Файл: История научных исследований в области мобильных колесных роботов.pdf

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого
Институт металлургии, машиностроения и транспорта
Кафедра «Автоматы»
РЕФЕРАТ
Дисциплина: История и философия науки
Тема: История научных исследований в области мобильных колесных роботов
Выполнил аспирант кафедры «Автоматы»
Института Металлургии, Машиностроения и Транспорта Козлович А.В.
Научный руководитель д.т.н., проф., Волков А.Н.
«___» ___________ 2019 г.
Санкт – Петербург
2019

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 3
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЕ ОТКРЫТИЯ ................................................................... 4
Колесо .................................................................................................................... 4
Двигатель .............................................................................................................. 5
Мобильные источники энергии .......................................................................... 7
Электронно-вычислительные машины .............................................................. 8
ПЕРВЫЕ МОБИЛЬНЫЕ РОБОТЫ ..................................................................... 11
Колесный робот Леонардо да Винчи ............................................................... 11
«Черепашки» Уолтера ....................................................................................... 12
Робот Шэйки ....................................................................................................... 14
Планетоходы ....................................................................................................... 16
ПРИМЕНЕНИЕ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ В НАШЕ ВРЕМЯ ....................... 20
Мобильные роботы в промышленности .......................................................... 20
Мобильные роботы в сфере обслуживания ..................................................... 22
Беспилотные автомобили .................................................................................. 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 29
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................................... 30

3
ВВЕДЕНИЕ
Если оглянуться назад и посмотреть в прошлое, то легко заметить, что человек всегда стремился облегчить свою жизнь, переложив тяжелый или опасный труд на других. В древности для этих целей использовались рабы. А сейчас, благодаря высокому уровню развития науки и техники, во многих опасных, тяжелых, монотонных задачах человека заменяют роботом. Стоит отметить, что в настоящее время создаваемые роботы чаще всего предназначены для выполнения какой-то определенной задачи или определенного круга схожих задач, т.е. о какой-то универсальности (в широком смысле этого слова) к сожалению речи не идет.
Но даже несмотря на все разнообразие созданных человечеством роботов, практически у всех них можно выделить некоторые общие структурные элементы [7]: система перемещения и манипуляционная система
(являются частями т.н. исполнительной системы), сенсорная система и система управления.
Следует понимать, что указанные выше системы не обязательно должны быть у каждого робота. Следствием этого являются критерии классификации роботов, в основе которых лежит наличие или отсутствие той или иной системы.
В рамках данной работы мы будем рассматривать т.н. мобильных роботов, т.е. тех роботов, в состав которых входит система перемещения. Но даже в рамках этого класса существует множество разновидностей роботов
(например, подводные, наземные, летающие, подземные и т.д.; шагающие, колесные, гусеничные и т.д.). Наиболее распространенным представителем этого класса роботов является колесный мобильный робот, предназначенный для перемещения по горизонтальным поверхностям. Казалось бы, данная разновидность роботов не нова, а идея, лежащая в ее основе, очень проста. Но до сих пор конструктивные схемы исполнения колесных роботов активно развиваются, совершенствуются и внедряются.

4
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЕ ОТКРЫТИЯ
Очевидно, что для разработки мобильного робота на колесной базе необходимо иметь некоторую базу – определенный набор элементов, который является основой для нового робота. Рассмотрим историю открытия наиболее важных из таких компонентов.
Колесо
Наиболее ранние колеса, которые удалось найти археологам, датируют пятым тысячелетием до н.э. Эти колеса были найдена на Балканах [5] и для их изготовления была использована глина. Вполне возможно, что это не самые первые колеса, которые были изготовлены человечеством, однако ученым не удалось со 100% уверенностью подтвердить, что иные находки, датируемые более ранними историческими периодами, являются именно ими.
Рисунок 1 – Способы перевозки грузов в древности
Как же наши предки пришли к концепции колеса? Вероятнее всего его открытию предшествовала следующая цепочка наблюдений и размышлений.
В древние эпохи для строительства человеком использовалось дерево. И в какой-то момент люди обратили внимание, что ствол поваленного дерева не обязательно тащить волоком – его можно катить (предварительно избавив его от ветвей). Правда сил человека хватало лишь для относительно небольших стволов.

5
Следующим шагом на пути к изобретению колеса стало применение рычага. Его подкладывали под ствол дерева и, нажимая на нее, перекатывали ствол на нужное место. Таким способом можно было перемещать весьма тяжелые грузы (на Руси так перемещали корабли при прохождении порогов на реках).
Правда у такого способа перемещения был весьма серьезный недостаток: при движении бревна выкатывались сзади и их постоянно приходилось переносить вперед, вновь подкладывая под груз. Но в какой-то момент люди догадались зафиксировать подкладываемые бревна таким образом, чтобы они перемещались вместе с грузом (рис. 1). Фактически, был изобретен каток. В дальнейшем от него остались лишь небольшие валики по краям груза, которые и стали прообразом современных колес.
Двигатель
Еще одним изобретением, без которого невозможно представить современного мобильного робота, является двигатель. Изобретение первого двигателя непрерывного вращения приписывают Джеймсу Уатту (1782 год)
[2]. В историю он вошел под названием машины Уатта двойного действия
(рис. 2, б). При его разработке Уатт опирался на машину Ньюкомена
(рис. 2, а), а в качестве рабочего тела (т.е. источника энергии) использовал пар.
Интересный факт: несмотря на то, что с момента изобретения машины
Уатта прошло уже более 200 лет, некоторые ее компоненты – шатунно- поршневая группа – до сих пор активно используются (в том или ином виде) в современных двигателях внутреннего сгорания.

6 а б
Рисунок 2 – Паровой двигатель Ньюкомена и машина Уатта двойного действия
В 1807 году изобретатель Франсуа Исаак де Ривас создал первый двигатель внутреннего сгорания. Его разработка не была пригодна для практического применения, однако именно она стала отправной точкой для дальнейших разработок в данной области.
Если же говорить о двигателе внутреннего сгорания, который можно было использовать на практике, то первую модель изобрел Этьен Ленуар в
1860 году. Это был двухтактный двигатель с одним цилиндром, в котором в качестве рабочего тела использовался газ. А в 1880-х года был изобретен первый карбюраторный двигатель, работавший на бензине. Его автором является Огнеслав Степанович Костович.
Но подобный тип двигателей практически не применяется в промышленности в целом и в робототехнике в частности. Вместо него обычно используется электромагнитный двигатель. Активные исследования в электростатике и электродинамике велись уже в 1820 году, однако на тот момент ученые еще не обнаружили, что магнетизм и электричество связаны между собой. Одним из ученых, занимавшихся этой проблемой, был Майкл

7
Фарадей и ему приписывают авторство первого электромагнитного двигателя [4].
В основе изобретения Фарадея лежал опыт другого ученого – Ханса
Кристиана Эрстеда. Он обнаружил, что электрический ток способен влиять на магнитную стрелку, отклоняя ее. Проанализировав результаты своего коллеги и проделав ряд собственных опытов, Фарадей опубликовал работу под названием «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма» (1821 год). Именно в ней, помимо всего прочего, он описал первый электромагнитный двигатель.
Еще один ученый, которого нельзя не упомянуть, когда речь идет о электродвигателях – Якоби. Пока его современники пытались изобрести возвратно-поступательный электродвигатель (по аналогии с паровым двигателем), он выдвинул идею, что электродвигатель с вращающимся выходным валом является более универсальным, а машины, в которых он будет использоваться, будут иметь более простую конструкцию, чем те, в основе которых лежит возвратно-поступательный двигатель.
Мобильные источники энергии
Говоря о мобильных роботах нельзя не упомянуть и о мобильных источниках энергии – электрических аккумуляторах. Впервые источник тока, в основе которого лежат химические свойства входящих в его состав материалов, был изобретен в 1800 году Алессандро Вольтом.
Последующие опыты позволили найти наиболее эффективные комбинации элементов, которые в процессе своего взаимодействия выделяют наибольшее количество энергии, а также позволяют осуществлять повторную зарядку.
Несмотря на то, что в настоящее время исследования в области энергетики и мобильных источников энергии еще далеки от завершения, существующие модели электрических аккумуляторов позволяют создавать

8 мобильные роботы, которые успешно выполняют поставленные перед ними задачи.
Электронно-вычислительные машины
Вычислительные машины, в основе которых лежит механика, известны человечеству уже давно. Еще в Древнем Вавилоне (3000 год до н.э.) люди использовали для вычислений специальные счеты – «Абак». Различные модификации этого устройства также находили на территории Китая, Римской
Империи, Греции.
Подобные разработки интересовали и Леонардо да Винчи – в его трудах можно найти эскиз суммирующего устройства, в основе которого лежат десятизубцовые кольца. Правда впервые его разработку воплотили в
«металле» лишь в наше время.
В дальнейшем для вычислений люди использовали различные механические устройства, начиная со счет и логарифмической линейки и заканчивая арифмометром.
Если же говорить об электронных устройствах, предназначенных для выполнения арифметических операций, то нельзя не упомянуть о табулирующей системе Германа Холлерита (1884-1887 гг.). Данная система была разработана для выполнения определенной задачи – выполнения переписи населения США, которая проходила в 1890 и 1900 годах. Табулятор был программируемым устройством – для записи программы оператору было необходимо соединять определенные элементы с помощью проводов на коммутационной панели. А для ввода исходных данных (по сути являвшихся анкетами, заполняемыми при переписи) использовались перфокарты.
Первое устройство, которое можно считать настоящим ЭВМ, появилось в 1941-ом году. Оно получило название Z3, а его автором являлся немец
Конрад Цузе [8]. Главными отличительными чертами его разработки являлись возможность свободного программирования устройства (для этого использовался двоичный код с плавающей точкой), а также поддержка

9 основных математических операций (сложение, умножение, вычитание, деление и извлечение квадратного корня). Что касается конструкции Z3, то в основе его лежали телефонные реле, на которых была построена память и вычислитель. Для хранения программ применялась пленка с перфорацией.
Главное преимущество Z3 заключалось в используемой в нем двоичной системы счисления, т.к. для конечных пользователей она была весьма удобна и проста в понимании. Позднее в других странах были созданы аналогичные компьютеры (например, «Колосс», однако они были больше немецкой разработки и имели более высокую стоимость.
Следующий этап в эволюции ЭВМ ознаменовался созданием транзистора (1947 год). Спустя десять лет – в 1957 году – американцы из NCR представили свою версию ЭВМ, построенную на их базе. Благодаря транзисторам удалось понизить энергопотребление конечного устройства и уменьшить его габариты. Кроме того, возросла надежность ЭВМ.
Еще одна важная веха в истории ЭВМ – изобретение интегральных схем.
Сама идея о размещении на одном монолитном кристалле множества электронных компонентов была озвучена в 1952 году Джеффри Даммером. К сожалению, на тот момент не существовали необходимые технологии, которые позволили бы реализовать его идеи на практике [3]. Но уже спустя семь лет эти проблемы удалось решить. Во-первых, была открыта металлизация алюминием (Роберт Нойс) – с ее помощью осуществлялось соединение элементов (электрическое) на интегральной схеме. Во-вторых, была разработана технология, позволяющая электрически изолировать различные компоненты, размещаемые на одном полупроводнике (точнее на его кристалле). Автор этой технологии Курт Леговиц. И, наконец, в-третьих, был разработан и запатентован собственно принцип интеграции (Джек
Килби). Все эти разработки позволили перейти на использование интегральных схем в ЭВМ, благодаря чему не только в очередной раз удалось снизить габариты конечного изделия, но и повысить его надежность.

10
До появления привычных нам персональных ЭВМ остался всего один шаг и его сделал Тэд Хофф, сотрудник Intel. В 1969 году он выдвинул идею о выделении ряда элементов компьютера в один физический блок – центральный процессор. Тэд предложил выполнять базовые действия – логические, управляющие и арифметические – на одной общей микросхеме.
Это позволило бы заметно упростить разработку и создание новых ЭВМ, а также в очередной раз значительно уменьшило бы их габариты. Впервые такое решение было реализовано в микропроцессоре Intel 4004.
Примерно в это же время появился отдельный класс устройств, который в дальнейшем нашел широкое применение в промышленности в целом и в робототехнике в частности. Речь идет о микроконтроллерах – устройствах, кристалл которых содержит в себе не только элементы процессора, а всего
«компьютера» в целом. При этом вычислительные возможности такого решения заметно ниже, чем у полноценной ЭВМ, однако их более чем достаточно для управления оборудованием и иными электронными устройствами.

11
ПЕРВЫЕ МОБИЛЬНЫЕ РОБОТЫ
Колесный робот Леонардо да Винчи
Наверное каждый слышал о гениальном художнике, ученом и изобретателе, Леонардо да Винчи. За свою жизнь он изобрел массу устройств и механизмов, а некоторые их до сих пор в том или ином виде используются человечеством. Одну из его разработок можно классифицировать как первого колесного мобильного робота (рис. 3).
Рисунок 3 – Эскиз робота да Винчи
К сожалению, ученым так и не удалось понять, какую цель преследовал да Винчи, придумывая данное устройство. Ряд специалистов склонялся к мысли, что данное изобретение является прообразом автомобиля, однако более детальный анализ эскизов и последующее создание макета на их основе
(рис. 4) показало, что в нем не предусмотрено место для водителя.

12
Рисунок 4 – Макет робота Леонардо да Винчи
Фактически изобретение Леонардо да Винчи представляется собой колесную тележку, которая способна поворачивать в определенный момент в соответствии с заданным предварительно алгоритмом. Этот алгоритм задавался с помощью блоков и зубчатых передач. Что касается источника энергии, на котором работает данное устройство, то в записях да Винчи не было каких-то указаний на этот счет. Ученые предположили, что в качестве такого источника могла быть использована заведенная пружина.
Скорее всего данное изобретение не имело какого-либо практического применение и фактически являлось забавной игрушкой. Также стоит отметить тот факт, что руль тележки мог поворачиваться лишь в одну сторону – это также заметно ограничивало возможные области применения устройства.
«Черепашки» Уолтера
С появлением компактных двигателей, аккумуляторов и микроконтроллеров вопрос об основной элементной базе мобильных роботов