как устроены мозги робота
Как устроен промышленный робот? Краткий гид по структуре и движениям робота
1. Роботы и человек. Так ли они отличаются?
Плечевой и локтевой суставы, кости – это звенья.
Существуют и более расширенные классификации промышленных роботов, которые рассматривают типы соединения и движение звеньев. Более подробно с видами промышленных роботов можно познакомиться в нашей статье
Рассмотрим принципы движения и внутреннюю структуру промышленных роботов.
2. Сравнение движения робота и человека
Рассмотрим механику движений робота шарнирного типа с последовательным соединением звеньев, который конструктивно схож с рукой человека.
Промышленный вертикальный шарнирный робот с последовательным соединением звеньев содержит, как правило, 6 суставов (осей).
На следующем изображении наглядно показано сравнение движений робота и человека.
Оси с 1 по 3 — это туловище и рука человека, а с 4 по 6 оси — запястье и кисть. Первые три оси перемещают кисть в пространстве, а следующие три оси двигают ей. Шестиосевая конструкция дает роботам свободу движения, даже большую, чем человеческой руке.
Предлагаем наглядно это посмотреть на видео.
3. Что нужно для движений робота? Структура робота
Далее мы рассмотрим внутреннее строение промышленного робота.
На рисунке ниже показана схема универсального шарнирного робота Kawasaki серии R малой и средней грузоподъёмности. Роботы серии R применяются для широкого спектра задач, от сборки электронных устройств до дуговой сварки. У роботов этой серии предусмотрено размещение кабелей и пневмотрубок внутри корпуса, благодаря чему удалось избежать возможных помех при работе дополнительного оборудования. Но, несмотря на это, роботы этой серии отличаются компактностью и высокой скоростью движений всех звеньев. Этот робот незаменим там, где нужен короткий цикл операций, в чем можно убедиться, симулировав работу робота в виртуальной среде, при офф-лайн программировании.
На рисунке выше наглядно видно, из чего состоит робот. Это металлическое основание робота, корпуса 1го, 2го, 3го звеньев, запястье, моторы, оборудованные энкодерами, редукторы и ременные передачи. Остановимся подробней на этих элементах робота.
I. Звенья
Корпус промышленного робота – сложносоставной и состоит из отдельных звеньев. Самое нижнее, нулевое звено – это основание робота. К нему через редуктор первой оси крепится, корпус первого звена, а к корпусу первого звена, через редуктор второй оси, корпус второго звена. Третье звено при помощи редуктора третьей оси, крепится к корпусу второго звена. Четвертое, пятое и шестое звенья образуют модуль называемый запястье. Запястье крепится к корпусу третьего звена через редуктор четвёртой оси.
II. Редукторы
Каждый сустав (или ось) робота состоит из мотора и редуктора. Этот узел принято называть приводом. Физически функцию сустава (сочленения), соединяющего два соседних звена робота, несут редукторы. Они представляют собой, как правило, законченное механическое устройство, с корпусом в виде составного цилиндра. С одной стороны редуктор крепится к звену N, где установлен мотор, с другой стороны к редуктору крепится корпус звена N+1.
Редукторы нижних осей (с первой по третью) обычно имеют полую середину для того чтобы сквозь них можно было провести электрические провода и пневматические трубки для следующих осей и исполнительного органа (инструмента) робота. Однако, основной задачей редуктора является увеличение силы вращения мотора, за счет снижения скорости вращения. Внутри редуктора находится множество механических передач разного рода, устроенных таким образом, чтобы вращение вала двигателя преобразовывалось в более мощное вращение на выходе из редуктора, но с меньшей скоростью. Таким образом, уменьшая вращение мотора в 10 раз, можно достичь десятикратного увеличения мощности привода. Подобный принцип используется в велосипедной системе переключения передач. Велосипеды имеют разные размеры передних и задних звёздочек. Переключение передачи происходит переставлением цепи на звездочки разных размеров на заднем колесе.
Когда выбрана высокая передача и число оборотов колес минимизировано, усилий для вращения педалей требуется меньше, но необходимо увеличить интенсивность их вращения, но ехать по крутым склонам становиться намного проще. Таким образом итоговая мощность увеличивается, при меньшей работе приводов, в данном примере, работе ног на педалях.
В видео описан принцип работы современного редуктора используемый в роботах.
III. Моторы
Звенья сочленённые посредством редукторов приводятся в движение, и удерживаются в определенном положении при помощи сервомоторов (серводвигателей)
Привод, функционирующий в суставе робота, позволяет перемещать руку вверх, вниз или вращать ею, преобразуя электроэнергию в механическое движение. Чаще всего в приводах роботов Kawasaki используются сервомоторы. Расположение серводвигателей в роботах серии R отмечено красными кружками на изображении ниже.
Как правило, самым распространенным источником энергии для приводов является электричество, но в некоторых моделях роботов встречается использование гидравлической или пневматической тяги. Некоторые гидравлические приводы уникальны тем, что они могут генерировать большую мощность, сохраняя высокую степень надежности.
Кстати, во роботах Kawasaki для тяжелой нагрузки используются высокопроизводительные сервомоторы переменного тока.
IV. Энкодер
Энкодер — это устройство, которое указывает положение (угол) вала вращения двигателя. При наличии энкодера, можно получить четкие данные о том, как и в каком направлении движется робот.
Самый простой – оптический энкодер, который представляет из себя диск с отверстиями, расположенными по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга, и прикрепленный к вращающемуся валу двигателя. Перпендикулярно к двигателю расположены с одной стороны два светодиода, а с обратной стороны – фотодиод для считывания интенсивности света от светодиодов.
Когда двигатель вращается вместе с диском энкодера, свет от диодов проходит через щели или блокируется, поэтому угол и скорость вращения можно определить путем считывания сигналов с фотодиода. Это позволяет сервомоторам точно контролировать положение и скорость.
В роботах Kawasaki установлены высокоточные многооборотные абсолютные энкодеры с 32 битным разрешениям кодовых дисков. Даже при выключенном питании от контроллера, такой энкодер всегда будет фиксировать поворот в том числе более 360° так, как будет питаться от батарейки в руке робота. Поэтому при случайном сдвиге, при транспортировке или монтаже, не потребуется дополнительно настраивать изначальное положение звеньев робота.
V. Трансмиссия, ременная передача
Трансмиссия или ременная передача — является компонентом, который передает крутящий момент, вырабатываемый приводами и редукторами и преобразует его в движение робота. Трансмиссия также способна изменять направление и величину мощности привода. Рассматривая велосипед в качестве примера. Цепь, которая соединяет переднюю звезду с задним колесом, является трансмиссией. Так велосипеды и передвигаются, начиная с вращения педалей и передавая вращательную энергию на заднее колесо с помощью трансмиссии.
Этот принцип также применяется внутри промышленного робота. Двигатель, используемый в роботах, обычно размещается рядом с суставами, но его также можно разместить вдали от суставов, используя трансмиссионные механизмы, такие как ремни и шестерни. Такая схема применяется в запястье роботов серии R от Kawasaki, что позволило сделать запястье более компактным.
4. Инструмент робота (EOAT)
В западной литераторе можно встретить термин End of arm tooling (EOAT), что дословно переводится как инструмент на конце руки.
Люди могут выполнять различные задачи, используя инструменты, роботы недалеко ушли. Касательно промышленных роботов, как правило они производятся без основного инструмента, который должен крепиться к концу запястья робота. Это может быть захват, сварочная горелка или покрасочный распылитель и многое другое оборудование. В соответствии с задачей и технологией производства инженер на стороне поставщика или на стороне будущего владельца, дополнительно комплектуют робота необходимым оборудованием.
Если нужна универсальность, то можно установить устройство смены инструмента, и робот сможет выполнять несколько задач в рамках одного комплекса. Подробнее с инструментами, роботами и их применениями в производстве вы сможете узнать на страницах нашего сайта.
Мы подробно рассмотрели самые важные составляющие промышленного робота, но кто управляет всем этим?
5. Мозг промышленного робота — контроллер
По определению робот это автономное устройство, способное выполнять операции в автоматическом режиме. Поэтому нужно чтобы кто-то или что-то управляло всеми компонентами робота. Этим управляющим устройством является контроллер промышленного робота.
К контроллеру подключается пульт обучения робота, с помощью которого можно запрограммировать траектории его движения и создать управляющую программу по выполнению определенной последовательности действий роботом. К контроллеру промышленного робота можно подключить датчики, инструменты или других роботов и синхронизировать их действия между собой или их взаимодействие с другим оборудованием или оператором.
6. Заключение
В этой статье мы рассмотрели базовую структуру промышленных роботов. Теперь вы имеете представления какие компоненты составляют основу робота и где они расположены. Многие могут подумать, что нет необходимости знать как робот устроен, при рассмотрении вопроса внедрения роботов на свое производство. Тем не менее, эти общие знания помогут определить какой именно робот вам нужен, с каким потенциалом движений, точностью, количеством осей и каким инструментом оснастить для решения ваших производственных задач.
В нашем каталоге вы найдете подробные спецификации по роботам, а также информацию по их возможностям.
Чтобы выполнить вашу производственную задачу наиболее эффективным способом потребуется наиболее подходящий робот. Наши сотрудники всегда рады будут помочь в подборе робота и инструмента для него.
Как устроен робот-пылесос?
Вы знаете, что каждый третий пылесос, который покупают в Испании – робот-пылесос? Спрос в России на эти устройства также растет из месяца в месяц. Цены варьируются в среднем от 10 000 до 30 000 рублей. Что из себя представляет этот популярный гаджет и как он устроен? На эти вопросы мы ответим в данной статье. Положим на операционный стол робот-пылесос среднего ценового диапазона Yujin Robot iClebo Arte и начнем изучать его внутренности. Звучит жутковато, но уверяю вас, статья подойдет даже для категории читателей 0+. 
На верхней части корпуса расположена камера, она помогает строить карту помещения, и дает знать роботу, где он уже был, а где еще не убирался. Также с ее помощью робот находит кратчайший путь от места окончания уборки до места старта (базы для подзарядки). На фото можно заметить сенсорный ЖК-экран с управляющими кнопками и иконками, бампер с набором датчиков, пылесборник. На бампере расположены ИК-датчики расстояния, с их помощью робот ”видит” препятствия и старается их не касаться. Датчики расположены не по всей поверхности бампера, поэтому наезжая на препятствие под углом, робот касается его, и тогда срабатываю механические датчики столкновения. В этом случае пылесос меняет свое направление по заданному алгоритму движения. В iClebo установлен дополнительный четвертый датчик на самом верху бампера. С его помощью робот определяет возможность проехать под мебелью и при этом не застрять. Пылесборник вынимается нажатием кнопки на корпусе и не имеет каких-либо мешков для сбора пыли, а также никаких электромеханических частей. Пылесборник и фильтр можно промывать под водой. Всасывающий механизм расположен непосредственно внутри робота. 
Переворачиваем робот-пылесос. Два ведущих боковых колеса задают движение устройству, переднее маленькое колесо вспомогательное без привода. На его оси расположен специальный магнитный датчик. Он необходим для измерения расстояния, пройденного роботом. Колесо не вращается вокруг своей горизонтальной оси, в этом нет необходимости. Робот меняет свое направление на месте за счет передачи момента одному из боковых колес, то есть на маневренность это никак не влияет.
Под небольшой пластиковой крышкой расположен Li-Ion аккумулятор емкостью 2200 mAh. У данного образца две боковые щетки, с практической точки зрения это помогает захватить большую площадь за один проезд. Для того, чтобы добраться до плинтуса достаточно одной боковой щетки, до углов полностью пока не добирается ни один робот-пылесос. Две боковые щетки направляют мусор к основной турбощетке, которая в свою очередь направляет его в пылесборник. Всасывающий модуль помогает засосать мусор с турбощетки. Резиновый скребок, расположенный на пылесборнике, подбирает крупный мусор. По такому принципу устроены все роботы-пылесосы в виду отсутствия большой силы всасывания. Результат уборки на гладких полах при такой конструкции очень хороший, на коврах – хуже, робот не может высосать пыль из ворсинок.
Рядом с пылесборником можно заметить два углубления — пазы для полотера. В этом пылесосе имеется функция протирки полов. Основание швабры крепится на дно, робот и пылесосит, и протирает. Салфетку из микрофибры можно смочить водой перед запуском. В процессе работы смачивать ее уже не получится, робот сбрасывает карту помещения и текущую программу уборки при отрывании его от пола. Салфетка помогает собрать мелкую пыль, включая муку, мелкий песок, соль. Для полноценной мойки полов она не подойдет.
Пришло время взяться за инструменты и посмотреть, как же выглядит робот-пылесос изнутри. Вынимаем пылесборник и основную турбощетку. Кладем робот-пылесос на лицевую панель и видим 5 отверстий для болтов. Шестое отверстие находится под наклейкой-пломбой с надписью QC Passed.
Далее необходимо аккуратно отсоединить концы бампера. Особых трудностей при этом возникнуть не должно, пластик достаточно упругий и прочный.
Расположив iClebo лицевой стороной к потолку, вытягиваем декоративную панель робота. Для этого нужно потянуть за край панели на себя и вверх. Вот мы и получили доступ к начинке робота-пылесоса.
Невооруженным взглядом можно разглядеть основные элементы. В роботе установлены 6 электроприводов: два для боковых щеток, один для турбощетки, один для всасывающего модуля (спрятан под пластиковых кожухом), два встроены в корпус боковых колес. Справа под ЖК-экраном робота-пылесоса находится его ”мозг” – микроконтроллер Abov MC81F4216D. Рядом с материнской платой и местом установки пылесборника находится специальный датчик. При его замыкании, iClebo “понимает”, что пылесборник подсоединен, иначе робот-пылесос не сдвинется с места и выдаст ошибку на дисплее.
Снимаем ЖК-экран. Видим камеру, ИК-приемник под ней. В центре светодиоды для экрана.
Освобождаем материнскую плату от множества контактов и видим гироскоп, который нужен для определения угла поворота робота.
И, наконец, освободим от всех контактов саму материнскую плату.
Что же представляет из себя такое устройство, как робот-пылесос. Блок-схема устройства представлена ниже:
У нас имеется материнская плата (Main board) с модулем камеры, дисплеем, модулем управления электроприводами боковых колес и т. д. 19ти вольтовый адаптер, через базу для зарядки робота, заряжает литий-ионный аккумулятор, который питает все остальные элементы схемы. Для часов и таймера используется дополнительная батарейка-таблетка на материнской плате. Три датчика определения перепада высоты (3 PSD Sensors) расположены на дне корпуса устройства. Три инфракрасных датчика (3 IR Sensors) располагаются непосредственно на самом бампере. При обнаружении препятствия робот-пылесос меняет свое направление. Если ИК-датчик не сработал, но робот все же упирается в препятствие, срабатывает механический датчик бампера (3 Bumper SWs). На схеме также изображены 3 Detection Switches — два датчика определяют не оторвались ли колеса от пола, а третий датчик наличия пылесборника. Passive Encoder — датчик, расположенный около передней оси колеса для определения пройденного расстояния.
Для того чтобы понять где робот уже убирался, а где еще нет, он получается информацию со всех вышеперечисленных датчиков и сенсоров. Он замеряет пройденное расстояние и угол поворота, а с помощью камеры и датчиков препятствий «понимает» где границы убираемой площади. Будущие домашние роботы-пылесосы будут использовать камеры для полноценного построения карты помещения, определения наличия людей и животных в комнате и, скорее всего, можно будет жестом указывать роботу на дальнейшие его действия или менять режим работы.
Осталось разобраться еще с колесами. Снимаем боковое колесо. Датчик сбоку колеса помогает определять роботу его положение в пространстве, а именно: стоит ли он на полу? Если контакт разомкнут, робот прекращает работу.
Разобрав корпус колеса, видим вот такой редуктор.
Конечно, всеми этими компонентами управляет ПО, и без правильно написанного программного кода робот функционировать не будет. В данном пылесосе имеется возможность обновления ПО, но сделать это смогут только опытные пользователи, так как требуется программатор для перепрошивки «мозгов» пылесоса. Используется программатор ST-Link. Основная часть прошивки робота осуществляется при помощи этого адаптера, через коннектор J2 JTAG на плате, а через J11 USB обновляется только навигационный модуль. Причем, обе части прошивки взаимосвязаны.
Робот-пылесос — сложное техническое устройство и цены на них относительно высокие, особенно если сравнивать с бытовыми пылесосами за 3000 рублей. Вероятно, когда робот сможет обходиться парой камер для выполнения всех навигационных действий, стоимость производства заметно упадет, а следовательно и конечная стоимость устройства. А пока покупатели платят по большей части за удобство: ставим таймер, уходим на работу, робот убирает в ваше отсутствие и автоматически возвращается на базу. Ну, и конечно же, лень — двигатель прогресса. Люди обычно не хотят ничего делать, лучше за них пусть будут делать всю работу другие. Как раз бытовые роботы для этого и разрабатываются.
Как устроены современные роботы
Сегодня нейронауки и робототехника развиваются рука об руку. О том, как изучение мозга вдохновляет на создание роботов, рассказал главный научный сотрудник Центра биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ Михаил Лебедев.
Роботы интересны нейронаукам, а нейронауки интересны роботам — об этом была наша статья Neuroengineering challenges of fusing robotics and neuroscience в журнале Science Robotics. Такое совместное развитие способствует прогрессу в обеих отраслях, приближая нас к созданию более совершенных роботов-андроидов и к более глубокому пониманию устройства нашего мозга. А в какой-то степени — к объединению биологических организмов с машинами, к созданию кибернетических организмов (киборгов).
Нейронаука для роботов
По своему устройству роботы нередко копируют человека. Это касается той части роботов, которым важно имитировать человеческие действия и поведение — индустриальным машинам нейронауки не так важны.
Самое очевидное, что можно использовать при разработке робота — делать его внешне похожим на человека. Роботы часто имеют две руки, две ноги и голову, даже если это не обязательно с инженерной точки зрения. Особенно это важно в тех случаях, когда робот будет взаимодействовать с людьми — похожей на нас машине проще доверять.
Можно сделать так, чтобы не только внешний вид, но и «мозг» робота был похож на человеческий. Разрабатывая механизмы восприятия, обработки информации и управления, инженеры вдохновляются устройством нервной системы людей.
Например, глаза робота — телекамеры, которые могут двигаться в разных направлениях — имитируют зрительную систему человека. Опираясь на знание о том, как устроено зрение человека и как происходит обработка зрительного сигнала, инженеры проектируют сенсоры робота по тем же принципам. Таким образом робота можно наделить, например, человеческой способностью видеть мир трехмерным.
У человека есть вестибулоокулярный рефлекс: глаза при перемещении стабилизируются с учетом вестибулярной информации, что позволяет сохранять стабильность картинки, которую мы видим. На теле робота также могут быть датчики ускорения и вертикализации. Они помогают роботу учитывать движения тела для стабилизации зрительного восприятия внешнего мира и совершенствования ловкости.
Кроме того, робот может ощущать точно так же, как человек — на роботе может быть кожа, он может чувствовать прикосновение. И тогда он не просто произвольно движется в пространстве: если он дотрагивается до препятствия, он его ощущает и реагирует так же, как человек. Он может использовать эту искусственную тактильную информацию и для схватывания предметов.
У роботов можно имитировать даже болевые ощущения: какое-то прикосновение ощущается нормально, а какое-то вызывает боль, что в корне меняет поведение робота. Он начинает избегать боли и вырабатывает новые модели поведения, то есть обучается — как ребенок, который впервые обжегся чем-то горячим.
Не только сенсорные системы, но и управление своим телом у робота можно спроектировать по аналогии с человеком. У людей ходьбой управляют так называемые центральные генераторы ритма — специализированные нервные клетки, предназначенные для контроля автономной моторной активности. Есть роботы, в которых для управления ходьбой была использована та же идея.
Кроме того, роботы могут обучаться у людей. Робот может совершать действия бесконечным числом способов, но если он хочет имитировать человека, он должен наблюдать за ним и пытаться повторять движения. При совершении ошибок он сравнивает с тем, как это же действие совершает человек.
Роботы для нейронауки
Как может использовать роботов нейронаука? Когда мы изготовляем модель биологической системы, мы начинаем лучше понимать, по каким принципам она работает. Поэтому создание механических и компьютерных моделей управления движениями нервной системой человека приближает нас к пониманию нервных функций и биомеханики.
А наиболее перспективное направление использования роботов в современной нейронауке — это проектирование нейроинтерфейсов, систем для управления внешними устройствами с помощью сигналов мозга. Нейроинтерфейсы необходимы для разработки нейропротезов (например, искуственной руки для людей, лишившихся конечности) и экзоскелетов — внешних каркасов тела человека для увеличения его силы или восстановления утраченной двигательной способности.
Робот может взаимодействовать с нервной системой через интерфейс в двух направлениях: нервная система может подавать командный сигнал роботу, робот от своих сенсоров может подавать человеку сенсорную информацию, вызывая реальные ощущения — за счет стимуляции нервов, нервных окончаний кожи или самой сенсорной коры мозга. Такие механизмы обратной связи позволяют восстановить чувствительность конечности, если она была утрачена. Они также необходимы для более точных движений роботизированной конечностью, так как именно на основе сенсорной информации от рук и ног мы корректируем движения.
Здесь возникает интересный вопрос — следует ли нам управлять через нейроинтерфейс всеми степенями свободы робота, то есть насколько конкретные команды мы должны ему посылать. Например, можно «приказать» роботизированной руке взять бутылку воды, а конкретные операции — опустить руку, повернуть ее, разжать и сжать пальцы — она совершит сама. Этот подход называется совмещенным контролем — через нейроинтерфейс мы даем простые команды, а специальный контроллер внутри робота выбирает наилучшую стратегию для реализации. Либо можно создать такой механизм, который не поймет команды «взять бутылку»: ему нужно посылать информацию о конкретных, детализированных движениях.
Современные исследования
Ученые в области нейронаук и робототехники изучают различные аспекты работы мозга и устройства роботов. Так, в университете Дьюк я проводил эксперименты с нейроинтерфейсами на обезьянах — так как для точной работы интерфейсов необходимо их прямое подключение к зонам мозга и не всегда такие экспериментальные вмешательства возможны на людях.
В одном из моих исследований обезьяна ходила по дорожке, активность ее моторной коры мозга, ответственной за движение ног, считывалась и запускала ходьбу робота. При этом обезьяна наблюдала этого ходящего робота на экране, который был перед ней расположен.
Обезьяна использовала обратную связь, то есть корректировала свои движения на основе того, что она видит на экране. Таким образом разрабатываются наиболее эффективные для реализации ходьбы нейроинтерфейсы.
Кибернетическое будущее
Подобные исследования ведут нас к инновационным разработкам в будущем. Например, создание экзоскелета для восстановления движений у полностью парализованных людей уже не кажется недостижимой фантазией — необходимо только время. Этот прогресс может сдерживать недостаточная мощность компьютеров, но за последние десять лет развитие и здесь было колоссальным. Вполне вероятно. что скоро мы увидим вокруг людей, которые используют для передвижения не коляски, а легкий, удобный экзоскелет. Люди-киборги станут для нас чем-то обыденным.
Коммерческая разработка таких систем идет по всему миру, в том числе и в России. Например, в известном проекте «ExoAtlet» разрабатывают экзоскелеты для реабилитации людей с двигательными нарушениями. Центр биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ поучаствовал в разработке алгоритмов для этих машин: директор Центра профессор Алексей Осадчий и его аспиранты разработали нейроинтерфейс, запускающий шагательные движения экзоскелета.
Быстрое развитие человекоподобных роботов-андроидов тоже становится реальностью. Вполне вероятно, что скоро вокруг нас будут ходить роботы, которые будут имитировать нас во многих аспектах — двигаться как мы и думать как мы. Они смогут выполнять часть работы, прежде доступной только человеку.
Очевидно, что мы будем видеть развитие и робототехники, и нейронаук, и эти области будут сближаться. Это не только открывает новые возможности, но и создает новые этические вопросы: как мы должны относиться к роботам-андроидам или людям-киборгам.
И все-таки пока человек лучше, чем робот, во многих отношениях. Наши мышцы наиболее экономичны: достаточно съесть бутерброд, чтобы хватило энергии на весь день. У робота заряд батарей закончится через полчаса. И хотя может быть гораздо мощнее, чем человек, он часто оказывается слишком тяжелым. Элегантность и оптимизация энергетических затрат — тут человек пока превосходит робота.
Хотя недалеко то будущее, когда это изменится — в данном направлении работают десятки тысяч талантливых ученых и инженеров.