Задачи и закономерности развития мехатроники и робототехники

Аннотация

Евтеева Е.В. Задачи и закономерности развития мехатроники и робототехники Статья посвящена мехатронике. В ней раскрываются основные задачи, проблемы и принципы развития этого комплексного научно-технического направления.

Ключевые слова: мехатроника, антиблокировочная система, электромеханическая система, система управления, робототехника, манипуляторы

За последние двадцать лет во всем мире компьютеры встали во главе всего технического прогресса. Сегодня без них немыслима ни одна лаборатория, конструкторское бюро и даже обычная квартира. Компьютеры тут надо воспринимать как понятие, более широкое, чем обычный ПК. Это и громадное количество микропроцессоров, контроллеров, и целые вычислительные центры, представляющие собой чрезвычайно сложные объекты.

В связи с этим в последнее время стало появляться громадное количество новых сфер изучения. Одной из них стала мехатроника.

Считается, что термин мехатроника придумали японцы, наиболее преуспевшие в этой области.

Термин мехатроника введён Tetsuro Moria (Тецуро Мори) инженером японской компании Yaskawa Electric (Яскава электрик) в 1969. Термин состоит из двух частей – меха, от слова механика, и троника, от слова электроника. В России до возникновения термина мехатроника применялись приборы с названием механотроны.

Тем не менее мехатроника до сих пор является спорным понятием, не имеющим четкого определения. Первые упоминания о мехатронике как о самостоятельной науке в СССР появились еще в 1951 году (в этом году была основана кафедра, сейчас называемая Мехатроника и робототехника в БГТУ Военмех им. Д.Ф. Устинова), но называлась она тогда иначе.

Спектр современных МО чрезвычайно широк и разнообразен.

Мехатронными являются большинство современных электромеханических систем. Очень многие электронные объекты фактически являются мехатронными.

Вообще многие современные системы являются мехатронными или используют идеи мехатроники, поэтому постепенно мехатроника становится наукой обо всём. Сегодня мехатроника применяется во многих отраслях и направлениях, например: промышленность, робототехника, станкостроение и оборудование для автоматизации технологических процессов в машиностроении, авиационная и космическая техника, военная техника, машины спецслужб, электронное машиностроение и оборудование для быстрого прототипирования, автомобилестроение, нетрадиционные транспортные средства, офисная техника, компьютерная техника, медицинское и спортивное оборудование, бытовая техника, микромашины и мобильная робототехника, измерительные устройства, фото, аудио, видео техника, тренажеры для подготовки операторов и пилотов, железнодорожный транспорт, интеллектуальные устройства для шоу-индустрии, наноробототехника и наномехатроника.

Принципиальная задача мехатроники состоит не только в согласовании взаимодействия частей, которое зачастую при отдельном проектировании просто невозможно, но главным образом в обязательном учете меняющихся свойств объекта энергосилового воздействия и внешней среды, а также характеристик отдельных составляющих.

Уместно вспомнить о тех ошибках прошлого, которые и сделали необходимым создание мехатроники. Прежде всего речь идет о создании транспортных роботов для работы в экстремальных условиях (условиях опасных для человека) – так называемых шестиногов и восьминогов, механизмы которых проектировались в отрыве от систем управления. В результате научить их ходить так и не смогли.

Все же хотелось бы подчеркнуть, что превращение всех машин и приборов в мехатронные устройства кажется нам и немыслимым, и ненужным.

Основной задачей мехатроники является разработка и создание высокоточных, высоконадёжных и многофункциональных систем управления сложными динамическими объектами. Простейшими примерами мехатроники являются тормозная система автомобиля с АБС (антиблокировочной системой) и промышленные станки с ЧПУ.

Крупнейшим в мировой подшипниковой отрасли разработчиком и изготовителем мехатронных устройств является компания SNR. Компания известна как пионер в области сенсорных подшипников, создавшая ноу-хау технологию с использованием многополюсных магнитных колец и измерительных компонентов интегрированные в механические детали. Именно SNR впервые предложила использовать колесные подшипники с интегрированным датчиком скорости вращения на основе уникальной магнитной технологии – ASB® (Active Sensor Bearing), которые в настоящее время являются стандартом, признанным и используемым почти всеми крупнейшими автопроизводителями в Европе и Японии. Уже произведено более 82 миллионов подобных устройств, а к 2010 году почти 50% всех колесных подшипников в мире, выпускаемых различными производителями, будут использовать технологию ASB®. Такое массовое применение ASB® лишний раз доказывает надежность этих решений, обеспечивающих высокую точность измерения и передачи цифровой информации в самых агрессивных окружающих условиях (вибрации, грязь, большие перепады температур и т.п.).

Для современной робототехники основным принципом которой является модульное построение, мехатроника стала базой для создания нового поколения модулей – конструктивно унифицированных функциональных компонентов. Первое поколение таких модулей первоначально было разработано в ЦНИИ РТК для обеспечения потребностей СССР в промышленных роботах, а затем нашло эффективное применение при создании роботов для обеспечения работ по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

1. Модули технического зрения, обеспечивающие распознавание в реальном времени сложных объектов типа лиц человека, не уступающие способностям живых существ и основанные не на традиционном наборе символьных признаков, а на образной обработке информации о внешней среде, как это делается в живом мире.
2. Силомоментные модули для манипуляторов. Сегодня остро необходимы системы силового очувствления, охватывающие как автоматическое, так и автоматизированное управление от оператора и использующие как многокомпонентные датчики, так и наблюдателей силы.
3. Приводные модули типа искусственные мышцы, не уступающие поперечнополосатым мышцам живых организмов прежде всего по массогабаритным параметрам и основанные, например, на электроактивных полимерах, материалах с эффектом памяти формы и т.п.
4. Микросистемные модули энергопитания, с на порядок лучшими массогабаритными параметрами по сравнению с современными бортовыми аккумуляторными, топливными и другими источниками электроэнергии, применяемыми в робототехнике.

Создание такой самодостаточной системы модулей – основа для формирования нового поколения средств робототехники. В частности, для экстремальной робототехники это позволит перейти от весьма ограниченного типажа специализированных робототехнических систем конкретного назначения к арсеналу модулей, из которых можно, в том числе и непосредственно на месте работы, собирать, а затем и перекомпоновывать уже в ходе самой работы максимально адекватные конкретным задачам и внешним условиям робототехнические системы. Конечно, при этом сохранится и ограниченная номенклатура серийных специальных систем типа роботов-разведчиков, ликвидаторов опасных объектов (радиоактивных, взрывоопасных и т.п.) и ряда специальных технологических систем.

Следующий этап симбиоза мехатроники и робототехники, который уже назревает прежде всего в ходе миниатюризации робототехнических систем – это переход от основанного на декомпозиции модульного построения технических систем к системно оптимизированным единым структурам. Здесь наметилось два направления. Первое аналогично клеточному строению живых организмов. В его основе многофункциональные ячейки. К этому направлению можно отнести поисковые исследования реконфигурируемых систем из таких ячеек. Второе направление основано на однородных структурах. Этот процесс начался с взаимного проникновения, а затем слияния информационных компонентов в единую структуру, реализующую функциональные компоненты подобно мультиагентным системам в компьютерных сетях. Эта тенденция должна распространиться далее и на силовые компоненты.

Как и при всяком переходе от декомпозиции к общесистемной оптимизации, несмотря на сложности такого синтеза, это сулит значительные технико-экономические выгоды. Например, в области космической робототехники, да и космической техники в целом, это позволяет в 2-3 раза улучшить очень важные здесь массогабаритные параметры изделий.

В мехатронике в целом переход от создания мехатронных компонентов технических систем к мехатронным системам означает качественно новый этап ее развития. Действительно, технические системы, созданные из мехатронных компонентов, сами не являются мехатронными системами, т.к. основаны на декомпозиции, а не на общесистемной оптимизации – главном принципе мехатроники.

В области робототехники мехатроника, начав с модульного построения изделий робототехники, продолжает это сотрудничество на новом этапе развития робототехники с переходом от модульного принципа организации к однородным микросистемным структурам.

Наряду с рассмотренными задачами робототехники, решаемыми с помощью мехатроники, робототехнику и мехатронику объединяют и общие тенденции развития техники в целом, которые можно трактовать как общие принципы развития этого комплексного научно-технического направления. Можно выделить пять основных таких принципов:

Первый принцип – это системный подход к созданию техники, т.е. ее синтез на основе общесистемных критериев без декомпозиции. Этот принцип является одним из основополагающих прежде всего для мехатроники, а также для систем экстремальной робототехники, требующих миниатюризации массо-габаритных параметров, энергопотребления и т.п. Его реализация стала возможной только на определенном этапе развития науки, и на пути его реализации стоит еще много проблем, в том числе в части формирования общесистемных критериев и разработки методов синтеза технических систем на их основе.

Второй принцип – это поэтапность миниатюризации техники путем последовательного освоения разного порядка размерностей в виде отдельных ее поколений. Этот принцип непосредственно вытекает из естественного процесса непрерывного совершенствования технологий в направлении повышения точности. Каждое поколение любого вида техники требует соответствующих новых технологий. При этом для реализации последних необходимо технологическое оборудование, основанное на технике предыдущей размерности. Так, реализация этого принципа в микромехатронике предполагает развитие микросистемных технологий на основе 2D технологий микроэлектроники, созданных на предыдущем этапе развития техники. Это казалось бы бесспорное положение, однако как часто им пренебрегали в стремлении перепрыгнуть через очередной этап в закономерности развития техники! И каждый раз это приводило только к потере времени.

Третий принцип – унификация функциональных компонентов. Этот принцип частично был уже рассмотрен. В ходе миниатюризации для систем до дециметровой размерности этот принцип реализуется в виде модульного построения систем. Для робототехники этот принцип построения имеет особенно большое значение из-за следующих особенностей применения средств робототехники прежде всего в экстремальных условиях: широкая и меняющаяся номенклатура; сложность технических требований, которые часто находятся на пределе возможностей современной техники; зачастую единичный характер потребностей в отдельных типах робототехнических систем.

Четвертый принцип – интеграция функций на базе однородных структур. Этот принцип построения технических систем, который также был уже упомянут, приходит на смену модульному в конце их типоразмерного ряда при переходе к миллиметровой размерности.

Пятый принцип – интеллектуализация как отдельных функциональных компонентов, так и общесистемных функций. Он тоже соответствует общетехническим тенденциям, хотя его название достаточно условно, т.к. конечным развитием этого принципа будет техническое освоение неформализуемых творческих (креативных) способностей человека.

Таковы наиболее общие принципы построения робототехнических и мехатронных систем, определяемые порядком размерности, и тенденции их развития. Как видно из изложенного, общей особенностью последних является непрерывный рост значения бионического подхода. Так, биологическим аналогом системного подхода и унификации компонентов является клеточное строение, а интеграции – нейронные структуры, пронизывающие все органы живых существ. Все методы искусственного интеллекта, по существу, также являются результатом копирования живой природы в части вербального мышления.

В завершение анализа этих принципов остановимся еще на проблемах, решение которых непосредственно связано с развитием робототехнических и мехатронных систем, – это создание в рамках искусственного интеллекта саморазвивающихся (самосовершенствующихся) систем и, как дальнейшее развитие интеллектуальных систем, техническое освоение творческих способностей человека.

Решение первой проблемы связано с развитием систем с переменной структурой – самоорганизующихся систем. Целенаправленное изменение структуры технических систем – кардинальный способ их совершенствования. В полной мере это относится к робототехническим системам, особенно функционирующим в нештатных экстремальных условиях.

Изменение структуры систем может иметь одну из трех целей: расширение адаптационных возможностей, упомянутое расширение функциональных возможностей и совершенствование систем в процессе эксплуатации.

Структурные изменения могут быть чисто информационными (алгоритмическими) без изменения материальной части системы или с изменением последней. Распространенный вариант реализации переменной структуры – это уже рассмотренное построение робототехнических систем из функциональных модулей, включая возможность оперативного изменения их состава, адекватно меняющейся обстановке и подлежащим выполнению задачам.

Самое стратегически важное значение систем с переменной структурой связано с прогрессивным усложнением технических систем и решаемых ими задач. В связи с соответствующим возрастанием трудностей формализованного синтеза таких систем растут значение и роль алгоритмов самоорганизации в процессе самоусовершенствования. Перспективным представляется принцип синтеза технических систем путем такого самоусовершенствования аналогично эволюционному развитию живой природы. От создателей таких технических систем требуется только обеспечить функциональную возможность их подобного эволюционного развития, т.е. структурную избыточность и алгоритмы самосовершенствования. Разумеется, при этом должна быть предусмотрена и возможность обучения с учителем, т.е. под руководством человека.

Как выше было отмечено, перечисленные проблемы, пожалуй, наиболее остро стоят в экстремальной робототехнике в силу необходимости обеспечивать максимальную автономность, причем в условиях наибольшей априорной неопределенности внешней ситуации и перспектив ее изменений. Достаточно упомянуть робототехнические системы, функционирующие в глубинах океана и космоса. Конечным этапом развития самоорганизующихся систем особенно важным для автономно функционирующих групп роботов является их взаиморемонт и воспроизведение.

Вторая названная выше проблема заключается в дополнении формальных методов искусственного интеллекта, которые имитируют вербальное логическое мышление человека, техническим воспроизведением интуитивных способностей человека, основанных прежде всего на образном мышлении. Значение технического освоения образного мышления человека далеко не ограничено освоением творческих способностей. Это проблема создания технического аналога полноценного мышления человека. Действительно, как утверждают психологи и крупнейшие ученые в области информатики, сознательное вербальное мышление человека составляет не более 10% его мыслительной деятельности, т.е. представляет собой только вершину айсберга, а основной ее объем является подсознательным и в основном образным.