Знакомьтесь - роботы!

Любая попытка построить робот — это в первую очередь попытка разработать конструкцию механической руки, чтобы она, подобно человеческой, могла совершать множество разнообразных движений в окружающем пространстве.

Рука человека не предназначена специально для выполнения какого-то определенного набора операций. Она является универсальным орудием, и именно поэтому человек может так ловко действовать, манипулировать самыми различными объектами, предметами, инструментами, чем угодно.

Каким же минимумом подвижности нужно оснастить механическую руку, чтобы, с одной стороны, не очень усложнить задачу конструктора, а с другой — чтобы все-таки обеспечить этому орудию труда достаточно высокую универсальность?

Такой минимум легко установить. Свободное тело в пространстве обладает шестью степенями подвижности. Книжка, которую вы сейчас читаете, лежит на столе. В любую точку пространства можно ее переместить, сдвигая вдоль стола (одна степень подвижности), поперек стола (другая степень подвижности), поднимая в направлении, перпендикулярном плоскости стола (третья степень подвижности). Но чтобы книжку поставить, например, на полку, ее нужно не только перенести с одного места на другое, но еще и установить на этом новом месте желательным образом. При этом может оказаться необходимым поворачивать ее в собственной плоскости (четвертая степень подвижности), относительно линии корешка (пятая степень подвижности) или относительно линии верхнего или нижнего ее обреза (шестая степень подвижности).

Рукой мы свободно можем взять книжку со стола и поставить на полку. Три степени свободы в плечевом суставе и три в лучезапястном составляют шесть степеней свободы, которых должно хватить, чтобы сделать необходимые для этого движения. Но попробуйте сделать это, не сгибая руку в локте, то есть не вовлекая в движение еще одну степень свободы. Вы убедитесь, что это неудобно, часто просто невозможно.

Механическую руку не обязательно делать в точности подобной естественной. Суставы живой руки, как и все суставы нашего тела, устроены так, что сочленяемые ими кости могут только поворачиваться на некоторый угол одна относительно другой. Они не могут вращаться и не могут двигаться поступательно, как может, например, двигаться гладкий валик, вставленный в гладкую трубку. В отличие от живой руки в конструкциях механических рук используют самые различные сочленения подвижных звеньев, допускающие их качательные, вращательные и поступательные движения.

Почему в живом механизме использованы только шарнирные сочленения с ограниченной подвижностью? Да, наверное, все из тех же конструктивных соображений. Представьте себе, что ваша голова относительно туловища может свободно вращаться или хотя бы совершать полный оборот. Казалось бы, страшно удобно! Верти головой сколько угодно! Но как тогда быть с мышцами, которые должны ее вертеть? Какой длины они должны быть? Как быть в этом случае с двенадцатью парными нервами? С кровеносными сосудами, которые снабжают голову питанием? На что их накручивать? Как только откажешься от принятого в живом механизме типа сочленений, так становится ясно, что всю конструкцию соединения головы с телом при этом надо целиком изменить. И с конструкцией руки дело обстоит точно так же.

В механических руках использованы совсем другие "мышцы" и нет кровеносных сосудов; ограничения, существенные для живой системы, здесь оказываются несущественными. Но зато в механическую конструкцию очень сложно вводить избыточные степени подвижности с такой щедростью, с какой ими снабжена живая рука.

Вспомним, что к семи степеням подвижности крупных суставов руки добавляется еще 20 степеней подвижности кисти с пальцами! Присмотритесь к тому, как они помогают удобно и легко брать книгу со стола и ставить ее на полку. А кисти механических рук почти все самые простые "двупалые" захваты с одной степенью подвижности, и только в последние годы делаются попытки создать кисть с большей подвижностью. Кроме того, механические руки конструируют так, чтобы кисть при желании можно было быстро сменить. Разные конструкции кистей, образующие разные формы захватов, в какой-то мере компенсируют ограниченные возможности каждой из них.

Конечно, никакими ухищрениями не удастся воспроизвести бесконечные по богатству и сложности движения, которые может сделать живая рука. Но к механическим рукам и не предъявляются такие требования.

В робототехнике их обычно даже называют не руками, или механическими руками, как в популярной литературе, а просто манипуляторами, и под манипулятором понимают техническое устройство, предназначенное для воспроизведения лишь некоторых двигательных функций верхней конечности человека.

Никто не собирается использовать механические руки, чтобы с их помощью писать стихи, передвигать шахматные фигуры или дирижировать оркестром. Речь идет исключительно о рабочих движениях, о выполнении работ, которые очень утомительны, вредны или опасны для человека и вместе с тем не требуют особо сложных движений.

В зависимости от вида и содержания работы к управлению манипуляторами приходится привлекать человека, либо управление удается поручить автомату.

Когда механической рукой или руками, а может быть, руками и ногами, управляет ЭВМ, когда с универсальным исполнительным органом или органами, способными совершать множество разнообразных движений, сочетается автомат, способный рассчитывать это множество движений и управлять ими, именно такую "комбинацию" принято называть роботом.

Когда функции управления остаются за человеком, когда человек своими движениями и действиями управляет движениями и действиями механических рук либо рук и ног, когда механическая копия повторяет, копирует естественные движения и действия оператора, ее, эту копию, можно условно назвать полуроботом. А техническое название у таких машин совсем прозаическое — их называют копирующими манипуляторами.

Вы уже знаете, что именно с создания копирующих манипуляторов началась робототехника, и вы знаете, что их появление было вызвано не желанием создать еще одну механическую игрушку, а становлением и развитием жизненно важной для всего человечества научной и технической проблемы — освоения энергии атома.

И рассказы о роботах, пожалуй, удобнее всего начать именно с таких биотехнических систем, как обычно называют системы, в которых тесно объединены и совместно работают оператор и манипулятор, человек и машина, копирующая его движения и действия.

На поводу у человека

Марионетки — так назывались театральные куклы, получившие широкое распространение в народных кукольных театрах Чехии 100–200 лет назад. Голова и туловище марионетки соединены между собой подвижно, руки и ноги свободно раскачиваются, сгибаясь в крупных суставах, подвижно соединяющих отдельные их части. К этим подвижным сочленениям куклы (в плечах, бедрах, коленях, шее, локтях, кистях рук, ступнях) привязаны нитки, верхние концы которых прикреплены к управляющему механизму — небольшой деревянной крестовине, состоящей из вертикальной рукоятки и одной-двух подвижных поперечин, которые могут качаться и поворачиваться относительно рукоятки.

Рукоятка этого механизма играет роль базы, к ней подвешивается голова или туловище куклы. К поперечинам привязываются нити, идущие ко всем ее суставам.

Кукловод, раскачивая и поворачивая поперечины, заставляет идущую как бы на поводу у него марионетку сгибать руки и ноги — совершать сложные движения.

В театрах марионеток разыгрывались представления, в которых участвовало одновременно несколько кукол. У отдельных марионеток число нитей превышало 20, они обладали очень большой подвижностью, управление ими требовало от кукловода высокого мастерства. Он быстро наклоняет или выпрямляет поперечины, те или иные нити то подтягиваются вверх, то опускаются вниз, и в соответствии с этой быстротекущей "программой" кукла пляшет или вытирает рукой слезы. Конечности куклы повторяют движения пальцев артиста — его дело выразить в этих движениях человеческие чувства и действия.