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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Roboter. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Ein Roboter ist ein automatisches Gerät, das nach dem Prinzip eines lebenden Organismus erstellt wurde. Der Roboter agiert nach einem vorprogrammierten Programm und erhält von Sensoren (Analoga der Sinnesorgane lebender Organismen) Informationen über die Außenwelt. Er führt selbstständig Produktions- und andere Vorgänge aus, die normalerweise von Menschen (oder Tieren) ausgeführt werden. In diesem Fall kann der Roboter sowohl mit dem Bediener kommunizieren (Befehle von ihm empfangen) als auch autonom agieren.
Ein Roboter ist ein automatisches Gerät, das einen Manipulator – ein mechanisches Analogon der menschlichen Hand – und ein Steuersystem für diesen Manipulator hat. Diese beiden Komponenten können unterschiedlich aufgebaut sein – von ganz einfach bis extrem komplex. Der Manipulator besteht normalerweise aus gelenkigen Gliedern, wie eine menschliche Hand aus Knochen besteht, die durch Gelenke verbunden sind, und endet mit einem Griff, der so etwas wie die Hand einer menschlichen Hand ist.
Die Lenker des Manipulators sind relativ zueinander bewegbar und können Rotations- und Translationsbewegungen ausführen. Manchmal ist das letzte Glied des Manipulators anstelle eines Greifers eine Art Arbeitswerkzeug, beispielsweise eine Bohrmaschine, ein Schraubenschlüssel, ein Farbspritzgerät oder ein Schweißbrenner. Die Bewegung der Glieder des Manipulators wird von den sogenannten Antrieben bereitgestellt - Analoga der Muskeln in der menschlichen Hand. Typischerweise werden Elektromotoren als solche verwendet. Dann umfasst der Antrieb auch ein Getriebe (ein Getriebesystem, das die Drehzahl des Motors reduziert und das Drehmoment erhöht) und einen elektrischen Steuerkreis, der die Drehzahl des Elektromotors regelt.
Neben elektrischen wird häufig ein hydraulischer Antrieb verwendet. Seine Wirkung ist sehr einfach. In den Zylinder 1, in dem sich der Kolben 2 befindet, der über eine Stange mit dem Manipulator 3 verbunden ist, tritt ein Fluid unter Druck ein, das den Kolben in die eine oder andere Richtung bewegt, und damit die "Hand" des Roboters . Die Richtung dieser Bewegung wird dadurch bestimmt, in welchen Teil des Zylinders (in den Raum über dem Kolben oder darunter) die Flüssigkeit gerade eintritt. Der hydraulische Antrieb kann dem Manipulator eine Drehbewegung mitteilen. Der pneumatische Antrieb funktioniert genauso, nur wird hier statt Flüssigkeit Luft verwendet. Dies ist allgemein die Einrichtung des Manipulators. Die Komplexität der Aufgaben, die ein bestimmter Roboter lösen kann, hängt weitgehend von der Komplexität und Perfektion des Steuergeräts ab. Im Allgemeinen ist es üblich, von drei Robotergenerationen zu sprechen: industrielle, adaptive und Roboter mit künstlicher Intelligenz. Die allerersten Muster einfacher Industrieroboter entstanden 1962 in den USA. Dies waren Versatran von AMF Versatran und Unimate von Union Incorporated. Diese Roboter, wie auch die folgenden, handelten nach einem starren Programm, das sich während des Betriebs nicht änderte und darauf ausgelegt waren, einfache Operationen in einem unveränderten Zustand der Umgebung zu automatisieren.
Als Steuergerät für solche Roboter könnte beispielsweise eine „programmierbare Trommel“ dienen. Er ging folgendermaßen vor: Auf einem von einem Elektromotor gedrehten Zylinder waren die Kontakte der Manipulatorantriebe angebracht, und um die Trommel herum befanden sich leitfähige Metallplatten, die diese Kontakte schlossen, wenn sie sie berührten. Die Position der Kontakte war so, dass sich die Manipulatorantriebe bei Drehung der Trommel zum richtigen Zeitpunkt einschalten und der Roboter beginnt, die programmierten Operationen in der gewünschten Reihenfolge auszuführen. Ebenso könnte die Kontrolle über eine Lochkarte oder ein Magnetband erfolgen. Offensichtlich führt selbst die kleinste Veränderung in der Umgebung, der kleinste Fehler im technologischen Prozess zu einer Verletzung der Aktionen eines solchen Roboters. Sie haben jedoch auch beträchtliche Vorteile - sie sind billig, einfach, leicht neu zu programmieren und können bei schweren monotonen Operationen durchaus eine Person ersetzen. Bei dieser Art von Arbeit wurden erstmals Roboter eingesetzt. Sie bewältigten einfache technologische Wiederholungsarbeiten gut: Sie führten Punkt- und Lichtbogenschweißungen durch, be- und entladen, warteten Pressen und Gesenke. Der Unimate-Roboter beispielsweise wurde entwickelt, um das Widerstandspunktschweißen von Pkw-Karosserien zu automatisieren, während der SMART-Roboter Räder an Pkw montierte. Die grundsätzliche Unmöglichkeit des autonomen (ohne menschliches Eingreifens) Funktionierens von Robotern der ersten Generation erschwerte jedoch eine breite Einführung in die Produktion sehr. Wissenschaftler und Ingenieure versuchten beharrlich, diesen Mangel zu beseitigen. Das Ergebnis ihrer Arbeit war die Schaffung von viel komplexeren adaptiven Robotern der zweiten Generation. Eine Besonderheit dieser Roboter ist, dass sie ihre Aktionen je nach Umgebung ändern können. Wenn also die Parameter des manipulierten Objekts (seine Winkelausrichtung oder Position) sowie die Umgebung (z. B. wenn Hindernisse im Weg des Manipulators auftauchen) geändert werden, können diese Roboter ihre Aktionen entsprechend gestalten. Es ist klar, dass der Roboter, der in einer sich ändernden Umgebung arbeitet, ständig Informationen darüber erhalten muss, sonst kann er nicht in der Umgebung navigieren. In dieser Hinsicht haben adaptive Roboter ein viel komplexeres Steuerungssystem als Roboter der ersten Generation. Dieses System ist in zwei Subsysteme unterteilt: 1) sensorisch (oder sensorisch) – es umfasst jene Geräte, die Informationen über die äußere Umgebung und die Position verschiedener Teile des Roboters im Raum sammeln; 2) Ein Computer, der diese Informationen analysiert und in Übereinstimmung mit ihnen und einem vorgegebenen Programm die Bewegung des Roboters und seines Manipulators steuert. Sensorische Geräte umfassen taktile Berührungssensoren, photometrische Sensoren, Ultraschallsensoren, Positionssensoren und verschiedene Sichtsysteme. Letztere sind von besonderer Bedeutung. Die Hauptaufgabe des technischen Sehens (eigentlich der „Augen“ des Roboters) besteht darin, Bilder von Umgebungsobjekten in ein für einen Computer verständliches elektrisches Signal umzuwandeln. Das allgemeine Prinzip von technischen Bildverarbeitungssystemen besteht darin, dass Informationen über den Arbeitsraum mit Hilfe einer Fernsehkamera an den Computer übertragen werden. Der Computer vergleicht es mit den „Modellen“ im Speicher und wählt ein den Umständen entsprechendes Programm aus. Dabei bestand eine der zentralen Herausforderungen beim Bau adaptiver Roboter darin, der Maschine beizubringen, Muster zu erkennen. Aus den vielen Objekten muss der Roboter diejenigen auswählen, die er benötigt, um eine Aktion auszuführen. Das heißt, er muss in der Lage sein, zwischen Merkmalen von Objekten zu unterscheiden und Objekte nach diesen Merkmalen zu klassifizieren. Dies liegt daran, dass der Roboter die Prototypen der Bilder der gewünschten Objekte im Gedächtnis hat und mit ihnen diejenigen vergleicht, die in sein Sichtfeld fallen. Üblicherweise wird die Aufgabe des „Erkennens“ des gewünschten Objekts in mehrere einfachere Aufgaben aufgeteilt: Der Roboter sucht das gewünschte Objekt in der Umgebung, indem er die Ausrichtung seines Blicks ändert, misst die Entfernung zu den Beobachtungsobjekten, passt das sensitive Video automatisch an Sensor entsprechend der Beleuchtung des Objekts, vergleicht jedes Objekt mit einem "Modell", das in seinem Speicher gespeichert ist, nach mehreren Merkmalen, dh er hebt die Konturen, Textur, Farbe und andere Merkmale hervor. Als Ergebnis all dessen erfolgt eine „Erkennung“ des Objekts. Der nächste Schritt in der Arbeit eines adaptiven Roboters ist normalerweise eine Aktion mit diesem Objekt. Der Roboter muss sich ihm nähern, ihn greifen und an einen anderen Ort bewegen, und zwar nicht nur zufällig, sondern auf eine bestimmte Weise. Um all diese komplexen Manipulationen durchzuführen, reicht die Kenntnis der Umgebung allein nicht aus – der Roboter muss jede seiner Bewegungen präzise steuern und sich sozusagen selbst im Raum „erfühlen“. Zu diesem Zweck ist der adaptive Roboter neben dem Sensorsystem, das die äußere Umgebung widerspiegelt, mit einem komplexen System interner Informationen ausgestattet: Interne Sensoren senden ständig Nachrichten an den Computer über die Position jedes Gliedes des Manipulators. Sie geben dem Auto gewissermaßen ein „inneres Gefühl“. Als solche internen Sensoren können beispielsweise hochpräzise Potentiometer verwendet werden.
Das hochpräzise Potentiometer ist ein Gerät ähnlich dem bekannten Rheostat, jedoch mit höherer Genauigkeit. Dabei springt der Drehkontakt nicht von Windung zu Windung, wie wenn der Griff eines herkömmlichen Rheostaten verschoben wird, sondern folgt den Windungen des Drahtes selbst. Das Potentiometer ist im Inneren des Manipulators montiert, so dass sich bei Drehung eines Glieds relativ zum anderen auch der bewegliche Kontakt verschiebt und sich daher der Widerstand des Geräts ändert. Der Computer analysiert das Ausmaß seiner Änderung und beurteilt die Position jedes der Glieder des Manipulators. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Manipulators hängt mit der Drehzahl des Elektromotors im Antrieb zusammen. Mit all diesen Informationen kann der Computer die Geschwindigkeit des Manipulators messen und seine Bewegung steuern. Wie „plant“ der Roboter sein Verhalten? Diese Fähigkeit hat nichts Übernatürliches - der "Witz" der Maschine hängt vollständig von der Komplexität des dafür kompilierten Programms ab. Der Computerspeicher eines adaptiven Roboters enthält normalerweise so viele verschiedene Programme, wie unterschiedliche Situationen auftreten können. Solange sich die Situation nicht ändert, arbeitet der Roboter nach dem Grundprogramm. Wenn externe Sensoren dem Computer eine Änderung der Situation mitteilen, analysiert er diese und wählt das für diese Situation besser geeignete Programm aus. Mit einem allgemeinen „Verhaltensprogramm“, einem Vorrat an Programmen für jede einzelne Situation, externen Informationen über die Umgebung und internen Informationen über den Zustand des Manipulators steuert der Computer alle Aktionen des Roboters. Die ersten Modelle adaptiver Roboter erschienen fast zeitgleich mit Industrierobotern. Der Prototyp dafür war ein automatisch arbeitender Manipulator, der 1961 von dem amerikanischen Ingenieur Ernst entwickelt und später "Ernsts Hand" genannt wurde. Dieser Manipulator hatte eine Greifvorrichtung, die mit verschiedenen Sensoren ausgestattet war - fotoelektrisch, taktil und andere. Mit Hilfe dieser Sensoren sowie des Steuercomputers fand und nahm er zufällig platzierte Gegenstände, die ihm gegeben wurden. 1969 wurde an der Stanford University (USA) ein komplexerer Roboter "Sheiki" entwickelt. Diese Maschine hatte auch eine technische Vision, konnte umgebende Objekte erkennen und sie nach einem vorgegebenen Programm bedienen.
Der Roboter wurde von zwei Schrittmotoren angetrieben, die unabhängig voneinander von Rädern auf jeder Seite des Wagens angetrieben wurden. Im oberen Teil des Roboters, der sich um eine vertikale Achse drehen konnte, waren eine Fernsehkamera und ein optischer Entfernungsmesser installiert. Im Zentrum befand sich eine Steuereinheit, die die vom Computer kommenden Befehle an die Mechanismen und Geräte verteilte, die die entsprechenden Aktionen ausführen. Entlang des Umfangs wurden Sensoren installiert, um Informationen über die Kollision des Roboters mit Hindernissen zu erhalten. "Sheiki" konnte sich auf dem kürzesten Weg zu einem bestimmten Ort im Raum bewegen und dabei die Flugbahn so berechnen, dass eine Kollision vermieden wurde (er nahm Wände, Türen, Türen wahr). Der Computer war aufgrund seiner großen Abmessungen vom Roboter getrennt. Die Kommunikation zwischen ihnen erfolgte über Funk. Der Roboter konnte die gewünschten Gegenstände auswählen und durch „Schieben“ (er hatte keinen Manipulator) an die richtige Stelle bewegen. Später erschienen andere Modelle. 1977 entwickelte Quasar Industries beispielsweise einen Roboter, der Fußböden fegen, Möbel abstauben, einen Staubsauger bedienen und auf den Boden verschüttetes Wasser entfernen konnte. 1982 kündigte Mitsubishi die Entwicklung eines Roboters an, der so geschickt war, dass er eine Zigarette anzünden und einen Telefonhörer abheben konnte. Am bemerkenswertesten war jedoch der im selben Jahr entwickelte amerikanische Roboter, der mit seinen mechanischen Fingern, einem Kameraauge und einem Computergehirn den Zauberwürfel in weniger als vier Minuten löste. Die Serienproduktion von Robotern der zweiten Generation begann Ende der 70er Jahre. Besonders wichtig ist ihr erfolgreicher Einsatz in Montagebetrieben (z. B. bei der Montage von Staubsaugern, Weckern und anderen einfachen Haushaltsgeräten) – diese Art der Arbeit ist bisher schwer zu automatisieren. Adaptive Roboter sind zu einem wichtigen Bestandteil vieler flexibler (schneller Anpassung an neue Produktversionen) automatisierter Industrien geworden. Die dritte Generation von Robotern – Roboter mit künstlicher Intelligenz – befindet sich noch in der Entwicklung. Ihr Hauptzweck ist ein zielgerichtetes Verhalten in einer komplexen, schlecht organisierten Umgebung, außerdem unter solchen Bedingungen, wenn es unmöglich ist, alle Optionen für eine Änderung vorherzusehen. Nachdem ein solcher Roboter eine allgemeine Aufgabe erhalten hat, muss er selbst ein Programm für seine Implementierung für jede spezifische Situation entwickeln (denken Sie daran, dass ein adaptiver Roboter nur eines der vorgeschlagenen Programme auswählen kann). Falls die Operation fehlschlägt, kann der KI-Roboter den Fehler analysieren, ein neues Programm kompilieren und es erneut versuchen. Autor: Ryzhov K.V.
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