Робототехниканың құрылу және даму шарттары

1 ТАРАУ. МЕХАТРОНИКА МЕН РОБОТОТЕХНИКАНЫҢ  ДАМУ ТАРИХЫ

 

1. Робототехниканың құрылу және даму шарттары

 

Ғылым және техниканың қандайда бір саласының пайда болуы  өте күрделі процесстердің бірі. Оның дамуы  белігілі бір уақыт  интервалындағы  басқа объективті және субъективті себептер мен жағдайларға  өзара тәуелді және байланысты. Кейбір жағдайларда техникалық құрал бірінші  пайда болып, оны ғылыми тұрғыда  дамуына, бағытына сілтеу бола алады. Ал басқа жағдайларда, ғылыми зерттеулердің  арқасында жаңа техниканы ойлап  табуға немесе жетілдіруге жағдай туады. Робототехника және мехатрониканың құрылуы және даму тарихы, сонымен  қатар роботтар мен басқа мехатрондық  құралдардың жетілдірілуі мен шығарылу процессі, ғылыми даму бағыты мен жаңа техниканың құруына байланысты күрделі  себеп-салдарды растайды. Мысалы, алғашқыда  роботтар жасалды, ал кейінірек роботтарды пайдалану сұранысына қарай ғылыми бағыт – робототехника қалыптасты. Сонымен қатар, ғылыми білім саласында  алғы шарттар және тәжірибе жинау  процессінде, алғашқыда қарапайым, ал одан кейін одан біршама күрделі  мехатрондық құралдар дайындау шарттары құрылды. Жаңа техникалық жүйелердің ауқымды классының пайда болуы мен микроэлектроника саласында ақпараттық жүйелердің дамуы Мехатрониканың дамуына ғылыми түрде үлкен септігін тигізді. Ақырында, Робототехника Мехатрониканың ғылыми бағытының бірі екенін көрсетеді.

Роботтарға ұқсас,  механикалық  адамдарды құрастыру идеясының пайда болуы және құрылу тарихы ежелгі заманнан келе жатыр. Мұндай адам туралы бірінші естелік – Талос атты жезді алып – б.з.д. ІІІ ғ..  Александрияда І ғ.-да тұрған. Оның кітабында адам қозғалысын дәл қайталайтын,  жүзден аса автоматтарды сиппаттаған Үлкен Геронның танымал жұмыстары. Автоматика мен робототехника элементтерінің дамуына, сағаттың пайда болуы мен оның жетілгендігі маңызды әсер етті. Әртүрлі автоматтардың негізін күрделі механизмдер құраған.

Қолданбалы және жаратылыстану  ғылымдары салаларындағы жетістіктердің бірі ХХ ғ. басында көпғасырлық адамзат  арманы болған, яғни еңбектену процессіндегі  адамды алмастырушы құралды жасау  үшін қажеті техникалық және ғылыми база құрылды. 1927 жылы америкалық инженер  Дж. Венсли  "Televox" атты алғашқы роботты құрастырды. Бұл робот сырт келбеті бойынша адамға ұқсас және бұйрықпен элементарлы қозғалыстарды жасай алды. 1928 жылы Жапонияда «Табиғат сынаушы» атты бірінші робот құрастырылды. Бұл робот электродвигательдің көмегімен,  қолы мен басының орналасуын өзгерте алды.

Робототехникамен өткен, бірінші қарапайым роботтардан  қазіргі уақыттағы интеллектуальді  роботтарға дейінгі жолы осы. Сонымен  қатар,  есептеу техникасы және электрониканың дамуына аса үлкен  үлес қосты. Онымен сандық бағдарламалық  басқаруы бар кибернетикалық машиналар  дүниеге келді. 1951 жылы шыққан Дж. Фон Нейманның «Кибернетикалық автоматтардың жалпы және логикалық теориясы» есептеу техникасының дамуына үлкен серпіліс берді. Осыдан кейін электронды есептеу машиналарын (ЭЕМ) жасау және жобалау үлкен қарқынмен дами бастады. Қысқа уақыт ішінде ЭЕМ-нің бірнеше буынға өзгерді. ЭЕМ-нің 1-буынының негізі болып электр-вакуумдық лампалар болса, 2-буында транзисторлар, 3-буында интегралды схемалармен жасалды. 4-буынның элементарлық база болып кең ауқымды интегралды схемалар болса, ал қазіргі ЭЕМ-де микропроцессорлармен және  микропроцессорлі жиындар негіз болып табылады.

Микропроцессорлар – бұл  кішігірім есептеу құралдары. Оны  қазіргі уақытта транспортта  немесе өндірісте ғана қолданбай, күнделікті өмірдегі тұрмыстық техникаларда, ойыншықтарда және де көптеген құрылғыларда қолданады.

Жоғарыда айтып кеткендей, робототехниканың дамуына, роботтарды басқарына есептеу программалық басқарудың пайда болуы әсер етті. Егер тариха оралатын болсақ өндірісті  автоматизациялау идеясы ХХ ғасырдың басында дүниеге келді. Нақтырақ айтсақ 1907 жылы  автоматизациялау Форд зауытында құрылды.  Бірақ, бірінші  сандық программалық басқару (СПБ) 1952 жылы металдыөңдеу станогі құрылды. Тура осындай басқару принципі кейінірек  роботтарға қолданылды.

Сонда да қазіргі замандық робототехника 1954 жылдан бастау алады. Себебі АҚШ-та  Р.Герцтің басқаруы арқасында атомдық станцияларда қызмет көрсететін манипуляторлар жасалды. Бұл манипулятор ANL Model-1 Арогондық ұлттық лабораторияда (ANL ағылшын тілінен қысқартылған) жасалды. Алғашқы роботтар консольдық конструкцияға ие және адам қолына ұқсас жасалынады. Бірақ аптропологтардың айтуынша адам қолы 27- лік қозғалысқа ие. Роботтар болса, аз қозғалысқа ие болады, сол себепті оның басқаруында проблемалар туындайды.

Көп роботтарды өндірістік мақсатта пайдалану үшін жасалынады. Роботтардың түріне кіретін, өндірістік роботтар қолдың кейбір функцияларын орындауға арналған программа бойынша жұмыс жасайтын механикалық құрылғы. ӨР-дың жайылуы "Unimate" және "Wersatran" роботтарының пайда болуынан, яғни 1962 жылдан басталады. Бұл роботтар мынадай технологиялық процестерге қызмет көрсету үшін арналды: қысымның әсерінен балқыту, тағалау(ковка), нүктелік сварка және т.б. Алғашқы тәжірибелік үлгі ТМД аумағында П.Н. Белянина мен Б.Ш. Розинаның жетекшелігімен 1971 жылы шығарылды және УМ-1 деп аталды. Бұл гидроқозғалтқышы және 40 кг жүккөтергіші бар өндірістік робот. УМ-1 роботында аналогты-трансформаторлы позициялы программалық меңгеру системасы бар. 1970-1985 жылдар аралығында өндірістік роботоқұрылыста кейбір дамулар көрініс тапты. 1990 жылғы бұрынғы КСРО аумағындағы мамандардың бағалауы бойынша, роботтардың сұранысы 375 мыңға жетуі керек еді. Бірақ бұл жорамалдар айқын растамады. Қазіргі кезде қандайда бір қызығушылықтың жоғалуы және ӨР өндірісі бәсеңдеуі көрініс табуда. Бірақ робототехника ғылымы дамуы жалғасуда, ал ғалымдар мен құрастырғыштар одан да жаңа және жетілген роботтар жасауда.

Бір америкалық журналдың  мәліметі бойынша 1990 жылы роботжасау саласы 485 млн. АҚШ дол. тапсырыс жасады және соммасы 517 млн. АҚШ дол. болатын рекордттық тапсырыс алды.

Қазіргі уақытта бүкіл  әлемде 700 мыңға жуық робот жұмыс  жасайды.2020 жылдың басына қарай роботтардың  саны 1200 мыңға жетеді деген болжам бар. Роботтарды пайдалану аумағы әрдайым  кеңуде. Өз кезегінде робототехниканың дамуы, бұл ғылымның кең ауқымды  сұрақтарын өзіне қосатын басқа  ғылым бағыттарын талап етті. Мысалға, робот сол немесе басқа өлшемде  кейбір тірі ағзалардың функцияларын орындайды. Осы себептен робототехника  күрделі механикалық жүйелердің жасаумен айналысады. Қысқаша айтқанда, механизмдер синтезі мен анализімен, жұмыс құрамында қолданатын механикалық  құрылғыларымен айналысатын, роботтар механикасы (манипуляторлар)  деген  робототехниканың  бөлімі бар.    

Жасанды сезу мүшелерін  құрастыруды робототехниканың –  сенсорлы технология айналысады.

Роботтың «миын» құрастыру  үшін информатика және жасанды интеллект  саласындағы нәтижелер мен жетістіктері пайдаланады.

Өлшеу технологиясында  робот үшін техникалық көру жүйесін (ТКЖ) құруға бағыт бөлінді.

Роботтың функциясын жақсы  түсіну үшін, адамның аналогты функциясымен салыстыру қажет. 

1.1-суретте,  адамның функцияларына ұқсайтын робот функциялары цифрлармен белгіленген. Бұл функциялар келесі:

1- жасанды иіс сезімі;

2- жасанды ақыл (интеллект);

3- техникалық көріс;

4- сөйлеуді талдауыш (анализатор);

5- сөйлеу синтезаторы;

6- жасанды аяқ-қол (адымдағыш аппарат);

7- жасанды қол (кисть);

8- механикалық қол (манипулятор).

 

Рис.1.1. Адам мен роботтың функионалдық мүмкіндіктерінің салыстыруы.

 

1.1-суретте  көрсетілгендей механикалық қол  манипулятор деп аталады. Сондықтан  техникалық әдебитте "Манипуляциялық робот" термині қолданылады. Басты мақсаты адам қолының функциясын орындау болатын роботты солай атайды. КР-ді кәсіпке енгізу процессі роботизация деп аталады. КР кіретін кәсіби бөлімшелер роботтандырылған технологиялық жүйелер деп аталады (РТЖ). РТЖ-нің негізгі құрылымдық бірлігі болып роботтандырылған комплекстер саналады (РТК). РТК деп комлекстің ішіндегі автоматтандырылған жұмыс циклін қамтамасыз ететін, бір немесе бірнеше КР-дан тұратын, автономиялы кәсіби құралдар жиынтығы аталады. Әртүрлі РТК-тарды қосу арқылы РТЖ-лер пайда болады.

 

 

2. Механтрониканың пайда болуын және дамуын қамтамасыз еткен негізгі факторлар

 

Бір жағынан, ғылымның “электромеханика” және “мехатроника” атты екі саласында механикалық жүйелер карастырылғандықтан олар ұқсас деп саналады.  Бірақ олардың негізгі айырмашылығы олардың ғылым мен техниканың әртүрлі даму сатысын көрсететінінде.

Механика  және электротехника түсініктерін біріктіретін “электромеханика” терминін электрді ашып, практикада электрлік құрылғылар қолданысқа кірген кезбен байланыстырады. Мысалы, электромеханиканың әдетті объектісі электромеханикалық түрлендіргіш, электрлік шамаларды (тоқ күші, кернеу) сәйкес механикалық орын ауыстыруға немесе керсінше түрлендіреді. Электромеханикалық құрылғылардың мысалы ретінде электроқозғалтқыш пен генераторларды, тілдік шкалалы  электроөлшеуіш құрылғыларын, электромагнитті реле және т.б. айтуға болады.

Қазіргі техникалық прогресс жаңа материалдар  мен биотехнология негізінде  электрониканың қарқынды дамуымен сипатталады. Яғни электрониканың дамуы және соған байланысты микропроцессорлық техниканың, сигналдарды өңдеу құрылғыларының және энергияны түрлендіруге арналған электронды құрылғылардың дамуы мехатронды жабдықтарды қолдануға мүмкіндік беріп, ғылымның Мехатроника атты саласының пайда болуына ықпал етті.  Электрониканың қазіргі деңгейі электрондық құрылғылардағы бумаладың жоғарғы тығыздығымен сипатталады. Жаңа материалдарды және электрондық жүйелерді жасауда модульдік принципті қолдану: интегралдық схема (ИС), үлкен (ҮИС) және өте үлкен (ӨҮИС) интегралық схема және программаланатын интегралдық схема – микропроцессор сияқты микроминиатюрлі электронды бұйымдарды жасауға алып келді.

Микроминиатюрлі электронды құрылғыларды жасау және қолдануды жобалайтын ғылым микроэлектроника деп аталады.

Микроэлектрониканың жетістігінің нәтижесінде бір кристаллда күрделі операцияларды орындай  алатын жүз миллиондаған микроминиатюрлы  электронды бұйымдарды орналастырып электронды схеманы жасауға болады.

Электронды  схемалардың салмағының және бағасының  азаюы тәрізді мүмкіндіктерінің қеңейуі оларды техникалық жүйелерге  сәтті орналастыруға және сол  техникалық жүйелердің мүмкіндіктерін арттыруға мүмкіндік берді. Сонымен, микроэлектрониканың дамуы мехатрониканың пайда болуы мен дамуына мүмкіндік  берді. Мехатрондық құрылғыларда микроэлектроника құралдарын қолдануға интеграция негізінде микроэлектроника құрылғылардың сыртқы ортаның ықпалына қарсы тұру қасиеті де жағдай жасайды. Мысалы, ұшақтарда орналастырылған электронды құрылғылар элекрлік шуға, механикалық тербелістерге және температураның кең диапазонда өзгеруіне душар. Мехатрондық құрылғылар берік, сенімді, дәл және информациялқ жүйесі тез болуы керек. Соған байланысты мехатронизация микроэлектрониканың алдына жаңа есептер қояды. Сондықтан мехатроника мен микроэлектрониканың даму үдерісі өзара байланысты және шартты.

Мехатрониканың  тұруында робототехниканың да ықпалы зор. Роботтарды жетілдіруге ұмтылу және автоматты түрде басқарылатын, ақылды роботтарды жасау Мехатрониканың дамуын мәжбүрледі.

 

3. Мехатроника, Робототехника және басқа ғылым салаларының өзара байланысы.

 

Айтылғандай ғылымның бірде бір бағыты және техниканың бірде бір объектісі өзінен өзі  пайда болмайды. Ғылым мен техниканың дамуы, ғылымдық білімдердің жиналуы, адаммен жасалатын объектілердің  жетілдіруі адамның өзінің мүмкіндіктерін арттыруға ұмтылуына және табиғат заңдарын түсініп, қолдануына байланысты. Жасанды адам – роботтың және табиғатпен жасалған адамның мүмкіндіктерін салытыруы бір жағынан техника мен ғылымның қазіргі дамуын, екінші жағынан қазіргі уақытта орын алатын танылмаған белгісіз білім көлемінің бар екенін және адаммен жасалатын объектілерді шексіз жетілдіруге болатынын көрсетеді. 

Мехатроника ғылым салаларының бірі бола отырып, басқа ғылым және кәсіп салаларында табылған жетістіктерін қолданады. Мехатроника негізінде осы және басқа ғылым және техника салалары дамып, жаңа ғылыми бағыттар пайда болады. 2.1-суретте Мехатроника, Робототехника және т.б. ғылым және техника салаларының байланыс схемасы көрсетілген. Суреттен Роботехника Мехатрониканың тек роботтарды зерттейтін ғылыми бөлімі болып табылатыны көрінеді. Бірақ мехатрониканың зерттеу объектілеріне роботтардан басқа мехатрондық құрылғылар кіреді. Мұнда системотехника дегеніміз жобалау, жасау, сынау және қолдануды зерттейтін ғылыми техникалық сала екенін айта кеткен жөн. 2.1-суретте көрсетілген схеманы жеңілдету үшін әртүрлі техника және  ғылым салаларының тек мехатроника мен робототехника салаларына ықпалы көрсетіліп, олардың өзара байланысы көрсетілмеген.