Материал: mekhatronika_UrGUPS

–выбор интерфейсов (связей между блоками) в качестве локальных точек интеграции и исключение избыточных структурных блоков и интерфейсов как сепаративных элементов;

–перераспределение функций в мехатронной системе от аппаратных блоков к интеллектуальным (компьютерным, информационным, программным) компонентам.

Степень интеграции мехатронной системы является одним из основных классификационных признаков в мехатронике. Среди других классификационных признаков развития мехатронных систем выделяются интеллектуализация и миниатюризация. Более подробно все три указанных признака мехатроники будут рассмотрены в лекции 2.

Мехатронные технологии базируются на комплексном применении маркетинговых, проектно-конструкторских, производственных, технологических, компьютерных и информационных методов и технологий, которые обеспечивают полный жизненный цикл мехатронных изделий.

Метод мехатроники и мехатронные технологии носят универсальный характер и применимы как к прикладным инженерным разработкам, так и к разработке теоретической базы построения сложных физико-технических систем (техническое зрение, управление «с голоса», распознавание сцен, виртуальная инженерия и быстрое прототипирование, автоматические самоорганизующиеся и самоуправляемые системы и др.).

Стремительное развитие мехатроники в мире – закономерный процесс, который вызван принципиально новыми требованиями рынка к показателям качества технологических машин и сложным физико-техническим системам и процессам.

В машиностроении целью и предметом мехатроники является создание и производство качественно новых модулей движения и машин на их основе, для реализации заданных функциональных движений машин и механизмов.

Функциональное движение мехатронной системы предусматривает ее целенаправленное механическое движение (перемещение), которое координируется с параллельно управляемыми технологическими и информационными процессами. Таким образом, понятие «движение» трактуется в данном определении функционального движения расширительно [1].

Большие возможности открылись перед мехатроникой в результате ее сближения с микросистемными технологиями (микроэлектромеханические технологии, микроробототехника и др.).

11

Сформировалось самостоятельное направление в мехатронике – микромехатроника.

В последние годы наметилось проникновение мехатронных технологий в нанотехнологии. В основном это выражается в создании прецизионных устройств и приборов для исследования и создания наноструктур с уникальными свойствами (сканирующий туннельный микроскоп, атомно-силовой микроскоп, оптический лазерный силовой микроскоп, наноинженерия поверхности деталей и др.).

Сегодня мехатроника находит широкое применение в следующих областях:

–машиностроение (автоматизированное машиностроение, станкостроение, электронное и энергетическое машиностроение

идр.);

–транспортное машиностроение (авиакосмическая техника, автотракторное машиностроение, железнодорожный транспорт, нетрадиционные транспортные средства и др.);

–робототехника различного назначения;

–приборостроение (контрольно-измерительные устройства и машины, офисная техника, навигационные приборы, вычислительная техника);

–микроэлектромеханические системы (микромашины, микророботы и др.);

–нанотехнологии (микроскопы, зонды, машины микромеханической обработки поверхностей деталей и др.);

–бытовая техника (автономные пылесосы, швейные, стиральные, посудомоечные машины, холодильные установки);

–медицинское и спортивное оборудование (биоэлектрические

иэкзоскелетные протезы для инвалидов, тренажеры, массажеры и вибраторы и др.);

–фото- и видеотехника (устройства фокусировки видеокамер, проигрыватели видеодисков и др.);

–полиграфические машины;

–интеллектуальные аттракционы для шоу-индустрии.

Этот список может быть расширен. Рынок мехатронной техники динамически развивается и имеет устойчивую тенденцию к росту.

Ради объективности необходимо все же признать, что в мехатронике еще не до конца сформулированы классификационные признаки по причине молодости этого научного направления. До сих пор мехатроника является в значительной степени уделом практиков. Раз-

12

работка теоретических основ мехатроники находится в начальной стадии. Ей еще далеко, например, до такой аксиоматической науки, как теоретическая механика, хотя мехатроника и относится к группе междисциплинарных естественнотехнических направлений обучения, а не к инженерной группе.

1.2. Назначение и область применения робототехники

Термин «робототехника» (Robotics) придумал писатель К. Чапек

в1920 г., а затем использовал Айзек Азимов, но само понятие робототехники имеет более долгую историю. В древнегреческой мифологии упоминается механический человек по имени Талос, которого спроектировал и изготовил бог огня и кузнечного дела Гефест.

ВXVIII в. разрабатывались блистательные механические автоматы, сложное поведение которых, однако было полностью задано заранее конструктивом автомата. Робототехника, пройдя путь от манипуляторов (1940–1950 гг.), на рубеже XXI в. подошла к следующему этапу своего развития – созданию интеллектуальных макро- и микророботов. Однако одним из основных направлений развития робототехники все же является комплексная автоматизация производства, создание гибких автоматизированных производств, прежде всего,

вмашиностроении.

До 80-х гг. XX в. развитие робототехники происходило независимо от мехатроники. В дальнейшем мехатроника развивалась в основном на базе робототехники и в настоящее время мехатроника и робототехника объединены в одно направление инженерного образования. Мехатроника и робототехника различаются по классификационным признакам: мехатроника изучает новый методологический подход к созданию модулей и машин с качественно новыми характеристиками, роботы же представляют собой один из современных классов машин с компьютерным управлением.

Мехатронный подход охватывает все основные фазы жизненного цикла роботов (проектирование, производство, эксплуатация, утилизация) и принципы построения робототехнических систем. Один из таких принципов – модульное построение робототехники. Мехатроника стала базой для создания нового поколения модулей – конструктивно унифицированных функциональных компонентов робототехнических систем.

13

Для робототехники наиболее актуально создание следующих типов мехатронных модулей (в лекции 2 будет дано строгое определение термина «мехатронный модуль»):

–модули технического зрения, обеспечивающие распознавание в реальном времени сложных объектов и сцен;

–силометрические модули для манипуляторов (системы силового очувствления);

–приводные модули типа «искусственные мышцы», не уступающие по массогабаритным параметрам мышцам живых организмов (электроактивные полимеры, материалы с эффектом памяти и т. п.);

–микросистемные модули энергопитания, имеющие массогабаритные параметры несравненно лучше современных бортовых аккумуляторов, топливных и других источников электроэнергии, применяемых в робототехнике.

Создание такой самодостаточной системы модулей – основа для формирования нового поколения средств робототехники в течение 3–5 лет. Без использования интеграционного мехатронного подхода и без применения систем интеллектуального управления достигнуть современного уровня функционирования роботов практически невозможно.

В заключение перечислим основные перспективные области применения робототехники [3]:

1.Робототехника наземного и воздушного базирования. Сюда относятся создание автоводителей и автопилотов, робототехнические системы для действий в экстремальных условиях, в том числе для вооруженных сил и других силовых структур, групповое применение роботов и создание следующих интеллектуальных поколений таких роботов, ориентированных на автономное функционирование. Большие перспективы связаны с микроробототехникой. Летающие, плавающие, ползающие и тому подобные микророботы произведут качественные изменения во многих важнейших сферах человеческой деятельности.

2.Био- и медицинская робототехника. С ней связана как проблематика заимствования бионических решений, так и обратный процесс внедрения робототехники в живые организмы. Начало последнему положило протезирование конечностей, затем усиление физических возможностей человека для функционирования в экстремальных условиях (активные скафандры, биоуправляемые шагающие машины

ит. п.). Наконец, появились новые поколения интеллектуальных про-

14

тезов и экзоскелетов, роботы-сиделки, робототехнические системы для реабилитации инвалидов, массажисты и т. п. Однако прежде всего – это новые области применения робототехники, такие, как хирургия, в том числе дистанционная, микророботы для внутрисосудистой

ивнутриполостной диагностики и хирургии.

3.Космическая робототехника. Сегодня это важнейшая часть очередного этапа развития исследований и освоения космоса. космическая робототехника открывает перспективы создания принципиально новых космических аппаратов и их систем, в том числе и в околоземном пространстве, включая наноспутники, монтажно-сборочные

ирегламентные работы на орбите и т. п.

4.Подводная робототехника. Наряду с космосом это второе направление «экспансии» человечества, в котором решающую роль должна играть робототехника. Если человек-амфибия – фантастика, то роботы-амфибии – уже реальность. Достаточно напомнить их работу по обследованию затонувших кораблей, использование подводных роботов-геологов. А ведь это, по существу, еще только предыстория подводной робототехники.

Внастоящее время еще нет ни лунных, ни других космических баз, обслуживаемых роботами, нет и подобных подводных сооружений. Однако если сегодня основное направление развития современного машиностроительного производства – создание безлюдных ком- плексно-роботизированных предприятий, то тем более это должно относиться к освоению космоса и глубин океана.

Среди перечисленных перспективных областей применения робототехники не названа промышленная робототехника. Объясняется это тем, что, хотя в обозримом будущем основной мировой парк роботов по-прежнему будут составлять промышленные роботы, но этот уже сложившийся раздел робототехники будет определять ее развитие в рассмотренных ранее направлениях.

15