th Conf. Remote Systems Technology, Miami, October, 1971, 75.
66. MacFee J., The Developing Modular Industrial Robot, Proc. 19th Conf.
Remote Systems Technology, Miami, October, 1971, 55.
67. Engelberger J. F., Economic and Sociological Impact of Industrial
Robots, Proc. I9th Conf. Remote Systems Technology, Miami, October,
1971, 47.
68. McAllister J., The Industrial Robot Comes of Age, Electl Rev., Suppl.,
June 18, 27 (1971).
69. Anon., Unmanned Under-Ice Sub Successfully Tested by Navy, Undersea
Technol., 13, November, 39 (1972).
70. Lundstrom G. et al., Industrial Robots — A Survey, International Flui-
dic Services (1972).
71. Johnson K. G. and Hanify D. W., The Current Status and Impact of
Industrial Robot Technology in the United States, 1st Conf. Industrial Robot Tech-
nology, Nottingham, March, 1973.
72. Heginbotham W. B., The Basic Economics of Industrial Mechanization
and Automation, Int. J. Prod. Eng. Res., 11, 147 (1973).
192
73. Heginbotham W. В., Factors Influencing Economic Exploitation of
Industrial Automation, Proc. 1st Conf. Industrial Robot Technology, Nottingham,
March, 1973.
74. Noda K. and Doi Y., Developments of Industrial Robots in Japan,
1st Conf. Industrial Robot Technology, Nottingham, March, 1973.
75. Anon., DeVilbiss-Trallfa Robot for Paint Spraying, Mach. Prodn. Eng.,
122, March 7, 315 (1973).
76. Haugan К. M., The De Vilbiss-Trallfa Spray Painting Robot, Proc.
1st Conf. Industrial Robot Technology, Nottingham, March, 1973.
77. Anon., Retab-Tokyo Keiki Industrial Robots, Mach. Prodn. Eng., 122,
March 14, 358 (1973).
78. Morse T., Monster or Marvel? The Future Could Well Be Either, Engi-
neer, Lond., 236, April 5, 36 (1973).
7 Дж. Ф. Янг
193
Г л а в a 10
ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
10.1. РАЗВИТИЕ ЗРЕНИЯ У ЧЕЛОВЕКА
Прежде для достижения корректной работы устройств распо-
знавания зрительных образцов человек настраивал их вручную.
Эксперименты на так называемых обучающихся устройствах типа
перцептрона включали определенные процедуры, посредством
которых человек настраивал устройство на правильное распозна-
вание. Хотя эти процедуры часто называли обучением, важно
отметить, что операции, именовавшиеся «человек учит» или «че-
ловек руководит», по существу являлись операциями настройки.
Очень важно отметить, что, когда действительно обучающиеся
машины будут построены, скорость обучения, вероятно, окажется
сравнительно малой. Лучше всего это можно понять при рассмо-
трении того, как обучается выполнять визуальные операции ре-
бенок; вопрос о постепенном совершенствовании зрения ребенка
изучен достаточно хорошо.
Когда ребенок рождается, его глаза могут двигаться только
вместе и объект фиксируется только на мгновение и монокулярно
[1 ]. Близлежащие объекты фиксируются в возрасте одной не-
дели, и лишь через несколько недель появляется способность фик-
сировать отдаленные объекты. Проходит около восьми недель,
прежде чем глаза обретают способность взаимодействовать и по-
является настоящее бинокулярное зрение. Однако лишь значи-
тельно позже, уже после шести месяцев, координация руки и
глаза становится достаточной, чтобы схватить и поднять предмет.
После этого координация постепенно совершенствуется и ребенок
может поднимать все более мелкие предметы.
Кое-что о развитии зрения у человека мы знаем из опыта на-
блюдения за слепорожденными, зрение которых было восстанов-
лено в зрелом возрасте [2]. Из опыта этого известно, что процесс
обучения видению растянут во времени и протекает болезненно.
Поэтому не следует ожидать слишком многого от робототехниче-
ских обучающихся систем. Без сомнения, мы сможем добиться,
чтобы они обучались быстрее, чем человек, но не следует думать,
что процесс обучения будет быстрым и легким, если роботу пред-
стоит научиться справляться со сложными заданиями, близкими
к тем, которые выполняет человек.
Можно будет использовать робототехническое обучающее уст-
ройство, чтобы обучение робота проходило без вмешательства
человека; процесс обучения не будет замедляться перерывами,
связанными с необходимостью в сне и отдыхе, а лишь переры-
вами на профилактическое техническое обслуживание.
Имеются исследования [19—21] по прямой, неоптической сти-
муляции сетчатки глаза человека. Можно надеяться, что они
194
приведут к созданию искусственных глаз для слепых, однако
работы в этом направлении еще очень много. Такие исследова-
ния окажутся полезными и при разработке «глаз» для робота.
В гл. 2 отмечалось, что от глаз к мозгу человека передается
информация по двум из трех миллионов нервных волокон, несу-
щих информацию в мозг. Вполне понятно, что для человека зри-
тельная информация наиболее важна. Использование визуального
входа у роботов, применяемых на практике, до сих пор было явле-
нием необычным. Вполне возможно, однако, что в будущем это
станет наиболее важным признаком нервной системы робота, и
уже сегодня имеются данные об уменьшении стоимости глаз робота.
10.2. ИНФОРМАЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ
ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ГЛАЗА [3—5]
Представляет интерес рассмотреть требования к зрительным
связям человека с точки зрения теории информации, поскольку
это может способствовать составлению требований к зрительной
системе робота.
В экспериментах, выполненных Ликлидером и др. [29], испы-
туемым предлагалось по возможности быстро называть предъяв-
ляемые им визуально объекты. Было обнаружено, что скорость
поступления информации достигает величин порядка 30 бит/с.
Если, однако, при ответе требовалось указывать рукой на соот-
ветствующие объекты, то скорость падала до 15 бит/с. Если испы-
туемым разрешалось отвечать одновременно рукой и голосом, то
скорость, которой удавалось достигнуть, представляла сумму
отдельно взятых скоростей, т. е. порядка 45 бит/с. Пирс и Карлин
получили аналогичные результаты, когда задание состояло в чте-
нии вслух односложных слов. Оказалось, что связный текст
читается быстрее, чем список случайных слов [3].
Полагают, что около 1% от 1010 нейронов человеческого мозга
полностью заняты в зрительных процессах, а 60% — частично.
Хотя в ретине человеческого глаза имеется порядка 2-Ю8 рецеп-
торов, они соединяются приблизительно с 2-Ю6 выходящих нерв-
ных волокон. Возможно, однако, что число нервных волокон воз-
растает по мере того, как они достигают коры головного мозга.
Якобсон [41 оценил максимальную способность человече-
ского глаза передавать информацию величиной порядка 4,3 X
X 106 бит/с. Эта величина было получена комбинированием изме-
рений частоты слияния в целое мерцающего источника с данными,
полученными из опытов по пределам остроты монокулярного
зрения. Таким образом, средняя пропускная способность опти-
ческого нервного волокна составляет приблизительно 5 бит/с.
Келли оценил величину максимальной способности глаза пере-
давать информацию в 10э бит/с при высоком уровне освещенности.
Это больше, чем скорость передачи информации с телевизионного
экрана, но меньше, чем с киноэкрана.
7* 195
На зрение человека воздействует ряд факторов: форма, кон-
трастность, яркость, освещенность фона, резкость края, время
рассматривания. Чувствительность глаза зависит от цвета. Ма-
ксимальная чувствительность достигается в зелено-голубом свете
с длиной волны 5100 А. Цвет, равно как и детали формы, обна-
руживается центральной, наиболее чувствительной, частью сет-
чатки. Периферийные районы сетчатки реагируют только на силь-
ные светотеневые контрасты. Таким образом, человеческий глаз
способен различать тонкие детали только вблизи центра поля
зрения и эта способность, известная как острота зрения, очень
быстро ухудшается с увеличением угла зрения по отношению
к области наилучшего видения. В целом можно сказать, что
относительная острота зрения уменьшается на 50% при отклоне-
нии всего лишь на 5° от центра, но эта величина определяется
также и многими другими факторами, например контрастностью
и временем рассматривания. Периферийные районы максимально
чувствительны к более коротким длинам волн по сравнению с цен-
тральной областью. Ограниченная чувствительность отдельных
областей сетчатки, снабженных светочувствительными клетками,
приводит к угловым ограничениям в способности распознать цвет
при фиксированном положении глаза; причем эти ограничения
различны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Эти
ограничения можно представить в виде следующей таблицы:
Цвет спектра Угловые ограничения, . . .°
по горизонтали по вертикали
Белый ±90 ±65
Желтый ±60 ±47
Голубой ±50 ±40
Красный ±30 ±22
Зеленый ±30 ±20
Как и во всей нервной системе, сильное воздействие на
работу зрительных органов оказывает нехватка кислорода, при-
водящая к значительному уменьшению чувствительности глаза.
При давлении, эквивалентном высоте в 6000 м, чувствительность
уменьшается примерно в 10 раз.
Наименьшее приращение яркости, различаемое человеческим
глазом, зависит от абсолютного уровня яркости:
Яркость, кд/м2 0,0035 0,035 0,35 3,5 35 100
Приращение, % 6 3 1,5 1 0,8 0,8
196
Наименьшие детали изображения, обнаруживаемые при хоро-
шем освещении, например в 180 кд/м2, соответствуют дуге в 0,5'.
Распределение клеток сетчатки человеческого глаза показано
на рис. 10.1. Светочувствительные колбочки сосредоточены
в центральной области.
Рис. 10.1. Распределение клеток сетчатки в глазу
человека
10.3. НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЛАЗА
До тех пор пока не будут проведены дополнительные исследо-
вания методов концентрации внимания на определенных объектах,
находящихся в поле зрения, трудно ожидать введения средств
автоматической фокусировки глаза робота. Технические трудности
фокусировки сами по себе невелики. Задача состоит главным обра-
зом в том, чтобы решить, на каком из множества объектов, нахо-
дящихся перед глазами, следует сфокусироваться. Ясно, что
в этот процесс должна быть включена обратная связь от сетчатки
к «мышцам» линз, но на эту обратную связь некоторым образом
воздействует и центральная нервная система.
С другой стороны, сервосистема, управляющая ирисовой диа-
фрагмой [7, 9, 27], может быть легко осуществлена в роботе.
Подобные устройства используются в киноаппаратах. Такой
сервомеханизм уменьшит влияние изменений освещенности рас-
сматриваемой сцены. Кроме того, при использовании наименьшей
возможной апертуры глубина фокусирования возрастает и самому
фокусированию можно уделить меньше внимания. Действительно,
для начала весьма желательно применить в роботах линзы с ма-
лым действующим отверстием. При условии достаточно яркого
освещения использование такой линзы полностью исключит необ-
ходимость автоматического фокусирования.
Неизвестно, однако, насколько тесно связаны между собой
механизмы фокусировки и управления концентрацией внимания.
Возможно, окажется желательным сохранить фокусирование по
197
причине его активной связи с механизмом, посредством которого
глаз и мозг концентрируются на одном из объектов, находящихся
в поле зрения.
Одно из преимуществ исключения любой формы управления
диафрагмой у робота состоит в том, что при этом удается избежать
колебаний в управляющей сервосистеме. Вполне возможно суще-
ствование других, еще не обнаруженных функций управления
радужной оболочкой, поскольку эффективное изменение площади
зрачка, составляющее приблизительно 16:1, недостаточно для
компенсации диапазона изменения яркости (порядка 105 : 1),
в котором глаз способен успешно работать. Эти величины недавно
приведены Грегори [2]. Однако по данным Вагмана и Натансона
[6], относящимся еще к 1940 г., изменения площади зрачка со-
ставляют лишь 5:1, между тем как изменения интенсивности
света составляют по крайней мере 1 : 108. Они же полагали, что
площадь зрачка линейно связана с логарифмом интенсивности
света в диапазоне порядка 106 кд/м2, т. е. что закон Вебера-
Фехнера выполняется в этой центральной части диапазона интен-
сивностей, простирающейся приблизительно от 35 до 3,5 • 10“5 кд/м2.
Судя по работам, посвященным зрению роботов, выполненным
в Астоне и других лабораториях, сетчатка глаза человека едва ли
послужит в качестве непосредственной модели сетчатки глаза
робота, ибо вследствие эволюции она представляет собой с инже-
нерной точки зрения слабую конструкцию. Чувствительные фото-
электрические клетки сетчатки располагаются в задней части
глаза. Перед этими клетками и между ними и светом, попадающим
в глаз, находятся разнообразные нервные клетки и нервные во-
локна, которые несут информацию в мозг. Чтобы волокна могли
подойти к мозгу, они должны выводиться, причем в одной точке,
где-то в задней части глаза. Поскольку чувствительные фото-
клетки не могут располагаться там, где волокна выводятся из
глаза наружу, то в этой точке образуется слепое пятно глаза.
Весь свет, достигающий чувствительных клеток, прежде чем
попасть на чувствительную сетчатку, должен пройти через нерв-
ные волокна и нервные клетки, что, конечно, приводит к значи-
тельному ослаблению света вдоль пути движения.
Глаза робота не будут страдать от этих недостатков человече-,
ского глаза. Светочувствительные «клетки» будут обращены к
свету, и не будет никакой необходимости в «слепом пятне».
Один из видов автоматического управления диафрагмой был
использован в экспериментальной системе «Видеофон», где теле-
видение сочеталось с обычной речевой связью по телефону. Диа-
фрагма в этой системе регулирует действующее отверстие линзы
в соответствии с изменениями падающего светового потока. Она
управляется за счет усреднения видеосигнала, поступающего
от трубки телекамеры. Диафрагма открыта полностью, когда
освещенность падает приблизительно до 40 кд/м2, после чего
вступает в работу схема автоматического управления коэффи-
198
циептом усиления видеоусилителя, хотя это и приводит к повыше-
нию уровня шумов при уменьшении количества света. Преимуще-
ство введения управления диафрагмой состоит в том, что глубина
фокусирования увеличивается при высоком уровне освещенности,
а диафрагма имеет малую апертуру.
Передаточная функция замкнутого контура управления радуж-
ной оболочкой человеческого глаза была определена главным
образом из таких экспериментов, где колебания вызывались эф-
фективным увеличением коэффициента усиления системы за счет
освещения края апертуры радужной оболочки малым световым
пятном высокой интенсивности. Подобные эксперименты пока-
зали, что эта передаточная функция может быть представлена
как
exp (—Tdp)-^~-p-Ak log /,
где Td — время задержки в нерве; Т — временная константа;
А характеризует адаптационную способность, или свойство опе-
режения по фазе, a k log I — логарифмическую чувствительность
к световому потоку I, падающему на сетчатку.
В нормальном состоянии контур устойчив; его коэффициент
усиления составляет 0,015, а время задержки в контуре — 0,18 с.
Клайне [8] дал сложную зависимость для реакции зрачка
и сопоставил предсказания, полученные математически, с дей-
ствительной работой глаза. Хотя это и представляет интерес для
биологии, едва ли стоит пытаться точно воспроизвести биологиче-
скую реакцию в какой-либо робототехнической системе, так что
упомянутая сложная зависимость в дальнейшем рассматриваться
не будет.
10.4. БИНОКУЛЯРНОЕ ЗРЕНИЕ
У большинства животных два глаза. Как хорошо известно,
использование двух глаз дает не только увеличение избыточности,
благодаря которому недостатки зрения, вплоть до потери его в од-
ном глазу, становятся менее существенными. Хотя эта избыточ-
ность представляет собой важную инженерную характеристику
и повышает надежность организма, в равной степени важной
функцией, определяемой наличием пары глаз, является восприя-
тие расстояния. Предметы, находящиеся в пределах порядка 6 м
от глаз, дают на сетчатке обоих глаз достаточно различающиеся
изображения, которые сравниваются в нервной системе и исполь-
зуются для определения расстояния. Если оба глаза сфокуси-
рованы на определенном предмете, то информация о взаимном
расположении глаз может использоваться для определения рас-
стояния до предмета.
Едва ли в ближайшем будущем роботам, за исключением ро-
ботов специального назначения, понадобится бинокулярное зре-
ние. Однако роль зрительной системы человека в восприятии
199
условий окружающей среды указывает на огромную важность
применения в роботе двух глаз с точки зрения избыточности. В на-
ших исследованиях, посвященных простым подвижным роботам,
которые проводились в Астоне, мы нашли полезным снабдить
робот двумя простыми одноэлементными «глазами» с различной
чувствительностью. Это позволило избежать применения диа-
фрагмы в таких простейших глазах, но не использовалось нами
для бинокулярного зрения. Такой подход напоминает функциони-
рование палочек и колбочек, обладающих в глазе человека раз-
личной чувствительностью.
Можно полагать, что между системой, вращающей глазное
яблоко и тем самым сводящий глаза для рассматривания близко
расположенных предметов, и более сложным процессом аккомо-
дации, осуществляемым на более высоком уровне в нервной си-
стеме, имеется перекрестное взаимодействие. Аналогичное взаимо-
действие требуется для сужения зрачка при рассматривании близко
расположенных предметов.
Бинокулярное зрение можно использовать в работе системы,
управляющей поворотом головы и тела, чтобы удержать в центре
поля зрения рассматриваемое изображение. Однако последнее
достижимо и при одном глазе; известно, что одноглазым людям
это постоянно удается.
Робот, если понадобится, можно снабдить более чем двумя
глазами; причем нет необходимости помещать их обязательно на
«голове». В некоторых случаях практического применения роботов
можно получить преимущество, разместив глаз или глаза на дру-
гих частях робота, например на руке [30].
В экспериментах с копирующими манипуляторами, оснащен-
ными телевизионными устройствами «видения», было обнаружено
некоторое преимущество трехмерного видения перед обычным
двумерным, но оно наблюдалось только в том случае, когда аппа-
ратура трехмерного телевидения правильно установлена. При
неудачном расположении аппаратуры двумерное видение дает
в работе лучшие результаты [10].
В последнее время разработан жидкостный тип фотодетектора
[11 ], который дает сигнал, зависящий от расположения детектора
по отношению к источнику света. Для управления ориентацией
космического корабля в пространстве в качестве такого источника
выбирается солнце.
Было высказано предположение [12], что при бинокулярном
зрении искажение изображения, вызванное оптическими шумами,
меньше, чем при монокулярном.
Интересно, что мозгу человека требуется некоторое время,
чтобы воспринять основной образ в какой-нибудь запутанной
картинке. Это особенно наглядно демонстрируют некоторые из
стереограмм, предложенных Джулезом [13, 14].
Сейчас разработаны различные типы электрооптических уст-
ройств для определения направления [25, 26].
200
10.5. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ЦВЕТУ
Клетки колбочки глаза человека чувствительны к цвету.
Вполне возможно построить и чувствительное к цвету фотоэлек-
тронное оборудование. Типичный пример такого устройства,
почерпнутый из опыта автора,— промышленное роботоподобное
приспособление со. светочувствительными клетками для сорти-
ровки цветных конфет. Оно применялось с целью наполнения
каждого пакетика конфетами, отобранными определенным обра-
зом. (Такое оборудование необходимо в том случае, когда ранее
наполненные пакеты разорвались и образовалась смесь цветных
конфет). В нем перед каждой фотоэлектрической ячейкой уста-
навливался определенный цветной фильтр, позволявший воспри-
нимать свет только одного цвета.
Аналогичным образом используются фильтры в цветном теле-
видении, где они устанавливаются перед трубкой телекамеры.
Таким образом, принципиальных трудностей применения цвето-
чувствительных устройств в роботах нет. Однако такие устройства
неизбежно ведут к удорожанию оборудования. Кроме того, следует
помнить, что многие животные и 10% людей неспособны различать
цвета из-за цветовой слепоты. Однако животные и люди могут
жить не имея цветового зрения, поэтому цветочувствительной
апИаратурой следует снабжать только те роботы, которым она
необходима для выполнения специальных заданий.
Однако использование палочек и колбочек в сетчатке глаз
робота для расширения диапазона чувствительности, даже в не-
цветовой области, может оказаться желательным уже в самых
простых роботах.
Чувствительность глаза человека ограничена обычным види-
мым спектром цветов, но нет никаких причин вносить подобные
ограничения в зрение робота. В то время как универсальные и
домашние роботы не имеет смысла снабжать особой чувствитель-
ностью к цвету, нетрудно создать робота специального назначения
со зрительной системой, чувствительной к инфракрасному или
ультрафиолетовому участкам спектра, к микроволновому диапа-
зону и рентгеновским лучам или к любому типу электромагнит-
ного излучения, для которого известны методы регистрации.
Такие роботы специального назначения будут очень полезны
для выполнения определенного рода заданий. Например, подвиж-
ные роботы, чувствительные к инфракрасному излучению, были
бы способны обнаруживать такие неисправности, как перегрев
букс транспортного средства. Неоценимым орудием в руках людей,
занимающихся искусством, окажется робот с ультрафиолетовым
зрением. Можно привести множество таких примеров, когда чув-
ствительность к излучению за пределами видимого спектра делает
робот весьма полезным орудием.
Несмотря на то что способность робота «видеть», например
в инфракрасной области [15, 18], можно использовать для осмотра
201
окружающей среды, которая невидима для человека, значительно
проще и дешевле (если только какие-либо причины, в частности
секретность, не препятствуют этому) оснастить робот головным
фонарем. Для ряда практических задач освещающую лампу
можно жестко укрепить непосредственно на зрительной системе
и таким образом обеспечить постоянное освещение. Поскольку
лампа будет излучать некоторое тепло, можно рекомендовать
изолировать ее от визуального датчика каким-либо плохим про-
водником тепла, например тонким слоем воздуха. Датчики та-
кого рода, сконструированные автором, в течение ряда лет успешно
использовались в промышленном оборудовании [22].
Существуют различные задачи, связанные с подводным зре-
нием, п хотя в прошлом применялись традиционные технические
средства, в дальнейшем в зрительных системах роботов для рас-
ширения рабочих возможностей по сравнению со зрением чело-
века, вероятно, будет применяться техника, использующая отра-
женные акустические импульсы и импульсы лазера для освещения.
Весьма примечательно то, что цветная картинка, грубо кван-
тованная посредством квадратов и непонятная при хорошей
фокусировке, легко распознается при дефокусировке, например,
если человек с недостатками зрения снимает очки [23].
Аналогично тому как был сделан линейный фотодетектор на
интегральных схемах с использованием линейки фотоэлементов
с интегральным сканированием, были созданы инфракрасные
линейные сканирующие устройства. В типичном исполнении
в качестве инфракрасных детекторов использовались кристаллы
триглпцинсульфата, а усиление осуществлялось блоками из
восьми предусилителей на интегральных схемах с полевыми тран-
зисторами, созданными на основе металл-оксидной технологии
124].
В настоящее время серийно выпускаются различные типы
оборудования, чувствительного к пламени. От оборудования одного
из типов требуется широкий обзор пространства [28]. Некоторые
виды такого оборудования используются для защиты от пламени
и огня и управляют противопожарными средствами. Еще один
пример — датчик исчезновения пламени, который предотвращает
залив оборудования печи невоспламеняющимся жидким топливом.
Некоторые устройства индикации исчезновения пламени реаги-
руют на мерцание пламени — это обеспечивает прекращение по-
дачи топлива даже в том случае, когда, после того как пламя по-
гасло, внутри печи продолжается свечение без мерцания в види-
мой или инфракрасной области спектра.
10.6. ОПТИЧЕСКИЕ иллюзии
Для того чтобы строить визуальные системы, обладающие
характеристиками человеческого глаза и предназначенные для
установки на роботах, необходимо как можно больше знать о зри-
202
Тельной системе человека. Иногда при изучений неизвестной си-
стемы именно ее особенности и недостатки дают нам ключ к пони-
манию основного принципа ее работы.
Некоторые из основных недостатков оптической системы че-
ловека можно сгруппировать под заголовком «оптические иллю-
зии». Весьма соблазнительно изучить их, для того чтобы сделать
обобщения, которые могут быть применены к процессу зритель-
ного восприятия человека. Оптические иллюзии представляются
универсальным свойством, присущим всем нормальным людям.
Таким образом, становится возможным испытать теории зрения,
а также методы, предлагаемые для использования в зрительных
системах робота, подвергнув проверке их работоспособность на
зрительных образах, вызывающих у человека иллюзии.
К сожалению, однако, иллюзии не одинаковы для всего рода
человеческого. Было обнаружено, в частности, что зулусы не
подвержены многим иллюзиям, которым подвержены европейцы.
Вероятно, это происходит потому, что прямые линии в культуре
зулусов — явление крайне редкое. Все чго видит зулус, искрив-
лено. Исходя из этих данных представляется, что оптические
иллюзии — это приобретенный опыт, что они не одинаковы для
разных людей, а значит, от них мало пользы для кибернетических
исследований оптических систем, по крайней мере на исходном
уровне.
Недавние исследования показали, что развитие структуры
мозга, по крайней мере его зрительных областей, почти целиком
зависит от условий окружающей среды в ранний период жизни,
а не от наследственных факторов. Блакмор и Купер 116], напри-
мер, растили котят в темноте. Каждый день, однако, их помещали
на пять часов в пластмассовый цилиндр, покрытый изнутри чер-
ными и белыми полосами. В результате оказалось, что кошка,
выросшая в окружении вертикальных полос, была почти неспо-
собна видеть черные и белые стержни, расположенные горизон-
тально, а кошка, выросшая в окружении горизонтальных полос,
не видела вертикальных стержней.
Более того, опыты, выполненные непосредственно на нейтро-
нах мозга этих животных, показали, что реальная физическая
реакция на свет поразительным образом зависит от ориентации
щели, через которую яркий свет попадает в глаз. Кошки с «вер-
тикальным» опытом показали оптимальную реакцию на верти-
кально расположенную щель у большей части нейронов, подвер-
гавшихся проверке. С другой стороны, кошки с «горизонтальным»
опытом давали максимальную нейронную реакцию на горизон-
тально ориентированную щель. Эти эксперименты позволяют
предположить, что нервная система адаптируется к вероятному
характеру появления изображений на входе зрительной си-
стемы.
Исследования такого рода имеют огромное значение для
инженера-кибернетика, поскольку они указывают на то, что
203
основные механизмы обучения робота должны быть весьма общего
характера, а специализация функций сведена к минимуму.
В Астоне мы основываем это обобщение на павловских связях.
10.7. ОЧИСТКА ГЛАЗ РОБОТА
Назначение морганий глаз человека не вполне известно.
И хотя поддержание чистоты глаз, безусловно, одна из функций
моргания, это едва ли его основное назначение. Наличие влаги
и слез также содействует этой функции.
В прошлом обычно не прибегали к установке специальных
чистящих устройств на фотоэлектрическое оборудование, хотя
грязь в оптической системе, определенно, была причиной отказов
в некоторых случаях. Вместо этого практиковалось профилакти-
ческое техническое обслуживание, в ходе которого производи-,
лась очистка оптической системы, а также регулярная замена
источников света и фотоэлектрических элементов.
Хотя и нет ничего невозможного в том, чтобы установить на
фотоэлектрическую оптическую систему приспособления типа
«дворников», маловероятно, что в ближайшем будущем это прочно
войдет в практику применения роботов. В частности, в случае
подвижных роботов профилактическое техническое обслуживание
будет иметь большую важность для обеспечения безопасности и
обслуживание зрительной системы будет производиться одно-
временно с другими системами робота.
Однако дальнейшая работа по разработке подвижных роботов
приведет, вероятно, к созданию надежных самоочищающихся
оптических систем. Для некоторых конкретных применений ро-
ботов понадобятся охлаждающее оборудование и устройства за-
щиты глаз робота от паров.
Закрывающиеся веки полезны человеку в нескольких отно-
шениях. Они позволяют, например, убрать визуальную сцену,
скажем, для сна или концентрации внимания. В роботе, однако,
этого можно достигнуть электрическим отключением, не прибегая
к механическому движению. Моргание полезно человеку также
и как защитный рефлекс, оберегающий зрачок от яркого света
и механического повреждения. Быстро реагирующий затвор,
способный быстро прерывать свет, был бы, конечно, весьма по-
лезен для робота, если бы его удалось сделать простым. Заслу-
живающий внимания в этом смысле пример — отказ телевизион-
ной системы во время недавней высадки на Лупе. Его можно было
избежать, если бы камера была снабжена автоматическим затво-
ром. Для такой автоматической быстродействующей защиты можно
использовать свойства различных суспензий в жидкостях.
Не подлежит сомнению то, что при выполнении некоторых
заданий необходимость в моргании и психологическая природа
причин, вызывающих моргание, могут быть существенным не-
достатком. Было обнаружено, что в некоторых случаях за счет
204
моргания затемнение зрения человека достигает 20% времени [ 17 ].
В зрительной системе робота период «затемнения» может быть
уменьшен или вовсе исключен, хотя как отмечалось выше, это
ведет к утрате механической защиты глаз, осуществляемой бла-
годаря морганию. Очистку оптической системы робота можно
обеспечить со значительно меньшими потерями зрения, чем при
моргании.
Список литературы
1. Gesell A., Infant Vision, Sci. Am., 182, February, 20 (1950).
2. Gregory R. L., Eye and Brain, Weidenfeld and Nicolson (1967).
3. Pierce J. R. and Karlin J, E., Information Rate of a Human Channel,
Proc. IRE, 45, March, 368 (1967).
4. Jacobson H., The Informational Capacity of the Human Eye, Science,
N. Y., 113, 292 (1951).
5. Came E. B., Artificial Intelligence Techniques, Macmillan (1965).
6. Wagman I. H. and Nathanson L. M., Proc. Soc. Exp. Biol. Men., 49,
466 (1942).
7. Stark testability, Oscillations and Noise in the Human Pupil Servo
Mechanism, Proc. IRE, 47, November, 11 (1959).
8. Clynes M. Non-Linear Biological Dynamics, Ann. N.Y. Acad. Sci., 98,
October 30, art 4 (1962).
9. Jones R. W., Some Properties of Physiological Regulators, in: Coales J.F.
(ed.), Automatic and Remote Control, Vol. 2, 674, Butterworths (1961).
40. Goertz R., Manipulator Systems Development at A.N.L., Proc. 12th
Conf. Remote Systems Technol., November, 1964 (A.N.S.), 117.
11. Miller W. V., Fluidic Sun Sensor for Solar Pointing Fluidic Attitude
Control, Proc. Joint Autom. Contr. Conf. A.A.C.C., Colarado, 1969, 545.
12. Giarretto H., The Effects of Stereoscopy on the Recognition of Patterns
in Visual Noise, Hum. Factors, 10, 513 (1968).
13. Julesz B., Binocular Depth Perception of Computer Generated Patterns,
B.S.T.J1, 39, 1125 (1960).
14. Julesz B., Local and Global Processes in Visual Perception, Proc.
IEE/NPL, Conf. Pattern Recog., 1968.
15. Anon., Invisible Searchlight for Military TV, Des. Electron., 8, April/
May, 4 (1971).
16. Blakemore C. and Cooper G. F., Development of the Brain Depends on
the Visual Environment, Nature, Lond., 228, 477 (1970).
17. Lawson R. W., Blinking, Its Role in Physical Measurements, Nature,
Lond., 161, 154 (1948).
18. Morten F. D., Infared Detectors and their Applications, Mullard Tech.
Comm., 10, May, 75 (1968).
19. Brindley G. S. and Lewin W. S., The Sensations Produced by Electri-
cal Simulation of the Visual Cortex, J. Physiol., 196, 479 (1968).
20. Lin W. C. et al., Feasibility Study of Electronic Multi-Electrode Sti-
mulation System for Visual Cortex Stimulation, Proc. 23rd Conf. Eng. Med. Biol.,
Vol. 12 (1970).
21. Anon., Artificial Vision, Wireless Wld, 77, May, 214 (1971).
22. Mawer J. C., Electronic Colour Registration in Printing, Ind. Elec-
tron., 1, August, 561 (1963).
23. Anon,, Mechanical Eye Views World in Matrix Form, Sci. J., 4, July,
17 (1968).
24. Blackburn H. et al., Pyroelectric Detector Arrays for Thermal Ima-
ging, JIERE, 42, August, 369 (1972).
25. Johnston A. R., An Electro-Optic Direction Sensor, J. Spacecraft Roc-
kets, 9, September, 690 (1972).
205
26. Miller В., Eye-L.ike Sensor Being Developed, Aviat. Wk. 97m October 2
49 (1972).
27. Anon., Silicon Intensifier Target Tube gives Better Undersea View, Elec-
tronics, 45, October 9, 47 (1972).
28. Erickson C. W., A Flame Sensor with Uniform Sensitivity over a Large
Field of View, Trans. IEEE, ED19, November, 1178 (1972).
29. Licklider J. C. R. et al., Studies in Speech Hearing and Communi-
cation, Final Report Contact W191222014, M.I.T. Acoustic Laboratory (Septem-
ber, 1954).
30. Heginbotham W. B. et al., The Nottingham S1RCH Assembly Robot,
Proc. 1st Conf. Industrial Robot Technology, Nottingham, March, 1973, 129.
Глава 11
РАСПОЗНАВАНИЕ СИМВОЛОВ
11.1. ЗРИТЕЛЬНОЕ РАСПОЗНАВАНИЕ СИМВОЛОВ
В последние годы была проделана огромная работа по раз-
витию различных методов распознавания печатных символов.
Автором сделан обзор работ, относящихся к этой теме [3].
Распознавание машиной символов, напечатанных на чеке
специальным шрифтом, который предназначен также для прочте-
ния человеком, представляет большое техническое достижение.
К сожалению, однако, оно представляется совершенно ненуж-
ным [11]. Если напечатать число, которое нужно распознать,
скажем, азбукой Морзе для вычислительной машины и обычным
шрифтом для человека, то мы ничего не потеряем, поскольку на
чеке хватит места для тех и других символов. Даже в случае более
компактных документов создание кода для ЭВМ, который можно
печатать под числом, набранным обычным шрифтом, используя,
скажем, максимум четыре точки, отнюдь не переходит границ,
человеческой изобретательности *.
Используя всего лишь шесть точек, помещенных под соответ-
ствующими символами, можно закодировать весь цифро-буквен-
ный алфавит. Разработка и конструирование сложного оборудова-
ния, способного читать специальный, близкий к обычному, шрифт
представляется не столь уже необходимой. В случае простой си-
стемы точек недостатком является чувствительность к шуму,
однако проблемы такого рода вполне преодолимы при наличии
автоматических систем обнаружения ошибок.
Мы не будем останавливаться здесь на методах машинного
распознования символов, поскольку «Бритиш Компьютер Со-
сайти» подготовило превосходный обзор на эту тему [2]. Вместо
этого рассмотрим более общие работы по моделированию зри-
тельных систем животных с целью применения их в роботах.
Перечень соответствующего выпускаемого промышленного обо-
рудования опубликован в работе [13]. Обзор оборудования сделан
Ви [16], экономические вопросы рассмотрены в работе Карсбери
[18].
11.2. ПЕРЦЕПТРОНЫ
Большое количество средств было израсходовано во всем мире
на дорогостоящие эксперименты, в которых простые блоки мажори-
тарной логики настраивались («обучались») дихотомизации, т. е.
умению различать два различных распределения сигналов на
входах.
* Такая система введена теперь посредством «Дейтэфлоу» [1].
207
Пожалуй следует отметить, что если от перцептрона, настроен-
ного отличать, скажем А от В, потребовать затем, чтобы он раз-
личал Л и С, необходимо будет вновь представить ему А в процессе
настройки. Другими словами, операция настройки перцептрона
не требует какого-то особого способа обнаружения свойств,
присущих А. Вместо этого он просто настраивается различать
два определенных образа. Из описания работы простого демон-
страционного перцептрона [12], видно, что он может лишь от-
нести к определенному классу символы F, L или даже X; важно
лишь то, что все три буквы рассматриваются в равной степени
отличающимися от Y (или от 0).
При значительном усложнении можно было бы различать го-
раздо большее число различных образцов. Тем не менее очень
сложные устройства не были реализованы практически, возможно,
из-за чрезвычайно высокой стоимости.
Таким образом, в дополнение к многочисленным конструкциям,
в которых применялась мажоритарная логика, появилась кон-
струкция перцептрона со случайными перекрестными соедине-
ниями между S- и A-элементами. Кроме того, аналогичный подход
был осуществлен в устройстве под названием «Адалин» и в устрой-
стве, названном «Мадалин», объединяющем множество устройств
«Адалин» общим выходом.
Этот же подход используется в так называемой сети Байеса,
только здесь веса входов, задаваемые настройкой резисторов,
обычно выбираются случайным образом в соответствии с лога-
рифмом вероятности появления сигнала на различных входах.
Вернемся к основным многочисленным работам по устройствам,
подобным перцептрону. Нивергелт показал, что эти устройства
не могут распознавать простые геометрические свойства (напри-
мер, «связность»), а устройство, способное распознавать треуголь-
ник или окружность, будет иметь слишком большие размеры [4].
Однако, несмотря на то что подход, реализуемый в таких устрой-
ствах, появившихся под множеством разнообразных названий,
по всей видимости, мало перспективен, он, по крайней мере,
использует мажоритарную логику как противоположность би-
нарной логике. Нервная система животных не бинарна ни струк-
турно, ни функционально.
В некоторых перцептронах, например описанных Хейем и др.
[5], или в модификации, созданной Тэйлором в Лондоне [6, 7],
переменные резисторы приводятся в движение электрическим дви-
гателем, осуществляя автоматическую установку величины сопро-
тивления в зависимости от сигнала на выходе усилителя.
Модификация Тэйлора использовалась для различения 10
зрительных образцов, представляющих собой фотографии лиц;
Холмс обнаруживал самолеты и здания [14].
Работы по перцептрону все еще получают финансовую под-
держку. Например, в Англии делаются попытки миниатюризовать
перцептрон за счет использования интегральной схемотехники.
208
11.3. МЕТОД ТЕНЕВОЙ МАСКИ
В методе теневой маски, используемом иногда для оптического
распознавания символов, предусматривается поочередное покры-
тие позитива распознаваемого изображения «позитивной маской»
каждого из изображений, распознаваемых системой. Затем от-
дельно суммируются все участки поверхности тестируемой фи-
гуры, лежащие вне каждой из позитивных эталонных масок.
Подобным же образом негатив изображения, подлежащего рас-
познаванию, сравнивается со всеми возможными негативами изо-
бражений и в каждом отдельном случае площади, лежащие вне
каждой из эталонных масок, суммируются. Затем «позитивные»
и «негативные» суммы складываются, после чего принимается
решение относительно предъявляемого символа, которым является
скорее всего тот, который дает минимальную полную сумму, иногда
называемую «сумма-ошибка».
В Астонской кибернетической лаборатории этот метод иссле-
довался Фишером с помощью ЦВМ [17]. Он назвал его методом
внутреннего торможения. Для иллюстрации данного метода рас-
смотрим простую сетчатку, содержащую только девять клеток.
При предъявлении такой сетчатке формализованных символов 1 и
I результирующие наборы возбуждения будут выглядеть следу-
ющим образом:
Позитив Негатив
0 1 0 — 1 0 —1
0 1 0 — 1 0 —1
0 1 0 — 1 0 —1
Позитив Негатив
1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 -1 0 —1 0 0 0
Эти наборы возбуждений могут рассматриваться как позитив-
ные и негативные маски, хранящиеся в памяти. При возникнове-
нии на сетчатке какого-либо неизвестного распределения возбу-
ждения оно сравнивается с позитивными масками, а его инверсия —
с негативными. Каждое из совпадений предъявленной информации
и информации, хранящейся в памяти, засчитывается «за одно
очко», тогда как несовпадения не учитываются.
Рассмотрим предъявление сетчатке символа 1. Соответству-
ющие комбинации возбуждения, снимаемые с сетчатки, будут
иметь вид:
0 10 —10—1
0 10 —10—1
0 10 —10—1
При предъявлении данного символа возбуждения в отдельных
клетках сетчатки сравниваются с хранящейся в памяти информа-
цией о возможных комбинациях. При сравнении этих эталонных
209
комбинаций с хранимой в памяти информацией относительно
образов 1 и I получаются следующие результаты:
Сравнение с 1 Сравнение с 1
Позитивная корреляция......... 3
Негативная корреляция......... 6
Сумма.............................. 9
Итак, при использовании этих сумм в качестве меры корре-
ляции оказывается, что вероятность символа 1 почти в два раза
превосходит вероятность символа I. Отметим, что на полное со-
впадение с предварительно запомненным образом указывает, как
видно из примера, величина корреляции, равная числу клеток
(в данном случае девяти).
Подобные методы иногда применяют при борьбе с шумами в сет-
чатках, содержащих огромное число элементов. Например, если
менее пяти из девяти клеток любого квадрата «окрашено» черным,
этот отдельный квадрат не рассматривается [15].
11.4. ДРУГИЕ ВИДЫ ТОРМОЖЕНИЯ
Вместо метода теневой маски (или внутреннего торможения)
могут применяться другие методы, построенные на использовании
торможения совместно с корреляционными методами, которые
включают как хранение, так и раздельное применение позитивных
и негативных матриц.
Например, в памяти могут храниться те же наборы символов,
что и в описанном выше методе, но тестовый вход, формируемый
при предъявлении образца, содержит и положительные («темные»)
и отрицательные («светлые») сигналы. Проиллюстрируем сказан-
ное на примере предъявления символа 1. В результате этого предъ-
явления сигналы от матрицы клеток принимают вид:
-1 +1 -1
-1 +1 -1
-1 +1 -1
Положительные и отрицательные корреляции задаются сле-
дующим образом:
Предъяв- Предъяв-
ление 1 ление I
Позитивная корреляция................... 4-3 —1
Негативная корреляция.................... +6 +2
Сумма................................... 4-9 4-1
Очевидно, что 1 отличается теперь от I на 89%. И точно так же
на 89% отличается I от 1.
210
Возможен и другой подход, состоящий в хранении в памяти
только положительных сигналов:
1 I
0 10 111
0 10 0 10
0 10 111
Однако тестовый вход, получаемый при предъявлении какого-
либо образа, и здесь может состоять как из положительных («свет-
лых»), так и из отрицательных («темных») сигналов. Поэтому,
как и в случае, рассмотренном выше, при предъявлении символа 1
сигналы от матрицы клеток будут иметь вид:
-1 +1 -1
-•1 +1 -1
-1 +1 -1
Результирующие корреляции тестового входа с хранимыми
символами 1 и I соответственно равны 3 и —1.
Таким образом, различие, которое дает этот вариант распо-
знавания, оказывается равным 133%. Подобным же образом при
предъявлении тестовому входу символа I отличие от символа 1
составляет 57%.
Последний метод можно классифицировать как метод внешнего
торможения, поскольку отрицательные тормозящие сигналы по-
рождаются внешними входными сигналами, а не сигналами, хра-
нящимися в памяти. Метод внешнего торможения не только дает
лучшее различение, но требует также минимального объема па-
мяти и позволяет вычислить коэффициент корреляции всего лишь
за один цикл умножения вычислительной машины.
Для сравнения трех приведенных здесь методов с методом,
в котором вовсе не используются отрицательные тормозящие
сигналы, была написана программа Мк-17. С использованием ска-
нируемой сетчатки было сделано шесть распечаток от разных
групп символов по 37 различных символов в каждой.
11.5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОГРАММЫ Мк-17
Программа Мк-17 позволила провести множество эксперимен-
тов на ЭВМ и искусственной сетчатке. Мы приведем здесь только
основные результаты.
Хотя все четыре метода распознавания не имеют принципиаль-
ных отличий, метод внешнего торможения дает на практике лучшие
результаты. Он предпочтителен также и потому, что экономит
память.
В процессе опытной проверки этих методов оказалось, что
более мелкие образы предпочтительнее крупных. Например,
символ 4 может быть легко принят за 1, особенно, если сме-
щена его центральная линия. В таком случае система выделяет
211
центральную линию символа 4, а все остальные линии символа не
рассматривает. Фишер полагает [17], что это происходит потому,
что отрицательным тормозящим входам приписывается слишком
большой вес. Эксперименты с уменьшенными весами по торможе-
нию (с использованием разных понижающих коэффициентов)
показали, что наилучшее функционирование достигается при де-
лении корреляционной суммы от отрицательных входов на коэф-
фициент 3. После того как это было сделано, символ 4, например,
распознавался правильно. Фишер указал на очень интересный
факт совпадения этого коэффициента с аналогичным коэффициен-
том для нервной системы человека, полученным исходя из среднего
соотношения тормозящих и возбуждающих нейронов [8].
11.6. НЕСВЯЗНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ
При одном из подходов к визуальному распознаванию симво,-
лов, исследовавшемся в Астонском университете физиками Ли-
фером, Роджерсом и Стефенсом [9], использовался несвязный
вариант преобразования Фурье. Прежде всего было проведено раз-
граничение между распознаванием символов, когда все элементы
класса символов, подлежащих распознаванию, известны заранее,
и распознаванием образов, когда образы заранее неизвестны.
Первая задача представлялась более легкой, и поэтому было ре-
шено начать с нее.
Методы, основанные на использовании преобразований Фурье,
имеют преимущество перед использованием прямого или авто-
коррелированного изображений, которое заключается в том, что
высокочастотный шум, возникающий, например, в результате
отсечек или мелких дефектов, можно легко отфильтровать, хотя
следует иметь в виду, что в некоторых случаях, например в случае
заглавной буквы О, поступать так было бы ошибочно, поскольку
это привело бы к неверному распознаванию.
Однако при использовании преобразования Фурье для рас-
познавания символов, представляющих собой просто взаимную
инверсию друг друга (например, 6 и 9), необходимо вводить какое-
то различение фазы.
На практике оказалось возможным различать 10 печатных цифр
фиксированного вида при помощи трех коэффициентов Фурье,
заданных семью отсчетами (3 бита), один из которых задает фазу.
Таким образом, используется всего 10 бит информации при ми-
нимальном значении в 3,3 бита, так что надежность системы может
рассматриваться равной трем.
В экспериментальном оборудовании символ, подлежащий рас-
познаванию, освещался лампой, работающей на постоянном токе.
Изображение проектировалось на рассеивающий экран, распо- -
ложенный в фокальной плоскости авиационной телефотокамеры,
которая использовалась как коллиматор для получения параллель-
ного пучка лучей. Круговое сканирование производилось вра-
212
вдающимся зеркалом, поэтому работа системы не зависела от
ориентации, расположенной перед фотоэлементами-датчиками
прозрачной экранной сетки, состоящей из темных и светлых
линий.
В дальнейшем перед фотоэлементами была установлена вторая
сетка, чтобы большее число элементов участвовало в обнаружении
образованного «муарового образа». Для обнаружения фазы был
дополнительно введен также эталонный сигнал от светового
пятна.
В результате на выходе экспериментального оборудования
формировалось 12-битовое изображение, причем требовалось всего
лишь 10 из 8192 возможных изображений образов. Однако, по-
скольку две индикаторные лампы никогда не включались и были
избыточными, оставалось только 2048 возможных комбинаций
изображений.
При необходимости можно и далее понижать избыточность
в данной системе. Поступая таким образом, автор обнаружил,
что эта система позволяет уменьшить необходимый набор до пяти
бинарных разрядов или ламп, т. е. на одну больше, чем дает
теоретический минимум (рис. 11.1). После того как это сделано,
можно при желании снова добавлять избыточность, что с инженер-
ной точки зрения повышает надежность распознавания.
11.7. СКАНИРУЕМАЯ ИСКУССТВЕННАЯ СЕТЧАТКА
Принцип работы ассоциативной машины «Астра» можно моде-
лировать на цифровой вычислительной машине, что и было про-
демонстрировано на вычислительной машине PDP9, запрограмми-
рованной Фишером во время его работ в Астоне [17]. В этом
213
Случае принцип работы «Астры» был приложен к обучению зри-
тельному распознаванию символов на искусственной сетчатке,
которая использовалась в качестве сенсорного органа и со-
стояла из множества фотоэлементов.
Для работы с вычислительной машиной входная информация
должна быть преобразована из параллельной формы, в которой она
представлена на искусственной сетчатке, в последовательную
форму. Оказалось, что использование в качестве сканирующего
устройства шагового искателя приводит к гораздо более простому
инженерному решению, чем использование статических электрон-
Рис. 11.2. Схема управления шаговым искателем
ных сканирующих средств. Скорость сканирования в исследова-
ниях такого рода не важна, а шаговые искатели всегда имеются
в наличии.
Выбор шагового искателя в качестве сканирующего устройства
позволяет легко осуществить сканирование 50 точек искусствен-
ной сетчатки, что делает желательным использование матрицы
фотоэлементов размеров 7x7 элементов. При этом задействуются
49 из 50 контактов, а один запасной контакт или свободен, или
служит для указания конечного положения.
Схема управления сканирующим устройством показана на
рис. 11.2. Для обеспечения возврата в исходное положение имеется
кнопка, включенная последовательно с подвижными контактами
шагового искателя, контактной группой и катушкой шагового
искателя. При нажатии кнопки возврата шаговый искатель
автоматически передвигается до тех пор, пока не достигнет
исходного положения, обеспечиваемого запасным свободным
контактом.
Шаговый искатель может управляться также и от вычислитель-
ной машины. Управление осуществляется при помощи контактов
группы реле ЭВМ, которые замыкают цепь вспомогательного реле
блока шагового искателя, а затем размыкают ее. Каждый раз,
когда это происходит, контакт, включенный последовательно
с катушкой шагового искателя, замыкается и затем размыкается;
214
кОм
+ZOb
Шаговый Г
татем /
20
Установка . 1'дк0н
уровня Т/лСм
(наору эка) '-------
330 кОм
выход
188
Рис. 11.3. Схема триггерного выхода.
Триггер: срабатывание — 5,7 В, возврат — 5,2 В; вы-
ход: +2,2 В (свет), —1,0 В (отсутствие света)
обеспечивая передвижение шагового искателя на один шаг. Это
промежуточное реле требуется лишь потому, что мощность ком-
мутирующего сигнала вычислительной машины недостаточна для
катушки шагового искателя.
Для предотвращения влияния бросков напряжения на работу
вычислительной машины параллельно всем контактам подклю-
чаются конденсаторы большой емкости, а параллельно катушке
реле — миниатюрная неоновая лампа. Оказалось, что с точки
зрения уменьшения «дрожания» контактов при работе в авто-
матическом режиме, который использовался в эксперименте,
оптимальным напряже-
нием источника питания
является напряжение
35 В.
Сопротивление каж-
дого из 49 недорогих
фотоэлементов, исполь-
зуемых в сетчатке, из-
менялось от 1000 Ом
при ярком свете до
до 25 000 Ом в темноте.
Фотоэлементы монтиру-
ются на квадратной мат-
рице размером 4,5X
х4,5 см. Для исключе-
ния влияния на фото-
элементы постороннего
света они окрашиваются с боков в черный цвет, что желательно
и для других, описанных ранее, случаев использования этих
фотоэлементов.
Фотоэлементы сканируются по рядам, при этом каждый из
них поочередно подсоединяется к общему нагрузочному сопро-
тивлению в 2800 Ом. Низкая величина сопротивления выбирается
в целях получения максимального тока через контакты и обеспе-
чения достаточно большого сигнала напряжения для работы по-
следующей триггерной схемы. Эта триггерная схема, представлен-
ная на рис. 11.3, преобразует информацию от сканирующей си-
стемы в двоичную форму, удобную для использования вычисли-
тельной машиной.
Символы, изображенные фломастером на обычной копироваль-
ной бумаге линиями толщиной, равной ширине фотоэлемента,
Давали удовлетворительное реагирование: изменение напряже-
ния на выходе фотоэлементов составляло 4—5 В. Триггерная схема
была введена для создания мертвого хода в 0,5 В, что позволило
получить изменение выходного напряжения приблизительно
В 1,2 В.
Учитывая возможность практического применения такой сет-
чатки, например, для чтения почтовых кодов, обычные печатные
215
символы увеличивали фотоспособом до 45 мм. Это дало удовлетво-
рительные результаты, и вполне возможно, что при использова-
нии таких же недорогих фотоэлементов будет достаточно обычного
оптического увеличения. Следует заметить, однако, что до сих
пор в Астоне во всех экспериментальных работах с такой скани-
руемой сетчаткой символы писались от руки фломастером.
В Астоне эта же сканируемая сетчатка использовалась при моде-
лировании на ЭВМ PDP9 оптического распознавания символов
машиной «Астра» [12].
11.8. ПРОСТЫЕ СХЕМЫ СОВПАДЕНИЙ
ДЛЯ СРАВНЕНИЯ ОБРАЗОВ
Часто высказывалось предположение, что, располагая инфор-
мацией, представленной в последовательном, или «сканирован-
ном», виде, можно подать ее на сдвигающий регистр, выходы каж-
дого из разрядов которого соединены с вентилем И. Тогда совпа-
дение исходной информации, полученной в результате сканирова-
ния, и эталонного образа вызывает срабатывание вентиля И,
на выходе которого возникает высокий потенциал.
Подобные импульсные обнаружители образов фактически ис-
пользовались в некоторых системах с кодово-импульсной модуля-
цией [10 ].
Дальнейшая работа привела к замене вентилей И мажо-
ритарными логическими элементами, что позволило обнаружи-
вать полученную при сканировании картину распределения им-
пульсов несмотря на множество ошибок. Подобные методы
предлагалось использовать и для зрительного распознавания
образов.
Однако нет никакой необходимости в сканировании и после-
дующем «прогоне» информации через сдвигающий регистр при
условии, что для обнаружения визуального изображения вместо
телевизионной камеры будет использоваться несколько фотоэлек-
трических элементов, составляющих матрицу. Фотоэлектрические
элементы позволяют получить выход в параллельной форме,
которая очень удобна для прямой подачи на один или более мажо-
ритарных логических элементов.
Непосредственное использование мажоритарного логического
элемента для обнаружения совпадения не учитывает того факта,
что отсутствие сигнала в отдельной точке изображения может пере-
носить такое же количество информации, как и наличие сигнала
в точке. Если вместо такого подхода осуществляется взаимная
корреляция входного и хранимого образцов, то договоренность
относительно отсутствия сигнала в точке становится столь же
важной, как и договоренность о наличии его в точке.
При условии, что хранимый и входной сигналы путем ограни-
чения можно преобразовать в простой двухуровневой вид, легко
приписать одной из амплитуд значение положительного сигнала,
216
а другой —• отрицательного. Произведения этих сигналов дадут
следующий результат:
Входной сигнал Хранимый сигнал Произве- дение
"Т "Т +
— —
— "Т —
— — +
Таким образом, положительная корреляция указывает на
совпадение образов независимо от знака сигналов. Переходя
к физиологическим аналогиям, можно сказать, что торможение
используется тогда и только тогда, когда есть несовпадение
хранимого и выходного образов, дающее отрицательную кор-
реляцию.
Список литературы
1. Anon., Data Entry goes from Strength to Strength, IEE News, May 3,
8 (1971).
2. Anon., Character Recognition, British Computer Society (1967).
3. Young John F., Cybernetics, Iliffe (1969).
4. Nievergelt J., Review of Perceptrons (Minsky and Papert), Trans. IEEE,
C18, June, 572 (1969).
5. Hay J. C. et ai., The Mark 1 Perceptron—Design and Performance,
IRE Int. Conv. Rec., 8, pt 2, 78 (1960).
6. Taylor W. K-, Pattern Recognition by Means of Automatic Analogue
Apparatus, Proc. IEE, 106B, 198 (1959).
7. Taylor W. K-, Machines That Learn, Sci., J., 4, October, 102 (1968).
8. George F. H., Cybernetics and Biology, Oliver and Boyd (1965).
9. Liefer L, Rogers G. L. and Stephens N. W. F., Incoherent Fourier
Transfrmation: A New Approach to Character Recognition, Opt. Acta,
16, 535 (1969).
10. Tyler J., Basics of Pulse Code Modulation Telemetry, Orbit, 6, April,
23 (1971).
11. Young John F., Cybernetics, Past, Present, Future, Br. Comm. Elec-
tron., 12, May, 302 (1965).
12. Young John F., Cybernetic Engineering, Butterworths (1972).
13. Anon., Character Recognition, Data Processing, 12, May/June, 250 (1970).
14. Holmes, W. S., Automatic Photointerpretation and Target Location,
Proc. IEEE, 54 December, 1679 (1966).
15. Schuh J.F., What a Robot Can and Cannot Do, in: Rose J. (ed.), Sur-
vey of Cybernetics, 29, Iliffe (1969).
16. Wee W. G., A Survey of Pattern Recognition, Proc. 7th IEEE Symp-
Adaptive Processes, U.C.L.A., 1968, 2el.
17. Fisher К. P. A Digital Simulation of Astra Mk 3 and Some Experi-
ments in Character Recognition, University of Aston (1970).
18. Carsbury W. H., Electronic Reading Machines, Telecommunications.
7, September, 14D (1972).
Глава 12
ЗРЕНИЕ РОБОТА
12.1. ПРОСТЫЕ СПОСОБЫ РАСПОЗНАВАНИЯ
СИМВОЛОВ
Часто можно видеть очень сложное оборудование, сконструи-
рованное для распознавания печатных или письменных символов
и преобразования их в код, удобный для использования в вычисли-
тельной машине. Роботы такого рода совершенно справедливо
относятся к кибернетической технике. Интересно попытаться
упростить это чрезвычайно сложное оборудование до необходимого
минимума. Большая часть сложностей приходится на основные
механические манипуляционные системы, необходимые для по-
дачи документов, которые должна читать машина. Однако сама
читающая часть оборудования зачастую тоже достаточно сложна.
Сотрудник Астонской кибернетической лаборатории Д. Г. Хоп-
кинс сделал попытку найти способы сужения задачи распознава-
ния символов до минимально необходимой [35 1. Обычно принято
заранее жестко определять внешний вид символа, подлежащего
распознаванию какой-либо системой для распознавания символов.
После того как это сделано, возникает вопрос, каков минимальный
объем оборудования, которое может использоваться для распозна-
вания и различения заданного числа различных символов. Как
и в большинстве оригинальных работ, ответ Хопкинса на этот
вопрос, после того как он получен, кажется настолько очевидным,
что интересно кратко проследить процесс продвижения от слож-
ного к простому в этом случае.
Хопкинс начал с допущения о том, что он будет использовать
множество из 25 фотоэлементов, в то же время ясно сознавая, что
глаз человека содержит намного больше чувствительных эле-
ментов. Затем он видоизменил конфигурацию 10 своих цифро-
вых символов таким образом, чтобы они состояли из прямых ли-
ний, а кривые линии были почти полностью исключены. Благо-
даря этому обеспечивалось адекватное «покрытие» используемых
фотоэлементов и уменьшалась неопределенность. Преобразован-
ные символы приобрели квадратную форму, но не в очень сильной
степени.
Затем фотоэлементы были обозначены по рядам: ряд 1, ряд 2,
..., ряд 5 — и по столбцам: столбец А, столбец В, . . ., столбец Е.
Теперь любой фотоэлемент мог быть определен, например, как
СЗ. Информация об освещенности фотоэлементов, связанная с ка-
ждым из символов, подлежащих распознаванию, сводилась в та-
блицы. Эти таблицы тщательно проверялись на избыточность,
например на наличие элементов, которые никогда не освещаются,
или повторяющихся образцов.
218
В результате проверки обнаруживаются элементы, которые
покрываются всеми символами, кроме одного, или же не покры-
ваются никакими символами, кроме одного. Девять таких эле-
ментов могут использоваться для индикации всех 10 символов
(10-й делается избыточным применением метода исключения).
Однако, даже если и находятся девять таких элементов, это
число все еще превышает абсолютный минимум, равный четырем
элементам. Минимальное число элементов, необходимых для
обнаружения 10 различных символов, которые можно разделить,
располагая тремя элементами, равно 8 = 23. Если теперь найдены
элементы, которые покрываются (или не покрываются) двумя
из символов, то потребуется минимальное число элементов, рав-
ное шести. В том случае, когда число символов, позволяющих
покрыть или не покрыть любой отдельный элемент, равно трем,
теоретически требуется только пять различных элементов. При-
веденные рассуждения позволяют сделать вывод, что интерес
должны представлять такие системы, в которых четыре пли пять
из 10 цифровых символов могут покрывать (или не покрывать)
любой отдельный фотоэлемент.
Работая с уменьшенной таблицей, о которой упоминалось выше,
мы обнаружили в результате проверки, что в полной матрице,
состоящей из 25 элементов, есть три элемента, а именно элементы
под номерами А4, ВЗ, Е2, которые удовлетворяют указанным
требованиям. Однако они не позволяют различить цифры 2 и 8,
а также цифры 3 и 9. Этого и следовало ожидать, поскольку ис-
пользуются только три фотоэлемента. Добавление еще одного
фотоэлемента должно позволить разделять 2 и 8, а также 3 и 9.
Это оказалось именно так, и проверка матрицы показала, что но-
мер этого дополнительного элемента —• А2. Таким образом, рас-
полагая четырьмя элементами — А2, А4, ВЗ, Е2,— можно раз-
личать все 10 различных символов.
Теперь важно отметить, что полученная конфигурация эле-
ментов не обязательно единственная, в частности потому, что кон-
кретное множество символов выбиралось до нахождения требуе-
мого расположения фотоэлементов. Как бы то ни было, наиболее
важно то, что Хопкинса показал осуществимость этого метода,
которая, в свою очередь, демонстрирует целесообразность фор-
мального инженерного подхода к конструированию символов и
их распознованию. Экспериментальное оборудование, созданное
в Астоне Хопкинсом, очень простое и весьма удачное.
12.2. РАЗВИТИЕ ПРОСТЫХ СПОСОБОВ
РАСПОЗНАВАНИЯ СИМВОЛОВ
Описанный выше оригинальный метод распознавания цифр
дает четырехразрядный двоично-кодированный выход. Однако
было бы очень желательно, чтобы выход был представлен в истинно
двоичном виде. После того как Хопкинс продемонстрировал
219
целесообразность этого метода, дальнейшая работа автора при-
вела его к системе, которая дает истинно двоичный выход.
Форма символов, используемых при работе с этой системой,
и необходимое расположение фотоэлементов показаны на рис. 12.1.
Двоичный выход получается
простой инверсией цифрового на-
пряжения от фотоэлемента Z, с тем
чтобы выходной сигнал можно
было записать как WXYZ.
В любой реальной системе,
предназначенной для использова-
ния в роботе или аппаратуре для
распознавания образов полная
минимизация производиться не
будет. Основанием для этого слу-
жит то, что введение в систему
дополнительной избыточности мо-
жет способствовать повышению
ее надежности. Конкретная форма,
которую примет избыточность,
будет зависеть от природы всей
системы в целом.
В качестве примера введения
избыточности на рис. 12.1 кре-
стиками отмечены точки, нахо-
Рис. 12.1. Набор символов, позво- дящиеся в одном и том же месте
ляющих получить истинно двоич- всех 10 символов, и их можно
ный выход от четырех фотоэле- использовать для расположения
ментов
символов в читающем устройстве.
Хопкинс, расширяя возможности своей системы применением
фотоэлементов, имеющих удлиненную форму, и набирая из них
круглые элементы, получил около 30% правильного распознава-
ния вручную написанных цифр произвольного размера. При этом
он по-прежнему использовал только четыре элемента.
Огромный интерес вызвала возможность распознавания тек-
ста, написанного от руки, для использования в вычислительной
технике; некоторые работы в этой области были доведены до
уровня применения. Например, одна из систем [31 ] при помощи
специального пера позволяла заносить информацию через план-
шет «Рэнд», состоящий из проволочной сетки. Можно было ис-
пользовать и специальное перо, в котором звуки от искр, возни-
кающих с частотой 200 в секунду, улавливаются микрофонами,
расположенными по краям пульта. Создатели системы утвер-
ждают, что она может распознавать 100 символов, написанных
любым лицом. В системе предусмотрена обратная связь к опера-
тору, поступающая на экран электронно-лучевой трубки, что
позволяет ему стирать ошибочно записанную информацию, на-
жав на кнопку стирания или переписав сверху неправильный
символ.
220
12.3. ОБНАРУЖЕНИЕ КРАЕВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
НА СЕТЧАТКЕ
Физиологические исследования указывают на некоторые осо-
бенности зрения животных при обнаружении изображений. Лет-
вин и его соавторы [1, 17] обнаружили существование разно-
образных специализированных нервных волокон, отходящих от
глаза лягушки, в том числе и тех, которые реагируют только на
четко определенные границы между объектами.
Только падающие на сетчатку изображения изменяющихся
световых образцов и движущихся искривленных краев вызывают
сигналы, идущие в мозг. Все другие виды нервной информации
на сетчатке, по-видимому, игнорируются и не вызывают сигна-
лов, посылаемых в мозг. Хьюбел и Вейзел [2] открыли тот
факт, что некоторые клетки в глазу кошки реагируют только па
движение изображения по сетчатке. Это означает, что возможна
непосредственная нейронная реакция на скорость, с которой
изображение движется вдоль сетчатки.
Из изложенного следует, что до некоторой степени зрительное
обнаружение характера изображения происходит непосредственно
на сетчатке, а не в мозгу. Поэтому ждет своего осуществления
большая работа по моделированию этих возможностей глаза и
использованию их в инженерных целях. В прошлом работы та-
кого рода обычно сводились к обработке данных в цифровой вы-
числительной машине. В ряде случаев делались очень сложные
теоретические предположения относительно возможной органи-
зации процесса усиления контраста на сетчатке [13, 14].
12.4. УСИЛЕНИЕ КОНТРАСТА
В СКАНИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЕ [3, 4, 32]
Для того чтобы обеспечить усиление контраста по двум коор-
динатам в устройстве, имитирующем глаз и содержащем скани-
рующую систему, например передающую телевизионную трубку
[34], необходимо использовать две отдельные системы.
Рассмотрим телевизионное сканирование. Усиление контраста
здесь может осуществляться по горизонтали, вдоль каждой строки,
а также по вертикали, от каждой строки к каждой последующей.
Методы, используемые для этих двух различных видов усиления,
в основном одинаковы. Изменяющийся во времени сигнал, полу-
ченный при сканировании, задерживается на различные времен-
ные интервалы; задержанный и незадержанный сигналы склады-
ваются и вычитаются в определенных пропорциях.
В качестве примера рассмотрим структурную схему усиления
контраста по вертикали, показанную на рис. 12.2. Этот процесс
приводит к выходному сигналу
1^п-1 — (^п ^п-г)! & + ^п-1’
221
где Ln — выходной сигнал от сканирования строки п и т. д.,
a k — постоянная. Этот выходной сигнал можно записать в виде
— kLn -I- (1 — k) Ln_! — kLn_2.
Такой подход можно использовать для усиления контраста как
по вертикали, когда требуемая задержка равна временной про-
должительности одной строки, так и по горизонтали, когда тре-
буются задержки всего лишь порядка временной продолжитель-
ности одного элемента. В первом случае необходима большая
точность задержки, во втором случае можно использовать простые
пассивные контуры, правда, с введением фазоинвертирующих
усилителей. Этот метод похож на метод, описанный в [36].
Рис. 12.2. Структурная схема усиления контраста
Хотя телевизионные передающие трубки и кажутся идеаль-
ными устройствами для использования в визуальной системе
робота, с ними связан целый ряд трудностей. Прежде всего они
должны быть тщательно защищены от возможного повреждения,
вызываемого, например, чрезмерным засвечиванием. Долговеч-
ность передающих телевизионных трубок очень ограничена,
вследствие чего нежелательно их непрерывное использование
в визуальной системе работа. Некоторые трубки страдают от
«прожигания» изображения на чувствительной поверхности, если
их экспонировать продолжительное время перед неизменяю-
щейся яркой сценой.
Несмотря на то что передающие трубки сейчас намного де-
шевле, чем несколько лет назад, все еще сохраняется потребность
в более дешевой системе, с большим сроком службы. Иногда
роботу приходится работать в среде, где он сам должен обеспечи-
вать себе освещение; в таких случаях заслуживают рассмотрения
системы с бегущим лучом.
Несколько лет назад автор участвовал в создании такой си-
стемы, предназначенной для использования в опасных промыш-
ленных средах, где ограниченная продолжительность жизни
передающих телевизионных трубок служила серьезным препят-
222
ствиеМ для их применения. В этой системе телевизионная трубка
проекционного типа создавала визуальный растр, который проек-
тировался на рассматриваемую сцену. Отраженный от сцены свет
улавливался фотоумножителем. Первые результаты, полученные
при работе с этой системой, были неутешительными, однако
замена проекционной трубки на трубку со специальным люмино-
фором, значительно улучшила результаты. К сожалению, тре-
бующиеся для этих трубок высокие напряжения и малые возмож-
ности их приобретения делают такое решение неприемлемым
для использования в современных системах.
В настоящее время получили распространение интегральные
системы сетчаток, содержащие большое количество фотоэлементов.
12.5. УСИЛЕНИЕ КОНТУРА ПУТЕМ СОВМЕЩЕНИЯ
Контуры визуального изображения можно усилить точным
совмещением двух противоположных визуальных представлений
изображения. Например, точное совмещение позитивного и не-
гативного диапозитивов дает контур изображения. Прохождение
света, связанное с интерференцией и краевыми .эффектами, воз-
можно только в областях резкого изменения плотности. Оказа-
лось, что в таком процессе наряду с контурной информацией
сохраняется и текстурная информация. При этом чем меньше
промежуток между двумя диапозитивами, тем меньше деталь,
которая может быть воспроизведена.
Рассмотрим черно-белое изображение. На краях изображения
и на границах между черными и белыми областями неизбежно
возникает более или менее постоянное изменение пропускания
света. Если теперь взять простую сумму оптической плотности А
в любой заданной точке и ее инверсию —А, то эта сумма всегда
равна нулю и никакого суммарного изображения возникнуть не
может. Подобным образом, если привести к единице максималь-
ную величину оптической плотности (т. е. Лшах = 1) и взять
разность между оптической плотностью А и 1—А, то в каждой
точке результат будет 2А — 1; если же взять их сумму, то резуль-
тат будет равен А + 1 — А = 1. Следовательно, простые сумма
или разность сигнала и его инверсии вообще не могут создавать
эффекта усиления контура изображения.
Один из путей достижения контурного усиления за счет непо-
средственного использования изображения, а не интерференции
и краевых эффектов состоит во взятии произведения, а не суммы
или разности сигнала А и сигнала 1 — А. В результате этого полу-
чаем
Л(1 - Л) = А —А2.
Результирующий сигнал такого вида дает на выходе макси-
мальную величину в точке, где интенсивность изображения со-
ставляет половину от максимальной величины. .
223
Процесс нормирования можно осуществить делением на ма-
ксимальную величину, что приводит к следующему виду сигнала-
произведения:
А_____А2 _ А /1 А \
Дщах ^тах ^тах \ Дщах / ’
где Дшах определяется как максимальное значение сигнала в точке,
ближайшей к точке нулевой крутизны и с максимальной отрица-
тельной скоростью изменения сигнала.
Однако совсем не обязательно брать нуль за основу вычисле-
ний, если определена точка, ближайшая к точке нулевой кривизны
и с максимальной положительной скоростью изменения сигнала,
поскольку в этом случае показатель локальной кривизны может
быть задан в виде
/ 71 — Дщ1п \ / 71 — Л min \
\ Дтах / \ Дтах /
где Лт1п — значение в точке, ближайшей к точке нулевой кри-
визны и с максимальной положительной скоростью изменения
сигнала.
Эта характеристика является сугубо локальной. В дальней-
шем будет показано, что, в отличие от процесса разделения ска-
нированием, описанный выше процесс не зависит от скорости изме-
нения сигнала, а зависит только от его фактической величины.
В этом есть определенное преимущество, поскольку при медлен-
ном изменении возникает большой выходной сигнал, так как он
зависит от самой величины, а не от скорости ее изменения.
Интересно заметить, что сложением двух совершенно произ-
вольных совокупностей точек можно сформировать вполне реаль-
ное изображение. Шредер великолепно проиллюстрировал этот
факт [12]. Его работы с большой убедительностью демонстрируют
трудности, связанные с попыткой извлечь какую-либо информа-
цию из микрофотоснимка множества нейронов, полученных от
реальных объектов.
12.6. СЧИТАЮЩАЯ СЕТЧАТКА
Большое количество объектов человек считает глазами по
отдельности или разделяет их на группы. В то же время глаз
человека обладает способностью к мгновенному подсчету изобра-
жений, создаваемых на сетчатке небольшим числом объектов [39,
40]. Искусственная сетчатка, наделенная такой способностью,
имела бы многочисленные применения; одним из наиболее важных
явилось быстрое определение количества объектов, например
элементов крови, находящихся под микроскопом.
Принципиальная возможность создания такой непосредственно
считающей сетчатки была продемонстрирована П. С. Вильямсом
в Астоне [37]. Схема экспериментального устройства показана
224
на рис. 12.3. Клетки сетчатки представлены одним рядом сер-
нисто-кадмиевых фотоэлектрических элементов. Сигналы от этих
элементов подаются на операционные усилители, а затем посту-
Рис. 12.3. Схема, применяемая в считающей сет
чатке
пают на выход. Число объек-
тов, появляющихся перед ли-
нейкой элементов, определя-
ется простыми схемами, и
результат указывается при-
бором, шкала которого от-
градуирована на число объ-
ектов.
Принцип работы этого
демонстрационного оборудо-
вания на самом деле весьма
прост, хотя на первый взгляд
кажется, что это не так. Для
определения числа объектов,
независимо от их размеров
и положения, подсчитывается
число краев объектов, появ-
ляющихся перед сетчаткой,
а затем устройство автомати-
чески делит его на 2. В искус-
ственной сетчатке использу-
ется, таким образом, принцип
обнаружения краев изобра-
жения.
Рассмотренный принцип
можно распространить для
использования не только в
одномерном,но и в двумерном
8 Дж. Ф. Янг
Рис. 12.4. Пример использования «детек-
тора краев», разработанного в Астоне
225
варианте, применив для определения числа краев вдоль каждой из
параллельных строк растра визуальной сцены «детектор краев»,
разработанный в Астоне. После этого вычисляются значения разно-
стей, как это показано на рис. 12.4, между числами краев, появив-
шихся перед соседними линейками, а затем вычисленные разности
суммируются и делятся на 4 для получения общего числа рассма-
триваемых выпуклых объектов независимо от их индивидуальных
размеров. Такое считающее устройство может непосредственно
использоваться на промышленных складах и в магазинах, не
считая уже упомянутых применений в медицине.
Наверное, следует упомянуть о том, что при использовании
описанных простых считающих схем имеются определенные огра-
ничения. С каждого конца линейка должна быть полностью уком-
плектована освещаемыми фотоэлементами, даже если их можно
промоделировать. Соседние объекты должны пли разделяться
полным столбцом, или перекрываться в одном и том же столбце.
Если границы двух объектов приходятся на два разных, но при-
легающих столбца, то при подсчете возникает ошибка, явля-
ющаяся неким видом оптической иллюзии. Объекты не должны
быть вогнутыми: при их подсчете может получиться ошибочный
результат. Несмотря на недостатки данного метода, он дает хо-
рошие результаты при реализации его на устройстве, в основе
своей очень простом. Этот же метод в неизменном виде, безусловно,
применим при использовании взамен дискретных элементов ска-
нирующего устройства, например передающей телевизионной
трубки.
э
12.7. СЕТЧАТКА, ОБНАРУЖИВАЮЩАЯ КРАЯ
Как уже отмечалось выше, из многочисленных исследований
живых систем известно, что обнаружение краев играет важней-
шую роль в процессах распознавания. В качестве примера
рассмотрим пластину с изображением красной буквы на белом
фоне, которая нередко встречается на автомобилях в Англии.
Вся красная поверхность внутри буквы L и вся белая поверхность
вне ее несут мало информации. Именно конфигурация контуров,
образуемых соединением красной поверхности и белого фона,
указывает на то, что изображенная фигура есть L, а не другая
буква.
Для обнаружения краев и получения информации об их рас-
положении можно использовать модификацию считающей сетчатки,
описанной выше. Однако для большой сетчатки с большим числом
фотоэлектрических элементов потребуется большое количество
дифференциальных усилителей и стоимость непомерно возрастет.
В процессе работы в Астонской кибернетической лаборатории
над считающей сетчаткой С. Е. Фри [38] предложил оригиналь-
ную идею замены постоянного напряжения питания, которое
226
использовалось в первых работах, на переменное. В результате
этого удалось построить сетчатку, обнаруживающую края изобра-
жения, для которой требовались только фотоэлементы, конденса-
торы и резисторы, но не требовались транзисторы или другие
активные устройства. На рис. 12.5 приведена принципиальная
схема одной строки клеток сетчатки.
Рассмотрим фотоэлементы С и D. Если ни один из них не
освещается, то выходной сигнал в точке X отсутствует. С другой
стороны, если оба элемента освещены в равной степени, то во
время каждого полупериода на резисторе R3 возникает напряже-
ние. Таким образом, на резисторе R3 имеется симметричное пере-
менное напряжение.
Рис. 12.5. Принципиальная схема сетчатки для обнаружения
краев изображения
При условии, что произведение RcCc велико по сравнению
с периодом переменного напряжения, напряжение на резисторе R3
будет почти полностью сглажено и в точке X будет небольшое или
вовсе не будет выходного напряжения.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда фотоэлемент С освещен,
а фотоэлемент D — не освещен. Эта ситуация возникает тогда,
когда, например, имеется темный край, который затемняет фото-
элемент D, но не затемняет фотоэлемент С, т. е. край попадает
между фотоэлементами С и D. В этом случае при полуволне пи-
тающего напряжения, когда шина питания L положительна
относительно шины питания N, фотоэлемент С будет проводить
и в выходной точке X появится положительное напряжение.
С другой стороны, во время полуволны питающего напряжения,
когда шина питания L отрицательна по отношению к шине пита-
ния N, проводимость фотоэлемента D намного меньше, поскольку
он не освещен. Поэтому во время отрицательной полуволны на
выходе возникает небольшое напряжение. Вследствие этого вы-
ходной конденсатор Сс намного больше заряжается в положи-
тельном направлении чем в отрицательном, и в точке X возни-
кает сглаженное положительное выходное напряжение.
Аналогичным образом, если элемент С не освещен, а элемент D
освещен, то в точке X возникает отрицательное выходное напря-
жение.
8*
227
у. Работа этого устройства может быть сведена в следующую
таблицу:
ч Элемент С Элемент D ’Точка X
Темно Темно Нулевое напряжение
» Светло Отрицательное напряжение
Светло Темно Положительное напряжение
* » Светло Нулевое напряжение
Итак, устройство только тогда дает выходное напряжение
в какой-либо точке, когда оно возбуждается краем, проходящим
через эту точку.
Схему приведенного вида можно использовать для построения
двумерной сетчатки, обнаруживающей контуры. Индикация
в устройстве осуществляется неоновыми индикаторными лампами,
которые высвечивают только контур, когда, например, край
перфокарты появляется перед сетчаткой фотоэлементов.
Устройство, созданное Фри, питалось от источника синусо-
идального напряжения; в более поздних устройствах, при работе
с машиной «Астра», применялись импульсные источники энергии,
которые обеспечивали выход, совместимый с логическими схемами
этой машины.
12.8. БУДУЩЕЕ ИСКУССТВЕННЫХ СЕТЧАТОК
[5—11, 15, 16, 33, 41]
Предпринимались различные попытки создания искусственной
сетчатки на интегральных схемах, предназначенной главным об-
разом для сканирования перфорационных карт в вычислительной
машине. Одна из возникающих здесь трудностей состоит в том,
что в то время как создание массива фотоэлектрических элемен-
тов очень малых размеров вполне реально, весьма трудно реа-
лизовать отведения от элементов. В ряде случаев приходилось
уменьшать сетчатку до одной строки элементов и осуществлять
фактически последовательное считывание с элементов. Но даже
и тогда эти устройства оказывались весьма дорогостоящими, по-
видимому, из-за малого спроса и требования абсолютно исправной
работы всех элементов строки, вовсе не допускающей отказов.
Недавно R. С. А. была создана сетчатка более современного
вида. Она содержит в общей сложности 960 расположенных в
плоскости фоточувствительных элементов, но, в отличие от обыч-
ной микроминиатюрной интегральной схемы, это более совре-
менное устройство напылено на стеклянную пластину размерами
10x20 см. Каждый из фотоэлементов подсоединяется к взаимно
перпендикулярным выводным полоскам через тонкопленочный
диод Шоттки. Устройство создается в несколько этапов методом
напыления в вакууме.
228
Интегральная схема 0РТ5 состоит из массива 10x10 фотодио-
дов, объединенных со схемами сканирования. Интересно отме-
тить, что при использовании матрицы с малым числом элементов
наблюдается существенное изменение коэффициентов Фурье при
движении изображения.
Веймером и др. [7] проведено обширное исследование по ис-
пользованию самосканирующихся сетчаткоподобных сенсоров,
построенных по интегральной технологии. Для планетных иссле-
дований предлагалось использовать матрицу, состоящую из мно-
гих тысяч фототранзисторов. Емкость коллектор-база последних
используется для интегрирования светового потока и разряжается
один раз в течение кадра. В литературе описаны и другие устрой-
ства [42, 43].
12.9. ОБНАРУЖЕНИЕ КОНТУРА
В СКАНИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЕ НА БАЗЕ ЭВМ
В стэнфордской системе «глаз — рука», предназначенной для
построения при помощи руки робота башни из визуально обнару-
живаемых кубиков, применяется стандартная телевизионная ка-
мера на видиконе. В ранней работе [19] черные кубики распола-
гались на белом столе и удовлетворительная работа системы до-
стигалась только при высоком уровне контраста. Использовалось
16 уровней квантования, по даже в том случае, когда человек
участвовал в настройке, не всегда удавалось в сложной сцене
одновременно разложить все контуры. Вследствие этого для полу-
чения наилучшего возможного разложения объекта, рассматри-
ваемого в данный момент, и камера и уровень освещения уста-
навливались вручную человеком-оператором. Естественно, что
такой подход не очень удачен, поскольку на полученные резуль-
таты могло влиять вмешательство человека-оператора. Программа
вычислительной машины будет автоматически отбрасывать любые
данные, которые не указывают разумное число ребер или удовле-
творительно замкнутых контуров объекта [21 ]. Дальнейшая ра-
бота совершенствовала это свойство программы [20, 18].
Полученные результаты были улучшены введением
автоматической регулировки потенциала мишени видикона, кото-
рая в то же время ограничивает напряжение, исключая повреж-
дение трубки. Изображение фокусируется автоматически за счет
перемещения трубки относительно одной из линз составной ту-
рели с цветными фильтрами, подбираемыми случайным образом
для улучшения контраста. Локальный оператор Хьюгеля [22]
обнаруживает контуры, даже если они размыты и имеются значи-
тельные помехи, после чего вычислительная машина прослежи-
вает контур изображения объекта, регистрируя линии и конечные
точки.
В программе используется также метод наращивания инфор-
мации об осматриваемых блоках по мере ее получения. Если,
например, во время процедуры прослеживания достигается ранее
229
встречавшаяся точка, то просматриваются данные, хранящиеся
в памяти, чтобы проверить, в частности, не замкнутый ли контур
прослеживается в данный момент. Таким образом исключается
необходимость в последовательном прослеживании всех контуров
отдельного объекта.
Старая программа прослеживания контура часто не замыкала
его, если один небольшой участок был искажен помехой или тру-
ден для прослеживания. Усовершенствованная программа могла
«перескочить» через отдельный «плохой» участок или пытаться
замкнуть контур в противоположном направлении. В конце про-
граммы следовали различные упорядочивающие процедуры, на-
пример все концевые точки сводились в углах.
Были опробованы и другие методы, построенные на цифровых
методах пространственной фильтрации для улучшения качества
изображения [23], использовавшие синтаксический анализ кон-
текста более высокого уровня для заключения о недостающих де-
талях [24, 25] или оперировавшие областями изображения вместо
его краев 126]. Однако оказалось, что указанные методы, как
правило, фиксируют анализируемое и вычислительная машина
не может влиять на работу телевизионной камеры или разверты-
вающего устройства.
В стэнфордской установке вычислительная машина управляла
поворотно-наклонной головкой, линзами турели, цветным фильт-
ром, фокусировочным напряжением и потенциалом мишени стан-
дартной передающей ^телевизионной камеры на видиконе; диа-
фрагма устанавливалась вручную. Три цветных фильтра и один
нейтральный устанавливались на диске, позволявшем выбрать
фильтр за 0,2 с. Возможны 64 отсчета напряжения мишени между
0 и 50 В; при этом не допускается, чтобы напряжение вызывало
слишком большую среднюю величину тока сигнала.
Шестьдесят раз в секунду видикон сканирует массив из
333x256 отсчетов яркости, каждый из которых кодируется чис-
лом в 4 бита, благодаря чему не превышается пропускная способ-
ность высокоскоростного канала данных в 24 млн. бит в секунду.
Однако диапазон изменения напряжения, представленного 4-бито-
вым числом (16 уровней квантования), может изменяться от пол-
ного рабочего диапазона видеоусилителя в 1 В до «окна» всего
лишь в 1/8 В, что дает 128 уровней квантования.
Один из методов, предложенных для упрощения машинного,
или робототехнического, распознавания трехмерных форм, из-
вестен под названием «сеточное кодирование» [27]. Здесь также
предусматривается освещение сцены, но за счет проектирования
сетки световых полос от однородного источника света. Предпола-
гается, что этот метод может дать лучшие результаты по сравнению
с более ранними, базирующимися на работе Робертса [28].
Метод, сходный с методом сеточного кодирования, применялся
в Японии; там для освещения рассматриваемого объекта исполь-
зовалась единственная движущаяся щель [29]. Японские исследо-
230
ватели успешно применяли также освещение сцены с различных
направлений, извлекая таким образом информацию, необходимую
для построения линейного чертежа сцены. Стереоскопическое
рассматривание объектов двумя камерами, практикуемое в
М. I. Т., не использовалось японцами, так как для получения
очертаний рассматриваемого объекта требуется обработка боль-
шого объема информации. Чтобы получить информацию, необ-
ходимую для создания в ЭВМ линейного чертежа, японские ис-
следователи использовали также последовательное освещение
сцены с нескольких направлений [30].
Список литературы
1. Lettvin J. Y. et al., What the Frog’s Eye Tel s the Frog's Brain, Proc-
IRE, 47, 1940 (1959).
2. Hubei D. H. and Wiesel T. N., Receptive Fields, Binocular Interac-
tion and Functional Architecture in the Cat’s Visual Cortex, J. Physiol., 160,
106 (1962).
3. Dennison R. C., Aperture Compensation for Television Cameras, RCA
Rev., 14, December, 569 (1953).
4. Sierra H. M., Bit Shift and Crowding in Digital Magnetic Recording,
Electro-Technology, N. Y., 78, September, 56 (1966).
5. Evans F. C., Use of a Solid-State Scanner for Pattern Recognition by
Fourier Analysis, Electron. Eng., 41, November, 43 (1969).
6. Weimer P. K. et al., Multi-Element Self-Scanned Mosaic Sensors, IEEE
Spectrum, 6, March, 52 (1969).
7. Weimer P. K. et al., A Self-Scanned Solid-State Image Sensor, Proc.
IEEE, 55, September, 1591 (1967).
8. Salomon P. M., Application of Slow Scan TV Systems to Planetary Explo-
ration, J. Soc. Motion Picture Television Engrs, 79, 607 (1970).
9. Assour J. M. and Lohman R. D., A Photodiode Array for Holographic
Optical Memories, RCA Rev., 30, December, 557 (1969).
10. Lohnson R. E., Vidicon Performance in Extreme Thermal Environment,
RCA Rev., 27, 360 (1966).
11. Plummer J. D. and Meindl J. D., A Reading Aid for the Blind Using
MOS Electrodes, Proc. 23rd Conf. Eng. Med. Biol., Vol. 12, 168 (1970).
12. Schroeder M. R., Images from Computers, IEEE Spectrum, 6, March,
66 (1969).
13. Deutsch S., Conjectures on Mammalian Neuron Networks for Visual
Pattern Recognition, Trans. IEEE, SSC22, December, 81 (1966).
14. Sutro L. L. and Kilmer W. L., Assembly of Robots to Command and
Control a Computer, A.F.I.P.S. Conf. Proc., 34, Spring, 113 (1969).
15. Anders R. A. et al., 100 X 128 Element Solid State Imaging System,
Wescon Conv. Rec., pt 1, paper 13/1 (1967); Weckler G. P. and Dyck R. H., In-
tegrated Arrays of Silicon Photodetectors for Image Sensing, Wescon Conv. Rec.,
pt 1, paper 13/2 (1967).
16. Hiwatashi K., The Quest for a Seeing Machuie, New Scient., 32, No-
vember 3, 232 (1966).
17. Herscher M. B. and Kelley T. P., Functional Electronic Model of the
Frog Retina, Trans. IEEE, MIL7, April/July, 98 (1963).
18. Pingle К. K. and Tenenbaum J. M., An Accomodating Edge Follower,
Proc. 2nd Int. Joint Conf. Artificial Intelligence, September, 1971 (Br Compu-
ter Soc.), 1.
19. Pingle К- K., Singer J. A. and Wichman W. W., Computer Control
of a Mechanical Arm through Visual Input, Proc. I.F.I.P.S., 1563 (1968).
20. Tenenbaum J. M. et al., A Laboratory for Hand-Eye Research, Proc.
l.F.I.P.S. (1971).
231
21. Pingle К К., Visual Perception by a Computer, in: Automatic Inter
pretation and Classification of Images, 277, Academic Press (19S9).
22. Hueckel ML, An Operator Which Locates Edges in Digitized Pictures,
J. Ass. Computer Machinery, 18, January, 113 (1971).
23. Rosenfeld A., Picture Processing by Computer, Computing Surveys,
1, September, 147 (1969).
24. Miller W. and Shaw A., Linguistic Methods in Picture Processing—
A Survey, Proc. Fall Joint Computer Conf., 279 (1968).
25. Fischler M., Machine Perception and Description ot Pictorial Data, Proc.
1st Int. Joint Conf. Artificial Intelligence, Washington, 1969.
26. Brice C. and Fennema, Cl. Scene Analysis Using Regions, Artificial
Intell., 1, 1 (1970).
27. Will P. M. and Pennington K- S., Grid Coding: A Preprocessing Tech-
nique for Robot and Machine Vision, Proc. 2nd Int. Joint Conf. Artificial Intel-
ligence, September, 1971 (Br. Computer Soc.), 66.
28. Roberts L. G., Machine Perception of Three-Dimensional Solids, in:
Tippet J. T. et al. (eds.), Optical Information Processing, M.I.T., (1965).
29. Yoshiaki Shirai and Motoi Suwa, Recognition of Polyhedrons with a Range
Finger, Proc. 2nd Int. Conf. Artificial Intelligence, September, 1971 (Br. Compu-
ter Soc.), 80.
30. Yoshiaki Shirai and Saburo Tsuji, Extraction of the Line Drawings of
3-Dimensional Objects by Sequential Illumination from Several Directions, Proc.
2nd Int. Conf. Artificial Intelligence, September, 1971 (Br. Computer Soc.), 71.
31. Anon., Program Recognises Handwritten Math., Electronics, 44, Au-
gust 20, 26 (1971).
32. Khol R., Image Enhancement, Mach. Des., 44, April 20, 181 (1972).
33. Parrish E. A. and McVey E. S., On the Feature Selection Problem of -
a Reading Machine for the Blind, Trans. IEEE, 1M21, May, 168 (1972).
34. Wall W. A. and Stephens I). L., Automatic Closed Circuit Televi-
sion Electrode Guidance for Welding, Welding J., 48, September, 713 (1969).
35. Hopkins D. G., Optical Character Recognition, University of Aston (1970,.
36. Young John F., Cybernetic Engineering, Butterworths (1972).
37. Williams P. S., Object Counter Using an Artificial Retina, University
of Aston (1968).
38. Free С. E., Construction of an Artificial Retina, University of Aston (1968,.
39. Miller G. A., Information and Memory, Sci. Am., 195, August, 42 (1956).
40. Miller G. A., Seven Plus or Minus Two, Psychol. Rev., 63, March,
81 (1956).
41. Gilder J. H., Three Years after Birth, C.C.D.’s Head for First Commer-
cial Applications, Electron. Des. 21, January 4, 36 (1973).
42. Pike W. S. et al., An Experimental Solid State Television Camera Using
a 32 X 44 Element Charge-Transfer Bucket Brigade Sensor, R.C.A. Rev., 33,
September, 483 (1972).
43. Anon., The Smaller Cheaper Television Camera, E’ectron, March 22,
7 (1973).
Глава 13
ВОСПРИЯТИЕ ДВИЖЕНИЯ
13.1. ДВИЖЕНИЕ ГЛАЗА
В большинстве работ, в ходе которых делались попытки моде-
лирования функций глаза животного и его сетчатки, неизменно
предполагалось, что рассматриваемое изображение должно проек-
тироваться на неподвижную сетчатку. Позиционирование почти
всегда осуществлялось за счет перемещения рассматриваемого
объекта в определенную позицию перед неподвижной сетчаткой
[23]. Однако можно получить ряд потенциальных преимуществ,
придав искусственной сетчатке подвижность, которой обладают
сетчатки живых существ. Недостаток этого подхода состоит в том,
что быстродействие такого устройства не будет значительно пре-
вышать быстродействие глаза животного, поэтому неподвижной
сетчатке, вероятно, следует отдать предпочтение в тех случаях,
когда требуется значительное быстродействие. Однако глаз любого
человекоподобного робота, по-видимому, должен быть наделен
подвижной сетчаткой.
Глаз человека приводится в движение шестью мышцами.
С технической точки зрения для управления движением глазного
яблока их требуется как минимум три. Управление существенно
упрощается, если четыре мышцы используются попарно — по
горизонтали и вертикали. Еще большего упрощения можно до-
стичь, если в проектируемом роботе использовать возвратные
пружины в сочетании с двумя, горизонтальным и вертикальным,
мускульными устройствами. Однако в этом случае для удержания
сетчатки в среднем положении необходимо обеспечивать непрерыв-
ное возбуждение.
Многое относительно позиционирования искусственной сетчатки
можно почерпнуть из инженерного опыта, полученного при по-
строении двухкоординатных самописцев, в которых перо пере-
мещается в двух направлениях, вычерчивая на бумаге графическую
зависимость. Здесь делались попытки увеличить скорость реакции
пера, а также точность воспроизведения на диаграмме управля-
ющих входных напряжений. Учитывая опыт, полученный при
выполнении этой работы, можно констатировать, что достижение
уровня функционирования подвижного глаза человека и живот-
ного — задача крайне трудная. Дополнительной трудностью,
как и в случае всех других движений робота, является шум, про-
изводимый при движении.
Интересно отметить, что в работах по самописцам и им подоб-
ным устройствам было обнаружено, что при движении очень
полезно вводить небольшой тремор. Хорошо известно, что
статическое трение намного превосходит кинетическое. При
233
перемещении трение уменьшается. Автор данной книги исполь-
зовал это в электромеханических сервосистемах, где требовалось
линейное перемещение, используя вращение стержня, который
следовало перемещать; вращение осуществлялось под прямым уг-
лом к направлению перемещения. У глаза животного всегда име-
ется подобный небольшой тремор, необходимый для преодоления
статического трения [22]. Можно, однако, показать, что тремор
глаза — весьма существенная часть процесса видения.
13.2. ТРЕМОР ГЛАЗА [30]
Несколько удивительным кажется то обстоятельство, что
в большинстве работ, проведенных во всем мире по созданию ма-
шин, предназначенных для распознавания зрительных образов,
одна очень простая особенность зрения животного оказалась -
полностью забытой.
Эта особенность — постоянный тремор, или легкое «подраги-
вание», которое происходит непрерывно [1]. У простейшего ми-
кроскопического живого существа copilia передвижение простой
сетчатки из стороны в сторону, по-видимому, используется для
экономии числа требуемых элементов сетчатки. Действительно,
это существо обладает системой зрения, работа которого очень
напоминает сканирование телевизионного изображения.
У более совершенных живых существ и человека непрерывная
вибрация глаза оказывается столь же важной для зрения, как и
у простейшей copilia. Различными способами, как правило, до-
вольно болезненными, удается предотвратить вибрацию оптиче-
ского изображения, падающего на сетчатку. Один из способов
включает в себя прочное связывание рассматриваемой картины
с глазным яблоком при помощи палочки и подходящего клея.
Если это сделано, картина будет рассматриваться по фрагментам,
в более элементарных образцах, таких, как прямые линии, углы,
кривые и т. д. Очень может быть, что функция сканирующих
перемещений состоит в связывании этих элементов в единое целое
для получения цельного представления. Эванс полагает, что
такая фрагментация производится в тех случаях, когда объем
информации, попадающий в глаз, уменьшается, например при
изменении освещенности [17].
Важной функцией оптической вибрации является уменьшение
или подавление оптических шумов, что было использовано в обо-
рудовании с волоконной оптикой в качестве световодов [2].
Множество тонких стеклянных волокон может быть собрано
в пучок и использовано для переноса света из одного места
в другое.
Изображение, проектируемое на один конец пучка, наблю-
дается на другом конце при условии, что порядок расположения
волокон на обоих концах одинаков. Однако из-за конечного раз-
мера сечения отдельных волокон получаемая картина видится
234
как набор отдельных участков, а не как единое целое. Разбиение
картины на отдельные точки в этом случае может рассматриваться
как вид оптического шума. Установлено, что этот видимый шум
можно значительно уменьшить посредством вибрации всего пучка,
с тем чтобы каждое волокно сканировало один небольшой участок
картины.
Можно привести еще одну иллюстрацию подавления оптиче-
ского шума, обеспечиваемого введением движения. Простой зри-
тельный образ, например контур лица, выполняется черными
чернилами на прозрачном материале. На другом идентичном про-
зрачном материале изображаются случайные линии. Этот «опти-
ческий шум» помещается перед рисунком лица. Хотя глаз чело-
века в состоянии видеть все линии, составляющие рисунок лица,
изображение не воспринимается как целое, поскольку оно сме-
шивается с отдельными линиями, образующими случайный опти-
ческий шум. Однако, если рисунок лица или изображение шума
движется, лицо немедленно становится видимым. Если перемеще-
ние прекращается и наблюдатель смотрит в течение нескольких
секунд в сторону, а затем вновь видит сочетание изображе-
ние — шум, лицо опять становится невидимым, хотя теперь
наблюдатель знает, что оно должно быть. Демонстрация эффекта
взаимосвязанного перемещения изображения и шума весьма
впечатляет.
Хорошо известная оптическая иллюзия, изученная Маккеем,
состоит в появлении ясно видимых, хотя и не существующих,
линий под прямыми углами к пучку радиально расходящихся
линий.
И опять предполагается, что иллюзия исчезает, если исклю-
чить взаимное перемещение глаза и картины. Таким образом,
вполне возможно, что этот эффект представляет собой один из
вариантов «муарового эффекта» между изображением, наблюдае-
мым в данный момент, и изображением, которое мы наблюдали
на мгновение раньше.
Из изложенного следует, что явление глазного тремора,
по-видимому, имеет важное значение в кибернетической технике.
Тот факт, что уменьшение освещенности дает тот яге эффект, что
и снятие относительного вибрирующего движения, а именно фраг-
ментацию изображения, позволяет считать, что искусственная
сетчатка должна обладать каким-то видом вибрации для более
качественного распознавания образов, особенно в условиях
оптических шумов.
Вибрация сетчатки глаза робота может осуществляться меха-
нически. Очевидно, однако, что электронный метод осуществления
эффективного вибрационного сканирования, где отсутствуют дви-
жущиеся части, более предпочтителен.
Интересно отметить, что метод дрожания изображения, или
модуляции яркости, был использован для уменьшения погрешно-
сти цифрового кодирования видеосигналов [14 — 16].
235
13.3. ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА [2]
Несмотря на то что в настоящее время удается получить фото-
элементы очень малых размеров, использовать их в искусственных
сетчатках трудно из-за наличия большого числа соединительных
проводов, необходимых для подключения отдельных элементов
искусственной сетчатки. И хотя вполне возможно, что с развитием
наших знаний о зрительных процессах соединение каждого от-
дельного элемента с центральным вычислительным устройством
не будет обязательным, число требуемых соединений будет оста-
ваться, по-видимому, весьма большим.
Некоторый прогресс в этом вопросе достигается благодаря
применению интегральных микросхем, но в данном случае он
сводится к использованию отдельных линеек элементов, а не
полных двумерных матриц.
Исходя из этого в настоящее время следует ожидать приме-
нения в искусственной сетчатке фотоэлементов достаточно боль-
ших размеров. Изображение будет необходимо увеличить опти-
чески, с помощью линз, до размеров, достаточных для приложения
к полю сетчатки. Однако как значительные физические размеры
оптической системы, так и механическая прочность, необходимая
здесь, создают определенные трудности для применения системы
в аппаратуре подвижного робота.
Другим решением вопроса является применение гибких свето-
проводящих волокон, передающих свет на определенное расстоя-
ние от малой «сетчатки» до сравнительно большой матрицы фото-
элементов, расположенной в более удобном месте. При таком под-
ходе появляется дополнительная возможность осуществления
рекомендуемой поперечной вибрации световода.
Барид предложил использовать стеклянные стержни в каче-
стве светопроводящих волокон еще в 1926 г., хотя очень сомни-
тельно, что их практическое применение началось ранее 50-х
годов. Волоконная оптика использует внутреннее отражение для
светопередачи без существенных потерь. Этот способ требует при-
менения оптических светопередающих волокон, материал кото-
рых имеет показатель преломления выше 1,4.
Внутренняя отражающая поверхность обычно предохраняется
от загрязнения стеклянным или пластиковым покрытием, име-
ющим меньший показатель преломления, чем само волокно. Для
уменьшения потерь это покрытие должно обладать толщиной, рав-
ной минимум половине длины волны передаваемого света.
Для устранения оптического взаимодействия соседних воло-
кон иногда применяется дополнительное черное покрытие каж-
дого волокна. Получить приемлемое оптическое изображение с по-
мощью волокон очень малого поперечного сечения, как правило,
довольно трудно.
Передающее волокно будет воспринимать свет в угловом диа-
пазоне, определяющим предельное значение угла отклонения луча
231>
от оси волокна. Это явление иногда описывают величиной, назы-
ваемой числовой апертурой, которая зависит от синуса максималь-
ного угла отклонения от оси волокна:
числовая апертура = Iext sin 0 — {I] — /?) !\
i где /cxt — показатель преломления внешней среды (/ext = 1
: для воздуха); 0 — максимальный угол относительно оси, при
’ котором свет воспринимается волокном; ф — показатель пре-
ломления волокна; 1С — показатель преломления материала по-
крытия волокна. Максимальный угол 0 обычно составляет 33°,
что соответствует значению числовой апертуры, равному 0,54.
Расширение углового диапазона достигается при большем зна-
чении показателя преломления материала волокна и большем по-
глощении света последним.
Во всех случаях любые изгибы волокна должны иметь мини-
мальный радиус, в 10 раз превосходящий его диаметр, во избежа-
ние чрезмерных утечек света. Следовательно, если необходимо
применять крутые изгибы, стеклянные волокна или стержни
должны иметь малый диаметр. Можно получить волокна, име-
ющие диаметр 0,01 м.
В световодах имеются различные источники потерь света,
поэтому количество передаваемого света уменьшается с увеличе-
нием длины световода. Например, если короткий световод пере-
дает до 60% света, то световод длиной 2,5 м —лишь 10% света.
Волоконные стержни могут быть выполнены с уменьшенным диа-
метром на одном конце, что позволяет получить эффективное уве-
личение или уменьшение размеров изображения.
13.4. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГЛАЗ
Разновидностью робототехнической сетчатки, в которой при-
меняются волоконно-оптические световоды, является глаз «Ии-
три». Здесь используются два переплетенных пучка световодов;
один для переноса света от его источника к объекту, а другой для
обратного переноса — от объекта к матрице оптических чувстви-
тельных элементов. Сигналы с выхода элементов подаются на
электронный блок распознавания. Последний не обрабатывает
информацию, поступающую от сетчатки, если она освещена силь-
ным светом, ослепляющим «глаз», или, наоборот, недостаточно
освещена для распознавания, или если имеется замыкание либо
другие неисправности. Эффективный диапазон видения такого
устройства может изменяться в пределах от 1,5 до 50 мм и опре-
деляется требуемой разрешающей способностью и природой рас-
сматриваемой детали. На расстояниях до 20 мм обнаруживаются
смещения порядка q=0,75 мм и можно рассчитывать на повышение
достигнутой разрешающей способности путем усовершенствова-
ния оптики.
237
В конечном итоге можно надеяться на производство октаго
нального глаза, содержащего около 1200 оптических элементов,
приблизительной стоимостью менее 500 фунтов стерлингов.
13.5. ГЛАЗ,
СЛЕДЯЩИЙ ЗА ДВИЖУЩИМСЯ ОБЪЕКТОМ
Если глаз робота должен рассматривать объект, движущийся
в пределах поля зрения, то проектировщик может применить ряд
способов его технической реализации. При сканировании непо-
движного объекта, расположенного перед глазом, обычно произ-
водится быстрое скачкообразное движение; за ним следует период
покоя, во время которого осматривается сцена, а затем происходит
скачкообразный переход в следующую позицию. Этот способ
используется человеком при чтении печатного материала.
В ряде случаев рассматривания движущегося объекта с целью
удержания на сетчатке неподвижного изображения осуществляется
движение головы [32]. Если голова удерживается от движения,
действие становится более сложным.
Когда движения наблюдаемого объекта предсказуемы, напри-
мер движения маятника, нетрудно следить за ним, вращая глаз-
ное яблоко. Очень может быть, что в этом случае нервная система
человека использует фазовое опережение перемещения глаза по
отношению к движению объекта величиной порядка 10°. К тому же
амплитуда перемещения глаза немного превосходит перемещение
наблюдаемого объекта.
Однако, если объект колеблется чаще одного раза в секунду,
коэффициент передачи следящей системы быстро уменьшается и
фазовый сдвиг быстро нарастает. Соответствующая передаточная
функция может быть представлена как
1,08
' (1 + 7»2 (1 4- 2КТр + Т2р2)" ’
где 7^0,1 с; К 0,35 — коэффициент демпфирования.
В то время как это выражение хорошо согласуется с амплитуд-
ными характеристиками следящей системы, оно не согласуется
с ее фазовыми характеристиками, полученными в результате изме-
рений. Это расхождение может быть скорректировано введением
дополнительного члена, имеющего значение ехр где 7\
0,3 с.
В тех случаях, когда перемещения рассматриваемого объекта
случайны и когда в процессе рассматривания движется голова,
движения глаза становятся более сложными, чем можно было
ожидать, хотя и тогда делаются попытки их математического
описания.
Принято считать, что «глаз» робота должен располагаться
в его «голове», что, конечно, совсем не обязательно. Имеется ряд
преимуществ при расположении глаза на руке подвижного робота
238
при условии, что он может быть защищен от повреждения. Такое
расположение может обеспечить очень гибкий вариант зритель-
ного устройства, но требуемые системы управления должны быть
более сложными, и маловероятно, что такой подход будет приме-
няться в ближайшем будущем. С другой стороны, размещение
глаза малого размера и массы на руке обычного робота может
оказаться крайне полезным, даже если разрешающая способность
будет весьма ограничена. Описан вариант размещения глаза
в кисти робота [35].
В экспериментальных целях движение глаза человека обнару-
живается регистрацией потенциалов, наводимых магнитным полем
в катушке, встроенной в контактную линзу [3]. Подобный метод
может быть применен и для глаза робота.
Есть основания полагать, что по крайней мере некоторая
часть обучения процессу видения осуществляется по мере раз-
вития организма человека. Один очень интересный факт, отража-
ющий нашу точку зрения, состоит в том, что люди, потерявшие
зрение в раннем возрасте и восстановившие его в результате хи-
рургического вмешательства будучи взрослыми, испытывают силь-
ные затруднения при визуальном различении геометрических
фигур, которые они легко различают осязанием. Например, если
таким людям показывают квадрат и треугольник, они, хотя и
воспринимают последние как разные фигуры, не могут их разли-
чить до тех пор, пока не ощупают фигуры и не определят ося-
занием число углов. Опыты с животными, например с котятами,
убедительно показали, что проходит некоторый процесс обучения,
прежде чем зрительный образ связывается с осязанием и движе-
ниями тела, в котором участвуют мышцы животного. Может быть,
мы еще слишком рано пытаемся создать распознающие обуча-
ющиеся машины, еще не способные к движению и связыванию его
с визуальными входными сигналами. Очень может быть, что при
рассматривании объекта движения мышц ассоциируются с на-
блюдаемым зрительным образом. Интересно отметить, что граница
сетчатки, которая, по-видимому, играет важную роль в наведении
глаза на интересующий объект, может иметь огромное значение
для процесса обучения в дополнение к своей функции предупре-
ждения о приближающихся объектах.
Успеху исследований движений глаза и головы, направленных
на центрирование изображения на сетчатке, несомненно, способ-
ствовали работы по управлению движением телевизионной ка-
меры в ответ на перемещения головы оператора. Первое устрой-
ство такого рода было создано Филсом в 1958 г. Оно имело отно-
сительно широкий угол зрения и низкую разрешающую способ-
ность, но, безусловно, продемонстрировало целесообразность
такого подхода [4].
Позднее в Аргоне была создана более совершенная система
[5, 6]. В ней сохранялась наводка трубки монитора на глаза
оператора при поворотах головы на ±80° и наклонах ее от +45
239
до —30°. Экран монитора располагался в 60 см от лица оператора,
в то время как камера помещалась в 100 см от исполнительного
органа дистанционного управляемого манипулятора. Максималь-
ная скорость поворота камеры и монитора составляла 30° в се-
кунду.
Датчик, укрепленный на голове оператора, был уравновешен,
так что последний испытывал лишь небольшое противодействие.
Оказалось целесообразным введение зоны нечувствительности
величиной 7—12°, так как это предотвращало раздражение опе-
ратора, вызываемое движениями монитора вслед за непроизволь-
ными движениями его головы. Эти непроизвольные движения мо-
гут вызывать также искажения изображения из-за конечного
значения постоянной времени видикона.
В более поздней работе камера следовала за движениями го-
ловы оператора в трех измерениях: из стороны в сторону, вверх
и вниз, вперед и назад. Для устранения случайных движений
здесь также была введена мертвая зона. Угол зрения составлял
30°. При работе с этой системой оказалось, что оператор может
получить большую глубину видения (или трехмерную информа-
цию) только за счет движений головы.
Максимальные угловые перемещения этой системы составляли
±90° при поворотах головы и ±45° при наклонах; максимальная
скорость достигала 23° в секнуду. Диапазон перемещений из сто-
роны в сторону и вперед-назад с максимальной скоростью 4 см/с
имел величину порядка ± 30 см; движение вверх-вниз соответ-
ствовало отклонению на 30 см вниз от нормального положения,
при этом максимальная скорость по-прежнему составляла 4 см/с.
Разработка подобных систем может служить примером при
создании настоящих и будущих устройств для зрительных систем
роботов.
Уолтер указал на то, что «решение» о движении глаз, по-види-
мому, сопровождается неким видом процесса гашения, исключа-
ющего подергивание картины при движении глаза [7 ]. Этот процесс
отсутствует при пассивном движении глазного яблока. Такой про-
цесс гашения желательно ввести в зрительную систему робота.
Интересно отметить, что некоторый объем зрительного ана-
лиза может осуществляться мозгом вообще без участия движения
глаз [8].
Рис высказал ценное соображение об использовании телеви-
зионной камеры в качестве глаза робота и получил ряд экспери-
ментальных результатов [18].
13.6. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ФОКУСИРОВКА
ГЛАЗА РОБОТА [13]
Вполне вероятно, что наряду с выполнением функции подавле-
ния уровня шума, скачкообразное движение способствует полу-
чению нервных импульсов, управляющих фокусирующими мыш-
240
цами. Несомненно, что такой тип движения может использоваться
для получения сигналов от глаза робота, позволяющих в какой-то
степени осуществить автоматическую фокусировку.
Функциональная схема одной из разработанных фокусиру-
ющих систем [9] представлена на рис. 13.1. В настоящее время
практическое использование линзы с изменяющейся геометрией
аналогично тому, как.это происходит в глазу человека, не пред-
ставляется возможным. В данной системе фокусировка произво-
дится линзой, перемещаемой посредством винта, приводимого
в движение электрическим двигателем следящей системы. Скани-
рование изображения с частотой 50 Гц осуществляется электронно-
лучевой трубкой. Световой поток от изображения через конден-
Злектронно-
лучебая Линза Объект
Рис. 13.1. Функциональная схема устройства автоматической фокусировки
сорную линзу попадает на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
Диапазон частот сигнала ФЭУ ограничивается полосовым филь-
тром. Мгновенные значения амплитуды ограничиваются нелиней-
ной схемой и усредняются низкочастотным фильтром. Двигатель
фокусирующей системы управляется пороговым переключателем,
за которым следует бистабильная схема, изменяющая свое состоя-
ние, а следовательно, и направление вращения двигателя при
получении сигнала от пороговой схемы.
Такой принцип может непосредственно использоваться для
фокусировки глаза робота, производящего рассматривание по-
средством множества фотоэлементов, а не с помощью специального
сканирующего осветителя.
Способ фокусировки посредством жесткой линзы действительно
существует у рыб. У человека изменяется непосредственно форма
мягкой линзы.
Можно полагать, что при фокусировке глаза управляющая
вистема человека реагирует только на количество информации
без учета ее знака. Тогда при неясном изображении на сетчатке
первоначальное фокусирующее движение глаза может оказаться
неправильным [10].
Было бы желательно преодолеть этот недостаток глаза чело-
века в роботе. Необходимая информация о направлении может
241
быть получена введением в фокусирующую систему дополнитель-
ных колебаний, например частотой 2 Гц. Подобные колебания,
безусловно, существуют в фокусирующей системе человека, однако
исследования показывают, что их действие не обеспечивает раз-
личения знака информации, вследствие чего первоначальное
фокусирующее движение может быть неправильным.
Не исключено, что здесь сможет помочь бинокулярное зрение.
Другая возможность определения знака сигнала коррекции со-
стоит в измерении хроматической абберации.
Перспективным видом линз для роботов могут быть линзы
- с одной мягкой стенкой, кривизна которой изменяется при подаче
жидкости [19]. В такой линзе используется смесь насыщенного
раствора бромида кальция с глицеролом, имеющая показатель
,< преломления около 1,5 — такой же, как и у стекла. Существу-
ющий образец линз представляет собой цилиндр диаметром 3 мм
; и длиной 20 мм. Линза состоит из трех слоев: фронтальной стек-
лянной линзы, слоя поливинилбутирата, склеенного со стеклян-
ной линзой и имеющего отверстие в центре, и слоя тонкой прозрач-
. ной пленки, которая может растягиваться. При дальнем видении
используется вся линза, при ближнем — только ее стационарная
часть.
В одном из типов фокусирующих устройств [25 ] на рассматри-
ваемый объект проектируется пятно инфракрасного излучения.
Затем устройство фокусирует отраженное изображение этого
инфракрасного пятна, и в то же самое время происходит автома-
тическая фокусировка видимого света, отражаемого объектом.
Пятно имеет диаметр 15 см на расстоянии около 20 м от камеры.
Подобная техника позволяет эффективно выделять очень малые
• участки рассматриваемой сцены, и применение ее в фокусирующих
системах роботов представляется весьма перспективным.
Автоматическое дистанционное управление работой некоторых
цветных телевизионных камер осуществляется 23 миниатюрными
электродвигателями, управляющими прецизионными многооборот-
ными потенциометрами [26].
Адаптивная фокусировка телевизионной камеры [9, 11]. В тех
случаях, когда в качестве глаза робота используется телевизион-
ная трубка, необходимо вводить автоматическую фокусировку.
Возможен ряд решений при условии, что весь рассматриваемый
объект располагается в одной плоскости. Если это не так и не
используется система с малой диафрагмой, то возникает допол-
нительная трудность, состоящая в решении вопроса, изображение
какого объекта, находящегося в поле зрения, должно быть сфоку-
сировано.
Способ фокусировки телевизионной камеры, разработанный
в Астоне Дэвисом, основан на использовании метода возмущения
[31 ]. Для того, чтобы избежать необходимости быстрых движений
трубки или линз, возмущение изображения достигалось вращением
дисков Селастроида перед приемной трубкой с частотой
242
1500 o6zmhh, что создавало частоту возмущения в 25 Гц. Толщина
диска выбиралась равной 0,5 мм, что обеспечивало незначитель-
ные искажения изображения, особенно при появлении изгиба
диска.
Для перемещения видикона в процессе фокусировки исполь-
зовались «велодин» и редуктор, состоящий из зубчатой и червяч-
ной передач. Амплитуда перемещений трубки не превышала 1 см,
что позволило использовать в червячном приводе резьбу с мелким
шагом.
Этот подход оказался весьма успешным. Однако для создания
совершенных систем потребуются дальнейшие значительные уси-
лия, которые не приведут к цели до тех пор, пока не будут про-
ведены исследования центрального управления вниманием. В то
же время в результате успешно проведенных исследований стало
ясно, что метод возмущения, используемый, по-видимому, людьми
и животными, независимо от того, какой характер носит возму-
щение — колебательный или случайный, может оказаться наи-
более подходящим для роботов.
13.7. ИНЕРЦИОННОСТЬ ЗРЕНИЯ
Существует вид оптической иллюзии, который столь важен
в современном мире, что его можно считать даром. Это — инер-
ционность зрения. Если бы зрение человека не обладало инерцион-
ностью, то такие достижения, как кино и телевидение, не могли
бы существовать.
Для робота инерционность зрения совсем не обязательна и
может даже затруднить практическую реализацию характери-
стик зрения человека, например, при различных условиях осве-
щенности. Поэтому на стадии проектирования любого робота,
снабженного зрительными датчиками, нужно решить, вводить ли
инерционность и если вводить, то какую величину периода инер-
ционности следует предусмотреть.
В общем случае требуется, чтобы период инерционности органов
зрения робота был возможно более коротким. Можно вводить
искусственную инерционность любой требуемой величины в лю-
бом последующем звене системы видения. Однако размеры, масса
и стоимость дополнительного оборудования не должны сводить
на нет преимущества, достигнутые благодаря стандартизации чув-
ствительных элементов.
Существует ряд работ, для выполнения которых малая скорость
реакции человека на визуальные раздражители является суще-
ственным недостатком; преодолеть его можно путем использования
робота, обладающего быстрой визуальной реакцией. Такой робот
может наблюдать и воздействовать на высокоскоростные реакции,
например, в механических или химических системах.
Интересное устройство оперативной памяти [21 ] недавно
было создано R. С. А. [12]. Это видикон, имеющий мишень,
243
сделанную из нескольких слоев силикона и содержащую
600 000 фотодиодов, изолированных друг от друга двуокисью крем-
ния. Диоды сканируются медленно разворачиваемым лучом.
Самая быстрая развертка используется для стирания предвари-
тельно записанной информации, более медленная развертка —
для накопления информации на кремниевой диодной матрице, а
самая медленная — для считывания информации. Считывающий
луч производит постепенное стирание записанной информации,
однако, если считывание не производится, возможно ее длительное
хранение.
Это устройство представляется идеальным для оперативной
памяти робота, тем более что оно намного меньше и легче, чем
магнитная лента или магнитный барабан записывающего уст-
ройства.
13.8. МАЛОГАБАРИТНЫЕ РАДАРЫ
И ЭФФЕКТ ДОППЛЕРА [20]
Применение диодов, построенных на эффекте Ганна, в каче-
стве генераторов микроволновых колебаний позволяет осуще-
ствить миниатюризацию радиолокационного оборудования до
уровня, представляющего интерес для роботостроения.
Например, мини-радар Скотта имеет габаритные размеры всего .
лишь 12x0,9x0,7 см без рупорной антенны и работает при по-
стоянном напряжении 12 В и токе 0,3 А. Его масса составляет
всего лишь 60 г. Он работает на частоте 13,418 ГГц, обеспечивая
выходную мощность в 5 мВт. Радар пригоден для обнаружения,
например, человека на расстоянии 15 м и такого объекта, как
автомобиль, на расстоянии 125 м. С параболической антенной
может быть получена ширина диаграммы направленности по-
рядка 50°.
Таким образом, несмотря на малые размеры, оборудование
обеспечивает достаточный радиус действия. Однако, в настоящее
время такое устройство, как правило, не может устанавливаться
на роботах общего назначения из-за высокой стоимости. Подоб-
ное, но более дешевое оборудование совсем недавно было приме-
нено в допплеровских радарах. Очевидно, что, если такое обору-
дование будет требоваться в большом количестве для оснащения
роботов, цены на него значительно снизятся.
Преимущество миниатюрных радаров перед устройствами
визуального наблюдения, используемыми в роботах, состоит
в том, что при решении задачи обнаружения препятствия можно
сравнительно просто не только классифицировать его, но и сни-
зить объем информации, обусловленной наличием других объектов.
Применение лазеров с зеркальной системой развертки было
предложено для определения препятствий подвижным роботом,
предназначенным для работы на поверхности Марса [24].
Для предотвращения всевозможных столкновений проводи-
лись эксперименты по автоматическому управлению акселерато-
244
ром и тормозами. Радар применялся для измерения расстояния
между машинами, в то время как скорость управляемой машины
измерялась с вышки [27 ]. Для локации применялись также свето-
излучающие диоды [33].
Были предприняты попытки создания ряда устройств, исполь-
зуемых слепыми для обнаружения препятствий во время ходьбы
[28]. Ясно, что такие устройства должны быть легкими и мало-
габаритными, а это как раз те требования, которые предъявляются
к оборудованию, применяемому в роботах [34].
Вполне возможно, что некоторые птицы способны обнаружи-
вать магнитное поле Земли и что закрепленный на них магнит
может служить помехой при определении ими направления по-
лета [29]. Так это или не так, выяснится в дальнейшем, однако
нет причин, препятствующих установке на роботе элемента,
чувствительного к магнитному полю Земли и предназначенного
для определения направления, хотя, по всей видимости, он будет
наиболее ненадежной частью всего комплекса оборудования
робота.
Список литературы
1. Zusne L., Visual Perception of Form, Academic Press (1970).
2. Ballantine J. M. and Allan W. B., Fibre Optics, Sci. J., 1, September,
1 (1965).
3. Robinson D. A., A Method of Measuring Eye Movement Using a Scleral
Search Coil in a Magnetic Field, Trans. IEEE, BME10, October, 137 (1963).
4. Comeau С. P. and Bryan J. S., Headsight Television System Provides
Surveillance, Electronics, 34, November 10, 86 (1961).
5. Goertz R. G. et al., An Experimental Head-Controlled TV System to
Provide Viewing for a Manipulator Operator, Proc. 13th Conf. Remote Systems
Technol., 1965 (A.N.S.), 57.
6. Goertz R. C. et al., The ANL Mark TV2 — An Experimental 5-Motion
Head-Controlled TV System, Proc. 14th Conf. Remote Systems Technol., 1966
(A.N.S.), 124.
7. Walter W. G., The Past and Future of Cybernetics in: Rose J. (ed.) Human
Development, Progress of Cybernetics, 45, Gordon and Breach (1970).
8. Grindley G. C. and Townsend V., Visual Search without Eye Movement,
Q. J. Exp. Psychol., 22, 62 (1970).
9. Deeley E. M. and Alios J. E., Automatic Focusing of an Optical System
by Extremun Control, Proc. IEE, 114, January, 161 (1967).
10. Stark L., nnd Takahashi Y., Absence of Odd Error Signal Mechanism in
Human Accommodation, Trans. IEEE, BME12, July, 138 (1965).
11. Curling C. D. et al., Focusing Aid for an Electron Microscope, Proc. IEE,
116, March, 334 (1969).
12. Anon., Now a Stop Action Camera Tube Design, Electronics, 8, January,
13(1971).
13. Stark L. et al., Nonlinear Servoanalysis of Human Lens Accomodation,
Trans. IEEE, SSC1, November, 75 (1965).
14. Roberts L. G., Picture Coding Using Pseudo Random Noise, Trans. IRE,
IT8, February, 145 (1962).
15. Limb J. O., Design of Dither Waveforms for Quantized Visual Signals,
B.S.T. JI, 48, September, 2555 (1969).
16. Lippel B., et al., Ordered Dither Patterns for Coarse Quantization of
Pictures, Proc. IEEE, 59, Macrh, 429 (1971).
17. Evans C. R., Fragmentation of Patterns Occurring with Tachistoscopic
Presentation, IEE/NPL Conf., Pattern Recognition, 1968, 250.
245
18. Rees M. G., An Artificial Eye for use Automatic Handling Systems,
Ph. D. Thesis, Engng Dept., University of Cambridge (1968).
19. Anon., Variable-Focus Lenses, Control, 12, May, 469 (1968).
20. Anon., Mini Radar Runs a Model Railway, New Scient., 29, March 31,
835 (1966).
21. Averbach E. and Corelli A. S., Short Term Memory Vision, B.S.T.J1,
40, 309 (1961).
22. Ratcliff F. and Riggs L. A., Involuntary Motions of the Eye During
Monocular Fixation, J. Exp. Psychol., 40, December, 687 (1950).
23. Dreyfis M. G., Space Age Production by Automatic Image Alignment,
Mfg Eng. Mgmt, 66, March, 29 (1971).
24. Kuriger W. L., A Proposed Obstacle Sensor for a Mars Rover, J. Spa-
cecraft Rockets, 8, October, 1043 (1971).
25. Odone G., Camera’s Infra Red Eye Focuses on New Vistas for Ranging,
Electronics, 43, April 27, 10 (1970).
26. Anon., Micromotors Used in Automatic Camera Alignment, Electron,
May 4, 22 (1972).
27. Anon., Stopping Those Nos-to-Tail Pile-ups, Electron, September 14,
8 (1972).
28. Beurle R. L., Electronic Guiding Aids for Blind People, Electron, Eng.,
23, January, 2 (1951).
29. Southern W. E., Magnets Disrupt the Orientation of Juvenile Ring Bil-
led Gulls, Bioscieuce, 22, August, 476 (1972).
30. Koenderink J. J. et al., Foveal Information Processing at Photoptic
Luminances, Kybernetik, 8, April, 128 (1971).
31. Davies R. J., Adaptive Focussing of a Television Camera, University
of Aston (1968).
32. Sugie N. and Jones G. M., A Model of Eye Movements Induced by Head
Rotation, Trans. IEEE, SMC1, July, 251 (1971).
33. Mims F, M., Use L.E.D.s, Not Lasers, In Rangefinders, Electron. Des.,
20, May 25, 48 (1972).
34. Gilder J. H., Space-Age Technology Opening New Doors for the Blind,
Deaf and Crippled, Electron. Des., 20, May 25, 24 (1972).
35. Heginbotham W. B. et al., The Nottingham S1RCH Assemble Robot,
Proc. 1st Conf. Industrial Robot Technology, Nottingham, March, 1973, 129.
Глава 14
СЛУХ ЧЕЛОВЕКА
14.1. УХО ДЛЯ РОБОТА
Поиски устройств, способных воспринимать голос человека
и отвечать ему, велись с первых дней цивилизации [1 ]. В средние
века появились документы, сообщавшие о слушающих и говоря-
щих устройствах [22]. Однако трудно сейчас определить, какие
из этих сообщений были реальными, а какие — столь же фантасти-
ческими, как и легендарная дверь, реагирующая на команду
«Сезам, откройся!»
Здесь мы не будем останавливаться на этих ранних сообщениях
и надувательских, подобных упоминавшимся у Кемпелена [23],
и непосредственно перейдем к более современным и практическим
работам. Нетрудно сконструировать устройство, реагирующее
на сигнал одной из речевых частот, такое, как первая управляе-
мая речью собачка «Радио-Рекс», описанная Пэгетом [42]. Однако
проблема анализа и распознавания речи гораздо сложнее.
В человеческом ухе имеется множество резонаторов, так назы-
ваемых волосковых клеток, расположенных вдоль колеблющейся
мембраны, называемой базилярной. Таких клеток около 30 000,
они располагаются в ухе в четыре ряда. Из каждой клетки растут
тонкие волоски, которые служат для преобразования движений
мембраны в электрические сигналы, поступающие в клетку.
Эти электрические сигналы по нервным волокнам передаются
от уха в мозг.
Знания о природе механизма восприятия звука человеком и
животными еще недостаточны, несмотря на широкие поиски и еще
более обширные публикации. К счастью, инженеры-кибернетики
не пытаются в точности воспроизвести ухо человека или живот-
ного. Вполне достаточно сделать работающее устройство для
использования в роботах. Однако кибернетики всегда надеются,
что их труды будут стимулировать поиски физиологов и психоло-
гов, занимающихся исследованием слухового механизма живых
организмов.
Исследование характеристик уха человека показывает [2 ],
что оно функционирует подобно эквивалентному устройству,
приведенному на рис. 14.1. Среднее ухо работает как низкочастот-
ный фильтр с частотой среза около 1500 Гц, выше которой частот-
ная характеристика спадает со скоростью 18 дБ/ок. Резонаторы,
расположенные вдоль базилярной мембраны, действуют подобно
полосовым фильтрам, связанным с линией задержки. Каждый
из полосовых фильтров работает в точности как резонансная
схема с добротностью 9 порядка 1,5, так что избирательность
этих резонаторов невысока.
247
Ухо, по-видимому, сигнализирует мозгу о трех параметрах —
частоте, интенсивности и времени. В дополнение к этому существует
еще важная бинауральная информация, получаемая благодаря
наличию двух ушей.
Имеется много работ в области речевых систем связи, основы-
вающихся на частотном анализе возможностей уха человека. В них
широко использовалась работа по вокодеру, впервые описанная
Дадли [24]. Так как скорость изменения звукового сигнала на
любой отдельно взятой частоте, содержащейся в речи, относительно
мала, то анализ речи на составляющих частотах, раздельная
передача данных об энергетическом составе сигнала на каждой
из этих частот и восстановление речи по этой информации об
Линия задержи,
Полосоёые
фильтры
Рис.
14.1. Структурная схема устройства, эквива-
лентного уху человека
энергии, по-видимому, является многообещающим способом пере-
дачи речи в системах связи.
К сожалению, этот способ не был окончательно принят, воз-
можно, из-за неестественного звучания восстановленной речи.
В случае роботов мы не должны заботиться о натуральности вос-
производимой речи, поскольку единственно важным является
понимание роботами речевых звуков. Например, робот должен
быть способен принимать устные приказы человека и действовать
в соответствии с ними.
Хотя в ухе человека много слуховых клеток, однако разре-
шающая способность уха человека на частоте / не превышает 0,033:
б/// = 0,033.
Это показывает, что в речевом диапазоне 300—3000 Гц человек
может воспринимать только около 60 различных тонов. По-види-
мому, роботов не следует обеспечивать большей возможностью
в этом отношении, и, очевидно, достаточными будут даже меньшие
возможности.
Ухо человека обладает рефлекторной способностью защиты
от разрушающего действия громких шумов, обеспечиваемой стре-
менной мышцей. Она сокращается при громких звуках. Ее можно
рассматривать как некий эквивалент глазного зрачка в органе
слуха. Для уха робота также желательно ввести подобную защиту.
Нетрудно сконструировать схемы, которые детектировали бы
определенный уровень звуковой энергии и использовались в за-
щитных и активных цепях [4, 26].
248
Болье [21 ] было предложено устройство, состоящее из набора
пассивных фильтров, воспроизводящее частотную характеристику
улитки уха человека. Каждая секция содержит последовательное
плечо из резистора (100 Ом), соединенного последовательно
с индуктивностью, н шунтирующую цепь из резистора (100 Ом),
соединенного последовательно с емкостью С и индуктивностью L
такой же величины, как и в последовательном плече. Резонансные
частоты шунтирующих цепей экспоненциально убывают по мере
возрастания номера секции вдоль модели улитки. Всего исполь-
зуется 80 секций, которые нагружены на резистор сопротивле-
нием 1000 Ом.
Реакция уха человека на звук не является постоянной, а за-
висит от характера слышимого звука. Например, помимо того что
ухо по-разному реагирует на все звуковые частоты, сама реальная
форма частотной характеристики меняется в зависимости от гром-
кости звучания [38, 39]. Подобные особенности человеческого уха,
по-видимому, не стоит воспроизводить применительно к роботам,
и вполне возможно, что мы встретимся со слуховыми иллюзиями
роботов, совершенно отличающимися от слуховых иллюзий, свой-
ственных людям.
14.2. МЕХАНИЗМ РАСПОЗНАВАНИЯ РЕЧИ
Автором данной книги уже был сделан обзор 11 ] широко про-
водимых исследований в области распознавания речи. Полезно
напомнить, что большинство этих исследований связано с такими
устройствами, которые полностью настраиваются человеком, а
не с устройствами., которые обладают способностью к самообу-
чению.
Весьма широко распространено мнение, что при отсутствии
обратной связи, образующей замкнутый обучающий контур, по
существу требуется 100%-ная точность распознавания. Однако
при наличии разговорной, зрительной и, возможно, осязательной
обратной связи от слушающего речь робота, показывающей гово-
рящему, понял его робот или нет, требуется значительно более
низкая точность. Следует отметить, что чем непрерывнее такая
обратная связь, тем больше общая скорость связи.
Так называемая моторная теория предполагает, что все обуче-
ние человека восприятию какого-либо звука речи основывается
на артикуляторных движениях, которые требуются для того,
чтобы человек произносил этот звук. Эта теория не может помочь
в объяснении того, как человек учится распознавать звуки, ко-
торые он не способен устно воспроизвести, и она, по-видимому,
не даст результатов, приближающих к обучению роботов распозна-
ванию речи.
Важно отметить, что изменения звуков речи при переходе от
диктора к диктору очень велики, однако, они не являются для
человека препятствием в восприятии и распознавании смысла
249
речи. В некоторых случаях, прежде чем речь будет понятна,
необходимо время, чтобы привыкнуть к ней, например, когда
речь очень громкая или имеет незнакомый акцент. Однако даже
и в этих случаях человек довольно быстро приспосабливается
к говорящему.
Характер звучания речи каждого человека сильно меняется
под влиянием различных обстоятельств. Например, когда человек
устал или заметно выпил, его речь становится менее внятной и
понятной. Другим обстоятельством, вызывающим сильные изме-
нения в речи отдельного человека, является пребывание его в стрес-
совом состоянии. Такое состояние типично, например, для диспет-
чера воздушных сообщений, и роботы, проектируемые для совмест-
ной с человеком деятельности в этой области, должны определять
подобные изменения и вносить на них соответствующую поправку.
Можно предположить, что изменения речи под влиянием стресса
являются гораздо более серьезными, чем многие изменения при
переходе от диктора к диктору.
Крайне важной сферой применения роботов, понимающих речь,
может стать автоматический перевод с одного языка на другой.
К сожалению, работы по машинному переводу послужили в ос-
новном для выявления серьезных трудностей в этой области. Среди
них, может быть, наиболее незначительная — это двойное тол-
кование. Возможно, приличный автоматический перевод будет
достигнут тогда, когда мы сможем сконструировать полностью
самообучающихся роботов (с обратной связью по результатам
обучения). Прогресс в области распознавания речи сильно за-
медлен [18, 20], хотя есть некоторые успехи в распознавании слит-
ной, непрерывной речи. Хилл, сделавший обзор этого направле-
ния и описавший сегодняшнее положение дел [33], полагает,
что в распознавании слитной речи имеется значительный прогресс.
К примеру, на основе ранней работы Редди [34, 35] Виценсом
было разработано устройство, способное иметь дело со слитными
речевыми командами, обращенными к механической руке [36]
и настольному калькулятору. В этой работе было установлено,
что важной проблемой здесь является обеспечение скорейшего
восстановления системы после целиком ошибочного распознава-
ния отдельной команды.
14.3. ПРИРОДА РЕЧИ [5—8]
Дадли предположил, что речь можно рассматривать состоящей
из двух модулированных несущих сигналов. Один из них — это
«жужжание» голосовых связок, другой — «шипение», вызывае-
мое выдыхаемым воздухом. Для передачи информации эти несу-
щие затем модулируются посредством медленного изменения ре-
зонанса, основного тона и интенсивности.
Информация о слышимых звуковых волнах от уха человека
передается в мозг в виде частоты, интенсивности и времени.
250
Очевидно, мозг способен по этим сигналам интерпретировать зна-
чение речи.
Мгновенные пиковые значения речевого сигнала в виде на-
пряжения от микрофона превышают по среднеквадратичному
значению величину порядка 12 дБ. Кроме того, пик напряжения
с микрофона, вызываемого средним гласным звуком, примерно
на 12 дБ выше, чем средним согласным, хотя и здесь имеются зна-
чительные вариации мгновенного значения этого отношения.
Поэтому весьма удивительно, что разборчивость речи гораздо
больше зависит от звучания согласных, чем гласных.
Далее, если ограничить речевой сигнал, ликвидировав при
этом пики (т. е. клиппировать речевой сигнал), то и отношение
максимума сигнала к среднеквадратичному значению, и отноше-
ние амплитуд сигналов, соответствующих гласным и согласным
звукам, одновременно уменьшатся. В результате возрастает
относительная весомость согласных звуков, и поэтому возможно,
что такая процедура клиппирования увеличит разборчивость
речи.
К сожалению, неподготовленному слушателю качество клип-
пированной речи иногда кажется плохим. Однако это не должно
привести к отказу от использования данного способа для роботов,
где при достижении достаточной разборчивости субъективное
впечатление не является столь важным. По-видимому, стоит упо-
мянуть, что клиппирование, как выяснено, дает для слушателей
весьма ценное возрастание разборчивости речи, особенно при
сильном шумовом окружении, хотя звучание такой речи человеку
и не нравится.
Жесткое ограничение амплитуды сигнала имеет один очень
серьезный недостаток, который может оказаться существенным
при разработке подвижных роботов. Процесс клиппирования
сигнала должен сопровождаться значительным его усилением,
чтобы поднять очень низкую амплитуду клиппированного сигнала
до уровня, пригодного для практического использования. Однако
усилители с большим коэффициентом усиления очень чувстви-
тельны к воздействию внешних помех, и это может быть нежела-
тельным в разнообразных условиях внешней среды, в которой
действуют подвижные роботы.
14.4. ИНФОРМАЦИОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ РЕЧИ [9, 10]
Представляет интерес выяснение условий передачи речи с точки
зрения теории информации [25], так как такой подход может
помочь установить необходимые требования для роботов.
Автором этих строк указывалось [25], что для передачи речи
в полосе частот шириной 5000 Гц при отношении мощности сиг-
нала к мощности шума 1000 (или 30 дБ) пропускная способность
канала должна составлять 50 000 бит/с. Хотя для передачи обыч-
ной речи и требуется такая пропускная способность, известно,
251
что мозг не в состоянии декодировать и использовать информацию
с такой скоростью. Фланаган [9 ] описал множество попыток оценки
«силлабической» скорости; на их основе было высказано предпо-
ложение, что мозг человека практически не способен обрабаты-
вать информацию, поступающую со скоростью более 50 бит,с.
Наибольшая достижимая реальная скорость, возможно, еще
меньше. Например, оператор, принимающий сигналы азбуки
Морзе, поступающие со скоростью 35 слов/мин, воспринимает их
с силлабической скоростью только лишь 6 бит/с.
В особых обстоятельствах мозг, тем не менее, может обрабаты-
вать информацию и с более высокой скоростью. Якобсон предло-
жил для пропускной способности уха человека оценку в
8000 бит/с, руководствуясь тем, что средняя пропускная способ-
ность каждого нервного волокна, отходящего от улитки уха,
составляет около 0,3 бит/с.
Человек способен понимать речь со скоростью нескольких
сотен слов в минуту. Следовательно, скорость восприятия фонем
(элементарных составляющих речевого сигнала) около 20 в се-
кунду. Купер [11] объясняет расхождение между этой высокой
скоростью и пропускной способностью слухового аппарата (около
6 бит/с) тем, что процесс кодирования фонем происходит парал-
лельно.
Если человек практически не способен обрабатывать информа-
цию, поступающую со скоростью большей 50 бит/с, то, стало
быть, нет необходимости в конструировании роботов общего на-
значения с большими возможностями в этом отношении. Однако
для специальных применений будут полезны роботы, способные
обрабатывать слышимую информацию, скорость передачи которой
превышает возможности человека.
14.5. ОГРАНИЧЕНИЕ ШИРИНЫ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ
Опыты со слушателями по ограничению ширины полосы ча-
стотного диапазона речи показали, что при подавлении речевых
частот ниже 350 Гц разборчивость речи существенно не меняется.
Более того, в хороших условиях слышимости разборчивость
почти не уменьшается при частоте среза 580 Гц.
Обнаружено также, что подавление высокочастотных состав-
ляющих речевого сигнала с частотой среза 3900 Гц дает весьма
небольшое снижение разборчивости для слушателя. Однако
при уменьшении частоты среза до 2500 Гц разборчивость
значительно ухудшается. Очевидно, стоит упомянуть о том,
что эти цифры были получены в опытах со слушателями при
использовании фильтров с очень точным выставлением уровня
среза.
Интересно заметить, что используемая человеком форма внеш-
него анализа звуковой частоты с помощью базилярной мембраны
и волосковых клеток отсутствует у рыб и низших форм живых
252
I; организмов. По-видимому, у них нервные импульсы, имеющие
частоту, совпадающую с частотой принимаемого звука, поступают
| для анализа непосредственно в мозг.
й
У 14.6. ЕДИНАЯ ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ФОРМАНТА [12]
В Принято считать, что звуки речи состоят из комбинации трех
К компонентов, имеющих различные формантные частоты. Их
К можно заменить единой эквивалентной формантной частотой, со-
К хранив при этом фонетическое содержание звука речи.
к Предполагают, что многочисленные медленно меняющиеся
В составляющие выходного сигнала вокодера обычного типа заме-
Ж няют только три медленно изменяющихся параметра: единая экви-
д валентная формантная частота; амплитуда единой эквивалентной
форманты; степень «звонкости» звука.
ж Оказалось, что для упрощения выделения частоты и амплитуды
Ж единой эквивалентной форманты можно оперировать длительно-
В стью и амплитудой первого полупериода речевого сигнала, сле-
К дующего за закрытием голосовых связок, либо за быстрым изме-
В нением формы звуковой волны сигнала глухого или шипящего
В звука.
В Хотя в работах по реализации такого подхода использовалось
В очень сложное оборудование, наконец-то появилась возможность
В ввести меру инвариантности произношения звуков. Можно на-
В деяться, что дальнейшие исследования в этой области позволят
В дать простое решение проблемы распознавания речи.
14.7. СТРУКТУРА ПРОИЗНОСИМЫХ СЛОВ
^В Было обнаружено, что для распознавания произносимых цифр
Вт в сочетании с такими немногочисленными словами, как «plus»
(плюс), «minus» (минус) и «total» (сумма), достаточно оперировать
двумя типами согласных звуков английского языка — взрыв-
ными (s, t и т. д.) и мягкими (th, f и т. д.). Гласные звуки требуются
в качестве дополнения, а для распознавания используются отно-
сительные фазы звуковых компонентов. При таком подходе
три различных параметра распознаются в каждой из трех различ-
ных позиций при условии чередования звуков «согласный—глас-
ный—согласный».
В диалоге между людьми используются такие виды визуаль-
ной обратной связи, как кивок головой или определенное выраже-
ние лица собеседника, и эта обратная связь помогает в общении.
При телефонном разговоре отсутствие такой связи может вызвать
снижение скорости передачи сообщения.
При диалоге человека с роботом визуальная обратная связь
отсутствует и поэтому было бы полезно предусмотреть какую-либо
звуковую обратную связь типа высокого короткого радиосигнала
«бип» в знак приема и понимания и «жужжания» при неприеме
253
или непонимании сказанного. Параллельно с такой формой обрат-
ной связи или вместо нее может использоваться и обратная связь
посредством лампочки.
В некоторых типах устройств распознавания речи в конце
предложения человек устно запрашивает повторения сказанного
им предложения, употребляя слово «проверка», и может затем
выдать устное заключение: «правильно» или «неверно». И хотя
это, несомненно, снижает скорость общения человека с роботом,
для получения одобрения в первых применениях роботов необ-
ходимо обеспечить как можно более низкий уровень ошибок.
Лучше, чтобы робот, получив устное распоряжение, попросил
повторить его, чем рисковать в случае ошибочных действий
робота.
Классификация слышимых человеком звуков базируется на
поистине безграничном опыте, на основе которого были сформи-
рованы знания о языковой системе, которой обладают люди.
Далее, благодаря высокой избыточности речи, слушатель может
извлечь из памяти гораздо больше языковой информации, чем
он получает из непосредственной звуковой информации во время
разговора. Поэтому человек может понимать беглую речь.
Большинство устройств распознавания речи целиком основы-
вается на входной информации о волновом звуковом сигнале.
Этот подход полностью себя оправдывает лишь при ограниченном
словаре, особенно тогда, когда используются звуки, произносимые
только одним индивидуумом [47].
Однако уже для простейшей формы беглой речи нельзя ожи-
дать, что данный подход будет успешным. Единственная возмож-
ность в этом случае — построение устройства, способного к само-
обучению, и отказ от попыток соорудить такое устройство, ба-
зируясь на наших собственных предвзятых представлениях [31 ].
Такой прибор надо снабдить чем-то вроде улитки уха человека и
предоставить ему возможность самостоятельно устанавливать ассо-
циативные связи между звуками речи [47]. Этот процесс, как и
у людей, будет медленным.
14.8. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ
СЛУШАНИЯ РЕЧИ
Одна из интересных особенностей слуха человека — так назы-
ваемый «эффект вечера с коктейлями». В людном помещении, где
все разговаривают одновременно, слушатель может сосредоточить
свое внимание на одном из говорящих, игнорируя все остальные
звуки. Эта форма концентрации выполняется центральной нервной
системой, и пока неизвестно, как эта особенность может быть
внесена в систему слуха робота.
Человек узнает голос говорящего, если он слышал его раньше.
Возможно, это происходит на основе частотного анализа. По
«отпечатку» непрерывного частотного спектра речи можно опре-
254
делить говорящего. Имеются серьезные предложения использо-
вать такие «отпечатки» голоса как вещественное доказательство
в суде [13—15]. Однако это может оказаться неудобным вслед-
ствие того, что человек с хорошей мимикой может воспроизвести
спектр, почти неотличимый от спектра речи того, чей голос ими-
тируется [43]. При этом ссылаются на Лэйдфогда [30], сказав-
шего в связи с работами по идентификации голоса: «В действитель-
ности вам нужно узнать, президент ли сказал: „сбросить бомбу!11»
Кое-кого пробирает дрожь при мысли о том, что уверенность та-
кого рода может основываться на идентификации голоса по теле-
фону и самому существованию человечества будет нанесен ущерб
из-за простого игнорирования возможности построения системы
передачи закодированных сообщений. Однако, возможно, именно
это объясняет значительные затраты на исследования по иденти-
фикации голоса. Было бы желательно, чтобы робот мог «узнать»
голос лица, которое ему приказывает, но вряд ли это произойдет
в ближайшем будущем.
У человека обратная связь между речью и слухом может
быть как внутренней, так и внешней. Внутренняя связь осущес-
твляется через звукопроводящую кость, внешняя — через уши.
Последняя является важной, и изменение цепи этой обратной
связи, например введением некоторой временной задержки, может
оказать разрушающее действие на речеобразование. Это может
оказаться справедливым и для роботов.
Нетрудно будет сконструировать роботов, способных слышать
ультразвук или инфразвук. Такие роботы будут чрезвычайно по-
лезны в промышленности, так как смогут осуществлять невыпол-
нимые человеком функции.
Важно, что для восприятия смысла речи необходимо принимать
во внимание порядок, в котором произносятся различные звуки
речи. Следовательно, каждое заключение о смысле сказанного
основывается на предыдущем решении, и слушатель осуществляет
непрерывную сегментацию речи. Итак, если решения базируются
только на порядке следования сегментов речи, то нет необходимо-
сти в запоминании и влиянии на длину речевых сегментов. Это,
однако, слишком упрощенный взгляд на вещи, и в некоторых слу-
чаях длина звука может передавать смысл.
Одна из областей, в которой может происходить взаимный
обмен между инженерами в кибернетике и медицине,— это раз-
работка искусственной гортани. Было много попыток сконструи-
ровать такое устройство для использования в медицине, однако
все они ограничивались очень примитивным подходом.
Одним из важных моментов, которым часто пренебрегают при
рассмотрении распознавания речевого сигнала, является ритм
звучания, несущий важную информацию. Достаточно вспомнить,
например, как порой кажется, что ритм стука вагонных колес
нам что-то «говорит», и как в шумовом фоне ритмического харак-
тера можно вообразить музыку.
255
14.9. СЛУХОВЫЕ ИЛЛЮЗИИ [16, 17]
Подобно тому как глаз человека подвержен оптическим иллю-
зиям, органы слуха испытывают слуховые иллюзии. Знание их
природы может дать ключ к пониманию особенностей обучения —
через слуховую систему человека —в центральной нервной си-
стеме человека в целом. Однако, как упоминалось в связи с опти-
ческими иллюзиями, в использовании данных о них необходимо
соблюдать осторожность, пока не будет достигнута полная уве-
ренность в том, что та или иная оптическая или слуховая иллюзия
является универсальным свойством человека независимо от про-
исхождения или условий развития индивидуума.
Одна из хорошо известных слуховых иллюзий вызывается
монотонным повторением слов. Такой опыт легко поставить,
используя магнитофон с замкнутой в кольцо лентой, на которой
записано слово, и прокручивая эту ленту несколько раз. В ка-
честве примера такого опыта Варрен [16] ссылается на экспери-
мент с повторением английского слова «tress» (длинный локон,
коса). Слушатели воспринимали его как «stress» (ударение),
«dress» (платье), «Joyce» (фамилия Джойс). Варрен сравнил этот
процесс с распадом зрительного изображения, который возникает
при стабилизации сетчатки. Он предложил разделить процесс
на две части: сначала происходит утрата значения, азатем преобра-
зование мозгом стимулирующего воздействия в имеющую смысл
форму. По-видимому, мозг не очень хорошо приспособлен к ана-
лизу временной или пространственной последовательности сти-
мулов, если только здесь дело не в другом. Это — очень важ-
ный момент.
14.10. БИНАУРАЛЬНЫЙ СЛУХ
Есть две причины, по которым у человека и животных имеются
по два уха. Первая очевидная причина — необходимая избыточ-
ность.
Слух — одно из важнейших чувств, и важно, чтобы при
временной при полной потере способности слышать одним ухом
можно было использовать второе, однако существует более важная
причина для одновременного использования обоих ушей, имеющая
большое значение в повседневной жизни. Это — возможность
локализовывать звуки, которая реализуется мозгом по различиям
в сигналах от каждого из ушей.
В настоящее время эта локализация используется в стереофо-
нических системах. Однако она имеет и более важное для жизне-
деятельности значение. У животного, использующего бинаураль-
ный слух для того, чтобы избежать различных неприятностей,
больше шансов выжить; следовательно, это свойство предпочти-
тельно с точки зрения естественного отбора.
Однако стоит ли снабжать робот дополнительным оборудова-
нием для того, чтобы придать ему бинауральный слух? Для роботов
256
общего назначения, наверное, этого делать не стоит, хотя для
роботов специального назначения такое свойство может оказаться
весьма полезным.
Если используется источник статистического шума, человек
определяет направление на него сравнением времен, через кото-
рые звук достигает каждого из ушей, или, по крайней мере, так
нам кажется из опыта. Если разница между этими временами
мала, скажем менее 1 мс, то для статистического шума чувстви-
тельность в определении направления на него очень мала.
Однако если мы слышим чистый тон (например, 1000 Гц), то
определение направления непосредственно зависит от относи-
тельного времени сдвига между сигналами, поступающими в ка-
ждое из ушей человека. Если этот временной сдвиг искусственно
монотонно изменяется, то направление на источник, отгадывае-
мое слушателем, меняется с его точки зрения весьма сильно.
Такой опыт можно проделать с человеком, посылая в каждое из
его ушей сигналы, одинаковые по форме, но отличающиеся по
времени их доведения (например, через два различных головных
телефона).
В некоторых типах локационного оборудования, реагирующих
на видимое или инфракрасное световое излучение, для определе-
ния направления использовалась относительная сила сигналов,
поступающих на два датчика. Если используется одиночный ска-
нирующий датчик, то направление на источник сигнала опре-
деляется по равенству амплитуды (а, возможно, также и фазы)
двух сигналов, приходящих к двум точкам механического раз-
вертывающего устройства. Другая простая возможность для
устройств, в которых применяется механическая развертка,
состоит в определении направления максимального сигнала
с помощью высоконаправленного приемника; при этом исполь-
зуется, например, параболический сканирующий рефлектор.
Реально используемый способ определения направления в ка-
ждом конкретном случае зависит от задания, которое должен
выполнять робот, и сомнительно, что для первых роботов общего
назначения потребуется бинауральный слух.
Если снабдить робот двумя или более ушами, то способность
его к определению направления можно использовать для выбора
направления, в котором робот должен быть обращен «лицом»,
или направления поворота его «головы». Для этого, разумеется,
необходимо, чтобы выходной сигнал от ушей робота поступал на
соответствующую систему управления движением, и возможно,
что в связи с этим возникнет задача сервостабилизации, что опять-
таки нежелательно использовать в первых роботах общего назна-
чения. Способностью определять, направление вперед-назад, за-
ложенной в форме наружного уха, снабдить ухо робота
нетрудно; при этом возможен достаточно широкий диапазон
различных полярных диаграмм чувствительности к направлению
звука.
9 Дж. Ф. Янг . 257
В ряде случаев было бы выгодно расположить уши не на го-
лове, а на теле робота или даже в его руке. Для некоторых типов
роботов может оказаться полезной подобная радиолокационной
способность летучих мышей избегать препятствия, излучая и
воспринимая ультразвуковые колебания.
14.11. МИКРОФОНЫ [27, 28. 32, 40, 41]
Маловероятно, чтобы в роботах применялся способ обнаруже-
ния звуков, использующий подобно естественному органу боль-
шое количество отдельных микрофонов, настроенных на разные
частоты. Вместо этого для подачи сигналов в электронные
фильтрующие устройства будет применяться одиночный мик-
рофон.
Вид используемого микрофона будет определяться необходи-
мой простотой и надежностью. Хотя и заманчиво использовать
обычный угольный микрофон, но он «шумит» и подвержен влиянию
механических перемещений. Пьезоэлектрический микрофон дает
достаточно большой выходной сигнал, однако, этот тип микро-
фона не всегда может применяться при высоких температурах, >
так как его выходной импеданс сильно зависит от температуры и
влажности окружающей среды. Такие микрофоны недавно на-
чали изготавливаться в комплекте с автономными усилителями
на интегральных схемах, работающими от низковольтных источ-
ников питания, которые ранее использовались для питания уголь-
ных микрофонов.
Другие типы микрофонов обычно или слишком дороги, или
чрезмерно хрупки, или дают слишком низкий выходной электри-
ческий сигнал. Однако хотя электродинамическому микрофону
присущ низкий выходной сигнал, возможность использования и в
качестве громкоговорителя делает его пригодным для роботов, так
как он одновременно может применяться и для «уха» и для «рта»
робота. Также возможен возврат к ранним телефонным устрой-
ствам с движущейся мембраной. Какой бы вид микрофона ни
применялся для роботов, высокая точность не является непре-
менным требованием. Пьезоэлектрические микрофоны иногда
используются как репродукторы.
Ценным является и то, что большинство микрофонов имеет
направленные характеристики. Если, например, для робота тре-
буется бинауральный слух, то необходимо снабдить его свой-
ством восприятия направления звука и установить два отдельных
микрофонных «уха».
Пока трудно рассматривать вопрос об использовании для
роботов микрофонов, не пропускающих шумов. Вместо этого
в нервной системе робота необходимо будет предусмотреть сред-
ства селекции помех. По существу для робота требуется какая-то
разновидность системы «фиксации внимания», хотя над этим при-
дется много поработать. Для подвижных роботов потребуется
258
антивибрационное крепление микрофонов, чтобы слух робота
не парализовался при движении.
В настоящее время уделяется внимание возможным способам
замены углезернистых микрофонов в телефонии, и эта работа
в случае ее успеха может представлять большой интерес для при-
менения в разработках уха роботов. Однако разработки с ис-
пользованием электретов [29], имеющих высокий импеданс и
чувствительных к влажности, не кажутся слишком обнадежива-
ющими для использования в роботах.
Список литературы
1. Young John F., Cybernetics, Iliffe (1969).
2. Lutnmis R. C., The Secret Code of Hearing, Bell Labs Rec., September,
261 (1968).
3. Dallos P. J., Study of the Acoustic Feedback Loop, Trans. IEEE, BME11,
January, 2 (1964).
4. Keen M. J., A Voice-Operated Electronic Switch Having a Low Drift
with Temperature, Electron. Components, 10, May, 577 (1969).
5. Allen V. H., Laboratory Equipment for Quantizing Speech, Electron.
Eng., 28, February, 48 (1956).
6. Licklider J. C. R., Effects of Amplitude Distortion upon the Intelli-
gibility of Speech, J. Acoust. Soc. Am., 18, 429 (1946).
7. Licklider J. C. R., The Intelligibility of Amplitude-Dichotomised Time-
Quantised Speech Waves, J. Acoust. Soc. Am., 22, 820 (1950).
8. Flanagan J. L., Speech Analysis, Synthesis ana Perception, Springer-
Verlag (1965).
9. Jacobson H., The Information Capacity of the Human Ear, Science, N.Y.,
112, 143 (1950).
10. Jacobson H., Information and Human Ear, J. Acoust. Soc. Am., 23,
July, 463 (1957).
11. Cooper F. S., Speech — Man's Natural Communication, IEEE Spec-
trum, 4, June, 79 (1967).
12. Teacher C. F. et al., Experimental Limited Vocabulary Speech Recog-
niser, Trans. IEEE, AU15, September, 127 (1967).
13. Bolt R. H. et al., Speaker Identification by Speech Spectrograms: A Sci-
entist's View of Its Reliability for Legal Purposes, J. Acoust. Soc. Am., 47, Feb-
ruary, 597 (1970).
14. Das J. K. and Mohn W. S., Pattern Recognition in Speaker Verifica-
tion, A. F. I. P. S. Conf. Proc., 35, Fall, 721 (1969).
15. Li К. P. et al., Experimental Studies in Speaker Verification Using
an Adaptive System, J. Acoust. Soc. Am., 40, No 5, 966 (1966).
16. Warren R. M. and Warren R. P., Auditory Illusions and Confusions,
Sci. Am., 223, December, 30 (1970).
17. Ptacek P. H. and Pinheiro M. L., Pattern Reversal in Auditory Percep-
tion, J. A. S. A., 49, February, 493 (1971).
18. Newell P. H. and Barr J. S., Voice Operated Powered Devices, Meeh.
Eng., 92, November, 25 (1970).
19. David E. E., The Present Status of Vocoder Speech Bandwidth Redu-
ction Systems, Proc. Natl Electron. Conf., 19, 730 (1963).
20. Lavoie F. J., Voice Actuated Controls, Mach. Des., 42, January 22,
135 (1970).
21. Bolie V. W., Computer Aided Refinements in the Design of an Artifi-
cial Cochlea, Proc. 22nd S. W. Conf. IEEE, Dallas, 1970 , 308.
22. Cohen J., Human Robots in Myth and Science, Allen and Unwin (1966).
23. Dudley H. and Tamoczy T. H., The Speaking Machine of Wolfgang
von Kempelen, J. Acoust. Soc. Am., 22, 151 (1951).
24. Dudley H., Remaking Speech, J. Acoust. Soc. Am., 11, 169 (1939).
25. Young John F., Information Theory, Butterworths (1970).
26. Anon., Voice-Operated Switching for Loudspeaking Telephones, G.E.C.JL
April, 102 (1957).
27. Robertson A. E., Microphones, 2nd edn., Iliffe (1963).
28. Anon., Microphones (В. В. C. Eng. Trg. Manual), Iliffe (1951).
29. Reedyk C. W., Electret Transducers Applied to the Telephone, Trans.
IEEE, AU19, March, 1 (1971).
30. Wood N., Toward Speech Processing Machines, Mach. Des., 42, July 9,
44 (1970).
31. Larnotte M. et al., Simulation de la Reconnaissance des Formes Voca-
les par Apprentissage, C. R. Acad. Sci., 269A, 286 (1969).
32. Gayford M. L., Electroacoustics, Butterworths (1970).
33. Hill D. R., Man-Machine Interaction Using Speech, Adv. Comput.,
11, 165 (1971).
34. Reddy D. R., Computer Recognition of Connected Speech, J. Acoust.
Soc. Am., 42, 329 (1967).
35. Reddy D. R. and Vicens P. J., A Procedure for the Segmentation of
Connected Speech, J. Audio Eng. Soc., 16, 404 (1968).
36. McCarthy J. et al., A Computer with Hands, Eyes and Eears, Proc.
Fall Joint Computer Conf., San Francisco, 1968, 329.
37. Masterton B. et al., The Evolution of Human Hearing, J. Acoust. Soc.
Am., 45, 966 (1969).
38. Fletcher H. and Munson W. A., Loudness, Its Definition, Measurement
and Calculation, B.S.T.J1, 12, 377 (1933).
39. Fletcher H., Speech and Hearing in Communication, Van Nostrand (1953).
40. Gayford M. L., High Quality Microphones, Proc. IEE, 106B, Novem-
ber, 501 (1959).
41. Amos S. W. and Brocker F. C., Microphones, Electron. Eng., 18, August,.
225 (1946).
42. Paget R., Human Speech, 79, Harcourt Brace (1930).
43. Lutninis R. C., Speaker Verification: A Step Toward the «.Checkless;;-
Society, Bell Labs., Rec., September, 245 (1972).
44. Vysotskiy G. Y. et al., An Experiment in Oral Control of a Computer,
Eng. Cybern., 8, March/April, 320 (1970).
45. Von Keller T. G., An On-Line Recognition System for Spoken Digits..
J. Acoust. Soc. Am., 49, pt 2, April, 1288 (1971).
46. Gonschorek J. and Hinrichs O., A Speech Recognition System, with
Adaptation to Speech Rate and Volume, NTZ Commun. J., 24, April, 177 (1971).
47. Haton J. P. and Larnotte M., Preprocessing and Recognition of Speech:
Simulation and Practical Realisation, Automatisme, 17, March, 63 (1972).
48. Atal B. S., Automatic Speaker Recognition Based on Pitch Contours,
J. A.S. A.., 52, December, 1687 (1972).
49. Hornsby T. G., Voice Response Systems, Modern Data, 5, November..
-46 (1972).
Глава 15
СЛУХ И РЕЧЬ РОБОТОВ
15.1. УСТРОЙСТВА РАСПОЗНАВАНИЯ РЕЧИ
[20—22, 24—26, 28—33, 36, 37, 41]
О природе речи известно достаточно много, и, может быть,
поэтому считают, что не будет сложно сконструировать устрой-
ство для распознавания отдельных слов. В этом направлении
велось много работ, и тем не менее успех, по-видимому, столь же
неуловим, как и прежде. В то время как оказалось возможным
создание устройств, которые могли использоваться человеком
для распознавания слов, произносившихся раздельно диктором,
было доказано, что построение подобным образом устройства рас-
познавания множества слов независимо от диктора и особенно-
стей его речи является гораздо более сложной задачей.
Попытки разработки устройств распознавания речи широко
освещались автором в другой работе [27]. Использовавшиеся
методы в основном базировались на известной структуре уха
человека и, следовательно, на некоторых типах частотных анали-
заторов. Однако очевидно, что аппарат частотного анализа сам
по себе недостаточен даже для распознавания слов с постоянными
временными характеристиками, но с изменяющимся энергосо-
держанием на различных частотах. Следовательно, этот путь
ведет к попытке распознавания частотно-временной структуры —
фактически группы информационных элементов Габора [43, 44].
К сожалению, структура частотно-временных элементов речи раз-
ных дикторов различается, и возможно, что для учета фильтрую-
щего воздействия центральной нервной системы на информацию от
органа слуха потребуются другие подходы и особое значение
частотного анализа будет утрачено.
Хотя нам представляется, что до распознавания непрерывной
речи еще далеко, некоторый прогресс в этом направлении достиг-
нут. Однако вероятно, что создать устройство для распознавания
речи, подобное естественному, не удастся до тех пор, пока не
удастся построить машины, которые на основе заложенных в них
элементов информации могли бы обучаться связывать речевые
образы с другими явлениями. Нет сомнения в том, что, когда
такие машины будут изобретены, они помогут нам узнать о луч-
ших способах конструирования устройств, поддающихся обучению
распознаванию речи.
Важно отметить, что для человека, слушающего либо речь
с незнакомым акцентом, либо незнакомый голос, либо просто
находящегося в каких-нибудь новых обстоятельствах, необходимо
в течение некоторого времени привыкать к этой речи, к ее звукам,
прежде чем станет возможно ее адекватное распознавание.
261
Сегодняшняя ситуация такова, что в то время как распозна-
вание ограниченного набора речевых образов вполне возможно
и демонстрировалось многими, мы все еще ожидаем важного от-
крытия в этой области. По всей вероятности, его может совершить
тот, кто, игнорируя необъятные проблемы, очевидные для лю-
бого исследователя, потратившего изрядное время на ознакомле-
ние с имеющимися трудностями, решит испробовать простейший
способ, совершенно не обязательно основанный на общеизвестных
знаниях о речи и слухе.
Во всем мире в этом направлении велось много работ, и далее
будут описаны некоторые основные исследования, проведенные
в Астоне. Главная их цель — разработка методов распознавания
речи, которые могли бы использоваться в сочетании с соответству-
ющими устройствами, подобными машине «Астра», так чго конеч-
ной целью является скорее самообучение, чем просто конструи-
рование устройств распознавания.
15.2. ВОКОДЕР С ПАССИВНЫМИ ФИЛЬТРАМИ
Первые исследования в Астонской кибернетической лаборатории
по использованию вокодеров для обеспечения ввода речевых сиг-
налов в ассоциативные устройства были проведены А. Макмил-
ланом и Л. Д. Л. Соутером [45].
В ранних работах в качестве избирательных элементов исполь-
зовались выпускавшиеся промышленностью LC-фильтры. В це-
Рис. 15.1. Принципиальная схема фильтров с выпрямите-
лями
лях ограничения стоимости работ применялись серийные устрой-
ства, предназначавшиеся первоначально для фильтрации сигна-
лов в телеграфных системах на речевых частотах.
В идеале полосовые фильтры, применявшиеся в вокодерах
в экспериментальных целях, должны были бы иметь прямоуголь-
ную полосу пропускания. Однако это требование практически
невыполнимо, и характеристика фильтра складывалась из суммы
двух более простых характеристик фильтров для каждого диа-
пазона.
262
Для того чтобы избежать трудностей, связанных с фазирова-
нием, сигналы с фильтров перед смешиванием выпрямлялись
(рис. 15.1). В данном случае это вполне допустимо, так как един-
ственное требование к выходному сигналу — включать или вы-
ключать некоторую схему в зависимости от уровня энергии в соот-
ветствующем волновом диапазоне во входном сигнале звуковой
частоты.
Фильтрующее устройство подключено к усилителю постоян-
ного тока, который управляет выходным ключом. В некоторых из
переключающих устройств использовались тиристоры.
Такие устройства довольно успешно применялись на первом
этапе расследований, но их использование выявило необходимость
уменьшения конструкции до приемлемых размеров.
15.3. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ ДЛЯ ВОКОДЕРА
R1
Уо
Рис. 15.2. Принципиальная схема актианого >
фильтра для вокодера
В Астонской кибернетической лаборатории в вокодерах ис-
пользовались различные типы активных фильтров в сочетании
с усилителями на интегральных схемах. Ниже описывается только
один из них — фильтр с использованием преобразователя отри-
цательного напряжения,
изобретенный П. Гарри-
соном [46].
Рассмотрим схему, при-
веденную на рис. 15.2.
Операционный усилитель
имеет выход 2, инвертиру-
ющий вход 5 и неинверти-
рующий вход 7. В данной
схеме напряжение между
входами 5 и 7 всегда неве-
лико. На вход 5 поступает
входное напряжение Vx,
а на вход 7 — непосредственно выходное напряжение Уо; следо-
вательно, Vx = Го.
Можно предположить, что ток между входами 5 и 7 отсутствует;
тогда весь входной ток /х протекает через R1, а выходной ток 10 —
через R2. Отсюда следует, что
/Л = Ш-
Предположим теперь, что с выходом схемы связан импеданс Z2;
тогда
I.
Уо
z2
Входной импеданс задается
'"о
выражением
__ А 7________ffil у
/1 2 ~ Rt 2‘
263
Если теперь на вход усилителя подать напряжение от источ-
ника 4Д через импеданс Zlt то выходное напряжение
а коэффициент усиления схемы определяется выражением
Уо =4
Vi
Реальный вид коэффициента усиления в каком-либо приложе-
нии этого метода зависит от вида Zx и Z2, а также от значения отно-
шения Rt/R2. Предположим, что
___ 1 + /соСТ?
1 /ЙС ’
Z — _____-____
1 + jaCR ’
Тогда
• Уо = _ Ri________________:ыС/?___________
У3 /?, 1 + /шСК (2 — /Д/Кз) + /2ш2С2К2 ’
Далее, чувствительность резонансной схемы, нагрузкой которой
является резистор, определяется соотношением
о __ ____ /оЮ5/Д_________
Vi 1 -J- jaCsRs -j- j2a2LsCs ’
где определяющими условие резонанса параметрами являются
сопротивление Rs, емкость Cs и индуктивность Ls. Тогда доброт-
ность этой последовательно регулируемой схемы Qo = cooEs/7?s =
= l/(cooCs7?s), где coo — резонансная угловая частота; следова-
тельно, CSRS = l/(cooQo) и можно записать, что
Ур =__________jm'(copQp)___
Vl 1 + jw,(w0Q0) jW/iog
Таким образом, эквивалентная добротность активного фильтра
Qu = 2 - •
Если 7?! — 2R2, то Qo = 00 • Любое требуемое значение Qo может
быть легко получено подбором значений отношения R^/R^, от О
до 2.
15.4. ПРАКТИЧЕСКИЙ ВОКОДЕР ДЛЯ РОБОТА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
В соответствии с вышеизложенной теорией П. Гаррисоном
в Астонской кибернетической лаборатории был спроектирован и
полностью построен вокодер для роботов [461. Фильтры соеди-
264
нялись с усилителями постоянного тока на интегральных схемах,
как показано на рис. 15.3. Схема включения усилителей (тип 701с)
Рис. 15.3. Принципиальная схема вокодера, использующая ак-
тивные фильтры
следующая: 1 — питание 0 В (земля); 2 — выход; 3 — питание
4-12 В; 4 — коррекция; 5 — инвертирующий вход; 6 — коррек-
ция; 7 — неинвертирующий вход; j
8 — питание — 12 В.
К выходу каждого избиратель- _ А
ного усилителя вокодера подключен “3 \
полевой транзистор, так что этот 4 _ / \
вариант селекторной схемы чувстви- 417 ’ I \
телен к выходной нагрузке. После- С /
дующий эмиттер и выпрямитель =~ I
обеспечивают сглаживание выход- 4 /
ного сигнала. Для усиления выход- <3 / - /
ного сигнала в некоторых схемах
используется тиристор. (Р---jj
С помощью подобных схем с ти- Частота, кГц
личной частотной характеристикой, п ,с, 1Т
‘lr- . г Рис. 15.4. Частотная характери-
показаннои на ptic. 1о.4, нетрудно стика вокодспа для роботов
получить достаточно высокое значе-
ние добротности Q. В некоторых случаях речевой сигнал
перед подачей на схему фильтрации неоднократно клиппиру-
ется. Это оказывает побочное полезное действие, предохраняя
265
усилитель от прекращения функционирования из-за насыщения.
В таких схемах существует некоторый временной дрейф, но он
не слишком велик при малых Q. В одной из разработок, исполь-
зовавших эти фильтры, различия между выходами разных кана-
лов подбирались таким образом, чтобы обеспечить контраст уси-
ления [17].
15.5 МЕХАНИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ В ВОКОДЕРАХ
Для обеспечения частотной селекции в вокодерах можно ис-
пользовать механические фильтры камертонного типа [1 ]. Однако
в прошлом этот метод считался очень дорогим и к тому же давал
более крутую частотную характеристику, чем требовалось. В на-
стоящее время для ограничения стоимости и обеспечения простого
общего решения проблемы применяются волоконно-оптические
световоды. Звуковой сигнал подается на пьезоэлектрический
вибратор, который вызывает колебания волокон оптических свето-
водов. Через колеблющиеся оптические волокна свет от источника
передается на оптическую маску так, чтобы наибольшее количе-
ство света поступало при наличии определенных звуков или слов
на входе вибратора. Для предотвращения воздействия шумов и
помех на выходной сигнал вводится ограничитель.
15.6. МЕТОД РАСПОЗНАВАНИЯ ЧИСЕЛ
Учитывая человеческий опыт, выраженный, например, в дости-
жениях активного полета, следует задаться вопросом, может ли
слуховая система животных с ее слабочувствительным гармониче-
ским анализом оказаться на практике лучшим образцом для ис-
пользования в роботах. К сожалению, при отрицательном ответе
на этот вопрос диапазон возможных для применения методов
будет очень широким. Как и в других областях, наилучший ответ
на вопрос о том, что использовать в данный момент, по-видимому,
можно найти в результате относительно свободного исследования
имеющихся возможностей; при этом следует помнить о главной
цели и избегать сдерживающего влияния предвзятых представ-
лений.
Многочисленными опытами доказаны преимущества исполь-
зования клиппированного речевого сигнала, о чем упоминалось
выше. Клиппирование явилось основой предварительного ва-
рианта системы распознавания произносимых голосом цифр [47 ],
разработанной Д. Дж. О. Брауном в Астонской кибернетической
лаборатории. Система оказалась в некоторой степени инвариант-
ной по отношению к дикторам и даже к различию между мужскими
и женскими голосами. Следует подчеркнуть, что при ее разработке
не было предпринято попытки ввести обучение. Однако в работе
системы все же присутствовал некоторый элемент обучения.
При наличии мгновенной обратной связи к диктору, который
266
Дыртеренцируящее
устройство Усилитесь Ограничитель' -
Лампы
Рис. 15.5. Структурная схема устройства рас-
познавания речи
может следить, распознала машина произнесенное им слово
или нет, он слегка изменяет свой голос так, чтобы быть «более
понятным» машине. Изменения принимают форму некоторого
акцентирования диктором взрывных и шипящих согласных
в произносимых словах. По существу такие же изменения вносит
в речь говорящий с глуховатым человеком, с тем, кто не знает
достаточно хорошо язык, или говорящий по телефону в условиях
плохой слышимости. Ясно,
что обратная связь явля-
ется очень важным факто-
ром в подобных системах
распознавания речи.
Структурная схема раз-
работанной Брауном си-
стемы представлена на
рис. 15.5. Речевой сигнал
с микрофона поступает на
дифференцирующее ус-
тройство, характеристика
чувствительности которого
возрастает от 10 Гц до
10 кГц со скоростью
6 дБ/окт. Сигнал с часто-
той свыше 10 кГц в дан-
ном случае несуществен,
и характеристика начи-
нает спадать с той же ско-
ростью. После дифферен-
цирования сигнал посту-
пает на усилитель с боль-
шим коэффициентом
усиления (свыше 70 дБ),
устройстве двухканальных усилителей на интегральных
вызвало ряд трудностей, в частности связанных со съемом сиг-
нала, и пришлось разработать специальный усилитель.
После усиления сигнал подается на ограничитель, который,
сравнивает мгновенное значение амплитуды сигнала с некоторым
фиксированным уровнем. Ограничитель работает как клиппиру-
ющее устройство и как пороговое устройство для устранения низко-
уровневых шумов.
Сигнал на выходе ограничителя имеет вид последователь-
ности импульсов постоянной амплитуды, изменяющихся по
длительности и частоте. Они поступают на усилитель и далее
на мультивибратор с одним устойчивым состоянием, который
выдает импульсы постоянной длительности и амплитуды в момент
прохождения через нуль в положительном направлении дифферен-
цированных клиппированных импульсов. Эти импульсы с постоян-
ными характерами подаются на вход усредняющего фильтра, ко-
267
Отметим, что использование в этом
схемах
•торый выдает среднее значение за короткий фиксированный
интервал. В фильтре используется сложное устройство обратной
связи на интегральных схемах, которое здесь рассматриваться
не будет. Высокочастотная составляющая выходного сигнала
усредняющего фильтра устраняется активным низкочастотным
фильтром, имеющим частоту среза 150 Гц.
Выходной сигнал этого фильтра представляет собой сигнал
медленно изменяющейся формы, который является характери-
стикой самой произнесенной цифры, а не произношения диктора.
Для включения тех или иных лампочек в зависимости от слова,
произнесенного в микрофон, в оконечном распознающем логиче-
ском устройстве используются цифровые схемы. Опытный образец
системы был предназначен для распознавания слов «один» (one),
«два» (two), «шесть», (six), «семь» (seven) и «восемь» (eight) со вклю-
чением соответствующей лампочки.
Хотя над устройствами, подобными этому, предстоит еще немало
потрудиться, успех в разработке системы, распознающей речь
независимо от индивидуальных особенностей диктора, показы-
вает, что необходимо отказаться от многих предубеждений в этой
области. Нет сомнения в том, что система может быть упрощена
и область ее применения расширена, если дальнейшие поиски
.в этом направлении будут финансироваться.
15.7. РЕЧЬ РОБОТОВ [2, 6, 19, 23, 34, 35, 38, 40, 48, 49]
Наряду с несомненными преимуществами производства робо-
тов, непосредственно понимающих речь и действующих в соответ-
ствии с командами человека, вряд ли вероятно, что в ближайшее
’время начнется промышленный выпуск роботов, способных вос-
производить речь.
Воспроизведение некоторых видов человекоподобных речевых
сигналов не вызывает серьезных трудностей. Наиболее известный
путь — это хранение определенного количества заранее записан-
ных слов, произнесенных каким-либо человеком, которые могли
бы извлекаться по мере необходимости, как в магнитофонных
устройствах. В самом деле, эта форма речи довольно давно при-
меняется в телефонных системах, например, заранее записы-
ваются сообщения о точном времени, автоматически составляемые
из некоторого числа отдельно записанных слов. В лондонском
метрополитене перед закрытием дверей поезда голос с произно-
шением 30-х годов сообщает о необходимости освободить
двери.
Эту форму речи очень легко использовать в разных системах,
поэтому в течение некоторого времени она, очевидно, будет един-
ственной формой речи роботов. Возможно, однако, и создание,
устройств, составляющих человекоподобную речь из отдельных
элементов. Это делается уже довольно давно. Так, водер, в кото-
ром человекоподобная речь воспроизводилась в результате неко-
268
торых действий под управлением человека-оператора, предшество-
вал вокодеру, в котором управление воспроизводимой речью осу-
ществляется сигналами низкой частоты, вырабатываемыми на-,
передающем речь входном устройстве.
Электрические сигналы, управляющие выходом вокодера,
могут вырабатываться роботом, которому, таким образом, будет
доступна весьма гибкая форма речи. Однако, если такое устройство-
будет управляться обучающим механизмом, то потребуется дли-
тельный период обучения.
В настоящее время в цифровых машинах практически исполь-
зуются оба вида речевоспроизводящего оборудования. Однако-
очень важно, чтобы в подвижных роботах для обеспечения портатив-
ности любое используемое говорящее устройство было очень ма-
лым по размерам и массе.
По миниатюризации любых видов звукового оборудования
сделано, по-видимому, совсем немного. В устройствах с предва-
рительной записью используется механическое движение, что
нежелательно для подвижных роботов. С другой стороны, такая
система значительно проще, чем статический вокодер приемного
типа.
Возможно, в дальнейших разработках будут использоваться
специальные интегральные варианты вокодеров малых размеров
и массы, что даст возможность отказаться от использования
кинематики. Для первых роботов потребуется весьма ограничен-
ный речевой словарь, но, вероятно, лучше в качестве основных
применять более гибкие варианты вокодеров, такие, в которых
используются элементы речи, а не целые слова, что позволит
расширить возможности речевых устройств.
Отметим, что для роботов, в отличие от людей, нет ограниче-
ний в выборе выходных устройств связи и общения. Кроме пря-
мого вывода модулированных сигналов радиочастоты в роботах
вполне может использоваться прямое визуальное отображение
выходных сигналов с помощью электронно-лучевой трубки, а
также вывод не воспринимаемых человеком сигналов в инфракрас-
ной и ультрафиолетовой областях, или на ультразвуковых ча-
стотах.
В некоторых последних разработках речевого вывода из
ЭВМ использовались генерируемые устройствами вывода ЭВМ
фонемы, соединявшиеся между собой различными связующими
сигналами звуковой частоты. Комбинация фонем и связующих
сигналов дает речеподобное звучание; используются от 100 до
200 различных сигналов. В другой работе источник речевых коле-
баний и функции канала передачи речевого сигнала имитирова-
лись электрическими схемами 17]. Иногда речевые сегменты
объединяли для воспроизведения речи [81; кроме того, речь
успешно синтезировалась с помощью клиппированных волновых
импульсов, проходящих нулевой уровень [9]. Этот метод, по-
видимому, наиболее пригоден для использования в ЭВМ.
269
15.8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ,
ВЫРАБАТЫВАЕМЫХ САМИМ ОБЪЕКТОМ
Человек извлекает только ограниченную пользу, детектируя
сигналы, производимые им самим. К примеру, мы ориентируемся
в темноте, совершая поисковые движения рукой или ногой и
обнаруживая препятствия по действию на зондирующую их
конечность. Автора этих строк однажды вел в абсолютной тем-
ноте человек, который вытянул обе руки перед собой, но, к не-
счастью, забыл о необходимости разводить их по сторонам. Бед-
няга выздоровел довольно быстро, хотя край открытой двери
оставил на его лбу неприятную вертикальную отметку. Основная
особенность действий в таких условиях — широко распростра-
няющееся обследование, которое может быстро фокусироваться
на любом представляющем интерес объекте окружающей обста-
новки.
Различные животные используют отражение или противодей-
ствие производимым ими же сигналам. Например, летучая мышь
излучает ультразвуковые импульсы и ориентируется по характеру
их отражения. Некоторые виды рыб производят электрические
импульсы и используют их для обнаружения препятствий и дру-
гих рыб своего вида.
В дополнение к этим природным способам роботу доступны
и другие способы выяснения характера окружающей обстановки
по ее реакции на производимые им сигналы. Подходящий спо-
соб — детектирование световых сигналов от какого-либо источ-
ника света; причем в качестве освещающего прожектора может
использоваться, если необходимо, излучение с не обнаруживае-
мой человеком длиной волны, например инфракрасное. Может
быть использовано даже низкочастотное излучение, подобное
излучению на радиочастотах. В настоящее время имеются порта-
тивные варианты микроволновых радиолокаторов, которые вполне
подходят для роботов [10]. Наиболее полно соответствует тре-
бованиям применения в роботах небольшое устройство, основан-'
ное на эффекте Допплера и используемое полицией для определе-
ния скоростей объектов.
Ультразвуковое излучение в воздухе и воде уже давно исполь-
зуется в гидролокационных установках обнаружения подводных
лодок. Недавно эти устройства нашли применение в системах
ориентации для слепых и в промышленности для замены фото-
электрического оборудования. В последнем случае основная
проблема заключена в стоимости, так как вместо обычной лампы,
применявшейся в фотоэлектрическом оборудовании, требуется
чуть ли не целый ультразвуковой передатчик. При этом исполь- -
зуются частоты 40—50 кГц.
Кук описал своего рода ультразвуковой «глаз», состоящий из
массива 10x10 элементов, работающих на частоте 455 кГц и
жидкостной линзы диаметром 40 см [42].
.270
С помощью электронных устройств может обнаруживаться и
измеряться электрическое сопротивление. Когда этот способ был
внедрен в производство, он использовался в основном для изме-
рения уровня проводящих жидкостей, таких, как вода и кислоты.
Для обнаружения магнитных материалов и, конечно же,
любых металлических проводящих поверхностей используются
магнитные способы. Их применение простирается от простого
обнаружения присутствия железа по движению магниточувстви-
тельной стрелки до обнаружения с помощью миноискателей, при-
меняемых в армии, таких металлических объектов, как мины.
Приборы, подобные миноискателям, могут оказаться очень полез-
ными в промышленности, где используется множество проводя-
щих металлов, а также могут быть пригодными и для промышлен-
ных роботов. Для роботов, применяемых в военных целях для
обнаружения мин, эти способы будут незаменимы, так как они
ограждают человека от опасности при тралении мин. В других
военных целях был изобретен и с 1945 г. используется радио-
частотный индикатор сближения для неконтактных взрывателей,
помещаемых в носовой части снарядов. В последующих видах
управляемого противовоздушного оружия использовались более
современные виды детектирования как своих сигналов, так и
излучения типа инфракрасного от движущегося источника —
цели.
В то время как применение магнитных или индуктивных инди-
каторов сближения ограничено в основном металлом, детекторы,
использующие изменение емкости, могут применяться более
широко. Следовательно, этот вид детекторов, в которых непрерывно
измеряется емкость образца и регистрируются изменения емко-
сти, имеет большую область приложений и более широко исполь-
зуется. Недостатком емкостных приборов этого типа в сравнении
с индуктивными является сравнительно высокий импеданс. По-
этому емкостные устройства чувствительны к воздействию окру-
жающих полей помех и выбор между ними и индуктивными при-
борами не всегда прост.
Другим типом собственного излучения, который иногда исполь-
зуется, является радиоактивное излучение. В целом надо отме-
тить, что ни один из приведенных методов не дает такого качества
в различении деталей, как оптический и телевизионный.
15.9, ИНДУКТИВНЫЕ И ЕМКОСТНЫЕ
ДИСТАНЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ,
Индуктивные детекторы пригодны для обнаружения как ма-
гнитных, так и немагнитных токопроводящих материалов. Раз-
работано много типов индуктивных устройств дистанционного
детектирования.
В одном простом устройстве, внедренном автором в производ-
ство несколько лет назад, использовался электронный генератор,
271
обратная связь в котором зависела от наличия или отсутствия
металлических проводящих материалов в окрестностях форми-
рующей части индуктивной катушки генератора.
Основная часть схемы устройства (рис. 15.6) образует генератор
с двумя резонансными цепями без индуктивной связи между ними.
Как видно из рисунка, преобразованием этой схемы легко пока-
зать, что она эквивалентна схеме генератора с резонансной цепью
с одним отводом.
В отсутствии проводника в непосредственной близости от
катушки детектора Lp схема генерирует колебания в классе С,
и при этом среднее значение тока через нагрузку поддерживается
очень низким благодаря напряжению смещения, приложенному
к входному конденсатору С.
Источник
питании
Паразитная
еткооть
Индуктивная
детекторная
голобка
Рис. 15.6. Принципиальная схема основной части
индуктивного детектора
Если к катушке детектора поднести проводник, то действующее
на ней напряжение падает. Если это падение значительно, то
обратная связь становится недостаточной для поддержания гене-
рации. Если вследствие этого генерация прекращается, то на-
пряжение смещения, приложенное к конденсатору С, медленно
спадает по мере разряда конденсатора С через катушку индуктив-
ности Lp и сопротивление утечки R. При падении напряжения
смещения ток через нагрузку возрастает.
Это возрастание тока через нагрузку может быть использовано
для управления внешними переключающими схемами. Таким
образом, наличие проводящего материала в непосредственной
близости от катушки индуктивности Lp может быть обнаружено
и использовано для работы внешних устройств.
Хотя приборы этого типа применяются достаточно широко, они
недостаточно гибки в использовании, к тому же выбор катушек
детекторов ограничен. Подобные устройства могут применяться
для обнаружения изменения емкости между внешним электродом
и уровнем земли с помощью стационарной катушки индуктивно-
сти Lp и внешнего детекторного емкостного зонда Ср, подсоединен-
ного так, как показано на рис. 15.7. При достаточно большом
возрастании величины Ср из-за присутствия вблизи зонда детек-
тора диэлектрика любого типа обратная связь ослабляется на-
272
столько, что генерирование колебаний прекращается и могут
выдаваться управляющее воздействия для внешних переключа-
ющих устройств. Существенное преимущество этого емкостного
устройства состоит в том, что оно способно обнаруживать большее
количество различных ма-
териалов, чем индуктив-
ный прибор, описанный
выше. Однако недостатком
его в сравнении с индук-
тивным датчиком является
большое значение импеда-
нса емкостного зонда на
Источник
питания
низких частотах, В резуль- рис. 15.7. Схема для регистрации паразитной
тате чего этот вид устрой- емкости между внешним электродом и землей
ства может ошибочно фун-
кционировать под влиянием низкочастотных электростатиче-
ских полей.
В усовершенствованном варианте дистанционного детектора
применена мостовая схема, разработанная несколько лет тому
назад Д. Е. Бенчем и автором (рис. 15.8). Высокочастотные коле-
бания генератора подаются на мостовую схему, образованную
двумя индуктивными или емкостными элементами. Любое нару.
Рис. 15.8. Усовершенствованный вариант дистанционного
детектора с мостовой схемой
шение равновесия в мостовой схеме, вызванное присутствием
посторонних предметов, усиливается и используется для управле-
ния переключающим транзистором, который может воздейство-
вать на внешние устройства. Такая схема является очень гибкой
и может широко применяться с большим количеством различных
детекторных зондов.
С появлением интегральных схем использование подобных
устройств для органов осязания роботов стало весьма целесо-
образным особенно в тех случаях, когда не требуется непосред-
ственный контакт с обнаруживаемым предметом.Надежность
таких приборов высока, хотя требуются дальнейшие исследования
10 Дж. ф. янг 273
их в условиях быстро меняющейся обстановки, в которой будут
действовать роботы, особенно при их применении в промышлен-
ности.
В одном из типов емкостного детектора, используемого в про-
мышленности, емкостный зонд периодически заряжается до
фиксированного напряжения, а затем разряжается через рези-
стор. Среднее напряжение на резисторе зависит от величины ем-
кости зонда. Один из вариантов колебательного индуктивного
детектора основан па применении регулируемого сопротивления
для изменения рабочей точки, а другой — на измерении разности
показаний при наличии и отсутствии объекта измерения; кроме
того, применяются и способы, основанные на выравнивании тем-
ператур.
Для управления вживленными в тело переключательными
устройствами [16] и передачи сигналов от тела человека во внеш-
нюю среду [18] используются радиочастоты.
Список литературы
1. Hatful Т. J. and Jones G. L., An Introduction to Mechanical Filters,
Plessey Component JI, 1, September, 18 (1965).
2. Weitzman C., Voice Recognition and Response Systems, Datamation,
15, Desember, 165 (1969).
3. Melik L. F., The Computer Talks Back, Data Process., Detroit, 8, Octo-
ber, 58 (1966).
4. Ragland E. L., Digital to Voice Conversion, A.F.I.P.S. Conf. Proc.,
20, 135 (1961).
5. Dale B., Never-Fail Audio Response System, A.F.I.P.S. Proc. Conf.,
28, Spring, 277 (1966).
6. Lee F. F., Machine-to-Man Communication by Speech, A.F.I.P.S. Conf.
Proc., 32, Spring, 333 (1968).
7. Mattingly I. G., Speech Synthesis by Rule, Trans. IEEE, AU16,
198 (1968).
8. Lee L. H. and Mulvany R. B., Talking Computer Answers Inventory
Enquiries, Electronics, 36, August 16, 30 (1963).
9. Sakai T. and Otani K., Speech Synthesis System Using Zero Crossing
Waves, Electron, and Commun. Jap., 52c, November, 171 (1969).
10. Anon., Enter the Hip-Pocket Radar, Des. Electron., 8, April/May, 5 (1971).
11. Giles A. F., Electronic Sensing Devices, Newnes (1966).
12. Neubert H. K. P., Instrument Transducers, Oxford University Press
(1963).
13. Butterworth A., Development and Use of Magnetic Apparatus for Bomb
and Aline Location, ЛЕЕ, 95, pt 2, Desember, 645 (1948).
14. Roston B., Development of Locators of Small Metallic Bodies Buried
in the Ground, ЛЕЕ, 95, pt 2, December, 653 (1948).
15. West S. S., Land Mine Locators, Electron. Eng., 18, March, 69 (1946).
16. Weller C., Remotely Actuated Solid State Switch, Electron. Lett., 2,
191 (1966).
17. Martin T. B. and Talavage J. J., Application of Neural Logic to Speech
Analysis and Recognition, Trans. IEEE, MIL7, April/July, 189 (1963).
18. MacKay R. S., Radio Telemetering from within the Human Body, Trans.
IRE, ME6, June, 100 (1959).
19. Van Gieson W. D. and Chapman W. D., Machine Generated Speech
for Use with Computers, Computers Automn, 17, 31 (1968).
20. Clapper G. L., Automatic Word Recognition, IEEE Spectrum, 8, August,
57 (1971).
274
21. Clapper G. L., Machine Looks, Listens, Learns, Electronics, 40, Octo-
ber 30, 19 (1967).
22. Clapper G. L., Digital Circuit Techniques for Speech Analysis, Commun.
and Electron, May, 296 (1963).
23. Flanagan J. L. et al., Synthetic Voices for Computers, IEEE Spec-
trum, 7, October, 22 (1970).
24. Lindgren N., Machine Recognition of Human Language, IEEE Spec-
trum, 2, March, 114 (1965).
25. Gilmour W. D., Electronic Speech Recognition, Wireless Wld, 75, FeB-
ruary, 76 (1959).
26. Bell H. A. et al., Some Aspects of Speech Recognition for Alan-Ma-
chine Communications, IEE, Colloquium, London, April, 1968.
27. Young John F., Cybernetics, Ch. 13, Iliffe (1969).
28. McCarthy J. et al., A computer with Hands, Eyes and Ears, Proc.
Fall Joint Computer Conf., 33, 329 (1968).
29. Scarr R. W. A., Speech Recognition by Machine — Art or Science?,
Electron, and Power, 17, August, 302 (1971).
30. Pierce J. R., Whither Speech Recognition, J. Acoust. Soc. Am., 46,
1049 (1969).
31. Reddy D. R., Speech Input Terminals for Computers, Proc. IEEE Int.
Comput. Group Conf., Washington, June, 1970, 28.
32. Pols L. C. W., Real-Time Recognition of Spoken Words, Trans. IEEE,
C20, September, 972 (1971).
33. Kaiserman D. B., The Awareness amd Acceptance of the Audio Response
Concept, Telecommunications, 5, October, 16 (1971).
34. Anon., Talking Robot-SRI Launch Development Plan, Electron, Wkly,
January 12, 8 (1972).
35. Poppe C. W. and Suhr P. J., How Robot Voices Vector Fighter Pilots,
Electronics, 32, January 9, 47 (1959).
36. Anon., Speech Recognised without Computer, Electronics, 45, June 5,
6E (1972).
37. Hill D. R., Star — A Machine to Recognise Spoken Words, in: Infor-
mation Processing 1965, I.F.I.P., 2, May, 357 (1965).
38. Anon., Phoneme Phenom, Electronics, 43, June 8, 42 (1970).
39. Flanagan J. L., Synthesis of Speech, Sci. Am., 226, February, 48 (1972).
40. Denes P. B. and Pinson E. N., The Speech Chain, Bell (1963).
41. Anon., Wheelchair Takes Voice Command, Electronics, 45, September 11,
38 (1972).
42. Cook R. L., Experimental Investigation of Acoustic Imaging Sensors,
Trans. IEEE, SU19, October, 444 (1972).
43. Gabor D., Theory of Communication, ЛЕЕ, 93, pt 3, 429 (1946).
44. Young John F., Information Theory, 66, Butterworths (1971).
45. McMillan A. and Soutter L. D. L., A Vocoder, University of Aston (1968).
46. Harrison P., Speech Recognition, University of Aston (1970).
47. Brown D. J, O., Some Aspects of Automatic Speech Recognition, Uni-
versity of Aston (1970).
48. Levin H. and Lord W., Portable Data Aquisition Unit for Word Recog-
nition Research, J. Audio Eng. Soc., 20, October, 656 (1972).
49. Ainsworth W. A., A Real Time Speech Synthesis System, Trans. IEEE,
AU20, Desember, 397 (1972).
10*
Глава 16
НАДЕЖНОСТЬ РОБОТОВ
16.1. КОНЕЧНАЯ ЖИЗНЬ РОБОТОВ [1, 2, 33—35]
Возможность простого восстановления всего организма по-
добно тому, как некоторые животные восстанавливают утрачен-
ные члены, по-видимому, не слишком привлекает природу, по-
скольку такой процесс лишает организм возможности адапти-
роваться к долгосрочным изменениям окружающей среды. Если,
однако, рассмотреть не живой и не воспроизводящийся робот,
то не возможна ли в этом случае некая форма бессмертия? Нельзя
ли создать вечный робот? Очевидно, что части робота будут из-
нашиваться со временем, но их можно по отдельности заменять.
Макнотон [1] приводит трактовку этого вопроса, данную Му-
ром. Допустим, робот сумеет выявить изношенную деталь или де-
таль с дефектом и заменить ее из набора запчастей. Можно сде-
лать предположение о конечном времени жизни каждой из частей
робота, а это означает, что существует определенная вероятность
годности каждой части в течение определенного времени.
Пусть вероятность отказа любой детали робота меньше некото-
рой постоянной величины k, и пусть рассматриваемый робот со-
стоит не более чем из п деталей. В таком случае, по утверждению
Мура, вероятность того, что все эти детали выйдут из строя одно-
временно в течение некоторого интервала времени, равна в край-
нем случае постоянной величине 1 — (1 — k)n. Отсюда следует,
что вероятность отказа всех деталей робота в течение сколь угодно
большого интервала времени равна нулю, т. е. никогда не насту-
пит момент полного выхода робота из строя.
К сожалению, у человека по мере увеличения опыта и знаний
возникает тенденция к утере некоторых способностей, например
слуха. Это, впрочем, едва ли справедливо в отношении роботов,
ибо замена неисправных частей у них значительно упрощена.
Кроме того, использование определенных типов устройств памяти
позволит перенести всю память «стареющего» робота в память
более «молодого» робота и таким образом существующая в живот-
ном мире проблема передачи запоминаемого от поколения к поко-
лению значительно упростится. Остается только выяснить, не
поведет ли это к нежелательно жесткой линии поведения роботов.
Исследования Клетским верхней границы жизни самовосста-
навливающейся системы показывают, что если интенсивность
отказов всех элементов системы одинакова независимо от того,
находятся ли они в процессе эксплуатации или в резерве [2], то
процесс самовосстановления не может увеличить долговечность
оборудования более чем в три раза по сравнению со средней долго-
вечностью элемента. Если, однако, интенсивность отказов резер-
276
вных элементов значительно меньше интенсивности отказов тех
же элементов, находящихся в эксплуатации, то долговечность
замкнутой, недоступной для ремонта системы линейно зависит
от числа имеющихся в запасе элементов.
Предполагается, что роботы, не обслуживаемые людьми,
постепенно выродятся и утратят способность продолжать работу,
поскольку как бы ни была велика заложенная в них способность
устранять друг у друга неисправности, возникнут неисправности,
не предусмотренные конструкторами. Ясно также, что роботы,
которые способны создавать копии самих себя, т. е. самовоспро-
изводиться, будут постепенно вносить дефекты и ошибки в кон-
струкцию и уже через три-четыре поколения окажутся непри-
годными.
Для истории робототехники, пожалуй, еще слишком райо
обсуждать предположения такого рода. Достаточно отметить
здесь, что в соответствии с законами теории вероятностей можно
полагать, что если постепенно вносятся дефекты, то совершенно
случайно будут вноситься и усовершенствования. Таким, по край-
ней мере, представляется действие эволюции в животном мире.
Продолжая аналогию с эволюцией, можно надеяться на появле-
ние благоприятных случаев эволюционного совершенствования
самовоспроизводящихся роботов. В конце концов, природа тоже
наделала немало ошибок.
Сегодня перед нами стоит такое множество задач по разра-
ботке роботов, полезных для человечества, что едва ли стоит
тратить время на вопросы, которые, во всяком случае сейчас,
носят чисто гипотетический характер. В то же время неплохо по-
заботиться о том, чтобы наши роботы подчинялись Законам робо-
тотехники.
16.2. ЛОГИЧЕСКИЙ ВЫБОР
При выборе устройств для применения в определенной обла-
сти производства необходимо принимать во внимание ряд факто-
ров. Для того чтобы при сравнении различных подходящих уст-
ройств соблюдалась логика, разумно применить определенную,
заранее установленную процедуру. Она может, например, при-
нять форму проверочного списка, такого, как программа RACER,
предложенная Лэмбом [21, 22]. RACER — мнемоническое слово,
составленное из начальных букв показателей проверочного спи-
ска. Показатели эти таковы: надежность (Reliability); готов-
ность (Availability); совместимость (Compatibility); экономич-
ность (Economy); воспроизводимость (Reproducibility).
Эти показатели можно определить следующим образом.
Надежность — процент узлов, работающих в пределах рабо-
чих допусков в течение заданного времени и при определенных
условиях.
Готовность — процент узлов из числа заказанных, достав-
ленных вовремя. Дополнительные факторы: число различных
277
поставщиков, комплектующих устройство определенного типа,
и время между заказом и поставкой.
Совместимость — сравнительный критерий того, насколько
хорошо узлы работают в данной окружающей среде в сочетании
с уже имеющимся оборудованием.
Экономичность — цена любого типа сравниваемых устройств,
имеющего наименьшую полную стоимость, выражаемая как про-
цент от полной стоимости каждого типа рассматриваемых уст-
ройств. Полная стоимость должна включать в себя начальную
стоимость (покупка, хранение, транспорт и т. д.), испытания и
проверку, установку, обслуживание и ремонт, замену и т. д., по-
скольку каждый из факторов относится к конкретному случаю.
Воспроизводимость — сравнительный критерий допусков, по-
средством которых на производстве контролируют начальные
характеристики, и результирующая степень взаимозаменяемо-
сти. Преимущества имеют устройства с некритическими харак-
теристиками, так как на производстве стремятся избежать тща-
тельного контроля и отбора.
Для каждого из показателей предложены пять степеней каче-
ства, задаваемых в процентных точках. Для коммерческого и
промышленного применения им присвоены следующие наимено-
вания:
Качество %
Превосходное.......................................... 20
Очень хорошее......................................... 1G
Хорошее............................................... 12
Удовлетворительное...................................... 8
Плохое ................................................. 4
На основе вышесказанного можно подготовить весьма слож-
ные таблицы сравнения, но мы не станем приводить их здесь,
потому что таблицы следует составлять, имея в виду конкретные
приложения.
В схемах логического выбора компонентов и материалов для
производства таких сложных устройств, как роботы, должны
преимущественно учитываться другие возможные характери-
стики, которые могут оказаться весьма важными при рассмотре-
нии применения этих устройств.
В качестве примера, рассматривая коммерческое производ-
ство оборудования при использовании роботов в промышленно-
сти, автор нашел полезным несколько расширить мнемоническое
слово RACER до TRACERS, добавив следующие показатели.
Испытуемость (Testability) — сравнительная мера времени и
стоимости, необходимых для испытания оборудования в работе
и обслуживании, и сложности оборудования для испытаний.
Простота (Simplicity) — сравнительная мера качества и сто-
имости труда, необходимого для установки и обслуживания обо-
рудования. На самом деле оба эти пункта выделены из показателя
278
«экономичность» вследствие их большой важности для устройств,
применяемых в промышленности, так как многие из этих уст-
ройств обслуживаются электриками, не имеющими специальной
подготовки и тестовых приборов.
16.3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ РОБОТА
Эффективность работы робота, равно как и любой другой ин-
женерной системы, можно рассматривать в зависимости от раз-
личных факторов. Вот некоторые из них.
1. Надежность, обычно измеряемая как усредненное время
между отказами.
2. Процентное выражение времени, в течение которого устрой-
ство используется или готово к использованию, и часть времени
его успешной работы в процентах.
3. Подготовленность и качество персонала, необходимого для
поддержания робота в рабочем состоянии.
4. Среднее время, необходимое для локализации и устранения
любой неисправности в системе (оно зависит от фактора 3).
5. Относительные эксплуатационные качества в экстремаль-
ных условиях и при необходимости дать предельно «насыщенный»
выход продукции.
6. Простота — сравнительная мера качества и стоимости тру-
да.
7. Качество и доступность оборудования и средств, необходи-
мых для ремонта.
8. Необходимость в запасных частях, отнесенная к единице
времени, и скорость, с которой эти запасные части должны по-
ставляться. (В некоторых случаях для замены будут поставляться
роботы.)
Очевидно, что относительная важность этих факторов будет
зависеть от работы, выполняемой роботом. Следовательно, нельзя
выделить один фактор, имеющий универсальную значимость,
и задача инженера-кибернетика на стадии конструирования со-
стоит в том, чтобы решить вопрос об относительной важности
различных факторов и сконструировать робот или систему, отве-
чающие в практически разумных пределах предъявляемым к ним
требованиям.
Представляется, что надежность будет преобладающим факто-
ром в начальной стадии применения полностью подвижных робо-
тов. Например, при использовании в конструкции легких спла-
вов желательно уменьшить риск, связанный с усталостью метал-
ла, задав при конструировании максимально возможные напря-
жения, по крайней мере в восемь раз превышающие рабочие.
В будущем, по всей видимости, начнутся более интенсивные
работы по саморемонтирующимся роботам, в частности по робо-
там для космоса. Даже в пределах солнечной системы может
пройти несколько часов, прежде чем радиосигнал с космического
279
корабля достигнет Земли, и еще несколько часов, пока будет
получен сигнал команды с Земли. В аварийных ситуациях, когда
от этого зависит безопасность космического полета, такая за-
держка слишком велика.
Работа по самовосстанавлпвающимся роботам основывается
па принципе «что сказано три раза — правда», т. е. два узла в
управляющей системе используются для проверки каждого блока,
и в случае повторяющегося несоответствия вступает в силу не-
которое мажоритарное правило, вплоть до удаления блока, даю-
щего несоответствие, и замены его запасным.
Типична в этом отношении выполненная Авиценисом в Кал-
техской лаборатории реактивного движения работа, которую
назвали STAR 15]. В ЭВМ, разделенной на 10 отдельных под-
блоков, один блок под названием TARP выполняет функцию
супервизора и управляет заменой подозреваемых в неисправности
подблоков, являясь в то же время объектом действия мажоритар-
ного правила.
Важно помнить, что при действиях робота в условиях и сре-
дах, непригодных для человека, в некоторых случаях достижение
высокой надежности будет затруднено. Типичный тому пример —
трудности с полупроводниковыми схемами управления в усло-
виях высокой атомной радиации. Такие же задачи возникают при
сильных электрических шумах [3, 19, 20, 24, 26, 32], больших
механических вибрациях 137] и в условиях сильных магнитных
помех [28].
16.4. СРЕДНЕЕ ВРЕМЯ МЕЖДУ ОТКАЗАМИ [25]
С увеличением сложности промышленного оборудования, как
механического, так и электрического, проблема надежности
становится все более и более существенной. В свое время нередко
встречалась наивная точка зрения, согласно которой возможно-
стью отказа пренебрегали. Если, однако, принять во внимание,
что неисправности в сложном оборудовании влекут за собой воен-
ное поражение, или потери десятков тысяч фунтов стерлингов
из-за простоя в промышленном производстве, то становится
очевидным, что нельзя пренебрегать неполадками, которые могут
случаться и случаются. Ничто не вечно.
Наиболее важная характеристика надежности зависит от кон-
кретного применения рассматриваемого устройства. Например,
для оборудования, управляющего технологическим процессом,
существенно относительное время простоя. Для военной аппара-
туры самое главное — процент успешно завершенных оператив-
ных задач. Для других систем, и во многих случаях к ним можно
отнести робот, наиболее важная характеристика — среднее время
между отказами, или «показатель безотказности».
Однако для определения вероятного среднего времени работы
на отказ необходимо провести испытания на длительность работы
280-
на реальном оборудовании, в естественных условиях эксплуата-
ции. Это может занять цного времени, а внесение необходимых
изменений может оказаться весьма дорогостоящим.
н. Следовательно, представляет интерес рассмотреть реальную
диаграмму отказов в течение срока службы, чтобы получить до-
полнительную информацию о надежности. Величина, обратная
среднему времени работы на отказ, известна как интенсивность
отказов.
16.5. КРИВЫЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ
Интенсивность отказов в процессе эксплуатации любого обору-
дования не остается постоянной в течение срока службы этого
оборудования. Напротив, существует начальный период, когда
интенсивность отказов велика. Он известен как период приработки.
Затем идет длительный период, характеризующийся низкой ин-
тенсивностью отказов. Нако-
нец, детали начинают изна-
шиваться и интенсивность от-
казов снова возрастает. Если
построить диаграмму интен-
сивности «отказов» у человека
во времени, то получится кри-
вая в форме ванночки для
купания. Кривые такого
рода, построенные для чело-
веческого организма, приве-
дены на рис. 16. 1. Суще-
ствует высокая «интенсив-
Рис. 16.1. Катастрофическая интенсив-
ность «отказов» для мужчин (1959 г.):
I — злокачественные опухоли; 2 — сердечные
заболевания; 3 — совокупность всех причин;
4 — бронхиты
ность» детской смертности,
затем следует участок отно-
сительно неизменной интен-
сивности, и, наконец, жизнь
человека так или иначе закан-
чивается. Эти данные прекрасно иллюстрируют тот факт, что
сердце человека требует бережного отношения.
Любопытно отметить, что кривая интенсивности отказов инже-
нерного оборудования имеет такой же вид. Начальный период
приработки, к счастью, находится в полном распоряжении из-
готовителя оборудования, и можно исключить значительное число
отказов в этом периоде, произведя «обкатку» оборудования на
заводе перед отправкой его заказчику.
Несмотря на то что начальные отказы можно исключить таким
образом, это довольно дорого, так как требует много времени и
специально выделенного изготовителем места. Все это должно
быть оплачено заказчиком.
Отказы в течение срока службы подчиняются в основном двум
видам распределения вероятностей — распределению Гаусса и
распределению Пуассона.
281
Пуассоновское распределение отказов. Если робот или любая
другая техническая система состоит из п элементов и предполага-
ется, что все элементы наделены одинаковой надежностью (или
вероятностью безотказной работы в течение заданного времени
в заданных условиях эксплуатации при установленных тех-
нических характеристиках), равной R, то надежность системы
равна R".
Обычно проектировщик системы располагает информацией
в виде среднего времени безотказной работы или обратной вели-
чины — интенсивности отказов. Для преобразования этой инфор-
мации в информацию о надежности используется пауссоновский
закон распределения вероятностей. Этот закон устанавливает
зависимость вероятности появления определенного числа собы-
тий от среднего числа событий, происшедших в прошлом, и поз-
воляет предсказать вероятности отказов заданного числа элемен-
тов в течение заданного промежутка времени.
Пусть вероятность отказа любой из п деталей системы равна Р.
Тогда число ожидаемых отказов в течение рассматриваемого ин-
тервала времени будет равно пР. Если рассматривается единица
времени, то число отказов в единицу времени равно пР в среднем.
Распределение вероятностей по закону Пуассона описывается
следующим образом:
Р == SuLL. еХр (__ пр)
Разворачивая, получим
У Рг = ехр (— пР) 4- пР ехр (— пР) Ц-
г "IT- ехр У" пР} У -ДТ ехр т} + П7Т- ехр + • • •
Этот ряд содержит член за членом:
Ро = ехр (—пР) — вероятность 0 отказов в единицу времени;
Рх = пР ехр (—пР) — вероятность 1 отказа в единицу вре-
мени;
^2 у}2
Р2 = —21— ехр (—пР) — вероятность 2 отказов в единицу
времени;
птРт
Рт =-----ехр (—пР) — вероятность /п отказов в единицу
времени.
Отметим, что этот ряд должен заканчиваться при т = п, по-
скольку совокупность содержит только п элементов. Кроме того,
поскольку вероятности суммируются, сумма должна быть равна
единице: У = 1.
Таким образом, вероятность того, что система не откажет в
течение заданного единичного времени, т. е. что в рассматрива-
емую единицу времени не будет отказов, равна первому члену
282
ряда: ехр (—пР). Этот член иногда принимается в качестве пока-
зателя надежности системы: R = ехр (—пР).
Выше речь шла о единице времени. Если же рассматриваемое
время равно Т, то общая надежность системы R = ехр (—пРТ).
В этом случае интенсивность отказов равна Р — вероятности
отказа каждого элемента в единицу времени.
Среднее время безотказной работы М является величиной,
обратной числу отказов в единицу времени: М = \/пР. Следова-
тельно, надежность в зависимости от среднего времени безотказ-
ной работы может быть выражена как R = ехр (—Т/М). График
зависимости величины R от Т/М построен на рис. 16.2.
При разложении экспоненциальной функции в ряд получаем
п , ^,144 , Т , 7'2,./И2
R ехр ( - 7 Л!) - 1 - -тг -------------- г •
о
Таким образом, если величина временного интервала Т на-
много меньше величины среднего времени безотказной работы М,
то надежность можно считать при-
ближенно равной R = 1 — Т/М.
Заметим, что величина Т/М дает
вероятность появления отказа в тече-
ние временного интервала Т. Все
вышесказанное основывалось на
предположении, что все элементы
одинаковы. В общем случае это,
однако, не так, и тогда среднее
время безотказной работы следует
представить как
Л4 = 1/^пиРа.
В качестве примера определения
интенсивности отказов и среднего
времени безотказной работы рас-
смотрим устройство, содержащее
2500 деталей, для каждой из кото-
Рис. 16.2. Зависимость надежно-
сти от среднего времени безотказ-
ной работы
рых интенсивность отказов установ-
лена равной 0,01% за 1000 ч. Интенсивность отказов такой
системы в час равна
2^°тйо=2>5-104
Исходя из этого обратная величина, т. е. среднее время без-
отказной работы, М = 1/(2,5-10“4) = 4000 ч, что соответствует
приблизительно 1 отказу за 6 мес работы. В расчете на год (при-
мерно 8000 ч) надежность А' -= ехр (—Т/М) = ехр (—8000/4000) =
= 0,135, т. е. вероятность безотказной работы оборудования в
течение года равна 13,5%.
283
Неравные интенсивности отказов. В большинстве случаев
детали, используемые в системе, будут иметь равные интенсивно-
сти отказов. Последствия неравной интенсивности отказов лучше
всего показать на примере.
Рассмотрим систему, состоящую из пяти деталей с различ-
ными значениями среднего времени безотказной работы (СВБР),
которые даны ниже.
Деталь СВБР, ч Интенсивность отказов за 1000 ч, %
А 1000 0,1
В 1200 0,0833
С 1500 0,0666
D 1500 0,0666
Е 2000 0,05
Общее СВБР системы в этом случае может быть получено следу-
ющим образом:
м ------------------------'____________________=________!_=
0,001 +0,000833 + 0,000666 + 0,000666 + 0,000500 0,00366
= 273ч.
В случае, когда имеется определенное максимальное время
восстановления или время вынужденного простоя системы t и
это время известно, значение коэффициента готовности А (%) сис-
темы иногда определяется как
В приведенном примере при максимальном времени восстано-
вления t, равном 12 ч, коэффициент готовности системы в процен-
тах определяется как
Степень важности таких показателей зависит от конкретного
применения системы. Для бытового использования системы низ-
кий показатель готовности может и не иметь серьезного значения.
Однако он был бы настоящим бедствием для заводских высоко-
производительных поточных линий из-за больших издержек,
вызванных простоем.
Распределение вероятностей отказов по закону Гаусса. Рас-
смотренное выше пауссоновское распределение вероятностей от-
казов может применяться во всех случаях, для которых величину
средней интенсивности отказов можно считать постоянной, а
также в том случае, когда только небольшая часть всей совокуп-
284
мости элементов, входящих в устройство, действительно вызы-
вает отказ. Однако для отдельных видов оборудования можно
предположить, что существует некоторый фактор, вызывающий
отказ в момент времени, определяемый способностью элемента
противостоять этому фактору, и что эта способность изменяется
по статистически нор-
мальному закону.
Закон распределе-
ния вероятностей Гаусса
математически выража-
ется как
плотность вероятно-
1
сти —7= exp X
s 1 2jt
Рис. 16.3. Зависимость плотности вероятности
отказов от времени
где S — среднеквадра-
тичное отклонение; t —
продолжительность эк-
сплуатации; 1,л — средняя долговечность, или математическое
ожидание отказа.
Если построить график зависимости плотности вероятности
отказов от времени t, то получится кривая нормального распре-
деления вероятностей, приведенная на рис. 16.3. Это кривая
применима к рассмотренным выше случаям.
Поскольку распределение Гаусса широко используется, табу-
лированные значения для него приведены в статистических таб-
лицах. В них предполагается, что «стандартная кривая нормаль-
ного распределения», для которой S = 1 п tm 0, такова, что
плотность вероятности
1
И 2л
ехр
Тогда площадь под кривой дает вероятность, а общая площадь
и общая вероятность равны единице. Чтобы определить, какому
закону распределения подчиняется каждый отдельный случай,
используются статистические испытания.
16.6. ОБЩАЯ МОДЕЛЬ ОТКАЗОВ [7, 8]
При исследовании общей картины отказов выпущенного про-
мышленного оборудования оказывается, что одни его части могут
быть описаны распределением Пуассона, а другие — распределе-
нием Гаусса. Интересно отметить тот факт, что это справедливо
не только для такого выпускаемого промышленностью оборудо-
вания, как роботы, но и для живых существ, в частности для
285
человека. Действительно, благодаря наличию большего объема
доступной информации, которая может быть использована для
требующегося исходного расчета, имеется гораздо больше основа-
ний судить о виде модели отказов для человеческого организма,
чем для любого оборудования, изготовленного промышленностью.
Необходимая информация об «отказах» у человека содержатся в
статистических данных и легко доступна для врачей; типичные
результаты представлены в графическом виде на рис. 16.1.
Распределение Пуассона может быть применено и к случайным
отказам, происходящим в самом начале срока службы оборудова-
ния. Тщательно проведенные заводские испытания могут устра-
нить большую часть этих отказов. Пуассоновское распределение
также применимо к любым случайным отказам, происходящим
в течение срока службы хорошо спроектированного оборудова-
ния. Число таких отказов можно свести к минимуму, но никогда
не удается устранить их полностью.
Распределение Гаусса также оказалось применимо к двум
случаям отказов оборудования. Первый обусловлен ошибками
при проектировании оборудования, например работой элементов
при повышенных температурах вследствие того, что при проекти-
ровании были завышены оценки и не предусмотрена достаточная
вентиляция. Эти отказы являются неизбежным следствием ошибки
проектировщика, и их следует устранять в начале срока службы
оборудования при условии, что оно производится в достаточно
больших количествах. Второй случай, который может быть описан
распределением Гаусса, составляют отказы вследствие износа.
Обычно они не должны возникать до приближения конца срока
службы оборудования, когда число отказов, как правило, резко
возрастает. Есть возможность уменьшить это явление проведе-
нием тщательного технического обслуживания оборудования,
однако, согласно Муру [1], можно теоретически доказать, что
неограниченная долговечность оборудования недостижима даже
и тогда.
Все четыре рассмотренных выше фактора учитываются общей
моделью отказов, с которой приходится иметь дело в течение срока
службы любого робота. Результирующая модель часто задается
в виде кривой зависимости числа отказов от времени типа при-
веденной на рис. 16.1, имеющей форму лодочки или детской ван-
ночки. На этой кривой, как и в случае живого организма, за высо-, '
кой начальной интенсивностью отказов следует плоский участок, 1
соответствующий эксплуатационной долговечности оборудования.
К концу срока службы число отказов начинает резко возра-
стать.
Для удачно спроектированного оборудования высота централь-
ного плоского участка кривой невелика. В процессе производства
благодаря выявлению и устранению источников отказов началь-
ный участок кривой приобретает более крутой наклон, а плоский
участок начинается раньше, и его собственная высота уменьша-
286
ется. Это возможно только при продолжительном периоде серий-
ного производства стандартного оборудования, и потому важно,
чтобы робот был как можно более стандартизированным и уни-
версальным устройством, а проектировщик обладал передовым
техническим мышлением.
Модель отказов обычно задается графически в виде кривой
зависимости интенсивности отказов от времени. Однако кривая
зависимости числа отказов от вре-
мени должна быть более инфор-
мативной. Такая кривая пока-
зана на рис. 16.4. Здесь интенсив-
ность отказов равна наклону
кривой, а общее число отказов
определяется конечной точкой на
кривой и для любого конкрет-
ного случая представляет собой
постоянную величину. Следова-
тельно, цель «хорошего» проекти-
рования — обеспечить как можно
меньшее значение криволинейного
Рис. 16.4. Зависимость числа
отказов от времени
интеграла за счет сохранения
расположения всей кривой на максимально низком уровне.
Однако, учитывая неизбежность отказов в период приработки,
можно считать этой целью обеспечение наиболее пологого цен-
трального участка кривой.
Следует отметить, что величина СВБР, полученная в резуль-
тате практических испытаний, может в значительной степени
зависеть от выбора периода между испытаниями. Например,
весьма реально в результате ежемесячных испытаний получить
достаточно точные цифры, которые дадут в два раза большую
величину СВБР, чем цифры, полученные при проведении испыта-
ний раз в неделю. Следует позаботиться, чтобы сравниваемые
результаты были получены при одних и тех же условиях.
16.7. РЕЗЕРВНЫЕ ДЕТАЛИ [9—15, 23, 29, 31]
Один из путей повышения общей надежности системы или
робота состоит в обеспечении двух или более параллельных бло-
ков для выполнения каждой функции. Пример подобного приема
в определенной степени дает нам тело человека или животного,
у которых две руки, два глаза и т. д. В случае же робота возни-
кают очевидные трудности экономического характера, поскольку
сокращение времени простоя должно уравновешивать возросшую
начальную стоимость устройства, а возможно также и необходи-
мость в довольно сложном тестировании для выявления резерв-
ных деталей, нуждающихся в ремонте. В случае подвижного
робота, кроме того, должна приниматься во внимание масса до-
полнительных резервных блоков. Это особенно важно для борто-
вых или космических роботов.
287
Если и параллельно работающих блоков имеют вероятности
отказа
fi, /2, /з> • • •, /л,
то общая вероятность отказа F определяется произведением:
Это выражение следует сравнить с рассмотренной выше вероятно-
стью безотказной работы R при исправной работе системы. Любой
блок или система могут отказать или не отказать в работе, поэтому
F + R = 1. Аналогичным образом для любой детали или узла
с имеем fc + rc ~ 1- Тогда R = ехр (—777И), и аналогично для
любой детали или узла <: гс = ехр (—Т/тс), где т( — среднее
время безотказной работы детали с.
Если все детали имеют одинаковые вероятности отказа, равные
fc, то F = fc = (1 — rc)!t. Отсюда
R = 1 — F = 1 — (1 — гсУ1 =-= 1 — [1 — ехр(—Т/тс)\п.
Например, используя это выражение для случая трехкратного
резервирования, т. е. когда имеется три параллельно соединен-
ных блока, у каждого из которых СВБР равно 100 ч, можно под-
считать надежность для одного рабочего дня продолжительностью
12 ч (т. е. вероятность безотказной работы в течение 12 ч):
R .= 1 - [1 _ ехр (— 12/100;]3 -= 1 - (1 - 0.8869)3 -
0,998, т. е. R-99.8%.
Эта цифра сравнима с надежностью 98,7% для спаренных бло-
ков и 88,7% для одиночного блока. Использование более чем трех
параллельно соединенных элементов едва ли выгодно, о чем можно
заключить, построив график зависимости надежности от числа
параллельно соединенных элементов в каждом отдельном случае.
Трехкратное резервирование в некоторых случаях очень жела-
тельно, например в оборудовании для автоматической посадки
самолетов. Рассмотренный подход может быть распространен и
на случай, когда неисправности выявляются и устраняются по
мере возникновения.
Уолтер, указавший 116] на тот вызывающий удивление
факт, что общая интенсивность отказов у человека по причине
нервного расстройства составляет только около 10%, полагает,
что одного резервирования в нервных путях недостаточно для
объяснения столь высокой надежности. Он считает, что резерви-
рование требуется, но кроме того необходимо независимое дей-
ствие каждого канала. Например, важно, чтобы энергоснабжение
нервной системы осуществлялось от большого числа совершенно
независимых небольших источников, с тем чтобы отказ одного из
них не мог вызвать полного отказа системы. Такими средствами
необходимо будет преодолевать резкое падение надежности при
увеличении числа элементов. В настоящее время единственным
288
известным способом достижения этого является использование
для каждой части совершенно независимых друг от друга управ-
ляющих систем. Необходимая перекрестная связь между под-
секциями может осуществляться, насколько это возможно, через
внешнюю среду.
В роботе такое подразделение может облегчить операцию вос-
становления и замены, а также сократить время простоя. -Однако
оно, по-видимому, повлечет за собой дополнительное увеличение
габаритов и массы устройства, так как необходимые блоки долж-
ны иметь по меньшей мере какие-то индивидуальные держатели
или контейнеры, а также отдельные штепсельные разъемы для
соединения с основным корпусом и другими блоками. Сами соеди-
нения могут вносить ненадежность, и поэтому приходится прини-
мать очень сложное решение относительно степени подразделения
системы [17].
16.8. ВРЕМЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Общее время восстановления неисправного робота или другого
устройства можно рассматривать как сумму трех следующих
временных компонентов:
1) время диагностики, или время, необходимое для обнаруже-
ния наличия неисправности в системе;
2) время, необходимое для устранения неисправности;
3) время, необходимое для ремонта отказавшего изделия или
замены неисправного модуля.
Чтобы использование робота было оптимальным, необходимо
предпринять шаги для минимизации всех трех компонентов. Это-
го можно добиться путем максимальной автоматизации произво-
димой операции. На стадиях проектирования и доработки следу-
ет отдельно рассмотреть все три компонента, чтобы обеспечить
наилучшую компоновку.
Желательно, чтобы в любом роботе были предусмотрены меры
для исключения, насколько это возможно, внезапных и резких
отказов в работе. Иордан указал [18] па одно из проявлений гиб-
кости человеческого организма, состоящее в способности к плав-
ному снижению возможностей. Другими словами, хотя человек
и слаб, особенно грубые «ошибки», подобные тем, с которыми при-
ходится сталкиваться в неисправных счетно-решающих системах,
к счастью, редки и при старении организма или болезни процесс,
приводящий к «отказу», носит постепенный характер. Подобное
свойство хотелось бы видеть и в роботе.
Слисок литературы
1. McNaughton R., The Theory of Automata, a Survey, Adv. Coniput.,
2, 379 (1961).
2. Kletsky E. J., Upper Bounds on Mean Life of Self-Repairing Systems,
Trans. IRE, RQC11, October, 43 (1962).
3. Dennehy W. J. et al., Digital I.ogic for Radiation Environment, RCA
Rev., 30, December, 668 (1969).
289
4, Rexrode L. 0., Noise Proof a Digital Electronic Control System, Con-
trol Eng., 15, November, 66(1968).
5. Anon., A Star is Born, Time, December 7, 34 (1970).
6. Hardy D. R., The Quantitative Approach to Reliability, Plessey Com-
ponent Technol., 1, December, 26 (1964).
7. Siemaszko Z. S., Reliability in Action. Electron, and Power, 16, June,
223 (1970).
8. Mair B. A., Reliability and Accelerated Life Testing, Plessey Compo-
nent Technol., 2, June, 5 (1966).
9. Rankin K. F., System Engineering for Reliability and Ease of Main-
tenance, JIERE, 35, 67 (1968).
10. Van Staalduinen J., Impoving Reliability of Amplifiers by Redundancy,
Electron., Eng., 42, June, 17 (1969).
11. Darnell P. S., Electronic System Reliability—An American View-
point, Proc. IEE, 111, February, 284 (1964).
12. Jenson P. A., Quadded Nor Logic, Trans. IRE, R12, September, 22 (1963).
13. Wilcox R. H. and Mann W. C., Redundancy Techniques for Compu-
ting Systems, Spartan (1962).
14. Inskip F. A., Redundancy in Digital Systems, Electron. Eng., 39, Ap-
ril, 244 (1967).
15. Higgins J. C., Problems in the Specification and Assessment of Elec-
tronic Equipment Reliability, Proc. IEE, 113, September, 1413 (1966).
16. Walter W. G., The Past and Future of Cybernetics in Human Develop-
ment, in: Rose J. (ed.). Progress of Cybernetics, Vol. 2, 55, Gordon and Breach (1970).
17. Flatan G., Reliable Contacts and Connections in Telecommunications
Plant, Trans. Instn Engrs Aust., EE3, March, 59 (1957).
18. Jordan N., Allocation of Functions between Man and Alachines, J. App.
Psychol, 47, 161 (1963).
19. Armstrong D. R., TTL Interfacing with GRLlil and GRL101, Mill-
iard Tech. Comm., 11, July, 130 (1970).
20. Simmons B. D., Designing Noise Immunity into Electronic Circuits and
Systems, Electron. Equipt News, April, 74 (1966).
21. Lamb J. J., Evaluating Electronic Components for Reliability Plus,
Electl Mfg, Desember, 111, (1955).
22. Lamb J. J., Racer, a Proposed Rating System for Electronic Compo-
nents and Devices, Trans. IRE, RQC6, February, 1 (1956).
23. Chestnut H., Systems Engineering Methods, Wiley (1967).
24. Hormuth G. A., Minimising Electrical Interference, Mach. Des., 43,
April 29, 48. and June 10, 132 (1971).
25. Ask F., Reliability Definitions for Electronic Equipment, Electron.
Eng., 42, June, 13 (1969).
26. Bond N., RFI—One of the Undesirables, Electron. Eng., 43, August,
32 (1971).
27. Mitchell W. S. E., Industrial Vibrations, Their Effect on Electronic
Equipment, Des. Electron., October, 22 (1966).
28. Anon., Low Frequency Magnetic Sliieldung: Shield Fabrication, Des.
Electron., February, 14 (1969).
29. Short R. A., The Attainment of Reliable Digital Systems through the
use of Redundancy, IEEE Comput. Group News, .2, March, 2 (1968).
30. Wilcox R. H. and Mann W. C. (eds.), Redundancy Techniques for
Computing Systems, Spartan (1962).
31. Avizienis A., Fault-Tolerant Computing, An Overview, Computer, 4,
January, 5 (1971).
32. Butenbach R. W., Ground Circuits, Instrum Control Syst., 42, Novem-
ber, 135 (1969).
33. Briley В. E., A Self-Healing Control, B.S.T.J., 47, 2367 (1968).
34. Avizienis A., Design of Fault-Tolerant Computers, Fall J.C.C., 31, No-
vember, 733 (1967).
35. Taylor M. G., Reliable Information Storage in Memories Designed from
unreliable Components. B.S.T.J., 47, 2299 (1968).
Глава 17
БУДУЩЕЕ РОБОТОВ
Исследования, описанные в данной книге, свидетельствуют о
том, что робот, вне сомнения, скоро войдет в нашу жизнь. Про-
стейшие виды роботов уже внедряются в промышленность, хотя
они еще представляют собой устройства узкого назначения.
Впрочем, в скором времени мы станем свидетелями внедрения
подвижных роботов общего назначения; возможно, они придут из
Японии. После успешных исследований, проведенных фирмой
«Хитачи», которые были описаны в этой книге, японское прави-
тельство ассигновало около 1 000 000 дол. на разработки в данной
области[1]. Частично это, конечно, объясняется условиями пол-
ной занятости работоспособного населения Японии, хотя, исходя
из природы японской экономики, можно предположить, что соз-
данные в результате исследований робототехнические устройства
будут экспортироваться на Запад с целью использования их в
промышленности (а возможно, и в домашнем хозяйстве, которое
представляет собой громадный потенциальный рынок сбыта).
Правительство США ассигновало M.I.T. 1 000 000 дол. на разра-
ботку морских роботов [2]. Британский совет по научным иссле-
дованиям выделил аналогичные суммы на проведение исследова-
ний в области «машинного интеллекта».
Как только люди осознают, насколько удобно применение ро-
ботов для выполнения домашних работ, их производство резко
возрастет, цены упадут. Наступит опасное время, поскольку по-
явление множества разнообразных моделей экономически будет
равносильно самоубийству. Будем надеяться на появление между-
народной модели робота и на то, что урок, преподанный нам авто-
мобильной и электронной промышленностью, будет учтен. Воз-
можное будущее робота проанализировал Хьюбер, применив ме-
тод Дельфи для опроса [4].
Внедрение робота общего назначения в промышленность будет
иметь величайшие экономические и социальные последствия, по
сравнению с которыми современная проблема избытка рабочей
силы покажется незначительной.
Настоящая проблема будет заключаться в предполагаемой
скорости повсеместного внедрения роботов. Людям будет предо-
ставлено очень мало времени на постепенную адаптацию к робото-
технической революции.
Как будут выглядеть наши роботы? Предсказания здесь опас-
ны, однако автор хотел бы призвать их создателей к максимальной
осторожности. В то время как внешний облик робота будет ме-
няться под влиянием времени и моды, домашний робот станет
нашим постоянным спутником, и все лучшие силы эстетической
мысли должны быть брошены на разработку его внешнего вида.
291
На стадии проектирования нельзя будет выпускать из виду также
запах и звуки, издаваемые роботом.
Когда роботы общего назначения войдут в жизнь, мы, несом-
ненно, найдем для них новые и неожиданные применения. Такова
уж человеческая изобретательность. Мы уже столкнулись с ней
при работе над ранними моделями робототехнического мозга
типа «Астра Мк-3» 15,6], и число непредусмотренных применений
робота, безусловно, умножится, когда человек привыкнет им поль-
зоваться.
Робот — машина. В этом можно не сомневаться, хотя, навер-
ное, некоторые люди будут воспринимать их как домашних жи-
вотных, ибо такова уж человеческая природа. Именно стандар-
тизация дешевых роботов общего назначения поможет нам еще
глубже осознать бесконечное разнообразие типов человеческой
внешности и поведения. Будем надеяться, что это поможет нам
быть терпимее друг к другу.
Список литературы
1. Anon., Japanese Robot Assembles Components from Drawings, New Sci-
ent., 54, September 9, 575 (1971).
2. Anon., MIT Lab to Stady Machine Intelligence, Control Eng., 19, June,
43 (1972).
3. Anon., SRC Computing, Sci. Rev,, June, (1972).
4. Huber R. P. 0. Analysis of the Future of Robots and Artificial Intelli-
gence, Proc. 1st Conf. Industrial Robot Technology, Nottingham, March, 1973 , 239.
5. Young John F., Cybernetic Engineering, Butterworths (1973).
6. Young John F., Progress with the ASTRA Principle, IEE/IERE Col-
loquium On Computer Structures for Artificial Intelligence, London, May, 1973, 3.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А Авиценне 280
автоматизация 169
автоматическая поточная линия 14
автопилот 121
«Адалин» 208
аккомодации свойство 26—27
аккумуляторные электрические
..транспортные средства 112
акселерометры 47
«Алвин» 188
«Алюминаут», тележка 188
амплитудно-импульсная модуля-
ция 216
Анджайн 107
андроид, определение 10
антропоморфные машины 163
Аргонская национальная лабора-
тория 123
арктон-13 89
Астонская кибернетическая лабо-
ратория 107, 209, 218, 262, 266
«Астор», подвижная машина 107—
109
«Астра», машины 21, 213
«Астра Мк-3», робототехнический
мозг 292
«Аутоплейс» 182
Б Байеса сеть 208
Баллингер 131, 132
Барлоу дисковый двигатель 67
батареи электрические 65, 67, 89—
91, 152
— быстрый заряд 94
— вольт-амперная характеристика
зарядных устройств 95
— заряд 93
— общие требования 93
— ограничение потребления энер-
гии 79
— последние разработки 91—93
— техническое обслуживание 93
— экономия энергии 79—80
батареи электрические механиче-
ски перезаряжаемые 91
батискаф 187
безработица и избыток рабочей
силы 20—22, 291
Белчер 183
«Бепдикс», компания 115
Бенке 105
Бенч 273
Бернар Клод 22
бесконтактные выключатели 169
бессмертие 276
бинокулярное зрение 199—200
«Битл», подвижный манипулятор
124
Блакмор 203
болевое ощущение 31
Болье 249
большого палыш движение 55—56
Бони 56
Боттомлн 55
Браун Д. Дж. О. 266
Брейля алфавит 33
Брук Д. В. 119
бурильные средства 190
бутан 84
Бушеро П. М. Ж- 105
Бушеро схема 47, 104
быстроходные катера, радиоупра-
вляемые 122
В Варнер ?<1. Г. Р. 119
Варрен Р. М. 256
Вейзел 221
Веймер П. К. 229
«велодин» 243
вероятность безотказной работы 288
вероятность отказа 276, 288
«Версатран» 56, 170, 176—181
— с контурным управлением 180
— с управлением «от точки к точке»
178
«Версатоана» экономика 183
Ви В. ‘ Г. 207
вибротактильные устройства 33
«Видеофон», система 198
«Виктория», линия подземной до-
роги 15
Вильямс П. С. 224
Впцепс П. II. 250
вкусовое ощущение 35
Владнсвский А. П. 14
влажности восприятие 36
водер 268
воздушная подушка 121
вокодер 248, 268, 269
— для роботов 264
— с активными фильтрами 264
— с механическими фильтрами 266
— с пассивными фильтрами 262
волоконная оптика 234, 236
волоконно-оптический глаз 237
восприятие давления 31, 40—41
восприятие движения 233—246
воспроизводимость 277—278
время восстановления 289
«время на подъем» 147
выбор устройства 277
высокочастотные помехи 132
вычислительные машины 13, 17,
26, 124, 207, 209, 213—216, 218,
220, 250, 269
Вьетнам 15
293
Г габаритные размеры робора, тре-
бования 75
Габора информационные элементы
261
газоулавливающее устройство 36
Гаррисон П. 263, 264
гауссово распределение вероятно-
стей отказов 284, 285
генерирование магнитных импуль-
сов 42
гигрометр 35
гидравлические двигатели 188
гидравлический источник питания
88
гидравлический привод см. при-
вод гидравлический
гидравлический цилиндр фирмы
«Паркер Ханифан» 174
гидролокационные устройства об-
наружения 270
гидромотор 177
гидростатический манометр 40
гироскоп 159
гистерезис 60, 80
глаз. См. также сетчатка
— зрение бинокулярное 199—200
— автоматическая фокусировка 240
— движения 233, 238
— Питри 237
— информационная емкость 195—
197
— моргание 204—205
— мышцы 233
— очистка 204
— распределение клеток на сет-
чатке 197
— слежение за движущимся объек-
том 238
— способность обнаружения краев
изображения на сетчатке 221, 226—
228
— тремор 234
— фокусировка 197—198
— чувствительность 19G
— чувствительность к цвету 201
глаза волоконно-оптические 237
— одноэлементные 200
— робота 134, 197—198, 201,
239—242
— человека 224, 233
«Глоб», двигатель постоянного тока
с возбуждением от постоянных маг-
нитов 67
Годден 57
«Голема, проект 17
Гортц 148
готовности коэффициент 284
готовность 277
Греве I58
Грегори 198
гусеницы 137
Д давления восприятие 31, 40—41
Дадли 248
датчик «Данмор» 36
датчики положения 41, 111
датчик равновесия 153
— электромагнитный 155
датчики усилий 86
двигатели с большим пусковым мо-
ментом 71
двигатели электрические, см. элек-
тродвигатель
двоичный выход 220
Джулез 200
диафрагма 198
диоды, построенные на эффекте
Ганна 244
дистанционный детектор емкостной
273
----- на мостовой схеме 273
-----радиочастотный 270
домашний робот 11, 12, 69, 112,
186, 187, 291, 292
Дональд 84, 85
«Дорожная исследовательская ла-
боратория» 119
Дэвис Б. 67
Дэвис Р. 242
Е единая эквивалентная форманта 253
«Еллоу Спрингс Компани» 39
3 Забо М. 175, 184
зависимость давления от объема
для пневматического привода 82
задержка, вносимая человеком 51
закон Вебера—Фехнера 27, 198
законы робототехники К)
замкнутый контур регулирования
. 41
запаздывание 64
запоминающее устройство 244
захватные головки 171
захватные устройства 170—171
захватывающее устройство 56
захватывающие движения пальцев
55
защита от огня 202
звуки речи, компоненты 253
Зенера диод 40
зрение. См. также глаз:
бинокулярное 199—200, 242
человека 194—205
эффект инерционности 243
-------- у робота 218—231
зрительное распознавание образов
194, 216
зубчатая передача 6G, 68, 72,
145—146
294
И II, вентиль 216
«Иешуа» 16
избыточность при распознавании
символов 220
изоляция 75
иллюзии слуховые 256
импульсные обнаружители обра-
зов 216
«Индвик», самолет-мишень 122
индуктивные дистанционные детек-
торы 271
Инман В. Т, 51
• интегральная схема ОРТ5 228
Иордан И. 289
искусственная гортань 255
испытуемость 278
испытания, использование робо-
тов 23
исследование 291
источник питания. См. также ба-
тареи:
гидравлический 88, 174, 178
электрический 89—93
. источники электропитания. См.
также батареи 79—95
К Кавана 158
кавитация 89
Кай дель 32
Калтер 112
«Кэпсаб» 188
«Карв», аппарат 189
Карлин И. Е. 195
Карсбери 207
Катыс Г. П. 165
квадратное уравнение 102
Келли 196
Кемпелен Вольфган фон 247
кибернетика, применение термина 9
Кид П. А. 107
кислородный анализатор 36
Кисслинга клапан 85
кисти:
искусственные 152
магнитные 71
манипулятора 151
механические 170
робота 145
требования к ним 53—57
управляемые от ЭВМ 132
электромагнитные 71
кладовщик 156
Клайне 199
клапан Хендона 85
Кларк Дж. 105
Клейи 64
Клетский 276
кожа' 57
— человека, коэффициент тре-
ния 57
коленный сустав гибкий 160
колесо в качестве источника дви-
жения 137
компания «Мацушита» 93
конвейерная upon родственная ли-
ния 169
конвейеры 169
конечности 145—165
Конноул Антони 21
«Консларм» 182
Контини 158
контрольные функции робота 23
контурное усиление 223
кончики пальцев, деформируемость
53
сор ilia 234
копирующие роботы 16
Корнельские лаборатории по аэро-
навтике 153
коробка передач 73
«Королева Оса», самолет-мишень
122
«Королева Пчела», самолет-ми-
шень 122
Корпорация программных и ди-
станционных систем 147
< космические применения 65—66,
' 76—77, 112
космический манипулятор 123
коэффициент тензочувствительно-
сти тензодатчика 45
коэффициент трения кожи человека
57
«Краб» 188
Кремер К. X. Е. 50
Кук 270
Кул 87
- Купер 203
Л лазеры 244
летающие роботы 121
Летвин 221
Ликлидер 195
Линдбом 184, 185
линзы для робота 242
линия поведения 276
Лифер 212
Ллойд С. Дж. 107
лодыжечный сустав 160
локтевой сустав, график зависимо-
сти момента от скорости 51
Лорд 83
Лукаса насос с радиальной осью
вращения 88
«Луна-16» 112
«Луна-20», космический корабль 124
лунные транспортные средства 165
«Лунный скиталец» 139
«Луноход», подвижный аппарат 112,
139
295
Лэйдфогд 255
Лэмб 277
М магнитная цепь 42—43
магнитные способы обнаружения
271
магнитный барабан памяти 135
магнитометры 116
«.Мадалин» 208
Маккалок 32
Маккарти 133
Маккей 235
Маккензи 158
Маккибена мышца 83
Маклейш 89
Макмиллан А. 262
Макнотои 276
«Маленький бродяга», транспорт-
ное средство 125
манипулятор PAR 3000 151
манипулятор копирующий «Хэнди-
мен» 164
манипуляторы 56, 187
— двустороннего действия 148
— механического вида 147
— подводные 187—190
— — управляемые с поверхности
189
— с замкнутым контуром упра-
вления 150
— силовые 148
---- технические данные 149
— с односторонним управлением
148
— управляемые от пульта 151
— управляемые человеком 146
— электрические копирующие 149
манипуляторы фирмы «Дженерал
Миллс» 187
Марклыо 52
Марш 89
масса, ограничения 64—66
машина для сбора фруктов 19
мертвая зона 80
мертвый ход 59, 86
---- схема моделирования 59
меры безопасности при работе с «Ра-
ботагом» 117—119
----при отражении усилия 146
Месси Р. С. Г. 105
механический регулятор 81
микрофоны 258—259
«Минатор» 149
миниатюризация 75
«Мини-Манип» 146
«Минимэн» 181
«Минитран» 181
миноискатель 16
?4инский 132
Мичи 133
«Мобот» 190 -1
«мозг» робота 134
Монтгомери 64
моторная теория 249
Мошер 163
«муаровый образ» 213
«муаровый эффект» 235
мультивибратор с одним устой-
чивым состоянием 267
Мур 276, 286
муфты 67, 80—81
«Мэн-Мейт», промышленный по-
грузочно-разгрузочный кран 164—
165
мышца человека 50
мышцы 50—60, 83
— глаза 233
— динамические характеристики
50—51
— человека 50
Н навигация 47, 155
надежность 14, 17, 106, 276—289
— в зависимости от среднего вре-
мени безотказной работы 283—284
— способ повышения 287
Найтингейл 103
накладки-датчики 40
насос Лукаса радиальный 88
Натансон 198
Национальный комитет по ядер-
нон энергии 127
неисправности 277, 280
нелинейные системы 102, 150
неопреновое уплотнение 83
нервная активность 34
Нивергелт 208
Никольс 159
ногй протезы 158—160
ноги робота 138, 158, 160. См.
также хождение
ногти пальцев рук 53
нормирование 224
Ноттингемский университет 181
О обнаружение влаги 35
обнаружение водяных паров 35
обнаружение газа 35—36
обнаружение контура в сканирую-
щей системе на базе ЭВМ 229
обнаружение контуров изображе-
ния 41, 133, 221, 225
----------в сканирующей системе
на базе ЭВМ 229
обнаружение сигналов, вырабаты-
ваемых объектом 270
обоняния чувство 35—36
оборудование, управляющее тех-
нологическим процессом 280
оборудование, чувствительное к пла-
мени 202
296
обратная связь 197, 249, 255, 266
---- визуальная 253
к оператору 148
позиционная 41
по скорости 46
по ускорению 46—47
---силовая 39—41, 161, 164
-датчики 39—41
---тактильная 146
обратной связи:
коэффициент усиления 100
параметры 102
частотная характеристика 148
обратной связью стабилизация 97
обучающее устройство робототех-
ническое 194
обучающиеся машины 21, 194, 249,
261—262, 266
ограничитель 267
Олстон Б. И. 109
опережение по фазе в рецепторных
нервных клетках 31
оптимальное использование робота
289
оптические иллюзии 202, 243
оптические системы самоочищаю-
щиеся 204
оптический шум 234, 235
органы осязания 273
органы чувств человека 26, 31
ориентация проблемы 169, 170
Орлов 52
освещение прожектором 270
отвод тепла 75
отказов 280
- гауссово распределение 284
— диаграмма 281
— интенсивности 283
----кривые 281
---- неравные 284
---- пример 284
---- у человека 288
— общая модель 285
— пуассоновское распределение
282—283
— число в зависимости от времени
287
отражение усилия 146
охлаждение 75—77
П пальцы 56
— захватывающие движения 55
— с пневматическим приводом 173
Паперт 132
параллельное сопротивление 38, 39
пассажирские транспортные сред-
ства 15
перевод машинный 250
передаточная функция 51
----замкнутой системы 100, 102
----- человека 51
переключательные устройства вжи-
вленные 274
переходная характеристика 102
перцептрон 194, 207, 208
печатный якорь 67
Пиллинг 23
Пирс 195
Пистецкий 87
«Планобот» 172—173
плотность вероятности 285
пневматический клапан 87
пневматический привод см. при-
вод пневматический
поглотитель тепла 76
погружаемый аппарат 189
погрузочно-разгрузочные устрой-
ства 172, 178, 181
погрузочные машины 22, 111
«Подвижное дистанционно упра-
вляемое манипуляционное устрой- .
ство» 125
подвижность 111 —139
подвижный манипулятор «Маскот»
127—131
' подвижный робот см. работы
«Подвижный робот» («Мобот») 125,
126
подводное зрение робота 202
подводные применения 148, 151,
187—190
: подземные поезда 15
поднятие грузов 57—60
подогрев, требования 76
поезда подземные 15
х позиционирование 233
позиционная обратная связь 41—42
Пол И. 158
Пэл Р. 182
ползающие машины 132
положения измерение 41, 130
положения определение 114
полосы частот ширина 251
------- ограничение 252
полукружные каналы внутреннего
уха 154, 159
полупроводники 23, 37, 38, 45, 46
полупроводниковый диод 39
постоянная времени 64, 99, 100,
101, 102, 150
потенциометры 172—173, 179, 182,
242
привод:
гидравлический 87—89
источники энергии 63
линейный 159
общие требования 63
пневматический 64—65, 81—87,
90
— для протезных устройств 83
297
— Для управления конечностью
85
поворотный гидравлический 153
соленоидный 69—71
с поворотным истолннтельным
механизмом 159
с телескопическим исполнитель-
ным механизмом 159
требования безопасности 63
экзоскелетона 15.3
электрический 65—68
электрогидравлический 127, 128
придонные образцы, устройство для
сбора 189
«прилипание» 64
применение эффекта Допплера 120,
244
приработки период 281
проблема износа 60
программа Мк-17 211
проект М. I. Т. 133
промышленные роботы 169, 278,
291
простота 278
протезные устройства 40, 50, 56,
60, 68, 80, 83, 88, 91, 103, 152 -153,
157—160, 182
профсоюзы 19
пуассоновское распределение веро-
ятностей 282
----отказов 282 —283
пульсации напряжения под щет-
ками тахогенератора 47
пьезорезистивный эффект 46
пьезоэлектрические тензодатчики 46
пьезоэлектрический вибратор 266
пульт управления 151
Пэгет 247
Р равновесия датчики 153—155
радар для измерения допплеровски-
ми методами скорости трактора 120
— малогабаритный 244
— микроволновый 270
радиоактивная среда 186
радиоактивное излучение 271
радиовещания система 24
радиосвязь 131
радиоуправление 131
— быстроходными катерами 122
— самолетами 122
радиочастотный индикатор сближе-
ния 271
радужная оболочка 199
различение 211
разомкнутой системы передаточная
функция 98, 99
Райт 35
Ракича рука 56, 86
Ралстон 51
«Ранчо Лос Амигос» протезы 12(->
RACER, программа 277, 278
распознавание зрительных образов
194
распознавание речи машиной 261
распознавание рукописного текста
ЭВМ 220
распознавание символов 207—217
----- зрительное 207
----- оптическое 209
----простые способы 218—219
распознавание чисел 266
рассеивание теплоты 81
регулирование температуры 36—38
---- с использованием термисторов
38—39
регулирования систем стабилизации 98
Редди 250
редуктор 65
резервные детали 287
реле выдержки времени 23
рефлекторное действие 34
рецепторные нервные клетки:
переходная характеристика 32
реакция на воздействие 31
речевой сигнал 251
речи распознавание 248—250, 253—
255
речь:
информационное содержание 251
природа 250
роботов 268
структура произносимых слов
253
устройства распознавания 261
«Ривет». машина 132
Ринг 56
Рис 240
Робертсон 105
Робертс Л. 230
Робертс Т. 160
робот, ограничения 11
«Роботаг» 17, 113—115
— меры безопасности 117—119
— преимущества 119
робототехники законы 10
робот-рука «Хивип» фирмы «Хитачи»
133—135, 181
роботы:
внешний вид 9
в художественной литературе 9
для управления транспортными
средствами 113
домашние 11, 12, 13, 69, 112,
187, 291
их будущее 291
копирующие 16, 169
космические см. космос
летающие 121
минимальные требования 11
298
наводимые 112
общего назначения 9, 19, 20,
21. 40, 42, 54, 55, 63, 75, 76,
160, 252, 257, 291—292
подвижные 79—96 См. также
подвижность
— анализ проблемы 106—109
— «Астор» 107
— ноги, колеса или гусеницы
137
— ограничения 112
— управление ближним полем
131—132
— управляемые от ЭВМ 132—
137
преодолевающие препятствия
154, 160, 161
промышленные 169, 278, 291
самовоспроизводящиеся 277
саморемонтирх'ющиеся 276—
277, 279
специального назначения 21,
201, 257, 291
сравнение с человеком с точки
зрения экономики 183
страх человека перед ними 10
существование устройств 13
сцепка, ограниченная железно-
дорожными путями 112
человекоподобные 9, 10, 233
чувствительные к инфракрас-
ному излучению 201
---ультрафиолетовому излу-
чению 201
шагающие 88, 138, 158, 161
эффективность работы 279
Роджерс 212
руки:
искусственные 88, 182
механические 135
протезы 182
робототехнические 133, 145,
152, 172, 229
телескопические 152
требования к ним 53—54
требования к рабочим характе-
ристикам 53
управляемые от ЭВМ 132
рулевое управление 119
«Рэнд» — планшет 220
С «Сайдмэн» 182
самовосстанавливающаяся система
276
самолет-мишень 122
самолеты 155
— радиоуправляемые 122
самописцы двухкоординатные
саморемонтирующийся робот 279
«Самоходный антропоморфный ма-
нипулятор» (САМ) 126
сближения индикаторы индуктив-
ные 271
сборочные машины автоматические
181
сдвигающий регистр 216
Северная Ирландия 16
сенсорные системы робота 26—27,
31—47
сенсорные устройства 26
«Сервейора» лунный полет 24, 122
серводвигатель 129
— шаговый 73—75
сервосистема 127, 150, 176, 182
197, 198, 241
— переключающего или релейного
типа 79
сервоусилитель 130
серный гексофторид 89
сеточное кодирование 230
сетчатка. См. также глаз:
глаза робота 235, 237
искусственная 224, 233, 235,
236
— сканируемая 238
обнаруживающая края изо-
бражения 221, 226—228
считающая 224—226
сигнал речевой 251
сила человека физическая 50
силовая обратная связь 161, 164
силовой обратной связи датчики
39—41
«Симплтран» 179
«Система Робот» 157
система регулирования У. Лео-
нарда 105
система с бегущим лучом 222
сканируемая искусственная сет-
чатка 213
сканирующая система па базе ЭВМ,
обнаруживающая контур 229
---усиливающая контраст 221
слух. См. также ухо:
бинауральный 256
направленный 256—257
робота 255, 261
человека 247—259
смещение детали 169
совместимость 278
совмещения метод для усиления
контура 223
содержание воды в организме 57
соленоиды 86
— в качестве исполнительных ме-
ханизмов 69—71
— поворотные 71
— соотношение между силой и ско-
ростью 50
299
сопротивления изменение в зависи-
мости от температуры 38
сортировка корреспонденции 14
Соутер Л. Д. Л. 262
среда:
неблагоприятная 24—26
опасная для человека 145, 280
промышленная 186
специальная 186
среднее время безотказной работы
280, 283, 288
среднее ухо 247
стабилизация 97—109
— при помощи обратной связи
97, 98
— систем регулирования 98
— упрощенная 97—101
----распространение 101 —103
стабильность 97—109
— замкнутой системы регулирова-
ния 98
станки 155, 169—171
статистические испытания 285
статическое трение 86
стеромотор 73
Стефенс 212
Стипера замковое устройство
55
стол для позиционирования 181
стэнфордская система «глаз—рука»
229
стэнфордский проект по искусствен-
ному интеллекту 135—137, 182
— университет 132
супервизорная функция 280
схема задержки 60
схема фильтров с выпрямителями
262
схемы совпадений для сравнения
образов 216
считающая сетчатка 224—226
США 291
Т «Тагучи гэс сенсор» 36
TARP 280
тахогенераторы 47
телевидение:
цветное 201, 242
трехмерное 200
телевизионные камеры 123 126,
127, 132—135, 149, 188 229, 230,
. 239—240
«Телемотив», система 131
«Теленаут» 190
«телехирик», использование тер-
мина 132
«телехирик», устройства 25
температурная компенсация 45
температурной стабилизации систе-
ма 76—77
температурные изменения сопроти.
вления 38
тенденции роста населения 19
теневой маски метод 209
тензодатчик 40, 41, 44—46,
85—87
тензодатчика коэффициент тензочув-
ствительности 45—46
тензодатчики пьезоэлектрические 46
теория информации 251
тепловые датчики 34
«терблиги» 169
«термнлайниер», компоненты 39
термисторы 38—39, 45
термокоидуктометрическнй детек-
тор 35
термопара 38
термостолбик 38
«Тер ресеч» 189
техническое задание 97
технические требования 97
тиристор 103, 263, 265
Тодд Р. В. 103
Томович Р. 56
топливные элементы 91
торможение 209—210
— внешнее 211
— внутреннее 209
тормоза 67, 80—81
трактор для фермы автоматический
119
«Тралфа», робот 183
транзистор 39, 59
«Трансива», робот 182
транспортер «Трансферобот» 157
транспортные средства:
аккумуляторные 112
городские для перевозки пасса-
жиров 115—116
для перевозки пассажиров 15
управляемые роботами 113
«Трансробот» 157
TRACERS 278
требования к моменту в локтевом
суставе 53
тремор 64
трение 86, 87
«Триест» 187
Тринг М. В., профессор 11, 12,
13, 56, 132, 138, 156, 160, 170
Тэйлор А. 52
Тэйлор В. 208
У углерода двуокись 82
углового ускорения датчик 154
угловой скорости датчик 154
угольная шахта 25
Уитт 159
ультразвуковая связь 131
' ультразвуковое излучение 270
300
ультразвуковой «глаз» 270
Уолтер В. Г. 107, 240, 288
уплотнение неопреновое 83
управление ближним полем 131 —
132
управление от ЭВМ 132—137,
230
----— городским транспортным
средством 115—116
-------искусственной рукой 132
-------роботом - кладовщиком
156—157
управление скоростью 81
----— плавное 103
----трактора допплеровскими ме-
тодами 120
управление с обратной связью 55
управляемое оружие 121, 155, 271
уровень шумов 68—69
усиление контраста 34, 221
усиление контура путем совмеще-
ния 223
усилий датчики 40
ускорение угловое 156
устойчивость замкнутой системы 99
устройства определения направле-
ния 200
утечка рабочей жидкости 186
ухо. См. также слух:
внутреннее, полукружные ка-
налы 154, 159
робота 247, 257—258
среднее 247
человека 247—249
Ф фазоопережающее звено 98
Феррел 124
феррорезонанс 106
фильтры:
активные 263, 264
механические 266
низкочастотные 267
пассивные 262
узкополосные 60
Фишер 209, 212, 213
Фланаган 252
«Флексимэн» 182
Фокселл 109
фонемы 269
нормы различение 41
фотодетектор 200, 202
фотодиоды 228
фототранзисторы 229
фотоумножитель 223
фотоэлектрическое оборудование
204
фотоэлементы 212—228, 236, 241
Франк 158
«Фредди», устройство 133
фреон-12, газ 84
Фри С. F. 226, 228
Фурье преобразование 212—213
X Харвис Б. В. 23
Хэгипботэм, профессор 181
Хей 208
Хилл 250
ходящие роботы 138
хождение:
по наклонным поверхностям 160
сравнение человека п робота
157—160
Холл 159
Хопкинс Д. 218, 219
хранение, система управления
Хыобел 221
«Хэндимэн», копирующий манипу-
лятор 164
Ц центр по разработке ракетных ядер-
ных двигателей в Неваде 125
цепи предохранителя 23
Ч частотная характеристика 32, 265
частотно-временные элементы 261
частотно-импульсная модуляция 85
частотный анализ 261
червячная передача 67, 79, 152
«черепахи», подвижные устройства
107
числовая апертура 237
Читти 83
чувствительность робота к уль-
трафиолетовым лучам 201
чувство времени 27
Ш шагающая машина 88, 159
-------четырехногая 88, 161—163
шаговые серводвигатели 73—75
шаговые устройства 73
шаговый искатель 52, 72—73, 214—
215
шахта угольная 25
«Шевроле Вега», автомобиль 93
Шеридан 124
шины 138
широтно-импульсная модуляция 85
Шоттки диод 228
Шредер 224
шум:
оптический 234
электрический 280
электрических двигателей 68—69
Э Эванс 234
экзоскелетоны 153, 164
экономика 17—20
— «Версатрана» 183—184
— «Юнимейта» 184—186
экономичность 277—278
экранирование 187
301
электрические исполнительные ме-
ханизмы 65—68
электрических двигателей шум 68—
69
электрогидравлическнй привод 127,
146
электродвигатель 65, 67, 68, 71—73
— двухстаторный короткозам-
кнутый 105
— для приведения в движение
конечностей робота 65
— регулируемый возбуждением 104
— сериесный, электронное упра-
вление им 103
электролитические приборы 155
электромагнитный датчик 155
элементы. См. батареи
энергетические требования 92
энергия:
аккумулирование 64, 83—85
хранение 87, 89
«Эри Аутоплейс» 182
Эрл 105
эстетический закон 12
«эффект вечера с коктейлями» 254
эффективность работы робота 279
ГО «Юнимейт» 170, 173—176
— емкость памяти 176
— система управления 174
— экономика 184
«Юнимо» 190
Юпитер, планета 24
Я Якобсон 195, 252
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому изданию
Предисловие к английскому изда-
нию ...........................
4.4.
Шум электрических двгн
Г л а в а 1. Роботы..........
1.1- Внешний вид робота
1.2. Страх человека перед ро-
ботом .....................
1.3. Точка зрения Трйига
1.4. Домашний робот . . . .
1.5. Повседневные роботы
1.6. Робототехнические транс-
портные средства для пе-
ревозки пассажиров . .
1.7. Копирующие роботы . .
1.8. Экономика роботов . .
1.9. Роботы и избыток рабо-
чей силы ..................
1.Ю. Использование роботов
для испытаний и кон-
троля .....................
1.11. Применение роботов в не-
благоприятных средах
1.12. Датчики робота . . . .
Глава 2. Сенсорные системы
робота ........................
гателей ................
Соленоиды в качестве ис-
полнительных .механиз-
мов ....................... 69
Двигатели с большим пу-
сковым моментом и по-
воротные соленоиды . . 71
Шаговые серводвигатели 73
Охлаждение ................ 75
а 5. Энергетика роботов 79
Экономия энергии бата-
рей ........................ —
Муфты и тормоза ... 80
Пневматический привод 8!
Гидравлический привод 87
Батареи для электропита-
ния ....................... 89
Последние разработки 91
Техническое обслужива-
ние аккумуляторной ба-
тареи ..................... 93
Быстрый заряд аккуму-
ляторных элементов . . 94
Глава 6. Устойчивость и ста-
31 бильиость роботов 97
4.5.
9
10
16
20
23
24
26
4.6.
4.7.
4.8.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
2.1. Сенсорные системы чело-
века .......................
2.2. Реакция рецепторных
нервных клеток иа воз-
действие ...................
2.3. Количество нейронов
у человека .................
2.4. Рефлекторное действие
робота ................ . .
2.5. Усиление контраста . .
2.6. Обнаружение газа и
влаги ......................
2.7. Регулирование темпера-
тур ы ......................
2.8. Регулирование темпера-
туры с использованием
термисторов ................
2.9. Датчики силовой обрат-
ной связи ..................
2.10. Позиционная обратная
связь .... .................
2.11. Генерирование магнит-
ных импульсов . . . .
2.12- Резистивные тензодат-
чики .......................
2.13. Обратная связь по ско-
рости и ускорению . .
6.1. Упрощенная стабилиза-
ция при помощи обратной
связи ......................
6.2. Распространение прибли-
— женного метода расчета 101
6.3. Электронное управление
32 серийными двигателями 103
6.4. Управление двигателями
34 регулированием возбуж-
— дения .................... 104
6.5. Регулирование двухста-
35 торного короткозамкну-
того двигателя .... 105
36 6,6. Простые подвижные ма-
шины ................................ 106
Глава 7. Подвижные роботы 11 1
7.1. Требования к подвиж-
39 ным роботам .
7.2. Роботы для управления
41 транспортными сред-
Глава 3. Мышцы робота . . .
3.1. Динамические характе-
ристики мышцы . . . .
3.2. Передаточная функция че-
ловека-оператора . . . .
3.3. Требования к рабочим ха-
рактеристикам руки и
кисти ......................
3.4. Работа робота по подня-
тию грузов ..................
3.5. Мертвый ход............
Глава 4. Электропривод робота
ствами .................. 113
42 7.3. Система «Роботаг» ... —-
7.4. Роботоподобные город-
44 ские транспортные сред-
СТВМ .................... 115
46 7.5. Меры безопасности при
работе с «Роботагом» , . 117
50 7.6. Автоматический трактор
для фермы ................ 119
7.7. Летающие роботы . . 121
— 7.8. Космические роботы . . 122
7.9. Подвижные манипуля-
51 торы..................... 124
7.10. Подвижный манипуля-
тор «Маскот» ................. 127
53 7.II. Управление ближним по-
лем .................................. 131
Машины «Ривет» . . . 132
Подвижные машины,
управляемые большой
4.1. Практические требова-
ния к приводам . . . .
4.2. Сравнение методов акку-
мулирования энергии . .
4.3. Электрические исполни-
тельные механизмы . . .
63
7. 14.
7.15.
51 Глава
65 8.1.
ЭВМ..................
Ноги, колеса нли гусе-
ницы? .................. 137
Луиоход ................ 139
8. Конечности робота 145
Руки и кисти робота
303
8.2. Дистанционно управляе-
мые манипуляторы . .
8.3. Силовые манипуляторы
8.4. Протезы рук и кистей
8.5. Экзоскелетоны ....
8.6. Датчики равновесия . .
8 7. Другие устройства . .
8.8. Робот-кладовщик . . .
8.9. Хождение человека . .
8.10. Гибкий коленный су-
став ....................
8.11. Лодыжечные суставы
8.12. Большая четырехногая
шагающая машина . .
8.13. Другие антропоморфные
машины ........
Г л а в а 9. Практические роботы
9.1. Копирующие роботы для
промышленного исполь-
зования ....................
9.2. Механические кисти на
станках ...................
9.3. «Планобот»..............
9.4. «Юнимейт» ............
9.5. Устройства «Версатран»
9.6. Другие робототехниче-
ские устройства ....
9.7. Сравнение робота и чело-
века с точки зрения эко-
номики ,...................
9.8. Трудности, возникающие
при работе в специальных
средах .....................
9.9. Подводные манипуляторы
Глава 10. Зрение человека . .
10.1. Развитие зрения у чело-
века ......................
10.2. Информационная емкость
человеческого глаза . .
10.3. Некоторые другие харак-
теристики глаза ....
10.4. Бинокулярное зрение . .
10.5. Чувствительность к цвету
10.6. Оптические иллюзии . .
10.7. Очистка глаз робота . .
Глава 11. Распознавание сим-
волов .........................
11.1. Зрительное распознав!-
ние символов ..............
11.2. Перцептроны ..........
11.3. Метод теневой маски . .
11.4. Другие виды торможе-
ния .......................
11.5. Результаты программы
Мк-17 .............
11.6. Несвязное преобразова-
ние Фурье .................
11.7. Сканируемая искусст-
венная сетчатка ....
11.8. Простые схемы совпаде-
ний для сравнения обра-
зов ........................
Глава 12. Зрение робота . .
12.1. Простые способы распо-
знавания символов . .
12.2. Развитие простых спосо-
бов распознавания сим-
волов . .............
12.3. Обнаружение краев изо-
бражения иа сетчатке
12.4. Усиление контраста в
сканирующей системе
12.5. Усиление контура путем
совмещения .................
12.6- Считающая сетчатка . .
145
148
152
153
155
156
157
160
1G1
163
169
170
172
173
176
181
183
186
187
194
195
197
199
201
202
204
207
2 09
210
21 1
212
213
216
218
219
221
223
224
12.7. Сетчатка, обнаружива-
ющая края ......
12.8. Будущее искусственных
сетчаток ..................
12.9. Обнаружение контура в
сканирующей системе на
базе ЭВМ...................
Глава 13. Восприятие движе-
ния ...........................
13.1. Движение глаза . . . .
13.2. Тремор глаза . . . . .
13.3. Волоконная оптика . .
13.4. Волоконно-оптический
глаз ......................
13.5. Глаз, следящий за дви-
жущимся объектом . .
13.6. Автоматическая фоку-
сировка глаза робота
13.7. Инерционность зрения
13.8. Малогабаритные радары
и эффект Допплера . .
Глава 14. Слух человека . . .
14.1. Ухо для робота . . .
14.2. Механизм распознава-
ния речи ..................
14.3. Природа речи . . . .
14.4. Информационное содер-
жание речи ................
14.5. Ограничение ширины
полосы частот . . . .
14.6. Единая эквивалентная
форманта ..................
14.7. Структура произноси-
мых слов ..................
14.8. Дополнительные аспек-
ты проблемы слушания
речи.......................
14.9. Слуховые иллюзии . .
14.10. Бинауральный слух
14.11. Микрофоны ..........
Г лава 15. Слух и речь роботов
15.1. Устройства распознава-
ния речи ...................
15.2. Вокодер с пассивными
фильтрами ..................
15.3. Активные фильтры для
вокодера ...................
15.4. Практический вокодер
для робота с использова-
нием активных фильтров
15.5. Механические фильтры
в вокодерах ................
15.6. Метод распознавания
чисел ......................
15.7. Речь роботов ........
15.8. Использование сигна-
лов, вырабатываемых
самим объектом ....
15.9. Индуктивные и емкост-
ные дистанционные де-
текторы ....................
Глава 16. Надежность роботов
16.1. Конечная жизнь роботов
16.2. Логический выбор . . .
16.3. Эффективность работы
робота .....................
16.4. Среднее время между от-
казами ......................
16.5. Кривые интенсивности
отказов ....................
16.6. Общая модель отказов
16.7. Резервные детали . . .
16.8. Время восстановления
Глава 17. Будущее роботов
Предметный указатель ..........
304