Мехатронные системы

В начале ХХI века в мире произошел переход к созданию следующего, третьего, поколения мобильных роботов. Это интеллектуальные роботы с автономной системой навигации и передвижения в заранее неопределенной среде и с интерактивным управлением от оператора через интеллектуальный интерфейс.

Одновременно начали разворачиваться поисковые разработки по миниатюризации этих роботов - созданию мобильных мини- и микророботов, основанных на принципиально новых движителях.

В связи с взаимодействием робота и человека-оператора уместно обратить внимание на резко возросшее в последнее время значение так называемой проблемы "человеческого фактора" в человеко-машинных системах и важную роль в ее решении робототехники - прежде всего интеллектуальных роботов.

Проблема симбиоза человека и современной техники обострилась в связи с быстро растущим несоответствием между усложняющейся техникой и остающимися, по существу, неизменными возможностями участвующего в ее функционировании человека. Подтверждением этому служит рост аварий по вине персонала, в том числе с наиболее совершенными объектами. В настоящее время основным ограничивающим фактором для эффективного решения проблемы путем замены человека роботом является недостаточный интеллект роботов. Наиболее важно преодолеть это ограничение для наукоемкой техники нового поколения, особенно для работающей в экстремальных внешних условий. Это, прежде всего, беспилотные летательные аппараты, безэкипажные космические, подводные и наземные, в том числе и военные объекты.

Рассматриваемый процесс миниатюризации и интеллектуализации техники начинается прежде всего с ее основных компонентов: трех замкнутых в кольцо через внешнюю среду сенсорных, ийформационно-управляющих и исполнительных компонентов, затем компонентов связи и энергопитания (рисунок снизу). В общем случае их совокупность образует открытую систему, информационно и энергетически зависимую от окружающей среды, включая и другую подобную технику в недалеком будущем в виде коллективов роботов.

В основе миниатюризации этих компонентов лежит повышение точности изготовления деталей. В этом процессе развития техники по-прежнему лидирует вычислительная техника на базе микроэлектроники. Это, прежде всего, информационно-управляющие компоненты, а за ними с определенным отставанием следует сенсорика и связь. Их общая база -2D микротехнологии. Начавшийся качественный переход к 3D микросистемным технологиям микроэлектромеханических систем (МЭМС) особенно важен для сенсорики, а еще более для силовых компонентов - исполнительных и энергопитания.  Здесь происходит возврат к проблеме миниатюризации механики движений.

Пока эти компоненты все еще продолжают эволюционировать на идеях прошлых веков, но общая тенденция очевидна: технологическое сближение всех компонентов и их конструктивное объединение в мехатронные системы. Подобно тому как микроэлектроника, возникнув в виде отдельных транзисторов, диодов и других элементов, перешла к объединению этих элементов во все более крупные интегральные схемы в виде чипов, эволюция МЭМС также развивается в направлении создания все более крупных технических систем, объединяющих все рассмотренные выше функциональные компоненты в единый мехатронный конструктив.

Дальнейшая миниатюризация ведет к переходу на новый наноуровень молекулярной размерности и соответственно к аналогичному укрупнению интегральных наноэлектромеханических систем (НЭМС).

В заключение отметим некоторые актуальные задачи по созданию перечисленных выше компонентов нового поколения техники применительно к робототехнике.

Для сенсорных систем первоочередная задача - комплексирование сенсорных систем различного типа (СТЗ, УЗ, ИК, УФ, радиотехнических и лазерных дальномеров и т.д.). Необходимо также развивать химические сенсоры, что, в частности, важно для поиска взрывчатки, наркотиков, и более специальные - интроскопические.

Для информационно-управляющих компонентов наряду с дальнейшим развитием формализуемых символьных технологий ИИ предстоит приступить к решению проблемы создания образных методов работы с информацией.

Для связи применительно к робототехнике одна из важных проблем - это связь "оператор-робот"; ее задачи:

- 3D виртуальные обобщенные сцены внешней среды;

- эффект присутствия;

- неконтактные способы управления (отказ от джойстиков как основного средства) через 3D картины внешней среды, включая управление голосом, световыми метками и т.п.

К силовым компонентам (исполнительным и энергопитания) в отличие от других компонентов предъявляются другие основные требования - КПД и удельные массогабаритные параметры. Эти компоненты уже прекратили свое эволюционное развитие. Во всем мире идет поиск на базе 3D технологий принципиально новых решений типа искусственных мышц и т.п.