Фантастика стала ещё на один шажок ближе к реальности. Новая рука для робота — это замечательный пример комбинации принципов биомиметики и мехатроники. Увидев её, кто-то непременно вспомнит Терминатора, но изобретение должно найти массу мирных областей применения.

Германская компания Festo специализируется на электронных, электрических и пневматических узлах для роботов и различного промышленного оборудования. Теперь, покопавшись в закромах, она создала манипулятор, поражающий и видом, и возможностями.

Инженеры и раньше нередко сравнивали свои творения — манипуляторы для андроидов — с руками человека, но здесь это сравнение, пожалуй, впервые, подходит без преувеличения. В новом проекте изобретатели максимально близко воспроизвели в металле, резине и пластике анатомические особенности человеческих руки и части торса.

«Коронный номер» новой руки - письмо по экрану-планшету. На видео заметно, что для робота пневматическая рука выполняет свою задачу очень хорошо, но до плавности и непринуждённости движений человека ей всё-таки далеко (фото Festo).

Называется это творение Airic"s_arm . Это рука и прилегающий «кусок» спины (кстати, компания создала не один образец данной машины). Габариты Airic’s_arm, когда рука распрямлена, составляют 85 × 85 × 65 сантиметров. А вес её равен всего-то 6,3 килограмма.

Главным достоинством разработки германские специалисты считают её приближение к руке человека в плане точности движений, динамики и мощности. Секрет же новинки – в так называемых «Жидкостных мускулах» (Fluidic Muscle).

Рисунок мышц человека и рентгеновский снимок нового манипулятора, по замыслу компании, показывают сходство строения двух рук. Внизу: в торсе машины (поближе к мышцам, в целях ускорения их отклика на приказы) скрыт блок пьезоклапанов (иллюстрация и фотографии Festo).

Вопреки названию, мускулы эти (правильнее было бы назвать их актуаторами) работают от сжатого (до 6-8 атмосфер) воздуха. Состоят они (упрощённо) из отрезков эластомерных шлангов, армированных арамидными волокнами.

При подаче давления они раздуваются вширь (поскольку в длину из начального, сдутого, состояния они вытянуться не могут) и одновременно сокращаются, словно настоящие мышцы.

Примерно такой тип актуаторов (в том или ином варианте) изобретатели придумывали и строили не раз, но Festo полагает, что именно она довела конструкцию искусственных пневматических мускулов до совершенства. Фирма выпускает целую линейку таких устройств, отличающихся размерами и силой, а предназначены они для работы в качестве приводов в самом разном оборудовании.

Вид сокращающейся мышцы робота вызывает биологические ассоциации (кадры и фото Festo).

По сравнению с электрическими приводами, равно как и с пневматическими или гидравлическими цилиндрами, такие мускулы не могут обеспечить высоких скоростей движения или дальности перемещения соединяемых деталей, зато обладают рядом иных сильных сторон.

Сила, в буквальном смысле, — одна из них. Мышцы длиной несколько сантиметров могут развивать усилие в десятки килограммов, а иные модели — и в сотни. Вес их при этом куда меньше, чем у любого иного типа привода сравнимой силы.

Система управления может менять «напряжение» таких мышц до 100 раз в секунду, и никакой инерционности в движении они не проявят. Пусть скорость перемещения деталей, соединённых такой робототехнической мышцей, не очень велика, зато Fluidic Muscle может развивать ускорение до 100 м/c 2 .

Спортивные упражнения робот Airic’s_arm выполняет не так энергично, как человек. Зато движения похожи (кадр и фото Festo).

Сокращается Fluidic Muscle на 10-20% от своей начальной длины, то есть — на считанные сантиметры. Но вспомните: мускулы человека, скажем, той же руки, прикреплены к костям вблизи суставов. И эти мускулы также отличаются сравнительно небольшим перемещением своих концов, зато развивают приличное усилие. А уж геометрия скелета обеспечивают в результате требуемое (быстрое и большое по размаху) движение конечности.

Вот и в новом роботе инженеры Festo пошли по тому же, проторённому природой, пути. Они решили сделать вот что: взяв несколько давно выпускаемых компанией «робо-мускулов», построить максимально близкое подобие руки человека. Близкое и по общим пропорциям, и по размерам, и по анатомии.

Опять тест на «грамотность». Тут неплохо видна задняя часть машины и, соответственно, искусственные мышцы спины (фотографии Festo).

В руке Airic’s_arm её авторы воссоздали в металле и пластике практически все кости руки и плеча человека, включая лопатку (впервые в технике, утверждает компания), и даже кисть с пятью пальцами (по составным деталям аналогичными настоящим) и все положенные этой структуре суставы.

А приводят эту систему в движение Fluidic Muscle числом 32 штуки! Это приблизительно вдвое меньше, чем в настоящей руке и плечевом поясе, но всё равно — впечатляет.

Искусственные мускулы в новом роботе подражают в размерах и по расположению настоящим мышцам: сгибателям пальцев, мышцам ладони, бицепсу, трицепсу, грудным мышцам, дельтовидной мышце и так далее.

Пальцы, ладонь и предплечье робота при близком рассмотрении на человеческие не похожи. И всё же в своём строении они куда больше сходны с прототипом, чем большинство прежних моделей рук-манипуляторов (кадры Festo).

К этому набору создатели робота добавили быстродействующие и высокоточные пьезокерамические клапаны и новый софт. Развиваемая сила и перемещение составных частей руки постоянно измеряются встроенными датчиками перемещения (всего их тут шесть) и давления воздуха (они индивидуальны для каждого мускула).

Так получилась удивительная рука, которую с человеческой, конечно, не спутаешь, но её облик всё равно вызывает в памяти картинки из анатомического атласа. И действует она точнее и натуральнее (по движениям) большинства рук для роботов, созданных ранее другими фирмами (к слову, о разных необычных типах искусственных мускулов вы можете прочитать ).

Введение

Робот (чеш. robot , от robota — подневольный труд, rob — раб), машина с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которая частично или полностью выполняет функции человека (иногда животного) при взаимодействии с окружающим миром. Первые упоминания о человекоподобных машинах встречаются ещё в древнегреческих мифах. Термин «робот» был впервые введён К. Чапеком в пьесе « R . U . R .» (1920), где Роботами называли механических людей. В настоящее время робототехника превратилась в развитую область промышленности: тысячи промышленных роботов работают на различных предприятиях мира, подводные манипуляторы стали непременной принадлежностью подводных исследовательских и спасательных аппаратов, изучение космоса опирается на широкое использование роботов с различным уровнем интеллекта. С развитием робототехники определились 3 разновидности Роботов: с жёсткой программой действий; манипуляторы, управляемые человеком-оператором; с искусственным интеллектом (иногда называемые интегральными), действующие целенаправленно («разумно») без вмешательства человека. Большинство современных Роботов (всех трёх разновидностей) — Роботы манипуляторы, хотя существуют и другие виды Роботов (например, информационные, шагающие и т. п.). Возможно объединение Роботов первой и второй разновидностей в одной машине с разделением времени их функционирования. Допустима также совместная работа человека с Роботами третьего вида (в так называемом супервизорном режиме). Первые Роботы («андроиды», имитировавшие движения и внешний облик человека) использовались преимущественно в развлекательных целях. С 30-х гг. в связи с автоматизацией производства Роботы — автоматы стали применять в промышленности наряду с традиционными средствами автоматизации технологических процессов, в частности в мелкосерийном производстве и особенно в цехах с вредными условиями труда.

Промышленный Робот манипулятор имеет «механическую руку» (одну или несколько) и вынесенный пульт управления или встроенное устройство программного управления, реже ЭВМ. Он может, например, перемещать детали массой до нескольких десятков кг в радиусе действия его «механических рук» (до 2 м), выполняя от 200 до 1000 перемещений в час. Промышленные Роботы — автоматы имеют преимущество перед человеком в скорости и точности выполнения ручных однообразных операций. Наиболее распространены Роботы манипуляторы с дистанционным управлением и «механической рукой», закрепленной на подвижном или неподвижном основании. Оператор управляет движением манипулятора, одновременно наблюдая её непосредственно либо на телевизионном экране; в последнем случае. Роботы снабжается «телевизионным глазом» — передающей телевизионной камерой. Часто Робот оснащают обучающейся автоматической системой управления. Если такому Роботу «показывают» последовательность операций, то система управления фиксирует всё в виде программы управления и затем точно воспроизводит при работе. Роботы манипуляторы используют для работы в условиях относительной недоступности либо в опасных, вредных для человека условиях, например в атомной промышленности, где они применяются с 50-х гг. В 60-х гг. появились подводные Роботы манипуляторы разнообразных конструкций и назначения: от глубоководных управляемых аппаратов с «механическими руками» (в частности, для захвата образцов породы со дна моря и т. д.) и ползающих по морскому дну платформ с исследовательской аппаратурой до подводных бульдозеров и буровых установок. Подобные манипуляторы применяются и в космонавтике, на американских «Шаттлах».

Робот – это универсальный автомат, позволяющий выполнять механические действия. Его принципиальной особенностью является быстрая оперативная перестройка с одной выполняемой операции на другую. Существует несколько разновидностей роботов и для каждого из них имеется своё определение. Чаще всего говорят о трёх поколениях роботов: промышленных роботах или манипуляторах, адаптивных роботах и роботах с искусственным интеллектом или как говорили раньше – интегральных роботах.

Манипулятор, 1) в горном деле - основной механизм буровой каретки, предназначенный для перемещения в призабойном пространстве автоподатчика с перфоратором (бурильной машиной).

2) В процессах обработки металлов давлением - машина для выполнения вспомогательных операций, связанных с изменением положения заготовки.

3) В ядерной технике - приспособление для работы с радиоактивными веществами, исключающее непосредственный контакт человека с этими веществами. С помощью М. можно захватывать предмет, находящийся за защитной стенкой, перемещать и поворачивать его. М. пантографического типа с механическим приводом (копирующий М.) точно воспроизводит движение руки оператора. Угловая ориентация копирующей «руки» и движения, имитирующие сжимание и захват, передаются гидравлическим приводом или тросами, идущими от управляющей рукоятки к копирующей «руке». Для дистанционного управления на большом расстоянии от оператора применяются М., управляющее и копирующее плечи которых связаны между собой электрически.

«МЕХАНИЧЕСКИЕ РУКИ»

История механических рук начинается с… атомной физики. Дело в том, что многие материалы, с которыми приходится иметь дело в этой области науки, обладают радиоактивностью – свойством выделять в окружающее пространство опасные для здоровья человека лучи. Механические руки стали устанавливать там, куда доступ человека нежелателен, а сам он, управляющий руками, располагался в другом, безопасном помещении. Можно сказать, что в этих копирующих манипуляторах была использована та же идея, что и в известных всем куклах – марионетках. Оператор, работающий на манипуляторе, рукой приводит в движение управляющий механизм, звенья которого соединены с соответствующими звеньями исполнительного механизма, повторяющего все движения руки оператора.

При работе с радиоактивными веществами расстоянии от оператора до исполнительных рук манипулятора может доходить до десятков метров, при работах в подводном мире – до тысяч метров. При применении манипуляторов в космическом пространстве это расстояние будет измеряться сотнями тысяч, миллионами километров… Надёжное и точное управление на значительном расстоянии – вот первое требование, которое предъявляют к любой конструкции копирующего манипулятора. Первое, но не единственное

РОБОТ ТИПА «РУКА»

Каждый робот рассчитан на выполнение той или иной работы, которая и определяет его конструкцию, размеры, степень подвижности, число рук и пальцев на руке, грузоподъёмность, точность движения и т.д. Независимо от того, стоит ли робот возле станков, передвигается между ними или ползает под потолком, у него всегда есть мощная механическая рука с двумя или четырьмя пальцами. Роботы отличаются один от другого общим видом, габаритами и техническими характеристиками, но у них есть и общие признаки. На рис. 4 изображена структурная схема такого робота. Рукой управляет либо оператор с пульта, либо мозг робота – его ЦВМ (цифровая вычислительная машина). В блоке памяти находится программа действий робота, которую вводят в него или которую он приобретает во время обучения.

Общий блок управления электрическими, гидравлическими или пневматическими двигателями, расположенными в плече руки, предплечье, в кисти, состоит из цепей управления движением руки по каждой из координатных осей. Сколько степеней свободы у руки, столько и цепей управления.

Рис. 4. Структурная схема робота.

Робот – манипулятор, встав на рабочее место, согласовывает свою работу с обслуживаемым технологическим оборудованием. Движения руки точные, повороты строго рассчитаны во времени. Робот с оборудованием образует автоматизированную ячейку. Из таких ячеек составляют робототехнологические комплексы или линии. Одно из наиболее распространённых занятий роботов – манипуляторов – окраска изделий.

Окрашивают обычно способом набрызгивания. Чтобы защититься от вредного действия распыляемой краски, приходится работать в специальной маске, а рабочую зону оборудовать специальными защитными устройствами. Это сложно, дорого и все равно небезвредно для человека. Если же окраску изделий поручить манипулятору, а управление им человеку, это оздоровит условия работы и повысит производительность труда.

Процессы формовки кирпича обычно высокомеханизированы. За формовкой следуют операции пропаривания, обжига, требующие перекладывания кирпича и складывания его в пирамиды определённой конфигурации. Эти операции также можно механизировать и автоматизировать, используя манипуляторы. Механическая рука может брать одновременно 5-6 и более кирпичей, каждый из которых весит до 4 кг, и не боится обжечься, даже если они только что из печи.

Стеклянные заготовки для телевизионного кинескопа могут весить 10-15 кг. Сложный технологический процесс их изготовления требует многократной установки, съёма, погрузки. Сотни людей были заняты этой малопроизводительной работой, но им на смену пришли механические руки.

Эти несколько скупых примеров ясно свидетельствуют о том, как широко поле деятельности, открывающееся перед автоматическими манипуляторами в самых различных областях производства.

РОБОТЫ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ – ОБУЧАЕМЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ

Каждый промышленный робот – манипулятор состоит из двух основных частей: манипулятора и устройства управления. Первая отвечает за все необходимые движения, вторая – за управление ими. Описывая конструктивную компоновку робота для промышленности, трудно удержаться от сравнения его с «конструкцией» человека. Каждый промышленный робот имеет мозг – блок управления и механическую часть, включающую тело и руку. Тело робота – это, как правило, массивное основание или, как его называют, станина, а рука – многозвенный рычажный механизм – манипулятор. Чтобы рука могла совершать положенное ей многообразие движений, она имеет мышцы – привод. Задача мышц – преобразовывать сигналы блока управления в механические перемещения руки. Венчает механическую руку кисть или захватное устройство – схват.

Большинство промышленных роботов имеет одну руку, но существуют и роботы, обладающие двумя, тремя и более руками. Взглянув на руки промышленного робота, почти любой человек, даже не обладающий проницательностью Шерлока Холмса, сможет, немного подумав, определить сферу «профессиональных интересов» робота. Вот клешни из трёх крюков для круглых поковок, вот присоски, как у осьминога, для стеклянных листов, вот ковш для сыпучих материалов, и т.д. и т.п. Ещё проще разобраться в обязанностях робота, если руки его снабжены специализированным инструментом: сверлом, краскораспылителем, гайковёртом и др. Инструмент закреплён прямо на руке, а не в схвате, теперь уже ненужном.

Различают руки роботов и по размерам: есть экземпляры рук для работы с многотонными валами, а есть миниатюрнейшие щипчики – пинцетики для изделий микроэлектроники или часовых шестерёнок. Некоторые пальчики – усики манипулируют деталями, различимыми лишь в микроскоп.

C писок литературы

Вадим Викторович Мацкевич «Занимательная анатомия роботов» – М.: Сов. радио, 1980.

Значение слова «Манипулятор» в Большой Советской Энциклопедии

Человеческая рука (вернее, кисть руки) это одно из чудес природы и громадный вызов инженерам робототехникам, которые пытаются её скопировать “один к одному”. Это – сложнейшая конструкция с 29-ю гибкими суставами и тысячами специализированных нервных окончаний, за которыми наблюдает “система управления”, настолько чувствительная, что она может сразу определить, насколько горячий объект, насколько гладкая его поверхность, и даже с какою силой он должен удерживаться.
Неудивительно, что “слепое” копирование кисти человеческой руки – занятие малоперспективное. И все больше и больше, робототехники приходят к мысли, что в данном случае копирование природы не является правильным подходом. Лучшая идея состоит в том, чтобы решить, какие из наиболее важных функций кисти руки должны быть воспроизведены, и как этого лучше всего достичь, пользуясь сейчас доступными технологиями.

Промышленные роботы, конечно, манипулируют предметами уже в течение многих десятилетий. Но они обычно используют самые простые захваты (типа параллельных “челюстей”), которые открываются и закрываются по команде, чтобы схватить, держать, или переместить предмет строго заданной формы, на который они и рассчитаны. Такая “негибкость” (низкая степень адаптации) – не проблема на сборочном конвейере. Но этого не будет достаточно для будущих роботов, разработанных для взаимодействия с людьми в самой разнообразной окружающей обстановке.

Многие исследователи в области робототехники предполагают, что скоро появится новое поколение роботов, “бродящих” вокруг домов, санаториев, фабрик, и т.д. К этим роботам люди будут обращаться с самыми разнообразными просьбами: cварить кофе, принести лекарства или притащить заготовки к цеху. Каждая такая главная полезная функция в свою очередь потребуют реализации множества вспомогательных функций. Например, открытие бутылки потребует, чтобы робот определил размер и форму предмета, правильно схватил её (горлышком вверх) и затем приложил достаточное усилие, чтобы удержать бутылку (но не чрезмерное, чтобы не раздавить её) и достаточный вращающий момент, чтобы открутить пробку. Чтобы удовлетворить эти разнообразные потребности, чтобы приспособиться к огромному разнообразию ситуаций “на лету” захватам робота будет нужна очень высокая степень адаптации и чувствительности.

Поиски универсальной руки для роботов привели к проектам, в которых рука робота точно подражает человеческой руке, и другим, в которых “кисть руки” больше напоминает металлические зажимы. А авторы этой большой статьи работали в течение почти десяти лет над компромиссным решением между этими двумя подходами: “руки”, у которой есть часть ловкости человеческой кисти, но без её большой сложности. Их рука не выглядят человеческой, но она неплохо владеет навыками захвата и управления большого разнообразия предметов во многих задачах.

Следует отметить, что Управление перспективных исследовательских программ (DARPA) весьма заинтересована в создании универсальной (и при этом максимально простой, надёжной и дешёвой) роботизированной руки, для чего придумало ежегодные соревнования между роботами и командами робототехников с приличным кушем в 2 млн. долларов США наличными. Мы уже много рассказывали об этих соревнованиях, поэтому, будем акцентировать своё внимание на технических деталях универсальной роборуки.

В 1980-х робототехники могли конструировать и изготавливать роборуки с тремя или четырьмя пальцами (и противопоставляемым большим пальцем), копируя структуру кисти человеческой руки. У этих рук был футуристический, научно-фантастический вид, и они привлекли большое внимание. Но большинство из них выполняли свои функции не эффективно. Копирование многих суставов человеческой руки увеличило сложность и стоимость человекоподобных роборук. У некоторых моделей было больше чем 30 приводов, каждый из которых приводил в действие только один сустав (и каждый из которых мог внезапно отказать). И, из-за наличия на каждом пальце датчиков осязания с низкой чувствительностью, было трудно скоординировать движения “пальцев” руки между всеми точками контакта пальцев с поверхностью захватываемого предмета.

Так называемые “подприводные” (underactuated) руки – это альтернативный подход к роботизированной манипуляции предметами. Их так называют потому, что в них используется меньше двигателей, чем суставов. Они используют пружины или другие механические связи, чтобы соединить твердые детали (такие как фаланги пальца) и “соединить” в единое целое их движения. Тщательная конструкция этих связей может позволить руке автоматически приспосабливаться к различным формам. Это означает, что пальцы могут, например, “обернуться” вокруг предмета без необходимости активного тактильного контроля. (примечание – это очень похоже на процесс “свёртывания” технической системы).

Авторы статьи были довольны своими предыдущими проектами “подприводной” руки, но они знали, что у предстоит ещё много работы, чтобы их роборука могла выполнить технические требования . И на это было всего 18 месяцев. Недавно сформированная команда робототехников бросила новый взгляд на конструкцию руки в свете решения определенных задач, поставленных Управлением перспективных исследовательских программ. Как снять со стола тонкий предмет, такой как ключ? Что нужно сделать, чтобы включить электрический фонарь? И робототехники пересмотрели такие фундаментальные аспекты конструкции, как число пальцев, их размещение вокруг основы кисти руки и захват, который может обеспечить кончики пальцев. Остановились на конструкции из 2-х “подприводных” пальцев и противоположно к ним расположенного полностью приводного большого пальца.

Глядя на картинку видно, что “фишки” конструкции руки-захвата заключается в следующем:
- 2 “небольших пальца” могут поворачиваться на угол до 90 градусов, а большой палец – вправо-влево на угол порядка 45 градусов.
- Все пальцы имеют по 2 фаланги, и связаны гибкой пластиной.
- Все пальцы снабжены “ногтями” (далее ясно станет зачем).
Устройство “пальца” захвата показано на рисунке ниже.

Жёсткие основания фаланг пальцев (детали белого цвета) скреплены друг с другом гибкой упругой пластиной (flexure). Через жёсткие основания протянут трос в оболочке (авторы трос назвали “сухожилие”). Эта конструкция шарнирно закреплена на шарнирном соединении с возвратной пружиной (pin joint with return spring). Основания фаланг покрыты эластичными подушечками пальцев (pad), в которую вмонтированы датчики осязания (embedded touch sensors). Трос может изменять свою длину путём его накручивания, например, на вал, вращаемый маленьким электромотором (на рисунке не показаны). К основанию фаланг винтами прикручены “ногти” (nails). При натяжении/укорочении троса, фаланги пальцев движутся друг навстречу другу, чтобы охватить предмет. При ослаблении/удлинении троса, фаланги движутся в противоположную сторону под действием силы упругости гибкой пластины.

Поскольку пассивная адаптация позволяет пальцам руки соответствовать форме предмета, который нужно схватить, нет необходимости контролировать и управлять, как пальцы согнулись в середине. Тем не менее, один из трех пальцев руки должен был уметь нажимать, например, на кнопку на электрическом фонаре. Чтобы достигнуть этого, пришлось дать большому пальцу два независимо управляемых сустава. Для этого, каждая фаланга большого пальца имеет своё “сухожилие”, каждое из которых приводит в действие отдельный электродвигатель. Таким способом можно управлять нижней частью пальца, чтобы поместить его выше кнопки и затем управлять кончиком пальца, чтобы заставить его нажать на кнопку.

В то время как четыре двигателя управляли тремя пальцами, ещё один двигатель позволил пальцам перемещаться в плоскости ладони между двумя конфигурациями (показанными на верхнем рисунке) для различных видов обхвата. Для надёжного схватывания узких предметов, два пальца устанавливаются параллельно на одной стороне ладони, а большой палец- напротив них, чтобы получился закрытый хват. Можно также выполнять захват при помощи всех трех пальцев в треугольной конфигурации. Эта конфигурация позволяет руке захватить большие объекты, такие как баскетбольный мяч.

А “ногти” нужны, чтобы захватывать мелкие или плоские предметы.

Эти различные захватывающие движения помогли роборуке соответствовать всем требованиям к соревнованиям Управления перспективных исследовательских программ.
Следует отметить, что идея “ногтей” оказалась очень полезной. При их помощи роборука научилась справляться с задачами захвата с приподнятием предмета (например, захвата ключа, лежащего на поверхности стола).
Пока что во время соревнований руками (и пальцами) робота управляли члены команды робототехников. Но в будущем требуется, чтобы робот управлял своими захватами автономно. Это значит, что будет необходимо разрабатывать множество датчиков, которые смогут дать роботу смысл понятий формы, веса и гибкости объекта, с которым руки будут обращаться и разработать соответствующее программное обеспечение.

А пока что, чтобы отследить движение пальцев вокруг их цели, был разработан ряд волоконно-оптических датчиков. Они состояли из петли волоконно-оптического кабеля, включенного в резиновый средний сустав и рецепторов-фотодиодов, размещенных в каждой фаланге пальца. Волоконно-оптические кабели излучали свет, которые попадали в рецепторы по-разному в зависимости от того, как сустав согнут. Например, когда сустав согнут под углом 60 градусов, волоконно-оптический свет попадают в рецепторы в различном месте и с различной интенсивностью, чем когда палец согнут под углом75 градусов. Эти данные можно использовать, чтобы “нанести на карту”: где каждый палец покоился во время пассивного схватывания.

Чтобы дополнить эту информацию, в фаланги пальцев установлены множество датчиков давления. Датчики могут “сказать”, касалась ли рука предмета кончиком пальца, ладонью, или каким-нибудь другим местом. Образцы этой информации обеспечивают компьютер (управляющий руками) данными о форме захватываемого предмета. Например, ручка отвертки будет вступать в контакт с другими датчиками. Датчики давления также снабдят компьютер данными о весе и гибкости поверхности предмета, говоря роботу, как плотно нужно захватить предмет. В каждом пальце на руке размещено 22 таких датчиков, и ещё 48 размещены в ладони.

Коллеги из компании iRobot разработали аппаратное и программное обеспечение, которые позволяет авторам этой статьи управлять рукой и передавать информацию с датчиков на компьютер. Микроконтроллеры, включили в каждый палец, собирают данные от оптоволоконных датчиков и датчиков давления и отправляют данные в главный микроконтроллер, расположенный в ладони. Главный контроллер действует как своего рода “транспортный полицейский” для всей руки, посылая данные с руки на компьютер управления и передавая команды от компьютера управления до отдельных пальцев. Хотя эта информация пока не использовалась, чтобы управлять рукой во время соревнования, была обеспечена визуализация этой информации, чтобы продемонстрировать ее возможности “осязания” роборук.

Рука – ничто без своих пальцев. И роборука – не исключение. Изготовить пальцы помогли коллеги из Гарвардского и Йельского университетов, которые построили части с электронными компонентами, уже включенными в них при проектировании предыдущих версий роборук. А датчики и необходимые для них печатные платы были внедрены в материал подушечек для пальцев методом холодной заливки отверждающимся составом в соответствующие формы. В результате получился палец с внедрённой в него необходимой электроникой, и это работало. Такой производственный метод позволил сильно упростить конструкцию пальцев. От исходного прототипа пальца, из 60 различных частей, пришли к пальцу из всего 12 частей. И отпала необходимость в маленьких винтах других маленьких креплениях.

А для крепления пальцев к ладони использовались магниты. Это позволяло пальцам просто отделяться полностью от ладони руки, если они рисковали стать перегруженными, вместо того, чтобы переломаться посередине. Таким образом, можно было легко потом установить палец на своё место вместо того, чтобы заменять сломанный палец. Чтобы проверить надёжность роборуки, её многократно били по пальцам бейсбольной битой. Пальцы отлетали в сторону, их устанавливали на место. И после этого роборука продолжала работать.

За счёт использования обычных пластмасс и резины и дешёвого метода сборки, роборука получилась не только надёжной, но и дешёвой. Это помогло остаться близко к ожиданию Управления перспективных исследовательских программ, что универсальная роборука будет стоить приблизительно 5,000 долларов США.

В день соревнования DARPA, в июне 2012, роборука превзошла все ожидания. Она выполнила все 19 тестов (9 на захват различных предметов, 9 на захват и манипуляции и 1 тест на силу руки). Каждый тест повторялся 5 раз, чтобы показать, что успешное выполнение теста – не счастливая случайность. Захват таких предметов как шар и телефонная трубка заняли время только секунды. Даже такие задачи на захват и манипуляции как сверление отверстия в деревянном блоке и включение переносного радио были выполнены с лёгкостью. Возможно, самый удивительный был тест на силу, где роборука подняла и держала 22-килограммовый вес (на 6 кг больше, чем это было в предыдущих лабораторных тестах). Роборука справилась с тестами так быстро, что осталось ещё несколько часов свободного времени. Это позволило показать некоторые другие возможности роборуки, о которых даже не подозревали её разработчики. В одном импровизированном тесте штатный сотрудник компании iRobot положил на испытательный стол пинцет и тонкую соломинку. И бросил вызов взять пинцет роборукой и затем взять соломинку, используя пинцет. Этот тест был выполнен за одну попытку….

Через некоторое время Управление перспективных исследовательских программ связалось с разработчиками роборуки, чтобы сообщить, что они выиграли соревнование. Эта победа означала, что Управление перспективных исследовательских программ продолжит использовать эту роборуку в будущих соревнованиях по робототехнике.

Занимательная анатомия роботов Мацкевич Вадим Викторович

Робот типа «рука»

Робот типа «рука»

Каждый робот рассчитан на выполнение той или иной работы, которая и определяет его конструкцию, размеры, степень подвижности, число рук и пальцев на руке, грузоподъёмность, точность движения и т.д. Независимо от того, стоит ли робот возле станков, передвигается между ними или ползает под потолком, у него всегда есть мощная механическая рука с двумя или четырьмя пальцами. Роботы отличаются один от другого общим видом, габаритами и техническими характеристиками, но у них есть и общие признаки. На рис. 4 изображена структурная схема такого робота. Рукой управляет либо оператор с пульта, либо мозг робота – его ЦВМ (цифровая вычислительная машина). В блоке памяти находится программа действий робота, которую вводят в него или которую он приобретает во время обучения.

Общий блок управления электрическими, гидравлическими или пневматическими двигателями, расположенными в плече руки, предплечье, в кисти, состоит из цепей управления движением руки по каждой из координатных осей. Сколько степеней свободы у руки, столько и цепей управления.

Робот – манипулятор, встав на рабочее место, согласовывает свою работу с обслуживаемым технологическим оборудованием. Движения руки точные, повороты строго рассчитаны во времени. Робот с оборудованием образует автоматизированную ячейку. Из таких ячеек составляют робототехнологические комплексы или линии. Одно из наиболее распространённых занятий роботов – манипуляторов – окраска изделий.

Рис. 4. Структурная схема робота.

Окрашивают обычно способом набрызгивания. Чтобы защититься от вредного действия распыляемой краски, приходится работать в специальной маске, а рабочую зону оборудовать специальными защитными устройствами. Это сложно, дорого и все равно небезвредно для человека. Если же окраску изделий поручить манипулятору, а управление им человеку, это оздоровит условия работы и повысит производительность труда.

Процессы формовки кирпича обычно высокомеханизированы. За формовкой следуют операции пропаривания, обжига, требующие перекладывания кирпича и складывания его в пирамиды определённой конфигурации. Эти операции также можно механизировать и автоматизировать, используя манипуляторы. Механическая рука может брать одновременно 5-6 и более кирпичей, каждый из которых весит до 4 кг, и не боится обжечься, даже если они только что из печи.

Стеклянные заготовки для телевизионного кинескопа могут весить 10-15 кг. Сложный технологический процесс их изготовления требует многократной установки, съёма, погрузки. Сотни людей были заняты этой малопроизводительной работой, но им на смену пришли механические руки.

Эти несколько скупых примеров ясно свидетельствуют о том, как широко поле деятельности, открывающееся перед автоматическими манипуляторами в самых различных областях производства.

Из книги Занимательная анатомия роботов автора Мацкевич Вадим Викторович

Вас слушает робот Представьте, что вы звоните по телефону приятелю и вслед за первым гудком в трубке слышите лёгкий щелчок и его голос: «Меня нет дома. Вернусь к восьми. Что вы мне хотите сказать?». Не пытайтесь уличить приятеля во лжи. Он не разыгрывает вас. И хотя слышен

Из книги Тайны лунной гонки автора Караш Юрий Юрьевич

Мыслящий робот Для того чтобы поведение робота было целенаправленным, его «мозг» должен принять на себя функции системы центрального управления: командовать руками, ногами и другими системами, а также контактировать с окружающей средой, следить за её изменениями. Робот

Из книги Создаем робота-андроида своими руками автора Ловин Джон

Глава 1 НАПЕРЕГОНКИ ИЛИ РУКА ОБ РУКУ?

Из книги Виртуальная реальность: как это начиналось автора Мельников Лев

Глава 7 Передвижной робот с голосовым управлением Речь является идеальным способом управления и коммуникации в робототехнике. Схема устройства распознавания речи (УРР), которой будет посвящена эта глава, функционирует независимо от основного «интеллекта» роботы (ЦПУ).

Из книги АвтоНАШЕСТВИЕ на СССР. Трофейные и лендлизовские автомобили автора Соколов Михаил Владимирович

Рука робота, управляемая УРР В гл. 15 будет рассмотрен еще один вариант интерфейса, управляющий рукой

Из книги 100 великих достижений в мире техники автора Зигуненко Станислав Николаевич

Глава 9 Робот – система телеслежения В этой главе мы построим робота – систему телеслежения. Как уже было показано в гл. 2, подобные роботы находят широкое применение в науке, бизнесе, индустрии развлечений, военном деле, различного рода исследованиях и

Из книги автора

Шагающий робот с тремя сервомоторами Шагающий робот, которого мы собираемся сделать, является компромиссным решением по замыслу и конструкции и требует наличия всего трех сервомоторов. Однако даже в этом случае он обеспечивает передвижение с помощью треножной походки.

Из книги автора

Глава 12 Робот – солнечный шар Идею создания подобного робота первоначально выдвинул Ричард Вейт из Северного Йорка, Торонто. Ричард построил робота, ищущего источник света, заключенного в прозрачную сферу (шар). Затем, в более недавнее время, Дейв Хранкиу из Калгари,

Из книги автора

Глава 15 Роботизованная рука-манипулятор, интерфейс IBM PC и система голосового управления Данный проект представляет собой многоуровневую модульную задачу. Первый этап проекта – сборка модуля роботизованной руки-манипулятора, поставляемой в виде набора деталей. Вторым

Из книги автора

Роботизованная рука-манипулятор Рука-манипулятор (см. рис. 15.1) имеет три степени свободы движения. Локтевое сочленение может перемещаться вертикально вверх-вниз по дуге примерно 135°. Плечевой «сустав» перемещает захват вперед и назад по дуге примерно 120°. Рука может

Из книги автора

Робот-интерьер Как часто мы страдаем из-за того, что окружающие не замечают нашего состояния! Да и сами мы его не всегда адекватно оцениваем, а когда спохватываемся, может быть уже поздно. В космическом полете ситуация резко осложняется: организм космонавта - важнейшая

Из книги автора

Танковозы типа «900» О «900–й» же модели (6x4) с собственным верхнеклапанным 130–сильным двигателем, 4–ступенчатой коробкой передач и всеми односкатными 22–дюймовыми колесами следует рассказать чуть подробнее. Такие машины использовались для перевозки орудий и легких

Из книги автора

Робот-стеноход …Огонь так разбушевался, что даже видавшие виды бойцы пожарной охраны не рисковали приблизиться к «очагу возгорания» – огромному резервуару с нефтью. Меж тем пламя грозило перекинуться на другие сооружения нефтеперерабатывающего завода. И тут вперед

Из книги автора

Робот-«муха» Робот-«муха» может взлететь на высоту 20-30-этажного дома, а затем зависнуть, прилипнув к стенке или потолку. Такую конструкцию предложил и запатентовал старший преподаватель промышленного дизайна механико-машиностроительного факультета

Из книги автора

Робот строит дом Пожалуй, самые прочные на сегодняшний день дома – кирпичные и бетонные. Однако при сооружении кирпичных стен никак не обойтись без ручного труда. Куда быстрее с помощью механизмов можно построить «коробку» из железобетонных панелей. Но и тут есть своя

Из книги автора

Ропот про арбузный робот Одна из наиболее трудоемких работ в сельском хозяйстве – уборка бахчевых культур. Попробуйте-ка потаскать по августовской жаре массивные – весом до 10 кг, а то и более – шары арбузов, эллипсоиды дынь. Тут поневоле задумаешься о механизации…

Сейчас уже мало кто помнит, к сожалению, что в 2005 году были Chemical Brothers и у них был замечательный клип - Believe, где роботизированная рука гонялась по городу за героем видео.

Тогда у меня появилась мечта. Несбыточная на тот момент, т. к. ни малейшего понятия об электронике у меня не было. Но мне хотелось верить - believe. Прошло 10 лет, и буквально вчера мне удалось впервые собрать своего собственного робота-манипулятора, запустить его в работу, затем сломать, починить, и снова запустить в работу, а попутно найти друзей и обрести уверенность в собственных силах.

Внимание, под катом спойлеры!

Всё началось с (привет, Мастер Кит, и спасибо, что разрешили написать в вашем блоге!), который был почти сразу найден и выбран после статьи на Хабре. На сайте говорится, что собрать робота - под силу даже 8-летнему ребёнку - чем я хуже? Я точно так же только пробую свои силы.

Сначала была паранойя

Как истинный параноик, сразу выскажу опасения, которые у меня изначально были относительно конструктора. В моём детстве сперва были добротные советские конструкторы, потом рассыпающиеся в руках китайские игрушки… а потом детство кончилось:(

Поэтому из того, что осталось в памяти об игрушках, было:

• Пластмасса будет ломаться и крошиться в руках?
• Детали будут неплотно подходить друг к другу?
• В наборе будут не все детали?
• Собранная конструкция будет непрочной и недолговечной?

И, наконец, урок, который был вынесен из советских конструкторов:

• Часть деталей придётся допиливать напильником
• А части деталей просто не будет в наборе
• И ещё часть будет изначально не работать, её придётся менять

Что я могу сказать сейчас: не зря в моем любимом клипе Believe главный герой видит страхи там, где их нет. Ни одно из опасений не оправдалось : деталей было ровно столько, сколько нужно, все они подходили друг к другу, на мой взгляд - идеально, что очень сильно поднимало настроение по ходу работы.

Детали конструктора не только отлично подходят друг к другу, но также продуман тот момент, что детали почти что невозможно перепутать . Правда, с немецкой педантичностью создатели отложили винтиков ровно столько сколько нужно , поэтому терять винтики по полу или путать «какой куда» при сборке робота нежелательно.

Технические характеристики:

Длина: 228 мм
Высота: 380 мм
Ширина: 160 мм
Вес в сборке: 658 гр.

Питание: 4 батарейки типа D
Вес поднимаемых предметов: до 100 гр
Подсветка: 1 светодиод
Тип управления: проводной дистанционный пульт
Примерное время сборки: 6 часов
Движение: 5 коллекторных моторов
Защита конструкции при движении: храповик

Подвижность:
Механизм захвата: 0-1,77""
Движение запястья: в пределах 120 градусов
Движение локтя: в пределах 300 градусов
Движение плеча: в пределах 180 градусов
Вращение на платформе: в пределах 270 градусов

Вам понадобятся:

• удлинённые плоскогубцы (не получится обойтись без них)
• боковые кусачки (можно заменить на нож для бумаги, ножницы)
• крестовая отвёртка
• 4 батарейки типа D

Важно! О мелких деталях

Кстати о «винтиках». Если вы сталкивались с подобной проблемой, и знаете, как сделать сборку ещё удобнее - добро пожаловать в комментарии. Пока что поделюсь своим опытом.

Одинаковые по функции, но разные по длине болты и шурупы достаточно чётко прописаны в инструкции, например, на средней фото внизу мы видим болты P11 и P13. А может P14 - ну, то есть, вот опять, я снова их путаю. =)

Различить их можно: в инструкции прописано, какой из них сколько миллиметров. Но, во-первых, не будешь же сидеть со штангенциркулем (особенно если тебе 8 лет и\или у тебя его попросту нет), а, во-вторых, различить их в итоге можно только, если положить рядом, что может не сразу прийти на ум (мне не пришло, хе-хе).

Поэтому заранее предупрежу, если надумаете собирать этого или похожего робота сами, вот вам подсказка:

• либо заранее присмотритесь к крепёжным элементам;
• либо купите себе побольше мелких винтов, саморезов и болтов, чтобы не париться.

Также, ни в коем случае не выбрасывайте ничего, пока не закончите сборку. На нижней фотографии в середине, между двумя деталями от корпуса «головы» робота - небольшое кольцо, которое чуть не полетело в мусор вместе с прочими «обрезками». А это, между прочим, держатель для светодиодного фонарика в «голове» механизма захвата.

Процесс сборки

К роботу прилагается инструкция без лишних слов - только изображения и чётко каталогизированные и промаркированные детали.

Детали достаточно удобно откусываются и зачистки не требуют, но мне понравилась идея каждую деталь обработать ножом для картона и ножницами, хотя это и не обязательно.

Сборка начинается с четырёх из пяти входящих в конструкцию моторов, собирать которые настоящее удовольствие: я просто обожаю шестерёночные механизмы.

Моторчики мы обнаружили аккуратно упакованными и «прилипшими» друг к другу - готовьтесь ответить на вопрос ребёнка, почему коллекторные моторчики магнитятся (можно сразу в комментариях! :)

Важно: в 3 из 5 корпусов моторчиков нужно утопить гайки по бокам - на них в дальнейшем мы посадим корпуса при сборке руки. Боковые гайки не нужны только в моторчике, который пойдёт в основу платформы, но чтобы потом не вспоминать, какой корпус куда, лучше утопите гайки в каждом из четырёх жёлтых корпусов сразу. Только для этой операции будут нужны плоскогубцы, в дальнейшем они не понадобятся.

Примерно через 30-40 минут каждый из 4х моторов оказался снабжён своим шестереночным механизмом и корпусом. Собирается всё не сложнее, чем в детстве собирался «Киндер-сюрприз», только гораздо интереснее. Вопрос на внимательность по фото выше: три из четырёх выходных шестерёнок черные, а где белая? Из её корпуса должны выходить синий и чёрный провод. В инструкции это всё есть, но, думаю, обратить на это внимание ещё раз стоит.

После того, как у вас на руках оказались все моторы, кроме «головного», вы приступите к сборке платформы, на которой будет стоять наш робот. Именно на этом этапе ко мне пришло понимание, что с шурупами и винтами надо было поступать более вдумчиво: как видно на фото выше, двух винтов для скрепления моторчиков вместе за счет боковых гаек мне не хватило - они уже были где-то мною же вкручены в глубине уже собранной платформы. Пришлось импровизировать.

Когда платформа и основная часть руки собраны, инструкция предложит вам перейти к сбору механизма захвата, где полно мелких деталей и подвижных частей - самое интересное!

Но, надо сказать, что на этом спойлеры закончатся и начнутся видео, так как мне нужно было ехать на встречу с подругой и робота, которого не удалось успеть закончить, пришлось захватить с собой.

Как стать душой компании при помощи робота

Легко! Когда мы продолжили сборку вместе, стало понятно: собирать робота самостоятельно - очень приятно. Работать над конструкцией вместе - приятно вдвойне. Поэтому смело могу рекомендовать этот набор для тех, кто не хочет сидеть в кафе за скучными разговорами, но хочет повидаться с друзьями и хорошо провести время. Более того, мне кажется, и тимбилдинг с таким набором - например, сборка двумя командами, на скорость - практически беспроигрышный вариант.

Робот ожил в наших руках сразу, как только мы закончили сборку. Передать вам наш восторг, я, к сожалению, не могу словами, но, думаю, многие меня здесь поймут. Когда конструкция, которую ты сам собрал вдруг начинает жить полноценной жизнью - это кайф!

Мы поняли, что жутко проголодались и пошли поесть. Идти было недалеко, поэтому робота мы донесли в руках. И тут нас ждал ещё один приятный сюрприз: робототехника не только увлекательна. Она ещё и сближает. Как только мы сели за столик, нас окружили люди, которые хотели познакомиться с роботом и собрать себе такого же. Больше всего ребятам понравилось здороваться с роботом «за щупальца», потому что ведёт он себя действительно как живой, да и в первую очередь это же рука! Словом, основные принципы аниматроники были освоены пользователями интуитивно . Вот как это выглядело:

Troubleshooting

По возвращении домой меня ждал неприятный сюрприз, и хорошо, что он случился до публикации этого обзора, потому что теперь мы сразу обговорим troubleshooting.

Решив попробовать подвигать рукой по максимальной амплитуде, удалось добиться характерного треска и отказа функциональности механизма мотора в локте. Сначала это меня огорчило: ну вот, новая игрушка, только собрана - и уже больше не работает.

Но потом меня осенило: если ты сам её только что собрал, за чем же дело стало? =) Я же прекрасно знаю набор шестерёнок внутри корпуса, а чтобы понять, сломался ли сам мотор, или просто недостаточно хорошо был закреплён корпус, можно не вынимая моторчика из платы дать ему нагрузку и посмотреть, продолжатся ли щелчки.

Вот тут-то мне и удалось почувствовать себя настоящим робо-мастером!

Аккуратно разобрав «локтевой сустав», удалось определить, что без нагрузки моторчик работает бесперебойно. Разошёлся корпус, внутрь выпал один из шурупов (потому что его примагнитил моторчик), и если бы мы продолжили эксплуатацию, то шестерёнки были бы повреждены - в разобранном виде на них была обнаружена характерная «пудра» из стёршейся пластмассы.

Очень удобно, что робота не пришлось разбирать целиком. И классно на самом деле, что поломка произошла из-за не совсем аккуратной сборки в этом месте, а не из-за каких-то заводских трудностей: их в моём наборе вообще обнаружено не было.

Совет: первое время после сборки держите отвёртку и плоскогубцы под рукой - могут пригодиться.

Что можно воспитать благодаря данному набору?

Уверенность в себе!

Мало того, что у меня нашлись общие темы для общения с совершенно незнакомыми людьми, но мне также удалось самостоятельно не только собрать, но и починить игрушку! А значит, я могу не сомневаться: с моим роботом всегда всё будет ок. И это очень приятное чувство, когда речь идёт о любимых вещах.

Мы живём в мире, где мы страшно зависим от продавцов, поставщиков, сотрудников сервиса и наличия свободного времени и денег. Если ты почти ничего не умеешь делать, тебе за всё придётся платить, и скорее всего - переплачивать. Возможность починить игрушку самому, потому что ты знаешь, как у неё устроен каждый узел - это бесценно. Пусть у ребёнка такая уверенность в себе будет.

Итоги

Что понравилось:

• Собранный по инструкции робот не потребовал отладки, запустился сразу
• Детали почти невозможно перепутать
• Строгая каталогизация и наличие деталей
• Инструкция, которую не надо читать (только изображения)
• Отсутствие значимых люфтов и зазоров в конструкциях
• Лёгкость сборки
• Лёгкость профилактики и починки
• Last but not least: свою игрушку собираешь сам, за тебя не трудятся филиппинские дети

Что нужно ещё:

• Ещё крепёжных элементов, прозапас
• Детали и запчасти к нему, чтобы можно было заменить при необходимости
• Ещё роботов, разных и сложных
• Идеи, что можно улучшить\приделать\убрать - словом, на сборке игра не заканчивается! Очень хочется, чтобы она продолжалась!

Вердикт:

Собирать робота из этого конструктора - не сложнее, чем паззл или «Киндер-сюрприз», только результат гораздо масштабнее и вызываЛ бурю эмоций у нас и окружающих. Отличный набор, спасибо,