CC BY
51
-►
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 681.5
Е.И. Юревич
МИНИ- И МИКРОРОБОТОТЕХНИКА
Мини- и микроробототехника — сравнительно новый раздел робототехники, который сформировался в русле общей для техники тенденции миниатюризации и уже получил свои безальтернативные сферы применения от военного дела и силовых структур до медицины.
В ходе миниатюризации робототехнических систем по мере освоения новых массогабарит-ных размерностей происходит модификация их структур и соответственно методов проектирования. Этот процесс иллюстрирует рис. 1.
Для миниразмерностей основным методом построения систем продолжает оставаться модульный принцип. На его основе реализуются системы переменной структуры — реконфигури-руемые. Это новое перспективное направление
применения модульного принципа построения для реализации высшей формы адаптации — структурной. Она может осуществляться автоматически по сенсорной информации в виде самоорганизующихся систем или человеком-оператором. Реконфигурация может относиться ко всей системе или к отдельным частям робота — к манипулятору транспортной или сенсорной системам и т. д. Помимо расширения функциональных возможностей реконфигурация повышает надежность функционирования систем.
Типовые примеры реконфигурации манипуляторов — это смена рабочих органов, подключение прецизионного позиционера или других новых звеньев. Пример реконфигурируемой транспортной системы — цепочка транспортных
Этапы миниатюризации функциональных компонентов
Миниатюризация
о
Рис. 1. Этапы миниатюризации функциональных компонентов робототехнических систем
^Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование В'2011
ячеек-модулей или двухмерная решетка из них. Это резко повышает проходимость робота, а возможность компоновать эти транспортные ячейки различными функциональными модулями дает общее решение полной функциональной реконфигурируемости. На рис. 2 показана такая обобщенная компоновка реконфигурируе-мой мобильной миниробототехнической системы широкого назначения для использования в чрезвычайных ситуациях техногенных и природных катастроф. Приведенная компоновка из четырех двухколесных транспортных модулей может быть дополнена гусеницами, колеса могут быть заменены педипуляторами из типораз-мерного ряда тех же шарниров, которые используются для манипуляционных систем.
Характерная особенность чрезвычайных ситуаций — предельная априорная неопределенность как условий работы, так и подлежащих выполнению операций. Более того, как правило, эти обстоятельства могут существенно меняться непосредственно в ходе работы. Типовая последовательность выполняемых при этом операций: вначале оперативное обследование территории и отдельных объектов, включая поиск возможных жертв и т. п.; затем уже в основном с помощью роботов большей размерности локализация последствий возникшей чрезвычайной ситуации (ликвидация пожара, заражений, разбор завалов ит. д.). Все подобные операции требуют различного состава робототехнических систем, требования к которым определяются и уточняются уже в ходе работы.
Как показано на рис. 1, дальнейшее уменьшение размеров приводит к постепенному конструктивному слиянию отдельных функциональных компонентов и соответственно к переходу от модульного построения к миниатюризации об-
4 3 2 1
Рис. 2. Универсальная реконфигурируемая робототехническая система типа «Робопоезд»: 1, 2, 3, 4— соответственно модули манипуляционный, сенсорный, связи, энергопитания
щих массо-габаритных параметров. Процесс этот начался с создания многофункциональных информационных структур и развивается в двух направлениях — процессорных однородных структур и технических нейронных сетей.
Первый путь уже хорошо отработан. Второй путь создания многофункциональных нейронных сетей находится еще в стадии поисковых исследований. Эту задачу иллюстрирует рис. 3. Слева выделены сплошными линиями функциональные компоненты, уже успешно реализуемые на нейронных сетях, а справа — подлежащая реализации структура единой многофункциональной нейронной сети.
Нейронные сети показали свою эффективность для обеспечения отдельных функций роботов и, что не менее важно, являются перспективной основой после освоения методов искусственного интеллекта для создания «искусственного разума», имитирующего наряду с интеллектом и человеческую интуицию, т. е. творческие способности.
Такая распределенная многофункциональная нейронная сеть, в которой отдельные функции реализуются в виде программных агентов с общей иерархической ассоциативной памятью, станет основой разумных роботов — роботов нового поколения, самообучающихся и самосовершенствующихся подобно живым организмам.
Процесс миниатюризации силовых компонентов, сопровождающийся их слиянием с другими функциональными компонентами, происходит с большим запаздыванием по отношению к информационным компонентам, поскольку это требует поиска новых физических принципов и путей их технической реализации. Для приводов нужно прежде всего создать искусственные мышцы, в частности на базе электроактивных полимеров. Для бортовых источников электроэнергии необходим поиск новых способов аккумулирования электроэнергии, основанных на нанотехнологиях и беспроводной передачи электроэнергии.
В целом, как показано на рис. 1, развитие структур мини- и микроробототехнических систем вылилось в следующие три линии:
I — продолжение автономной минимизации отдельных функциональных компонентов, включая микро- и наноразмерности;
II — указанное выше объединение информационных модулей в общую однородную сеть.
4
Машиностроение^
Перспективы развития нейросетевого управления роботами
Реализовано Перспектива
Рис. 3. Перспективы создания многофункциональных нейронных сетей
Такая интеграция функций подобна головному мозгу человека и должна дать аналогичный эмер-гентный эффект;
линия 111 находится еще в стадии поисковых исследований, как и сама наносистемная техника в целом. Ее идея близка клеточному строению живых организмов и навеяна именно этой бионической ассоциацией.
Отдельным направлением развития мини-и микроробототехники является групповое функционирование роботов. К таким группам роботов также может быть применена, в частности, концепция многоагентных систем, но не программных, а материальных агентов-роботов. Групповое применение можно рассматривать как один из способов миниатюризации за счет со-
кращения функций отдельных роботов, совместно выполняющих общую задачу, и совместного обеспечения связи с центром, энергообеспечения, преодоления препятствий, выполнения других общих задач.
Обобщая изложенное, важно опять подчеркнуть, что в рамках мини- и микроробототехники происходит смена принципов построения робототехнических систем — от декомпозиции к системному подходу. Поэтому именно в этом диапазоне размерностей формируются и отрабатываются общие принципы и методы оптимизации систем робототехники и обосновываются тенденции их дальнейшего развития, что определяет особое значение этого раздела для робототехники в целом.
УДК 621.86.87
ИЛ. Будько, А.Н. Волков, И.Б. Челпанов ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ ЗМЕЕПОДОБНЫХ РОБОТОВ
Сообщения об автоматических технических устройствах с более или менее сложной механикой, которые предназначены не для выполнения конкретных работ, а только для демонстрации,
занимают все большее место в средствах информации; большинство их называется роботами. Понятие «демонстрационные роботы» было введено коллективом авторов кафедры «Автоматы»
