Классификация роботов по использованию, передвижению и компонентам



Бурное развитие робототехники в последние годы дало начало большому числу роботизированных устройств, а также снижению стоимости их разработки. Несомненной задачей в начале разработки является конкретизация параметров будущего робота, в чём несомненную помощь оказывает их классификация.

Ключевые слова: робототехника, классификация роботов, обзор компонентов

Введение

В последние годы робототехника продолжает завоёвывать лидирующие позиции как в производстве, так и в повседневной жизни. Вместе с совершенствованием технологий уменьшается и стоимость производства роботов, что позволяет разрабатывать собственные робототехнические проекты даже небольшим группам студентов. Другими словами, робототехника становится прикладной наукой, доступной группам даже со сравнительно небольшим финансированием, при этом дающей возможность создания устройств весьма высокого уровня. Одним из первоначальных этапов в составлении классификации является конкретизация основных терминов. Робот — автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма, предназначенное для осуществления производственных и других операций, которое действует по заранее заложенной программе и получает информацию о внешнем мире от датчиков (аналогов органов чувств живых организмов), робот самостоятельно осуществляет производственные и иные операции, обычно выполняемые человеком [2]. Робототехника — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой интенсификации производства [3].

Промышленные роботы (ПТ) предназначенны для выполнения двигательных и управляющих функций в производственном процессе манипуляционный робот, т. е. автоматическое устройство, состоящее из манипулятора и перепрограммируемого устройства управления, которое формирует управляющие воздействия, задающие требуемые движения исполнительных органов манипулятора [1]. Они позволяют значительно автоматизировать процесс конвейерного производства, что, в свою очередь, позволяет увеличить производительность труда, уменьшить издержки производства, а также ослабить влияние человеческого фактора, за счет чего повысится конкурентоспособность. В зависимости от рода выполняемой роботами работы выделяют:

1. Литейные — предназначены для отливки изделий расплавленным материалом, в том числе и 3D принтеры. Главной технологической сложностью при разработке являются высокие температуры при плавлении.

2. Роботы для механических обработок — используются при обработке изделий с помощью механического воздействия с применением режущего инструмента, кузнечных работах, а также прессовки и штамповки.

3. Сборочные — в большинстве случаев это манипуляторы использующие различные инструменты как для механического соединения, так и для пайки электронных компонентов.

4 Окрасочные — используются при автоматического нанесения лакокрасочного покрытия, а также последующей полировки изделия.

5. Строительные — предназначены для автоматизации строительства, а также добычи ресурсов, сюда входят и роботизированные средства доставки строительных материалов и машины для постройки различных объектов.
6. Фасовочно-сортировальные — используются для проверки качества продукта, его сортировки и фасовки в упаковку, в большинстве случаев это последний этап автоматизации на конвейерах, не считая средств доставки изделий потребителям.
7. Транспортные — к этому классу относятся любые роботизированные средства доставки грузов, наиболее распространёнными среди них являются конвейерные.
8. Сельскохозяйственные — роботы основной задачей которых является автоматизация сельскохозяйственного производства, например, оросители, комбайны, трактора и др.

Бытовой робот — робот, предназначенный для помощи человеку в повседневной жизни. Мы выделяем следующие классы:

1. Транспортные роботы — используются для перевозки пассажиров и грузов в автоматическом режиме.
2. Умный дом — интеллектуальная, роботизированная система главной задачей которой является автоматизация и согласование всех систем жизнеобеспечения и безопасности.
3. Робот-помощник — универсальный класс роботов способных на физическую и интеллектуальную помощь хозяину.
4. Робот-домохозяйка — класс роботов выполняющих повседневную работу в доме, к нему относятся роботы-повара, пылесосы, мойщики окон, посудомойки, очистители воздуха, автокормушки, уборщики бассейнов и др.

Социальный робот — робот, способный в автономном или полуавтономном режиме взаимодействовать и общаться с людьми в общественных местах или домах.

1. Роботы члены семьи — устройства, способные практически полностью «влиться» в состав семьи, способны передвигаться по дому, взаимодействовать с окружающими.

2. Роботы-животные — устройства, заменяющие домашних животных, способны копировать их движения и звуки.

3. Роботы-игрушки — средства развлечения детей, способствующие их обучению различным навыкам и знаниям.

Медицинский робот — робот, созданный для выполнения медицинских манипуляций под управлением человека. Существуют роботы-хирурги, способные выполнять высокоточные операции, роботы-фармацевты, разносящие медицинские препараты пациентам в больницах, а также большое количество узкоспециализированных роботов.

1. Роботы-хирурги — применяются для хирургического лечения заболеваний и травм, кроме выполнения роли хирурга, могут выполнять функции ассистента при операциях.

2. Роботы-фармацевты — способны изготавливать и раздавать лечебные препараты пациентам.

3. Роботизированные протезы — предназначены для замены утраченных или необратимо повреждённых частей тела искусственными роботизированными устройствами.

4. Роботизированные трансплантаты — используются для замены поврежденных или не функционирующих органов и тканей на роботизированные устройства, способными действенно их заменить.

5. Роботы-сиделки — способны заменить работников младшего медицинского персонала при уходе за больными.

6. Роботизированные симуляторы пациентов — предназначены для практического обучения и отработки навыков медицинских специалистов.

7. Роботы-диагносты — способны на основе данных анамнеза поставить диагноз и назначить лечение.

Исследовательские роботы — это устройства для проведения различных исследований, в том числе и возможностей использования роботов для выполнения различных функций. К ним относятся многочисленные приборы как автоматического, так и полуавтоматического плана. По средам использования различают:

1. Космические — используются для проведения исследований в условиях космоса, к ним можно отнести различные исследовательские спутники.
2. Наземные — предназначены для проведения исследований на поверхности земли, в случае проведения исследований на других планетах, роботов называют планетоходами.
3. Подземные — способны проводить исследования под поверхностью почвы, или непосредственно под грунтом или же в пещерах и гротах.
4. Морские — устройства для проведения исследований в надводном или подводном положении.

Боевой робот — это многофункциональное техническое устройство с антропоморфным (человекоподобным) поведением, частично или полностью выполняющее функции человека при решении определенных боевых задач. Позволяет заменить человека при выполнении боевых задач, сохранить ему жизнь, а также выполнить задачи, несовместимые с его возможностями. По средам использования различают:

1. Воздушные БПЛА (Беспилотный летательный аппарат) — предназначены для выполнения воздушных миссий, таких как наблюдение и разведка, координация нанесения ударов по противнику, создание рядом с собой беспроводных сетей связи.
2. Сухопутные — к этому классу относятся наземные боевые машины, это беспилотные военные автомобили, системы разведки, охранные системы, роботы-сапёры, а также полноценные боевые комплексы.
3. Морские — этот класс объединяет роботизированных устройств надводного и подводного типа, основными задачами которых является разведка, сопровождение, патрулирование и поиск мин.

Из определения можно выделить то, что робот предназначен для выполнения определенных операций, в зависимости от рода которых можно выделить стационарный и мобильный тип устройства. Одним из основных критериев деления мобильных роботов на классы является способ передвижения:

1. Колёсный способ — наиболее распространённый способ передвижения, который в зависимости от числа используемых колёс можно разделить на подклассы. Преимуществом использования малого (от 1 до 2) количества колёс может служить простота конструкции и отличная манёвренность, с другой стороны, увеличение числа колёс расширяет площадь контакта с поверхностью, что способствует значительному улучшению проходимости.

2. Гусеничный способ — чаще всего применяется в боевых роботах, так как использование гусениц значительно повышает проходимость на пересечённой местности.

3. Шагающий способ — использование для передвижения аналоги ног повышает сложность проектирования, вместе с тем современные технологии не позволяют достичь устойчивости, приближенной к человеческой.

4. Передвижение по воздуху — к нему относятся так называемые БПЛА, ракеты, а также самолёты и вертолёты, оснащённые автопилотом.

5. Плавающий способ — использующий для передвижения гребные винты или силы ветра, способные передвигаться над и под водой, к этому способу относятся БППА (беспилотный плавающий аппарат) а также корабли, оснащенные автопилотом.

Для создания полноценного робота требуется большое количество компонентов и мы, произвели попытку систематизации их для дальнейшего использования. “Мозгом” практически каждого робота является микроконтроллер или же их совокупность, где каждый отвечает за определённые функции. С одной стороны, использование нескольких микроконтроллеров усложняет конструкцию, но с другой — позволяет добиться большей надёжности системы в целом и продолжительности её работы благодаря возможности отключения некоторых узлов, а также управляющих ими контроллеров в случае их ненадобности в данный момент. Ключевыми аспектами при выборе микроконтроллера являются: разрядность, количество цифровых и аналоговых входов и выходов, размер флэш-памяти, количество оперативной памяти, тактовая частота, наличие таймеров и других периферийных устройств. Важным критерием для мобильных роботов являются рабочее напряжение и энергопотребление.

Приводы относятся к важнейшим компонентам практически любых роботов, позволяя им совершать движения и перемещаться в пространстве, в некоторых случаях приводы можно сравнить с мышцами живого организма. Рассмотрим несколько наиболее распространённых вида приводов. Одним из самых простых решений является использование электрического сервопривода, представляющего собой электродвигатель с установленным редуктором и датчиком положения вала, благодаря которому и производится точное перемещение привода. Частым решением так же является использование в качестве привода шагового двигателя: в нём так же используется электродвигатель, но без использования датчика положения вала, так как управление углом вращения происходит благодаря контроллеру, которому заранее известен угол отклонения вала. Альтернативой двигателям постоянного тока являются пьезодвигатели, использующие для вращения ротора вибрацию пьезоэлектрических ножек на ультразвуковой частоте [4].

Очень похожими на настоящие мышцы выглядят пневмоприводы, работающие по весьма простой технологии: в специальную оболочку, способную увеличивать свой объём только с уменьшением длины и увеличением толщины, под давлением закачивается газ, благодаря чему и происходит сокращение. Трансформация энергии газа под давлением так же возможна и во вращение: по примеру пневмопистолетов для закручивания гаек в производстве. Кроме того, часто вместо газа используются и жидкости под давлением — это так называемые гидроприводы. Чаще всего они применяются в производственных манипуляторах. Главным аспектом при проектировании робота является обеспечение его электропитанием. Для стационарных роботов это обстоятельство не является критичным, но для мобильных, а тем более для автономных роботов задача обеспечения энергией при их проектировании выходит на первый план. Основными критериями являются напряжение и максимально возможная сила тока, которую может дать его источник. В случае с мобильными роботами — это длительность автономной работы и возможность подзарядки.

Созданием данной классификации мы постарались обобщить современные представления о возможностях, функциях и областях применения робототехники в наши дни. Как мы видим, эта наука проникла и успешно используется во многих областях жизни и производства. При всём этом, робототехника всё ещё остаётся очень перспективной наукой и таит в себе огромные возможности и потенциал для дальнейшего развития. В частности, современный лечебно-диагностический процесс уже невозможно представить себе без технической составляющей — УЗИ, МРТ, рентгеновских методов диагностики, датчиков медико-биологической информации, лазеро- и электролечения, холтеровского мониторирования и чреспищеводной электростимуляции сердца — список бесконечен [5], а в современной хирургии успешно применяется роботизированная хирургическая система «Da Vinci» при помощи которой только в 2012 году было проведено 200тыс. успешных операций [6]. Однако для создания подобных систем необходимы знания не только технические знания в создании устройств, но и знания в области медицины именно этот фактор определяет необходимость обучения специалистов в области медицинской робототехники, чему может способствовать создание специализированных факультетов в медицинских вузах.

Данная классификация может использоваться в качестве основы методических материалов для преподавания курса общей робототехники, а также сторонними разработчиками для конкретизации параметров будущего робота и позволит точно определить необходимые функции и компоненты для создания роботизированного устройства, а мы, в свою очередь, используя данную классификацию как основу, планируем и в дальнейшем работать в этом направлении.

Литература:

1. Воробьёв Е. И., Попов С. А., Шевелёва Г. И. Механика промышленных роботов. Кн. 1. Кинематика и динамика. — М.: Высшая школа, 1988. — 304 с.
2. Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978. — 30т.
3. Попов Е. Г., Письменный Г. В. Основы робототехники: Введение в специальность. — М.: Высшая школа, 1990. — 224 с.
4. Пьезодвигатели, возможности и перспективы // SciTecLibrary. URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/466.html (дата обращения: 20.01.2017).
5. Санников А. Г., Коленова З. В. Информатика в медицинском вузе // Высшее образование в России. — 2001. — № 4. — С. 96–101.
6. Surgical robots: The kindness of strangers // The Economist. URL: http://www.economist.com/blogs/babbage/2012/01/surgical-robots (дата обращения: 20.01.2017).