100 великих изобретений: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Перемещение звеньев манипулятора обеспечивают так называемые приводы — аналоги мускулов в руке человека. Обычно в качестве таковых используются электродвигатели. Тогда привод включает в себя еще редуктор (систему зубчатых передач, которые снижают число оборотов двигателя и увеличивают вращающие моменты) и электрическую схему управления, регулирующую скорость вращения электродвигателя.

Кроме электрического часто применяется гидравлический привод. Действие его очень просто. В цилиндр 1, в котором находится поршень 2, соединенный с помощью штока с манипулятором 3, поступает под давлением жидкость, которая передвигает поршень в ту или иную сторону, а вместе с ним и «руку» робота. Направление этого движения определяется тем, в какую часть цилиндра (в пространство над поршнем или под ним) попадает в данный момент жидкость. Гидропривод может сообщить манипулятору и вращательное движение. Точно так же действует пневматический привод, только вместо жидкости здесь применяется воздух.

Таково в общих чертах устройство манипулятора. Что касается сложности задач, которые может разрешать тот или иной робот, то они во многом зависят от сложности и совершенства управляющего устройства. Вообще, принято говорить о трех поколениях роботов: промышленных, адаптивных и роботах с искусственным интеллектом.

Самые первые образцы простых промышленных роботов были созданы в 1962 году в США. Это были «Версатран» фирмы «АМФ Версатран» и «Юнимейт» фирмы «Юнимейшн Инкорпорейтед». Эти роботы, а также те, что последовали за ними, действовали по жесткой, не меняющейся в процессе работы программе и были предназначены для автоматизации несложных операций при неизменном состоянии окружающей среды. В качестве управляющего устройства для таких роботов мог служить, например, «программируемый барабан». Действовал он так: на цилиндре, вращаемом электродвигателем, размещались контакты приводов манипулятора, а вокруг барабана — токопроводящие металлические пластины, замыкавшие эти контакты, когда те их касались. Расположение контактов было таким, чтобы при вращении барабана приводы манипулятора включались в нужное время, и робот начинал выполнять запрограммированные операции в нужной последовательности. Точно так же управление могло осуществляться с помощью перфокарты или магнитной ленты.

Очевидно, что даже малейшее изменение окружающей обстановки, малейший сбой в технологическом процессе, ведет к нарушению действий такого робота. Однако они обладают и немалыми преимуществами — они дешевы, просты, легко перепрограммируются и вполне могут заменить человека при выполнении тяжелых однообразных операций. Именно на такого типа работах и были впервые применены роботы. Они хорошо справлялись с простыми технологическими повторяющимися операциями: выполняли точечную и дуговую сварку, осуществляли загрузку и разгрузку, обслуживали прессы и штампы. Робот «Юнимейт», например, был создан для автоматизации контактной точечной сварки кузовов легковых автомобилей, а робот типа «SMART» устанавливал колеса на легковые автомобили.

Однако принципиальная невозможность автономного (без вмешательства человека) функционирования роботов первого поколения очень затрудняла их широкое внедрение в производство. Ученые и инженеры настойчиво старались устранить этот недостаток. Результатом их трудов стало создание гораздо более сложных адаптивных роботов второго поколения. Отличительная черта этих роботов состоит в том, что они могут изменять свои действия в зависимости от окружающей обстановки. Так, при изменении параметров объекта манипулирования (его угловой ориентации или местоположения), а также окружающей среды (скажем, при появлении каких-то препятствий на пути движения манипулятора) эти роботы могут соответственно спроектировать свои действия.

Понятно, что, работая в изменяющейся среде, робот должен постоянно получать о ней информацию, иначе он не сможет ориентироваться в окружающем пространстве. В связи с этим адаптивные роботы имеют значительно более сложную, чем роботы первого поколения, систему управления. Эта система распадается на две подсистемы: 1) сенсорную (или очувствления) — в нее входят те устройства, которые собирают информацию о внешней окружающей среде и о местоположении в пространстве различных частей робота; 2) ЭВМ, которая анализирует эту информацию и в соответствии с ней и заданной программой управляет перемещением робота и его манипулятора.

К сенсорным устройствам относятся тактильные датчики осязания, фотометрические датчики, ультразвуковые, локационные, а также различные системы технического зрения. Последние имеют особенно важное значение. Главная задача технического зрения (собственно «глаза» робота) состоит в том, чтобы преобразовать изображения объектов окружающей среды в электрический сигнал, понятный для ЭВМ. Общий принцип систем технического зрения состоит в том, что с помощью телевизионной камеры в ЭВМ передается информация о рабочем пространстве. ЭВМ сравнивает ее с имеющимися в памяти «моделями» и выбирает соответствующую обстоятельствам программу. На этом пути одна из центральных проблем при создании адаптивных роботов заключалась в том, чтобы научить машину распознавать образы. Из многих объектов робот должен выделить те, которые ему необходимы для выполнения каких-то действий. То есть он должен уметь различать признаки объектов и классифицировать объекты по этим признакам. Это происходит благодаря тому, что робот имеет в памяти прототипы образов нужных объектов и сравнивает с ними те, что попадают в поле его зрения. Обычно задача «узнавания» нужного объекта распадается на несколько более простых задач: робот ищет в окружающей среде нужный предмет путем изменения ориентации своего взгляда, измеряет дальность до объектов наблюдения, автоматически подстраивает чувствительный видеодатчик в соответствие с освещенностью предмета, сравнивает каждый предмете «моделью», которая хранится в его памяти, по нескольким признакам, то есть выделяет контуры, текстуру, цвет и другие признаки. В результате всего этого происходит «узнавание» объекта.

Следующим этапом работы адаптивного робота обычно являются какие-то действия с этим предметом. Робот должен приблизиться к нему, захватить и переставить на другое место, притом не как попало, а определенным образом. Чтобы выполнить все эти сложные манипуляции, одних знаний об окружающей обстановке недостаточно — робот должен точно контролировать каждое свое движение и как бы «ощущать» себя в пространстве. С этой целью кроме сенсорной системы, отражающей внешнюю среду, адаптивный робот оснащается сложной системой внутренней информации: внутренние датчики постоянно передают ЭВМ сообщения о местоположении каждого звена манипулятора. Они как бы дают машине «внутреннее чувство». В качестве таких внутренних датчиков могут использоваться, например, высокоточные потенциометры.

Высокоточный потенциометр представляет собой прибор типа хорошо известного реостата, но отличающийся более высокой точностью. В нем вращающийся контакт не перескакивает с витка на виток, как при смещении ручки обычного реостата, а следует вдоль самих витков провода. Потенциометр крепится внутри манипулятора, так что при повороте одного звена относительно другого подвижный контакт тоже смещается и, следовательно, сопротивление прибора изменяется. Анализируя величину его изменения, ЭВМ судит о местоположении каждого из звеньев манипулятора. Скорость перемещения манипулятора связана со скоростью вращения электродвигателя в приводе. Имея всю эту информацию, ЭВМ может измерить скорость движения манипулятора и руководить его перемещением.

Каким же образом робот «планирует» свое поведение? В этой способности нет ничего сверхъестественного — «сообразительность» машины всецело зависит от сложности составленной для нее программы. В памяти ЭВМ адаптивного робота обычно заложено столько различных программ, сколько может возникнуть различных ситуаций. Пока ситуация не меняется, робот действует по базовой программе. Когда же внешние датчики сообщают ЭВМ об изменении ситуации, она анализирует ее и выбирает ту программу, которая более соответствует данной ситуации. Имея общую программу «поведения», запас программ для каждой отдельной ситуации, внешнюю информацию об окружающей среде и внутреннюю информацию о состоянии манипулятора, ЭВМ руководит всеми действиями робота.

Первые модели адаптивных роботов появились фактически одновременно с промышленными роботами. Прообразом для них послужил автоматически действующий манипулятор, разработанный в 1961 году американским инженером Эрнстом и названный впоследствии «рукой Эрнста». Этот манипулятор имел захватывающее устройство, снабженное различными датчиками — фотоэлектрическими, тактильными и другими. С помощью этих датчиков, а также управляющей ЭВМ он находил и брал заданные ему произвольно расположенные предметы. В 1969 году в Стэнфордском университете (США) был создан более сложный робот «Шейки». Эта машина также обладала техническим зрением, могла распознавать окружающие предметы и оперировать ими по заданной программе.

Робот приводился в движение с помощью двух шаговых электродвигателей, имеющих независимый привод к колесам на каждой стороне тележки. В верхней части робота, которая могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, были установлены телевизионная камера и оптический дальномер. В центре располагался блок управления, который распределял команды, поступающие от ЭВМ к механизмам и устройствам, реализующим соответствующие действия. По периметру устанавливались сенсорные датчики для получения информации о столкновении робота с препятствиями. «Шейки» мог перемещаться по кратчайшему пути в заданное место помещения, вычисляя при этом траекторию таким образом, чтобы избежать столкновения (он воспринимал стены, двери, дверные проемы). ЭВМ из-за своих больших габаритов находилась отдельно от робота. Связь между ними осуществлялась по радио. Робот мог выбирать нужные предметы и перемещать их «толканием» (манипулятора у него не было) в нужное место.

Позже появились другие модели. Например, в 1977 году фирмой «Quasar Industries» был создан робот, который умел подметать полы, вытирать пыль с мебели, работать с пылесосом и удалять растекшуюся по полу воду. В 1982 году фирма «Мицубиси» объявила о создании робота, который был настолько ловок, что мог зажигать сигарету и снимать телефонную трубку. Но самым замечательным был признан созданный в том же году американский робот, который с помощью своих механических пальцев, камеры-глаза и компьютера-мозга менее чем за четыре минуты собирал кубик Рубика. Серийный выпуск роботов второго поколения начался в конце 70-х годов. Особенно важно то, что их можно успешно использовать на сборочных операциях (например, при сборке пылесосов, будильников и других несложных бытовых приборов) — этот вид работ до сих с большим трудом поддавался автоматизации. Адаптивные роботы стали важной составной частью многих гибких (быстро перестраивающихся на выпуски новой продукции) автоматизированных производств.

Третье поколение роботов — роботы с искусственным интеллектом — пока еще только проектируется. Их основное назначение — целенаправленное поведение в сложной, плохо организованной среде, притом в таких условиях, когда невозможно предусмотреть все варианты ее изменения. Получив какую-то общую задачу, такой робот должен будет сам разработать программу ее выполнения для каждой конкретной ситуации (напомним, что адаптивный робот может лишь выбирать одну из предложенных программ). В случае, если операция не удалась, робот с искусственным интеллектом сможет проанализировать неудачу, составить новую программу и повторить попытку.

97. ОРБИТАЛЬНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

Хотя история космонавтики насчитывает лишь несколько десятилетий, она прошла уже через ряд важных этапов. Начало освоению околоземного пространства положили короткие (продолжавшиеся, как правило, по несколько суток) экспедиции на типовых космических кораблях. Пилотировавшие их космонавты сделали много важных наблюдений и открытий. Но на определенном этапе эти непродолжительные челночные рейсы за атмосферу перестали удовлетворять науку. Космические корабли обладали небольшими размерами и имели много специфических особенностей, которые не позволяли использовать их для долговременных серьезных научных исследований. Чтобы стать в космосе твердой ногой, космонавты должны были разместиться здесь хотя бы с минимальными удобствами и иметь под рукой много разнообразной научной аппаратуры. Таким космическим домом и одновременно космической лабораторией стали первые орбитальные станции. Их появление было важной вехой в истории пилотируемых полетов: вместе с ними на смену героической эпохе первооткрывателей пришла пора будней и трудной каждодневной работы.

Что же такое орбитальная станция? В некотором смысле ее можно считать большим космическим кораблем. К ее надежности предъявляются те же жесткие требования. Здесь функционируют те же системы жизнеобеспечения, что описаны в главе, посвященной космическим кораблям. Но есть у станции и свои особенности. Она не предназначена для возвращения на Землю. Как правило, она не имеет даже своей двигательной установки, поскольку коррекцию ее орбиты производят с помощью двигателей транспортного корабля. Зато на ней гораздо больше научного оборудования, она просторнее и уютнее, чем корабль. Космонавты прилетают сюда надолго — на несколько недель или даже месяцев. На это время станция становится их космическим домом, и для того чтобы сохранять в течение всего полета хорошую работоспособность, они должны чувствовать себя в ней комфортно и спокойно.

Первой в истории орбитальной космической станцией стал советский «Салют», выведенный на орбиту 19 апреля 1971 года. 30 июня того же года к станции пристыковался корабль «Союз-11» с космонавтами Добровольским, Волковым и Пацаевым. Первая (и единственная) вахта продолжалась 24 дня. Затем некоторое время «Салют» находился в автоматическом беспилотном режиме, пока 11 ноября станция не закончила свое существование, сгорев в плотных слоях атмосферы.

За первым «Салютом» последовал второй, затем третий и так далее. В течение десяти лет в космосе одна за другой отработало целое семейство орбитальных станций. Десятки экипажей провели на них множество научных экспериментов. Все «Салюты» представляли собой космические многоцелевые исследовательские лаборатории для продолжительных исследований со сменным экипажем. В отсутствие космонавтов все системы станции управлялись с Земли. Для этого использовались малогабаритные ЭВМ, в память которых были заложены стандартные программы управления операциями полета. Общая длина станции составляла 20 метров, а объем — 100 кубических метров. Масса «Салюта» без транспортного корабля — 18900 кг.

Внутри станция делилась на три отсека, из которых два — переходный и рабочий — были герметическими, а третий — агрегатный — негерметическим. Оба герметических отсека были жилыми. Переходный отсек был выполнен в форме цилиндра диаметром 2 м и имел длину 3 м. В его состав входил стыковочный узел. Переборка с переходным люком-лазом отделяла его от рабочего отсека, который представлял собой комфортабельную лабораторию, приспособленную для отдыха и длительной научной работы. Здесь находилась основная часть исследовательской аппаратуры, а также устройства и агрегаты управления станцией, система жизнеобеспечения, приборы энергопитания и радиосвязи. Отсек имел 15 иллюминаторов и состоял из двух цилиндрических зон, соединенных конической частью. Малый цилиндр имел диаметр 2, 9 м при длине 3, 8 м, а большой цилиндр — диаметр 4, 15 м и длину 4, 1 м. Ширина конической части составляла 1, 2 м. В рабочем отсеке космонавты проводили большую часть своего времени: работали, выполняли физические упражнения, принимали пищу и отдыхали.

В зоне малого диаметра был расположен столик для приема пищи. Здесь же был закреплен бачок с питьевой водой. (Вода в емкостях консервировалась путем добавления ионов серебра; каждый космонавт для питья использовал индивидуальный мундштук, присоединенный к шлангу.) Рядом находился подогреватель пищи. В этой зоне хранились предметы, необходимые космонавтам для проведения досуга: библиотечка, альбом для рисования, магнитофон и кассеты к нему. В зоне большого диаметра по правому и левому борту были расположены спальные места. Они имели устройства, позволяющие зафиксировать тело в любом положении. Тут же находились холодильники с запасами продуктов и баки с водой. На заднем днище этой зоны помещался туалет. Он был отделен от остальной части рабочего отсека и имел принудительную вентиляцию. Для удаления жидких и твердых отходов жизнедеятельности служило специальное ассенизационное устройство. Умывальника и душа на первом «Салюте» не было. Туалет заключался в обтирании лица и тела специальными гигиеническими салфетками и полотенцами. В конической части был расположен комплекс средств для выполнения физических упражнений и медицинских исследований, в частности — бегущая дорожка. Во время выполнения физических упражнений космонавты одевали специальные костюмы, не допускавшие распространения запаха пота.

Средства ручного управления и контроля основных систем и научной аппаратуры станции были расположены на семи постах. В зоне малого диаметра было четыре поста. Один из них — центральный пост управления станцией. Он был рассчитан для одновременной работы двух человек. Тут находились два кресла, перед которыми был расположен пульт управления. Отсюда можно было управлять двигателями и системой ориентации станции. На шести остальных постах можно было проводить наблюдения и исследования. В станции помещалось много разнообразной аппаратуры, в том числе крупногабаритные телескоп «Орион» и гамма-телескоп «Анна-III» (для исследования космического гамма-излучения).

За рабочим отсеком находился нерабочий агрегатный. В нем размещались двигательные установки, антенны систем радиосвязи, система терморегулирования, телекамера. Радиосвязь с Землей на первом «Салюте» поддерживалась в основном в телефонном режиме. Телевизионная система тоже была, но она требовала много энергии. Система электропитания включала в себя солнечные и аккумуляторные батареи. Первые были жестко закреплены на корпусе станции и для того, чтобы солнечные лучи были перпендикулярны к их плоскости, требовали специальной ориентации на солнце. Кадмий-никелевый аккумулятор работал совместно с солнечной батареей в режиме «заряд-разряд», поскольку около 40% времени на каждом витке станция находилась в тени Земли. Кроме того, на «Салюте» был резервный аккумулятор на случай мощных и больших по продолжительности отдач энергии.

Система терморегулирования состояла из независимых жидкостных контуров охлаждения и обогрева, имевших внутреннюю и наружную магистрали. Избыточное тепло при необходимости излучалось в космос радиатором-охладителем. Если же на станцию, наоборот, требовалось подвести тепло, то оно снималось с радиатора-нагревателя на солнечной стороне. Таким образом в жилых отсеках поддерживалась температура в пределах 15-25 градусов. Система жизнеобеспечения поддерживала необходимый газовый состав, поглощала запахи и пыль, обеспечивала экипаж пищей, водой, удаляла отходы жизнедеятельности. Подача кислорода и поглощение углекислого газа происходили в блоках регенератора. При этом воздух, проходя через высокоактивное химическое вещество, обогащался кислородом и освобождался от углекислого газа, а прогоняясь вентиляторами через фильтры, очищался от пыли и сора. В разных местах станции были размещены газовые анализаторы, которые постоянно контролировали газовый состав.

Вслед за СССР свою орбитальную станцию запустили в космос США. 14 мая 1973 года на орбиту была выведена их станция «Скайлэб» («Небесная лаборатория»). Основой для нее послужила третья ступень ракеты «Сатурн-5», которая использовалась в прежних лунных экспедициях для разгона корабля «Аполлон» до второй космической скорости. Большой водородный бак был переоборудован при этом в бытовые помещения и лабораторию, а меньший по размерам кислородный бак превращен в контейнер для сбора отходов.

«Скайлэб» включала в себя собственно блок станции, шлюзовую камеру, причальную конструкцию с двумя стыковочными узлами, две солнечные батареи и отдельный комплект астрономических приборов (в его состав входило восемь различных аппаратов и цифровая вычислительная машина). Общая длина станции достигала 25 м, масса — 83 тонны, внутренний свободный объем 360 кубических метров. Для ее выведения на орбиту использовалась мощная ракета-носитель «Сатурн-5», способная поднимать на околоземную орбиту до 130 тонн полезного груза. Собственных двигателей для коррекции орбиты «Скэйлэб» не имела. Ее осуществляли с помощью двигателей космического корабля «Аполлон». Ориентация станции изменялась с помощью трех силовых гироскопов и микродвигателей, работавших на сжатом газе. За время функционирования «Скайлэб» на ней побывали три экипажа.

По сравнению с «Салютом» «Скайлэб» был значительно вместительнее. Длина шлюзовой камеры составляла 5, 2 м, а ее диаметр — 3, 2 м. Здесь в баллонах высокого давления хранились бортовые запасы газов (кислорода и азота). Блок станции имел длину 14, 6 м при диаметре 6, 6 м. Он был разделен на лабораторный и бытовой отсеки. Бытовой отсек в свою очередь делился на четыре помещения для сна, для личной гигиены, для тренировок и экспериментов, для проведения досуга, для приготовления и приема пищи. Высота их составляла 2 м. Помещение для сна было разделено на три спальные кабины по числу астронавтов. В каждой из них было шесть небольших шкафчиков и спальный мешок. Вход в каждую кабину был завешен шторой.

Помещение для гигиены было снабжено умывальником и приемником отходов жизнедеятельности. Умывальник представлял собой закрытую сферу, имевшую два отверстия для рук, снабженные резиновыми заслонками. Здесь же находился душ, отделенный от остального помещения занавеской. Разбрызгиваемые через распылитель капли воды всасывались затем в коллектор потоком воздуха. Каждый астронавт имел свой индивидуальный шкафчик для туалетных принадлежностей. Помещение для отдыха, приготовления и приема пищи имело стол с конфорками для разогревания еды, печку, шкафы и шкафы-холодильники. (Астронавты имели широкий набор замороженных продуктов, включая холодные каши, картофельные салаты, блюда из говяжьей вырезки.) Стол был с трех сторон оборудован тремя индивидуальными кранами для питьевой воды. У каждого астронавта был свой поднос с ячейками для разогрева пищи. Магниты подноса поддерживали нож и вилку. В этом же помещении находились три кресла, магнитофон и книги. В помещении для тренировок и экспериментов размещался велоэргометр. Лабораторный отсек был в два раза больше бытового. Его внутренний диаметр составлял 6, 4 м.

98. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ