Изучение и анализ критериев компактности промышленной робототехники

Актуальность темы

В настоящее время в робототехнике наблюдается тенденция к миниатюризации и применению нанотехнологий. Миниатюрные роботы могут проникать в узкие образования (щели, отверстия) и двигаться в них, что позволяет применять их для выполнения различных задач в ограниченных пространствах, например трубах малого диаметра, имеющих размер порядка нескольких миллиметров. Конструкция минироботов зачастую сильно отличается от их макроразмерных аналогов. В качестве маршевых двигателей минироботов обычно используются двигатели, обеспечивающие линейное перемещение без использования трансмиссии, например электромагнитный или пьезоэлектрический. С помощью применения современных нанотехнологий можно улучшить технические характеристики как отдельных узлов миниробота, например устройств сцепления с поверхностью, так и робота в целом.

Происходящие на сегодняшний день изменения в процессах производства миниатюрных компонентов электроники и механики предопределяют ускоренное развитие автоматизированных микротехнологических модулей и микросборочных систем и, в частности, микроробототехнических комплексов (МРТК), построенных на базе мобильных и стационарных микророботов. Практически во всех отраслях промышленности вопросы миниатюризации исполнительных устройств и механизмов являются одними из приоритетных задач; важнейшее значение они имеют для малоресурсных технологических процессов в нанотехнологиях, микроэлектронике, генетике и т. д.

Принципы построения и методы проектирования микросистем, и построения их систем управления наиболее полно отражены в работах отечественных ученых — академика Д. Е. Охоцимского, академика Ф. Л. Черноусько, академика И. М. Макарова, В. М. Лохина, П. П. Мальцева, В. А. Лопоты, А. В. Тимофеева, А. С. Ющенко, Е. И. Юревича, В. Г. Градецкого, В. Е. Павловского, И. В. Рубцова и др, а также в работах зарубежных ученых — T. Фукуда, М. Хаттори, C. Фатикова, П. Дарио, Б. Ж. Нельсона, Х. Верна, У. Рембольда, Х. Ямамото, А. Ковача др.

Несмотря на выполненные ранее исследования, влияние рабочих параметров на функциональные характеристики таких роботов изучено недостаточно, известные методы расчета не обеспечивают достаточно точное соответствие с экспериментом.

Актуальность темы

исследования заключается в необходимости выполнения обзора касательно критериев компактности промышленной робототехники с целью выяснения способов улучшения их технических характеристик.

Цель работы заключается в изучении и анализе критериев компактности промышленной робототехники.

Исходя из поставленной цели и темы работы возникают следующие задачи:

— изучить применение робототехники в промышленности;

— сформулировать требования к критериям в промышленной робототехнике;

— сформулировать критерии компактности промышленной робототехники;

— провести сравнение промышленных роботов по критериям компактности;

— проанализировать отношение критерия компактности к другим характеристикам промышленной робототехники;

— определить возможные направления развития характеристик компактности промышленной робототехники;

— рассмотреть программные решения для оценки компактности робота;

— провести сравнительную оценку компактности различных моделей промышленных роботов.

Методы исследования. При выполнении исследований использованы методы теории автоматического управления, теории искусственного интеллекта, системного анализа, теории алгоритмов, теории информации и т. д.

Объектом исследования выступают показатели компактности роботов.

Предметом исследования является промышленная робототехника.

Глава 1. Критерии сравнения в промышленной робототехнике

1.1 Применение робототехники в промышленности

Автоматизация производства в машиностроении представляет собой самостоятельную комплексную проблему. Ее решение направлено на создание нового совершенного оборудования, технологических процессов и систем организации производства, функционирование которых неразрывно связано с улучшением условий труда, ростом качества продукции, сокращением потребности в рабочей силе и с систематическим повышением прибыли.

Современные средства автоматизации должны развиваться в двух направлениях: автоматизация выпускаемого и действующего оборудования в целях повышения его эффективности и создание новых автоматизированных технологических комплексов и процессов, позволяющих решить задачу повышения производительности, надежности и точности выполнения работ при обеспечении необходимой и экономически оправданной гибкости производства.

Эффективность автоматизации прямо зависит от того, насколько рационально организован производственный процесс в целом, как комплексно и полно на всех звеньях технологической цепочки внедрены средства автоматизации, от того, насколько принятая система организации и управления производством позволяет принимать решения на низшем уровне (в целях ликвидации внеплановых простоев). Автоматизация требует рассматривать производственный процесс как единую систему.

Следовательно, эффективность автоматизации может быть достигнута только при комплексном подходе к разработке автоматизированных производственных систем. Путь к этому — в создании одностаночных и многостаночных комплексов «станок (группа станков) — приспособление — средства автоматизации», что позволит в дальнейшем перейти к системе модульного построения из таких комплексов более сложных производственных систем: автоматизированных линий, участков, цехов и т. п. Козырев Ю. Г. Применение промышленных роботов: учебное пособие / Ю. Г. Козырев. — М.: КНОРУС, 2010.— 488 с.

Отработка технических решений по созданию автоматизированных технологических комплексов, по-видимому, должна вестись прежде всего применительно к серийному производству (оно составляет до 40% общемашиностроительного производства), поскольку они могут быть применены также в массовом и крупносерийном производстве. При этом необходимо отметить и тенденцию к постоянному снижению объемов выпускаемой продукции из-за ее морального старения, изменения спроса и т. д. Сегодня даже автомобилестроение из отрасли с традиционно массовым производством переходит к организации, больше соответствующей крупносерийному характеру выпуска продукции. Очевидно, что по мере совершенствования технических решений, разработанных для условий серийного производства, внедрения новых исходных средств автоматизации и элементной базы, появится возможность их использования и для автоматизации мелкосерийного производства.

Таким образом, развитие автоматизации в серийном производстве не только будет способствовать подъему производительности труда в этой области, но и окажет существенное влияние на уровень мелкосерийного и массового производства.

Промышленные роботы (ПР) — универсальное средство комплексной автоматизации производственных процессов, с помощью которого обеспечивается быстрая переналадка последовательности, скорости и видов манипуляционных действий. Поэтому применение ПР наиболее эффективно в условиях частой смены объектов производства, а также для автоматизации ручного низкоквалифицированного труда. Они находят все более широкое применение, заменяя человека (или помогая ему) на участках с опасными, вредными для здоровья, тяжелыми или монотонными условиями труда. Особенно важно то, что ПР можно применять для выполнения работ, которые не могут быть механизированы или автоматизированы традиционными средствами. Однако ПР — всего лишь одно из многих возможных средств автоматизации и упрощения производственных процессов. Они создают предпосылки для перехода к качественно новому уровню автоматизации — созданию автоматических производственных систем, работающих с минимальным участием человека Козырев Ю. Г. Применение промышленных роботов: учебное пособие / Ю. Г. Козырев. — М.: КНОРУС, 2010.— 488 с.

Сегодня роботы применяют практически во всех отраслях хозяйства, однако наибольшее распространение они получили в промышленности, прежде всего — в машиностроении.

Промышленные роботы дают возможность автоматизировать не только основные, но и вспомогательные операции, чем и объясняется постоянно растущий интерес к ним.

Высокая эффективность автоматизации за счет применения промышленных роботов может быть достигнута только при комплексном подходе к созданию и внедрению роботов, обрабатывающего оборудования, средств управления, вспомогательных механизмов и устройств и т. д. Проводить значительный объем организационно-технологических мероприятий ради единичного внедрения ПР нерентабельно. Только расширенное применение ПР в составе сложных роботизированных систем оправдано технически, экономически и социально.

Одной из основных причин разработок и внедрения роботов является экономия средств. По сравнению с традиционными средствами автоматизации применение роботов обеспечивает большую гибкость технических и организационных решений, снижение сроков комплектации и запуска в производство автоматизированных станочных систем. Как показывает опыт, использование роботов, например, для автоматической установки и снятия деталей, позволяет рабочему обслуживать от четырех до двадцати металлорежущих станков. Таким образом, роботы необходимо рассматривать как важный фактор обеспечения многостаночного обслуживания, а значит, и экономии рабочей силы. Наибольший экономический эффект может быть достигнут при обслуживании роботом нескольких станков или при организации двух-трех сменной работы.

С экономическими вопросами, возникающими при применении роботов, тесно связан и социальный аспект их использования. При определении целесообразности применения роботов в том или ином случае (особенно при необходимости замены рабочего на участках с опасными, вредными для здоровья условиями труда) превалирующими должны быть интересы человека, его безопасность и удобство работы. Необходимо также учитывать и фактор непрерывного роста уровня общеобразовательной и специальной подготовки работающих. Роботы должны освободить человека от выполнения бездумной механической работы и скомпенсировать потребность в низкоквалифицированном труде.

Основные предпосылки расширения применения ПР следующие Козырев Ю. Г. Применение промышленных роботов: учебное пособие / Ю. Г. Козырев. — М.: КНОРУС, 2010.— 488 с:

— повышение производительности труда, качества продукции и объемов ее выпуска благодаря снижению времени выполнения операций и обеспечению постоянного режима «без усталости», росту коэффициента сменности работы оборудования, интенсификации существующих и стимулированию создания новых высокоскоростных процессов и оборудования;

— изменение условий труда работающих путем освобождения от неквалифицированного, монотонного, тяжелого и вредного труда, улучшения условий безопасности, снижения потерь рабочего времени от производственного травматизма и профессионально-технических заболеваний;

— экономия и высвобождение рабочей силы для решения других технико-экономических и хозяйственных задач.

Промышленные роботы и роботизированные комплексы являются основными компонентами гибких производственных систем, представляющих собой высший уровень автоматизации в машиностроении.

Термин «робот» придумал чешский писатель Карел Чапек (от чешского «работник»). Проанализируем тенденции развития робототехники в мире и долю в это развитие России.

а) промышленная робототехника

На рис. 1. представлена общая статистика и тенденция численности роботов в мире.

Рис. 1.1 Популяция роботов в мире

Из рис. 1.2 видно, что лидером по числу промышленных роботов является, безусловно, Япония.

Россия, по числу промышленных роботов, находится на одном уровне с Финляндией.

Таким образом, можно сделать, что у России есть потенциал в разработке и внедрении промышленных роботов. Однако такая задача не стоит на уровне государства, а частному бизнесу проще внедрить отлаженные промышленные роботы импортного производства, получив при этом качественный сервис.

Рис. 1.2 Распределение промышленных роботов по странам за 2011 год

1.2 Требования к критериям в промышленной робототехнике

В целом роботы по использованию в различных сферах деятельности делят на три группы:

1) человекоподобные (бытовые);

2) информационные (исследовательские), предназначенные для сбора информации в средах, опасных или не доступных для человека;

3) промышленные, предназначенные для автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности.

Промышленные роботы (ПР) имеют большое число классификационных признаков. Рассмотрим основные из них:

1) По характеру выполняемых операций Хомченко В. Г. Мехатронные и робототехнические системы: учеб. пособие / В. Г. Хомченко, В. Ю. Соломин. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. — 160 с.:

— технологические (производственные);

— вспомогательные (подъемо-транспортные);

— универсальные.

— По степени специализации:

— универсальные (многоцелевые);

— специализированные;

— специальные (целевые).

— По способу управления:

— с «жесткой» программой (I поколение);

— адаптивные (II поколение);

— интегральные (III поколение).

— По области применения (по виду производства):

— механообработка;

— кузнечно-прессовое производство;

— литейное производство;

— сборка;

— сварка;

— транспортно-складские и т. д.

2) По грузоподъемности (главный параметр ПР). Под номинальной производительностью ПР понимается наибольшее значение массы предметов производства или технологической оснастки, при котором гарантируется их захватывание, удержание и обеспечиваются установленные значения эксплуатационных характеристик ПР.

Если ПР имеет несколько рук, то оценивается грузоподъемность каждой руки.

По грузоподъемности (ГОСТ 25 204−82) промышленные роботы подразделяются на:

— сверхлегкие — до 1 кг (0,08; 0,16; 0,32; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0);

— легкие от 1 кг до 10 кг (1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0);

— средние от 10 до 200 кг (12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200);

— тяжелые от 200 до 1000 кг (250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000);

— сверхтяжелые — свыше 1000 кг (ряд R10 по ГОСТ 8032–56, начиная с 1250).

3) По числу степеней подвижности:

— с одной степенью подвижности;

— двумя степенями подвижности;

— с n степенями подвижности.

Число степеней подвижности манипулятора робота определяется как совокупность числа степеней свободы кинематической цепи манипулятора ПР в системе координат, относительно которой задаются геометрические характеристики рабочей зоны ПР.

Степени подвижности манипулятора делят на:

— переносные, используемые для перемещения рабочего органа в пространстве;

— ориентирующие, используемые для изменения положения РО в пространстве.

Как правило, достаточно 3−4 переносных степени подвижности (что дает больше сотни структурно-кинематических схем манипулятора). Для полной ориентации объекта достаточно 3-х вращательных ориентирующих степеней подвижности.

4) По мобильности (по возможности перемещения):

— стационарные;

— подвижные (установленные на транспортное средство).

5) По конструктивному исполнению (по способу установки):

— напольные;

— подвесные (портальные, тельферные);

— встроенные (пристаночные).

6) По виду основных координатных перемещений ПР разделяются на группы роботов, манипуляторы которых работают:

— в прямоугольной системе координат;

— в цилиндрической системе координат;

— в сферической системе координат;

— в угловой системе координат;

— в комбинированной системе координат.

Каждой из систем координат соответствует вполне определенная кинематико-компоновочная схема манипулятора, вид которой определяется конструктивным исполнением поступательных и вращательных звеньев.

7) По типу силового привода:

— пневматические;

— гидравлические;

— электромеханические;

— комбинированные.

8) По характеру программирования скоростей и перемещений (по виду управления):

— жестко программируемые;

— гибко программируемые.

При жестком программировании исполнительное устройство управляется по неизменной заранее введенной программе.

При гибком программировании — программа может изменяться на основе поставленной цели и информации об объектах управления и производственной среде.

При жестком программировании выделяют Хомченко В. Г. Мехатронные и робототехнические системы: учеб. пособие / В. Г. Хомченко, В. Ю. Соломин. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. — 160 с.:

— цикловое управление, при котором движение рабочего органа происходит в упорядоченной последовательности с помощью путевых выключателей или времязадающих элементов (число точек обычно — две, три);

— позиционное управление, при котором движение РО происходит по заданным точкам позиционирования без контроля траектории движения между ними (цикловое управление является частным случаем позиционного).

— контурное управление, при котором движение РО происходит по заданной траектории с установленным распределением по времени значений скорости.

— комбинированное управление.

9) По способу программирования:

— программируемые обучением (наиболее распространенный способ);

— программируемые аналитически;

— самообучение.

В первом случае управляющая программа формируется в режиме диалога СПУ с оператором. Оператор с помощью пульта управляет роботом, последовательно отрабатывая требуемые операции. При этом информация о движениях ПР заносится в запоминающее устройство СПУ робота.

При втором методе программа составляется на основе предварительных расчетов.

В третьем способе: программа формируется на основе информации о состоянии внешней среды.

Управляющая программа — это последовательность инструкций на некотором формальном языке. В общем виде для функционирования ПР необходима следующая информация:

— о последовательности выполнения шагов программы;

— о пространственном положении отдельных степеней подвижности;

— о времени выполнения отдельных шагов программы и отдельных управляющих команд.

Материальным носителем программы могут быть:

— механические устройства (упоры, кулачки, копиры и т. д.);

— коммутаторы (штекерные панели, барабаны, коммутаторные поля и т. д.);

— быстросменные программоносители (перфоленты, магнитные ленты, диски и т. д.).

10) По быстродействию и точности движений. Эти два параметра взаимосвязаны и характеризуют динамические свойства роботов. Между быстродействием и точностью позиционирования имеется определенное противоречие.

Быстродействие определяется скоростью передвижения по отдельным степеням подвижности:

— малое быстродействие — до 0,5 м/с (до 90 град/с);

— среднее (60−65% ПР) — от 0,5 до 1 м/с (от 90 до 270 град/с);

— высокое (20% ПР) — более 1м/с (более 270 град/с).

Быстродействие современных ПР нельзя считать достаточным, оно должно быть повышено не менее чем в 2 раза.

Точность манипулятора характеризируется результирующей погрешностью позиционирования (при дискретном движении) или отработкой заданной траектории (при непрерывном движении).

Чаще всего точность характеризуется абсолютной погрешностью.

Малая — при линейной погрешности > 1 мм;

Средняя — от 0,1 до 1 мм. (60…65%);

Высокая — менее 0,1 мм (около 15%).

Погрешность манипулирования ПР, предназначенных для выполнения наиболее грубых, например, транспортных движений, превышает 1 мм.

По сравнению с рукой человека недостатком современных ПР является снижение точности с увеличением скорости хода манипулятора. У человека эти параметры в значительной мере развязаны благодаря разделению движений на грубое (быстрое) и точное (медленное).

Наряду с классификационными параметрами ПР характеризуются параметрами, обусловливающими их технический уровень.

Техническая характеристика содержит следующие основные показатели:

— номинальная грузоподъемность, кг;

— тип привода;

— число степеней подвижности;

— геометрическая характеристика рабочей зоны;

— тип системы управления;

— максимальная абсолютная погрешность позиционирования, мм;

— надежность и др.

Показатели привода:

— давление рабочего тела Р, МПа;

— расход рабочего тела Q, м³ /с;

— напряжение питания U, В;

— потребляемая мощность W, Вт.

Показатели степени подвижности:

— максимальное перемещение L,, мм, град;

— время перемещения t, с;

— максимальная скорость V,, м/с, град/с;

— максимальное ускорение a, е, м/с², град/с²;

— максимальная абсолютная погрешность позиционирования, мм.

Показатели устройства управления:

— объем памяти;

— число одновременно управляемых движений по степеням подвижности;

— число каналов связи с внешним оборудованием:

— на вход n_вх;

— на выход n_вых.

— число программируемых точек:

— при прямом ходе — n_пр;

— при обратном ходе — n_обр.

Показатели захватного устройства:

— усилия захватывания S, Н;

— время захватывания t_захв, с;

— время отпускания t_отп с;

— характерные размеры захватываемого предмета:

— максимальный диаметр — d_max, мм;

— минимальный диаметр — d_min, мм.

Показатели надежности:

— установленная безотказная наработка t, ч (наработка на отказ);

— установленный срок службы:

— до капитального ремонта Т_кап, лет;

— до списания Т_сп, лет.

Массогабаритные показатели:

масса m, кг;

габаритные размеры L₁х L₂х L₃, мм³.

1.3 Критерии компактности промышленной робототехники

В современной робототехнике наблюдаются и общие тенденции развития техники в целом, которые можно трактовать как общие принципы развития этого комплексного научно-технического направления.

Можно выделить пять основных таких принципов:

· системный подход,

· поэтапная миниатюризация,

· унификация функциональных компонентов,

· интеграция этих компонентов,

· интеллектуализация с созданием в перспективе искусственного разума.

Первый принцип — это системный подход к созданию техники, т. е. ее синтез на основе общесистемных критериев без декомпозиции. Этот принцип является одним из основополагающих прежде всего для мехатроники, а так же для систем экстремальной робототехники, требующих миниатюризации массогабаритных параметров, энергопотребления и т. п. Его реализация стала возможной только на определенном этапе развития науки и на пути его реализации стоит еще много проблем, в том числе в части формирования общесистемных критериев и разработки методов синтеза технических систем на их основе.

Второй принцип — это поэтапность миниатюризации техники путем последовательного освоения разного порядка размерностей в виде отдельных ее поколений. Этот принцип непосредственно вытекает из естественного процесса непрерывного совершенствования технологий в направлении повышения точности. Каждое поколение любого вида техники требует соответствующих новых технологий. При этом для реализации последних необходимо технологическое оборудование, основанное на технике предыдущей размерности.

Так, реализация этого принципа в микромехатронике предполагает развитие микросистемных технологий на основе 2D технологий микроэлектроники, созданных на предыдущем этапе развития техники. Это казалось бы бесспорное положение, однако как часто им пренебрегали в стремлении перепрыгнуть через очередной этап в закономерности развития техники. И каждый раз это приводило только к потери времени.

Третий принцип — унификация функциональных компонентов. В ходе миниатюризации для систем до дециметровой размерности этот принцип реализуется в виде модульного построения систем.

Для робототехники этот принцип построения имеет особенно большое значение из-за следующих особенностей применения средств робототехники прежде всего в экстремальных условиях Юревич Е. И. Роботы ЦНИИ РТК на Чернобыльской АЭС и развитие экстремальной робототехники. СПб, изд. СПбГПУ, 2012. — 160 с.:

— широкая и меняющаяся номенклатура;

— сложность технических требований, которые часто находятся на пределе возможностей современной техники;

— зачастую единичный характер потребностей в отдельных типах робототехнических систем.

На рис. 1.3 и 1.4 были приведены примеры базовых модульных робототехнических систем из средней части их типоразмерных рядов. На рис. 1.5 показан пример модульного космического манипулятора. Основным модулем, определяющим их ряд, является унифицированный шарнир, а для шасси мобильных роботов — мотор-колесо.

Рис. 1.3 Модульный робот-разведчик для поиска радиоактивных объектов (ЦНИИ РТК)

Рис. 1.4 Модульный робот «Антитеррорист» с рентгеновской системой интроскопии. Справа пульт управления оператора (ЦНИИ РТК)

Рис. 1.4 Модульный космический манипулятор ДОРЕС (ЦНИИ РТК)

Заметим, что модульный принцип является в определенном смысле альтернативой первому принципу системного подхода, поскольку предполагает декомпозицию технических систем. Однако сама унификация типоразмерных рядов функциональных компонентов основана именно на системном подходе и оптимизации по единым критериям для всего множества этих компонентов.

Четвертый принцип — интеграция функций на базе однородных структур. Этот принцип построения технических систем, который так же был уже упомянут, приходит на смену модульному в конце их типоразмерного ряда при переходе к миллиметровой размерности Лопота В. А. Юревич Е.И. Закономерности развития мехатроники и робототехники// Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. — № 57. — 2008. С. 3−9.

На рис. 1.6 показан описанный процесс миниатюризации основных функциональных компонентов технических систем. Здесь приведены три (I, II, III) варианта интеграции этих компонентов в ходе их миниатюризации Лопота В. А. Юревич Е.И. Закономерности развития мехатроники и робототехники// Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. — № 57. — 2008. С. 3−9.

Рис. 1.6 Этапы миниатюризации функциональных компонентов технических систем

Первый вариант (I) — это продолжающаяся автономная миниатюризация компонентов в виде модулей вплоть до микрои наноразмерностей. Второй вариант (II) рассмотрен выше — это наиболее быстро развивающиеся в настоящее время структуры в виде однородных технических нейронных сетей. Третий вариант (III) относится, прежде всего, к будущим наноразмерным структурам. Его идея близка клеточному построению живых организмов. Подобно последним такие функционально полные мехатронные ячейки являются элементарными унифицированными модулями для построения специализированных структур фрактального типа с последующей реконфигурации в процессе развития.

Пятый принцип — интеллектуализация как отдельных функциональных компонентов, так и общесистемных функций. Он тоже соответствует общетехническим тенденциям, хотя его название достаточно условно, т.к. конечным развитием этого принципа будет техническое освоение неформализуемых творческих (креативных) способностей человека.

Заметим, что для современных технических систем точнее говорить не об искусственном, а о гибридном интеллекте, т. е о его симбиозе с естественным интеллектом, участвующего в управлении человека-оператора, или еще точнее о гибридном разуме, т.к. человек в системе в основном требуется для привлечения не столько его сознательных формализуемых интеллектуальных способностей сколько подсознательной интуиции и творческих способностей.

Таковы наиболее общие принципы построения робототехнических систем, определяемые порядком размерности, и тенденции их развития. Как видно из изложенного, общей особенностью последних является непрерывный рост значения бионического подхода.

Так, биологическим аналогом системного подхода и унификации компонентов является клеточное строение, а интеграции — нейронные структуры, пронизывающие все органы живых существ. Все методы искусственного интеллекта, по существу, так же являются результатом копирования живой природы в части вербального мышления.

Глава 2. Анализ критериев компактности промышленной робототехники

2.1 Сравнение промышленных роботов по критериям компактности

Современное развитие микроробототехнических систем способно оказать существенное влияние на многие области деятельности человека. Как считают зарубежные эксперты, в промышленном производстве и медицине XXI века микророботы будут играть ведущую роль. Технологической базой микроробототехники является микроэлектромеханика — высокая технология двойного назначения, базирующаяся на использовании методов и средств микроэлектроники. В США и Японии осуществляется ряд проектов, целью которых является создание микророботов.

Показательным примером является японский проект «Micromachine Technology Project». Он стартовал в 1991 году и был рассчитан на период до 2000 года. Основной целью этого проекта являлось развитие технологий для создания микроробототехнических средств, способных решать следующие задачи Бочаров Л. Ю., Мальцев. П. П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом// Искусственный интеллекс. — 2012. — № 3. — С. 599 — 606:

— автономно передвигаться внутри кровеносных сосудов и органов живых организмов, осуществляя диагностику заболеваний и хирургические операции;

— проведение диагностирования и ремонта сложного промышленного и транспортного оборудования в труднодоступных местах (внутри трубопроводов авиационных двигателей, в оборудовании атомных электростанций и химических производств).

Общий запланированный объем финансирования этого проекта составляет 250 млн долл. Только на изучение фундаментальных закономерностей микромира в области механики, гидродинамики, теплопередачи; на разработку новых материалов, в том числе с управляемыми свойствами; на исследование элементной базы микроустройств (включая технологии их изготовления) было затрачено порядка 100 млн долл. Этот проект выполняется в рамках многоцелевой программы «Industri Science and Technology Frontier Program», руководство которой осуществляется Агентством промышленных наук и технологий (AIST) Министерства внешней торговли и промышленности (MITI). Финансирование проекта осуществляется через государственную корпорацию Организация развития новых видов энергетики и промышленности (NEDO). Головной организацией является Центр микромашин (MMC) в Токио.

На первом этапе изучались фундаментальные закономерности микромира в области механики, гидродинамики, теплопередачи. Осуществлялась разработка новых материалов, в том числе с управляемыми свойствами. Исследовалась элементная база микроустройств, включая энергетические микроэлементы, и технология ее изготовления.

В 1994 году в проект были включены работы, направленные на создание микропроизводств, то есть на разработку миниатюрного, высокоточного и экономичного микроэлектромеханического оборудования, предназначенного для производства миниатюрных прецизионных приборов и устройств. В апреле 1996 года начался второй завершающий этап проекта, на этом этапе создаются микросистемы, способные осуществлять автономное передвижение и манипуляции.

Результаты, полученные в ходе выполнения проекта «Micromachine Technology Project», позволят создавать робототехнические устройства для промышленных и медицинских целей примерно к 2001 году. Однако уже в 1999 году японские фирмы представили на рынок роботизированные игрушки с элементами искусственного интеллекта.

Собака, имеющая 4 основных инстинкта (любовь, поиск, движение, перезарядка) и упрощенную эмоциональную модель, а также способная приобретать новые навыки, была разработана фирмой Sony, и в 1999 году их продано 3 тысячи штук по цене 2 тысячи долларов. Вес самообучающегося хромированного песика — 1,5 кг, длина — 27 см. Кошку, способную произносить 50 фраз и поднимать настроение собеседника, а также передавать медицинскую информацию для клиента и сообщать о состоянии пациента в сетевой центр, представила в 1999 году фирма Matsushita Electric, планирующая продавать устройство с 2001 года по цене 430 долларов Бочаров Л. Ю., Мальцев. П. П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом//Искусственный интеллекс. — 2012. — № 3. — С. 599 — 606.

Характерной чертой мирового технологического развития последнего десятилетия XX века является зарождение интегрально образующихся (комплексных) технологий.

К их числу относятся технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС). Интеграция достижений в области электроники, механики, информатики и измерительной техники, объединенных тенденцией к миниатюризации, определило зарождение этих технологий в конце 80-х начале 90-х годов. Огромное количество (более 250 в 1994 г. и уже более 400 в 1997 г.) университетов и коммерческих компаний США и Японии, сконцентрировав усилия на развитие технологий МЭМС, открыли широчайший спектр их возможного применения. Общее количество зарегистрированных в мире патентов в области технологий МЭМС резко возросло и к 1998 году достигло 1000, из них более 300 принадлежит США. Сейчас в этой области ежегодно регистрируется более 200 патентов.

Показателен и рост мировых объемов производства (продаж) МЭМС, который по сравнению с 1995 г. увеличился более чем в 2 раза и составил в 1998 году порядка 4 млрд. долларов США. Прогнозировалось, что в 2000 году он составит более 13 млрд. долларов.

В 1995 году к соперничеству двух мировых лидеров в области МЭМС — США и Японии — активно подключились страны Европы и Юго-Восточной Азии.

Так, например, количество университетов и коммерческих компаний, занимающихся исследованиями и разработками технологий МЭМС, в Германии к 1997 году стало в 1,5 больше, чем в США, и практически сравнялось с Японией. Важно отметить, что мировая динамика развития МЭМС связана с неуклонным ростом государственной поддержки исследований и разработок в этой области. Этот факт определяется в первую очередь тем, что технологии МЭМС вошли в ту фазу своего развития, которая требует долгосрочного и устойчивого финансирования, а именно это в нынешних условиях не могут себе позволить многие коммерческие компании.

В США инициирующим фактором в развитии микросистемной технологии стало появление программы микроэлектромеханических систем (МЭМС), разработанной по заказу Управления перспективных исследований министерства обороны США (DARPA) с названием «MEMS — Microelectromechanical Systems» Бочаров Л. Ю., Мальцев. П. П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом//Искусственный интеллекс. — 2012. — № 3. — С. 599 — 606. Перечень научно-исследовательских работ приведен в приложении 1. Министерство обороны США выделяет гранты на развитие микроэлектромеханических систем на сумму 35 млн долл. ежегодно.

Сандийская лаборатория в США сообщает о разработке новой технологии микроэлектромеханических систем, получившей название Sandia Embedded Integrated Micromechanical Systems — SEIMS. Технология позволяет выполнять компоненты систем с минимальным топологическим размером 0,5 мкм и тем самым добиться дальнейшего снижения размеров соответствующих систем. Технология обеспечивает также резкое увеличение интеграции в создаваемых системах разнофункциональных элементов. В этих лабораториях организованы отделения робототехники и искусственного интеллекта.

Ливерморская лаборатория им. Лоуренса (США) работает над созданием микроэлектромеханических устройств, стойких к радиационным, химическим, тепловым воздействиям. Получить такие качества позволяет применение карбида кремния в качестве исходного материала для изготовления этих устройств.

Разработанный в Окриджской лаборатории (США) микроэлектромеханический спектрограф объемом 6 куб. см в 3 три тысячи раз меньше его неинтегрального аналога. Спектрограф может применяться в мониторинговых и аварийных системах химических предприятий.

В США исследователи Массачусетского института разработан микроробота-хирурга для внутриполостных и внутрисосудистых операций в 2006 году, а микроробот для менее сложных операций появился еще раньше.

Огромный спектр МЭМС технологий привел к тому, что в этой области стали выделять уже отдельные направления по созданию Бочаров Л. Ю., Мальцев. П. П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом//Искусственный интеллекс. — 2012. — № 3. — С. 599 — 606:

— микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС);

— микроэлектромеханических жидкостных систем (МЭМ ЖС);

— микроакустоэлектромеханических систем (МАЭМС) и др.

Для оценки состояния и перспектив развития микроэлектромеханических систем на основе зарубежных данных можно ввести коэффициент качества, позволяющий оценить уровни интеграции МЭМС и представленный в виде суммы числа транзисторов (Т) и числа механических компонент (M).

2.2 Анализ отношения критерия компактности к другим характеристикам промышленной робототехники

Минии микроробототехника — сравнительно новый раздел робототехники, который сформировался в русле общей для техники тенденции миниатюризации и уже получил свои безальтернативные сферы применения от военного дела и силовых структур до медицины.

В ходе миниатюризации робототехнических систем по мере освоения новых массогабаритных размерностей происходит модификация их структур и соответственно методов проектирования. Этот процесс иллюстрирует рис. 2.1 Юревич Е. И. Минии микроробототехника//Машиностроение. — 2011. — № 2. — С. 89−91.

Рис. 2.1 Этапы миниатюризации функциональных компонентов робототехнических систем

Для миниразмерностей основным методом построения систем продолжает оставаться модульный принцип. На его основе реализуются системы переменной структуры — реконфигурируемые. Это новое перспективное направление применения модульного принципа построения для реализации высшей формы адаптации — структурной. Она может осуществляться автоматически по сенсорной информации в виде самоорганизующихся систем или человеком-оператором. Реконфигурация может относиться ко всей системе или к отдельным частям робота — к манипулятору, транспортной или сенсорной системам ит. д. Помимо расширения функциональных возможностей реконфигурация повышает надежность функционирования систем.

Типовые примеры реконфигурации манипуляторов — это смена рабочих органов, подключение прецизионного позиционера или других новых звеньев. Пример реконфигурируемой транспортной системы — цепочка транспортных ячеек-модулей или двухмерная решетка из них. Это резко повышает проходимость робота, а возможность компоновать эти транспортные ячейки различными функциональными модулями дает общее решение полной функциональной реконфигурируемости.

На рис. 2.2 показана такая обобщенная компоновка реконфигурируемой мобильной миниробототехнической системы широкого назначения для использования в чрезвычайных ситуациях техногенных и природных катастроф. Приведенная компоновка из четырех двухколесных транспортных модулей может быть дополнена гусеницами, колеса могут быть заменены педипуляторами из типоразмерного ряда тех же шарниров, которые используются для манипуляционных систем Юревич Е. И. Минии микроробототехника//Машиностроение. — 2011. — № 2. — С. 89−91.

Рис. 2.2 Универсальная реконфигурируемая робототехническая система типа «Робопоезд»: 1, 2, 3, 4— соответственно модули манипуляционный, сенсорный, связи, энергопитания

Как показано на рис. 2.1, дальнейшее уменьшение размеров приводит к постепенному конструктивному слиянию отдельных функциональных компонентов и соответственно к переходу от модульного построения к миниатюризации общих массо-габаритных параметров. Процесс этот начался с создания многофункциональных информационных структур и развивается в двух направлениях — процессорных однородных структур и технических нейронных сетей.

Первый путь уже хорошо отработан. Второй путь создания многофункциональных нейронных сетей находится еще в стадии поисковых исследований. Эту задачу иллюстрирует рис. 2.3. Слева выделены сплошными линиями функциональные компоненты, уже успешно реализуемые на нейронных сетях, а справа — подлежащая реализации структура единой многофункциональной нейронной сети Юревич Е. И. Минии микроробототехника//Машиностроение. — 2011. — № 2. — С. 89−91.

Рис. 2.3 Перспективы создания многофункциональных нейронных сетей

Нейронные сети показали свою эффективность для обеспечения отдельных функций роботов и, что не менее важно, являются перспективной основой после освоения методов искусственного интеллекта для создания «искусственного разума», имитирующего наряду с интеллектом и человеческую интуицию, т. е. творческие способности.

Такая распределенная многофункциональная нейронная сеть, в которой отдельные функции реализуются в виде программных агентов с общей иерархической ассоциативной памятью, станет основой разумных роботов — роботов нового поколения, самообучающихся и самосовершенствующихся подобно живым организмам.

Процесс миниатюризации силовых компонентов, сопровождающийся их слиянием с другими функциональными компонентами, происходит с большим запаздыванием по отношению к информационным компонентам, поскольку это требует поиска новых физических принципов и путей их технической реализации. Для приводов нужно прежде всего создать искусственные мышцы, в частности на базе электроактивных полимеров. Для бортовых источников электроэнергии необходим поиск новых способов аккумулирования электроэнергии, основанных на нанотехнологиях и беспроводной передачи электроэнергии.

В целом, как показано на рис. 2.1, развитие структур минии микроробототехнических систем вылилось в следующие три линии:

I — продолжение автономной минимизации отдельных функциональных компонентов, включая микрои наноразмерности;

II — указанное выше объединение информационных модулей в общую однородную сеть.

Такая интеграция функций подобна головному мозгу человека и должна дать аналогичный эмерентный эффект; линия 111 находится еще в стадии поисковых исследований, как и сама наносистемная техника в целом. Ее идея близка клеточному строению живых организмов и навеяна именно этой бионической ассоциацией.

Отдельным направлением развития минии микроробототехники является групповое функционирование роботов. К таким группам роботов также может быть применена, в частности, концепция многоагентных систем, но не программных, а материальных агентов-роботов. Групповое применение можно рассматривать как один из способов миниатюризации за счет сокращения функций отдельных роботов, совместно выполняющих общую задачу, и совместного обеспечения связи с центром, энергообеспечения, преодоления препятствий, выполнения других общих задач.

Обобщая изложенное, важно опять подчеркнуть, что в рамках минии микроробототехники происходит смена принципов построения робототехнических систем — от декомпозиции к системному подходу. Поэтому именно в этом диапазоне размерностей формируются и отрабатываются общие принципы и методы оптимизации систем робототехники и обосновываются тенденции их дальнейшего развития, что определяет особое значение этого раздела для робототехники в целом.

2.3 Возможные направления развития характеристик компактности промышленной робототехники

Миниатюризация мобильных и манипуляционных робототехнических систем является одним из важных перспективных направлений разработки средств современной техники в интересах ведущих отраслей промышленности. Развитие определяющих научно-технический прогресс отраслей промышленности, таких как энергетика, в том числе атомная энергетика, промышленное оборудование газонефтедобывающих и перерабатывающих отраслей, машиностроение, медицинская техника, биотехнология, связано с повышением производительности и качества конечного продукта, что ведет к усложнению технологических процессов производства и их автоматизации. Создание автоматических и роботизированных систем с новыми свойствами невозможно без миниатюризации роботов как одних из средств автоматизации. Поэтому можно считать, что миниатюризация технических средств автоматизации актуальна и совершенно необходима.

Современные тенденции миниатюризации робототехнических систем развиваются по следующим направлениям Градецкий В. Г., Князьков М. М., Фомин Л. Ф., Чащухин В. Г. Механика миниатюрных роботов. — М.: Наука. — 2010 с. — 520 с.:

— уменьшение габаритов функциональных мехатронных модулей до микрои наноразмеров;

— применение имеющихся и разработка новых наноматериалов с заданными механическими и прочностными свойствами;

— совмещение нескольких функциональных операций в связи с технологическими возможностями для уменьшения геометрических размеров механических систем, габаритов кристаллов и плотности;

— развитие мехатронного подхода к созданию роботов; все более широкое использование процессов биотехнологий и биомеханики для создания миниатюрных роботов;

— использование явлений на молекулярном и клеточном уровнях для достижения сверхминиатюризации систем робототехники.

Миниатюризация мобильных роботов для движения в ограниченных пространствах, включая движение внутри труб малых диаметров, является одной из тенденций развития современной робототехники. Стремление к микрои наноразмерным роботам привело к созданию капсульных роботов, предназначенных для технической и медицинской диагностики. Капсульные роботы могут перемещаться пассивно для выполнения задач медицинской диагностики желудочно-кишечного тракта или иметь собственные системы миниатюрных приводов электромагнитного, электромеханического, пьезоэлектрического принципов действия для движения внутри труб малых диаметров и решения задач технической диагностики.

Рассматриваются основные зависимости между параметрами движения миниатюрных многозвенных роботов с электромагнитными движителями. Для дальнейшей миниатюризации, усовершенствования алгоритмов управления и развития методов проектирования появилась необходимость в исследовании взаимодействия параметров управляемых движений при действии системы сил, включая внешние силовые возмущения.

Анализируются пути и методы миниатюризации транспортной, механической, сенсорной систем миниатюрного электромагнитного робота.

Поскольку в мехатронных модулях связи различной природы — механические, электрические, информационные, пневматические — синергетически соединены в едином конструктиве, их миниатюризация как единого целого зависит от миниатюризации всех отдельных блоков, т. е. должны быть минимальными габариты всех блоков.

Таким образом, конструирование микромашин (в частности, электромагнитных устройств) отличается от конструирования макромашин тем, что при их создании в первую очередь разрабатывается технология, обеспечивающая их достаточно простое и недорогое изготовление и уже во вторую очередь — оптимизируется конструкция устройства.

В последние несколько лет заметно возрос интерес к традиционным технологиям, модернизированным для решения задач микросистемной техники. В первую очередь, к таким технологиям относится прецизионная электроискровая обработка материалов, которая позволяет изготавливать, например, профильные постоянные микромагниты из редкоземельных сплавов.

Использование таких традиционных технологий в совокупности с новейшими технологиями изготовления объемных твердотельных микроструктур (LIGAтехнология, стекловолоконная технология) на сегодняшний день является мощным инструментом при создании сложных микромашин. Именно такой подход описан в работе Градецкий В. Г., Князьков М. М., Фомин Л. Ф., Чащухин В. Г. Механика миниатюрных роботов. — М.: Наука. — 2010 с. — 520 с. В этой работе прецизионный электромагнитный микропривод вращения исследуемого образца под микроскопом содержит три однослойные катушки по 10 витков в каждой, которые расположены параллельно друг другу на расстоянии ~ 100 мкм. Катушки намотаны проводом диаметром 25 мкм на ферромагнитные стержни и образуют трехфазную обмотку.

Следует отметить, что для катушек с внешним диаметром ~ 1 мм намотка обеспечивает несравненно большее количество витков, чем известные микротехнологии. Таким образом, в зависимости от геометрических размеров конструкция обмотки тягового реле определяется способом ее изготовления.

В настоящее время в мире наметился путь создания микроустройств, передвигающихся по поверхности или перемещающих предметы с помощью большого количества ног, приводимых в асинхронное движение различными устройствами.

Поступательное движение платформы с грузом, имеющей ноги, может производиться в результате определенного алгоритма встречного поворота ног. Движение платформы I относительно основания II осуществляется посредством определенной последовательности поворотов пар ног х1 и х2 (рис. 2.4), связанных с основанием шарнирами. Поворот групп микроног может существляться посредством различных микроприводных систем — пьезоэлектрических, электромагнитных, электромеханических, тепловых, использующих материалы с памятью формы и др.

Рассмотрим вначале поворот групп ног, производимый микроэлектромеханическими приводными системами, а именно: микродвигателями. В этом случае пары приводятся во вращение встроенными в шарниры микродвигателями. Последовательность угловых движений пар ног х1 и х2 производится программно микродвигателями, включение и выключение которых показано на циклограмме, избраженной на рис. 2.4 слева.

Каждому положению ног и платформы соответствует определенное включение двигателей, управляющих положением ног.

В положении, а обе группы ног x1 и x2 находятся в сложенном состоянии, управляющие сигналы на двигатели не подаются, и двигатели выключены. В положении б группа ног х1 приводится во вращение на угол а) и перемещает платформу силой F на расстояние х. В положении в начинается поворот группы ног x2. Этому положению соответствует включение двигателей всех групп ног x1 и х2, как показано на циклограмме. Платформа I остается неподвижной относительно основания II. Положение г соответствует включению двигателей групп ног х2 в обратном направлении на угол со, а платформа движется вперед посредством силы F, приложенной к платформе со стороны групп ног х1. Положение д соответствует начальному состоянию системы, когда обе группы ног сложены, а платформа переместилась на расстояние х. Полное перемещение платформы за период цикла составляет расстояние 2 х. Каждая группа микроног может состоять из десятков и сотен и перемещать платформу с установленным на ней грузом достаточно большой массы в несколько сот граммов и более. Перемещаемая масса зависит от числа микроног.

Рис. 2.4 Принцип действия устройства, перемещающего предметы с помощью асинхронно движущихся ног

Наиболее яркий пример такого устройства показан на рис. 2.4. Устройство выполнено в виде Si-пластины, содержащей до 12 ног, каждая из которых образована в этой пластине сквозным П-образным узким отверстием. У основания ноги в кремнии сделаны 4 канавки, заполненные полиимидом, которые и образуют подвижный узел ноги. В исходном состоянии за счет сил механической деформации нога «сама» отгибается от пластины и поджата к ее плоскости. Между канавками с полиимидом в кремнии методом ионной имплантации бора созданы резисторы — нагревательные элементы. При пропускании импульса тока через эти резисторы нога за счет разогрева полиимида в канавках занимает положение, перпендикулярное пластине. При выключении тока она занимает исходное положение. При толщине 30 мкм и длине 0,5 мм нога выдерживает нагрузку 200 мг. Максимальная частота подачи импульсов тока составляет 250 Гц, что обеспечивает движение пластины со скоростью до 5 мм/с (рис. 2.5) Градецкий В. Г., Князьков М. М., Фомин Л. Ф., Чащухин В. Г. Механика миниатюрных роботов. — М.: Наука. — 2010 с. — 520 с.

Рис. 2.5 Схема микроробота с эластичными ферромагнитными ногами: 1 — труба, в которой перемещается робот; 2 — электрическая обмотка; 3 — магнитопровод: 4. 5 — эластичные ферромагнитные ноги

Электрическая обмотка 2 этого робота расположена на по лом каркасе с магнитопроводом, часть которого 3 жестко связана с обмоткой, а части 4 и 5 выполнены в виде эластичных ног («ершиков»), геометрическая форма которых может иметь, как это показано на рис. 9.10, различные варианты. При подаче импульса тока через обмотку между ногами 4 и 5 возникают силы взаимного магнитного притяжения Т1 и Т2. При этом ноги 5, упирающиеся изначально в стенку трубы /, отжимаются от стенки, а ноги 4 упираются в нее и приводят робот в движение.

Преимущество движения с помощью ног состоит в полном отсутствии сил трения скольжения.

Миниатюризация роботов для продвижения в трубах возможна с применением эластичных ног, изготовленных из ферромагнитного материала (рис. 2.5), длина которых может изменяться от 0,5 мм до нескольких микрометров.

Если принять длину используемых в таком роботе ног или лапок равной 0,5 мм, то при диаметре трубы 2 мм диаметр платформы должен составлять не более 1,0 мм. С учетом того, что в качестве полезной нагрузки робота может выступать, например, волоконно-оптический кабель, или сенсорное микроустройство (диагностический робот), или какое-нибудь другое устройство, платформу целесообразно выполнить в виде полого цилиндра, внутри которого может быть размещен полезный груз. Это самый упрощенный подход к конструированию такой платформы.

Более сложный вариант, выбранный при проектировании, заключается в том, что полая цилиндрическая платформа изготавливается по стекловолоконной технологии, которая при необходимости позволяет быстро модернизировать конструкцию платформы при ее производстве по мере изменения функционального назначения микророботов.

Глава 3. Практическое применение критериев компактности в промышленной робототехнике

3.1 Программные решения для оценки компактности робота

Специфика миниатюризации робототехники привела к созданию и развитию нового направления в метрологии, с которым связаны все теоретические и практические аспекты обеспечения требуемой точности и единства измерений в данной сфере.

Метрологическая программа нано-метрового диапазона Национального института стандартов и технологий CIF (NIST) нацелена на решение некоторых из указанных задач, которые находятся в рамках компетенции NIST.

Влияние и результаты использования точных эталонов на полупроводниковую индустрию были проанализированы, когда мировая продажа фотошаблонов составила около 375 млн долл. в год. Использование точного эталона NIST для ширины линии позволило промышленности сэкономить в год до 30 млн долл. С тех пор как было выполнено указанное первоначальное исследование, в 2001 г. рынок фотошаблонов возросло до величины, которая оценивается в 2 млрд долл. В течение ряда лет NIST ввел серию более точных эталонов ширины линии, и в настоящее время готовится к выпуску новый эталон.

Экспертные оценки показывают, что на метрологическое обеспечение развития микроэлектроники в направлении микроэлектроники в США ежегодно тратиться более 4.0 млрд. долларов.

Потребность в системе метрологического обеспечения (включая терминологию, теорию, отображение информации и формирование изображений, моделирование), позволяющей использовать микроструктуры и принципы их функционирования при компоновке новых микроматериалов, предназначенных для использования в энергетике (перенос массы и энергии, регистрация данных, преобразование, производство).

Потребность в разработке системы метрологического обеспечения и соответствующей инфраструктуры, адаптированной применительно к специфике синтеза микроматериалов для специальных применений в энергетике (например, при создании углеродных микротрубок для хранилищ водорода).

Необходимость описания свойств микроразмерных цеолитов и микроструктур, применяемых в катализаторах химических процессов при контроле состояния окружающей среды.

Потребность в разработке системы метрологического обеспечения, необходимой для синтеза технологии изготовления диспергированных суспензий микрочастиц без абсорбирующих добавок.

Потребность в метрологическом обеспечении новых микропреобразователей и других технических средств для обнаружения химических, биологических, радиологических и взрывоопасных веществ и материалов; микроматериалов для усовершенствования защитной одежды и фильтров, а также средств защиты от нападений.

Для преодоления данных барьеров национальные метрологические институты стран, с наиболее развитыми микротехнологическими направлениями, создают специальные научно-исследовательские лаборатории, оснащенные современными средствами измерений, зачастую совмещенными с соответствующим технологическим оборудованием.

Наиболее известны подразделения метрологии соизмерен] рационального института стандартов и технологии — «N1ST (США), Национальной физической лаборатории — NPL (Великобритания), Физикотехнического института — РТВ (Германия), Национального метрологического института — LNE (Франция).

Оснащение данных лабораторий включает в себя ряд приборов, позволяющих проводить измерения физических величин в микрометровом диапазоне. К ним относятся сканирующие электронные микроскопы (СЭМ), просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ), сканирующие туннельные микроскопы (СТМ)" атомно-силовые микроскопы (АСМ), микроскопы ближнего поля, конфокальные микроскопы, интерференционные микроскопы и ряд других приборов обеспечивающих наивысшее разрешение по измеряемым физическим величинам при микрометровых размерах исследуемого объекта.

Однако, в процессе исследований различных микроструктур возникло понимание, что для решения задач обеспечения единства измерений параметров микроструктур данной приборной базы недостаточно. Возникла необходимость значительно повысить точность измерений и увеличить количество измеряемых параметров.

Измерительный объем 300×300 мм х 50 мкм. Для обеспечения высокий точности измерений прибор размещается в помещении с высоким уровнем обеспыливания и термостабилизации. Применяются специальные меры по защите от вибраций и акустических воздействий.

Поскольку пока не разработано приборов, основанных на новых физических принципах, повышение точности приборов приведенных выше достигается за счет увеличения стабильности параметров окружающей среды, обеспыливания, всесторонней защиты от различных внешних воздействий (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Эталонный манометрический комплекс национального метрологического института Франции (LNE) на основе АСМ.

Получение информации о различных физических параметрах микрообъекта во многих случаях может быть достигнуто только путем одновременного измерения ряда физических параметров. Поскольку при переносе объекта от одного прибора к другому ряд его свойства могут существенно измениться.

Это привело к созданию комбинированных приборов, позволяющих, например, без выноса образца в атмосферу исследовать один и тот же участок образца методами сканирующей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, ближнепольной оптической микроскопии, дифрактометрии, поляриметрии и т. д.

Приборы подобного типа разработаны и используются в Национальной физической лаборатории. Например, оптико-рентгеновский интерферометр и атомно-силовой микроскоп в комбинации с рентгеновским интерфе-рометром.

Ввиду того, что появляется большое количество микрострукту-рированных материалов с новыми свойствами, количество нормируемых параметров, требующих проведения измерений постоянно возрастает. Также возникает необходимость создавать стандартные образцы новых микроструктурированных материалов и аттестовывать их. Поэтому для создания и исследования новых свойств микрострукутрированных материалов необходимо иметь возможность проводить изготовление таких материалов, а также оказывать на них различные воздействия в процессе измерений.

Этим требованиям соответствует измерительно-технологическая установка высшей точности для создания и исследования микрострукутур, созданная в NIST (США). Данная установка считается одном из наиболее совершенных инструментов для исследований микроструктурированных материалов (рис. 3.2).

Рис. 3.3 Установка для создания и исследования микроструктур (NIST, США)

Включает в себя:

· сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) при сверхвысоком

· вакууме и высокоточном контроле температур -270 до -150 С;

· сверхпроводящий магнит создающий поле до 10 Т в области зонда;

· систему молекулярно-пучковой эпитаксии;

· систему приготовления образцов игольчатого типа для исследования на СТМ;

· систему транспорта образцов в сверхвысоком вакууме;

· уникальную систему защиты от внешних физических полей.

Для повышения достоверности регистрации параметров микробъекта его исследование осуществляется непосредственно сразу после изготовления, причем транспорт объекта из технологической камеры в измерительную осуществляется с помощью специального робота в сверхвысоком вакууме. Это позволяет, например, в течение нескольких часов исследовать свойства поверхности свободной от газового монослоя.

Аналогом данной установки является отечественный измерительно-технологический комплекс «Микрофаб», разработанный компанией «НТМДТ» (г. Зеленоград) (рис. 3.3).

Однако, к настоящему времени нет подтвержденных данных о реальных характеристиках и практических возможностях данного комплекса.

Рис. 3.3 Измерительно-технологическая установка «Микрофаб» обеспечивает создание и измерение образцов в сверхвысоком вакууме с применением методов: МПЭ; фокусированного ионного пучка (ФИП); АСМ; возможностью наращивания аналитического оборудования и кластерного конфигурирования

Исследование аппаратурного обеспечения микроизмерений ведущих метрологических центров мира позволяет сформулировать ряд принципов, которые должны быть положены в основу создания измерительно-технологического комплекса для обеспечения единства измерений параметров микроструктурированных объектов и материалов.

Повышение точности измерений эталонных установок за счет снижения воздействий внешних шумовых полей на прибор путем экранирования внешних полей и стабилизации параметров окружающей среды.

Повышение точности измерения параметров микробъектов за счет снижения воздействия окружающей среды на микрообъект путем транспорта его в вакууме и снижения времени между созданием микрообъекта и регистрацией его параметров.

Получение информации о свойствах микроструктурированных материалов путем одновременного проведения комбинированных измерений, основанных на различных физических принципах, а также оказания различных видов воздействий в процессе проведения измерений.

Для исследования новых свойств микроструктурированных материалов, а также моделирования и создания различных стандартных образцов свойств, состава и структуры в комплекс должны входить установки, позволяющие проводить оперативное изготовление таких образцов.

Исследование рынка современных приборов и оборудования показало, что в области микротехнологий имеется весьма незначительное количество коммерчески доступных образцов уникальных многофункциональных установок. Одной из немногих коммерческих доступных установок, позволяющих проводить создание и манипуляции с микрострукутрами, а также измерение их параметров методами СЭМ и различными видами структурного анализа является установка фирмы Карл Цейсе (Германия) Cross Beam 1540 (рис. 3.4).

Рис. 3.4 Установка Cross Beam 1540 — уникальный комплекс создания и исследования микрообъектов.

Установка Cross Beam 1540 оснащена двумя электромагнитными колоннами, обеспечивающими подачу на образец сфокусированного электронного и ионного пучков. Электронный пучок используется для наблюдения структуры образца, ионный пучок используется для создания и обработки образца. В электронном пучке достигается разрешение — 0,8 нм.

Установка оснащена детекторами позволяющими с высокий разрешением и контрастом наблюдать микроструктуру образца и следовать его состав. В их число входят:

— детектор отраженных электронов с селекцией по углу и по энергии;

— детектор вторичные электроны;

— детектор для работы в просвечивающем режиме;

— анализ катодолюминесценции;

— рентгеновский энергодисперсионный спектрометр;

— квадрупольный масс-спектрометр.

Установка CrossBeam 1540 штатно оснащена системой подачи в область ионного луча поочередно пяти газовых смесей и позволяет микросить вольфрам, углерод, платину, золото, а также дифторид ксенона.

Ионный пучок установки CrossBeam 1540 позволяет осуществлять ионно-лучевое травление образца, которое используется в различных исследовательских целях, а также при конструировании микроструктур (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Пластинчатая секция, для исследования на ПЭМ, изготовленная с помощью ионного пучка Cross Beam 1540.

В России уже имеются две установки Cross Beam 1540, которые в 2006 году были поставлены фирмой Карл Цейсс в Санкт-петербургский и Дальневосточный госуниверситеты.

Для исследования атомарной структуры микрообъектов в составе измерительно-технологического комплекса целесообразно иметь просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ).

Рекордным по разрешению и одновременно коммерчески доступным является ПЭМ Либра 200 фирмы Карл Цейсс, обеспечивающий разрешение до 0,8 А (рисю 3ю6).

В состав измерительно-технологического комплекса необходимо включить приборы, обеспечивающие измерение оптико-физических параметров микроструктурированных материалов.

К таким приборам относятся ближнепольный сканирующий оптический микро-фотолюминисцентный спектрометр NFS-200/300 фирмы Jasco (Великобритания).

Рис. 3.6 Высокоразрешающий просвечивающий электронный микроскоп Либра 200 с ускоряющим напряжением 200 КэВ. Разрешение до 0,8 А.

Для исследования микробъектов со сложной трехмерной топологией, в том числе в приложении микробиотехнологий, в составе измерительно-технологического комплекса метрологического необходимо иметь конфокальный сканирующий микроскоп. Одним из лучших образцов таких приборов является конфокальный сканирующий микроскоп-спектрометр Leica TCS SPE, фирмы Leica Microsystems.

Таким образом, примерный состав измерительной аппаратуры для обеспечения единства измерений параметров микроструктурированных объектов и материалов в современном представлении должен включать:

— установку Cross Beam 1540 в полной комплектации — 2 млн евро;

— просвечивающий электронный микроскоп Либра 200 — 2 млн евро;

— ближенпольный микроскопспектрометр Jasco NFS-200/300 — 500 тыс. евро;

— конфокальный сканирующий микроскоп-спектрометр Leica TCS SPE — 350 тыс. евро.

Ориентировочная стоимость приборов для создания измерительного комплекса в указанной комплектации составляет около 4,85 млн евро.

Приведенный пример показывает:

1 Метрологическое обеспечение микротехнологий и микропродукции крайне дорогостоящее мероприятие.

2 Среди высококачественного измерительного оборудования для микротехнологий мало оборудования, разработанного и изготовленного в России.

Производство роботов (серии ТYР), разработанных ОАО «АвтоВАЗ» и МГТУ «Станкин», открывает в определенной степени новую страницу в истории российской промышленности (со времен распада СССР никто в нашей стране не проектировал и не производил подобной техники).

Семейство роботов ТYР грузоподъемностью от 15 до 350 кг создано специалистами станкостроительного подразделения «Производство технологического оборудования и оснастки» ОАО «АвтоВАЗ» совместно с МГТУ «Станкин» в рамках Государственного инновационного проекта: «Разработка и освоение производства гаммы промышленных универсальных технологических роботов для массовых автоматизированных производств гражданский продукции». Перед ОАО «АвтоВАЗ» была поставлена задача не только разработать новое семейство роботов, но и создать соответствующие мощности по выпуску 1000 роботов в год для оснащения российских предприятий в самых различных отраслях промышленности, где требуется не только автоматизация производства, но и возможность создавать на их базе гибкие технологические производства, которые позволяют наиболее эффективно реагировать на изменение конъюнктуры отечественного и мирового рынка.

Роботы серии ТYР — это универсальное промышленное оборудование, которое можно применять при различных технологических операциях: контактной сварке; лазерной, дуговой и гибридной сварке; лазерной и плазменной резке; резке водой высокого давления; нанесении клеев и герметиков; складировании и транспортировании грузов и т. д. Отличительная особенность роботов семейства ТYР — это система управления разработки МГТУ «Станкин» с математическим обеспечением, доступным для оптимизации различных технологических функций и инструментальных баз.

Таблица 3.1 Основные технические характеристики семейства отечественных технологических универсальных роботов (ТYР) разработки ОАО «АвтоВАЗ» и МГТУ «Станкин»

Это облегчает подготовку роботов к эксплуатации и существенно расширяет возможности технологического оборудования (табл. 3.1). Из табл. 3.1 видим, что критерии компактности чаще всего уходят на второй план.

3.2 Сравнительная оценка компактности различных моделей промышленных роботов

Основные работы в области промышленной микро — и миниробототехники проводятся по трем программам: управляемые биологические системы (Controlled Biological Systems); биоподобные системы (Biomimetic Systems); распределенные робототехнические системы (Distributed Systems). Живые биологические системы обладают сложными и уникальными способностями и взаимодействуют с окружающей средой, что может быть успешно использовано в военной области.

Развитие биоподобных микророботов позволит создать роботы более гибкие и устойчивые, чем современные устройства, в условиях неопределенной внешней среды, а также разработать и исследовать новые материалы, промышленные технологии, датчики и приводы. Практические приложения будут включать разведку, разминирование, доставку полезных грузов, сбор информации, раннего обнаружения радиационных, химических, бактериологических загрязнений и др.

Проект микромеханического летающего насекомого, выполняемый в университете Беркли, США, предусматривает создание устройств с размахом крыльев 10 — 25 мм, способных осуществлять автономный полет. Анализ конструкции показал способность пьезоэлектрических двигателей (имеют коэффициент полезного действия до 90 — 95%) обеспечить необходимые значения плотности энергии и возможность получения требуемой для полета мощности с помощью солнечных батарей. Для летающих микророботов — аналогов природных насекомых — достаточно мощности порядка 10 мВт, что уже в настоящее время дает возможность практического изготовления необходимых крыльев и источников питания. Проблемным остается создание необходимой СУ.

Основное преимущество подобных роботов — невозможность засечь их с помощью средств ПВО. Затруднена также борьба с ними. Возможно гражданское применение в целях контроля окружающей среды. Рядом университетов США разрабатываются биоподобные шагающие микроробототехнические системы алгоритмов распознавания элементов окружающей среды, СУ и элементы искусственного интеллекта. Роботы должны быть оборудованы высокоэффективными резонансными пьезоэлектрическими приводами, содержать микровидеокамеру и датчики звука или температуры, обеспечивать незаметный поиск целей, взаимодействие с командным пунктом.

Разработки систем, имитирующих поведение беспозвоночных, выполняются с целью интеграции в схемы высокого уровня управления рефлексов низкого уровня.

Проекты, подобные «Скорпион» (Scorpion Project), работы для сложных инспекционных задач «Snake 2» являются идеальными для инспекционных, диверсионноразведывательных систем в узких полостях, коробах, канализационных коллекторах и трубах, чем объясняется значительный интерес, проявляемый к ним во всем мире.

Мини-робот «Snake 2» построен в 1999 г., имеет 12 колес вокруг каждой секции туловища, крутящий момент >12 Нм для любого звена может двигаться со скоростью 0,1 м/с. Структурно мини-робот может включать до 15 унифицированных секций. В каждой секции установлено по 3 двигателя. Соседние секции соединены универсальным шарниром. У каждой секции есть 6 инфракрасных дистанционных датчиков, 3 моментных датчика, 1 датчик наклона, 2 угловых датчика для измерения положения шарнира.

Видеокамера, расположенная в головной секции робота, предназначена для передачи видеоизображения на удаленный монитор. Ультразвуковые датчики, установленные на голове робота, используются для обнаружения препятствий. Питание осуществляется либо по кабелю, либо за счет энергии батарей, расположенных в хвостовом сегменте. В полностью автоматном режиме мини-робот может работать до 30 мин.

Подводные: восьминогое шагающее устройство, подобное омару, и плавающее, спроектированное по подобию миноги, позволяют проводить совместные исследования дна и толщины воды. Оба устройства обладают робастными свойствами по отношению к изменяющемуся рельефу дна и широтно-высотному управлению.

Распределенные робототехнические системы. Работы в этой области ведутся по следующим основным направлениям: уменьшение ГМХ (мини-, микро-, нанороботы); роботы с динамически изменяемой структурой; системы роботов; биоробототехнические системы; поиск новых технических методов управления роботами (новые способы связи, элементы искусственного интеллекта). Большое внимание уделяется оптимальному балансу между индивидуальными возможностями отдельного микроили мини-робота и возможностями всей робототехнической системы в целом, между интеллектуальными способностями отдельного робота и всей системы. Распределенные РТС обладают уникальными возможностями по выполнению действий в условиях дистанционного управления, способствующих решению поставленных задач с минимальным риском для людей.

Параллельная совместная работа многочисленных микроили мини-роботов сможет значительно сократить выполнение необходимой работы. Кроме того, применение интегрированной РТС значительно дешевле использования комплексных роботов.

Одним из характерных примеров, иллюстрирующих военное приложение распределенной робототехнической системы, является проект Robart III (начат в 1992 г.), работы по которому выполняются в Центре космических и военноморских робототехнических систем в Сан-Диего, Калифорния (SSC San Diego — Robotics at Space and Naval Warface Systems Center, San Diego, С А). По этому проекту разрабатывается перспективная роботизированная платформа малоуязвимого бойца, предназначенная для проведения разведывательных, охранных и антитеррористических спецопераций. В рамках проекта отрабатываются возможности по координации рефлексивного телеуправления и вопросы взаимодействия между основным боевым роботом типа «Robart III» и семейством вспомогательных минироботов (решающих задачи разведки и навигации) типа «Hexapod II». Технический анализ содержательной части представленных современных зарубежных программ и основных проектов в области военной микрои миниробототехники дает основание ввести в рассмотрение комплексную размерную классификацию нового класса робототехнических систем специального назначения (табл. 3.1) Поляков П. Ф., Невлюдов И. Ш., Палагин В. А., Хорунжий В. А., Поляков В. П., Королева Я. Ю. Мини-, микрои нанороботы// Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. трудов. Вып. 35. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2012. -С. 104 — 114.

Таблица 3.1 Классификация современной зарубежной микрои миниробототехники

Как следует из приведенной классификации, военные мини-роботы являются логическим развитием малого класса обычных роботов (образцов тактической робототехники). За счет применения элементов технологий МЭМС разработчикам удалось снизить массогабаритные показатели прототипов. Комплексный же переход к технологиям МЭМС не только дает возможность реализовать действующие механические микророботы в размерах природных насекомых, но и порождает практическое создание биомикроробототехнических систем военного назначения. Несмотря на свои сверхмалые размеры, военные микрои минироботы будут обладать достаточно развитым интеллектом.

По мнению западных разработчиков, это класс автономных адаптивных роботов (интеллектуальных систем) третьего поколения. Исходя из поставленной внешней цели, они смогут сами планировать свою деятельность в неизвестной окружающей среде; встроенные алгоритмы обеспечат возможность самообучения. Информационная насыщенность обеспечивается за счет собственной развитой сенсорной системы. Перспективные военные микрои минироботы являются принципиально новым классом робототехнических систем.

В силу характерных для них низкой себестоимости, высокой скрытности, крайне малой энерговооруженности они планируются к применению в рамках новых специфических задач.

Основой их практического использования в интересах вооруженных сил, по мнению западных военных аналитиков, должна стать концепция массированного применения большого числа однотипных интеллектуальных механических или биологических микросистем, выполняющих общую глобальную задачу в условиях тесного информационного взаимодействия как между отдельными микросистемами, так и между ними и человеком.

Развитие микроробототехники в первую очередь потребовало создания соответствующих микроприводов. Для этого, наряду с традиционными принципами действия и конструкциями, созданными в рамках традиционного точного машиностроения, были разработаны совершенно новые приводы для микроперемещений, основанные на использовании управляемых гибких деформаций. Одним из таких перспективных типов микроприводов являются пьезоприводы.

На рис. 3.7 показана схема основного элемента такого привода — пьезопреобразователя электрической энергии в энергию механического перемещения. Он представляет собой пакет из пьезокерамических шайб 1 с нанесенными на торцы серебряными электродами, на которые параллельно подается электрическое напряжение. При этом за счет обратного пьезоэлектрического эффекта происходит увеличение или уменьшение толщины шайб в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такие преобразователи имеют больший ход, чем использующие деформацию расширение-сжатие, но худшие точностные и силовые параметры.

Рис. 3.7 Пьезоэлектрические преобразователи микроприводов. а — с поступательной деформацией растяжение-сжатие: 1 — секция пьезокерамических шайб, 2 — фланец, 3 — шпилька, 4 — гайка, 5 — пластмассовая втулка, 6 — слюдяная шайба; б — с изгибной деформацией: 1,2— пьезоэлектрические пластины, 3 — металлическая рессора

Максимальные величины перемещения на выходе таких электромеханических преобразователей (ход) — до десятых долей миллиметра; скорость — до 1 — 2 м/с, погрешность управляемого позиционирования — доли мкм, усилие — сотни Н, мощность — десятки Вт. Из таких преобразователей создаются трехстепенные микроманипуляционные системы. Они часто комбинируются с обычными электромеханическими манипуляционными системами, обеспечивающими перемещение в десятки миллиметров с погрешностью, перекрываемой микроманипуляционной системой. Получается манипулятор, состоящий из последовательно соединенных систем грубого и точного позиционирования, рабочий ход которого определяется первой системой, а точность — второй.

Помимо пьезоэлектрических, существуют микроприводы и других типов — пьезомагнитные, электрои магнитострикционные, биметаллические, на эффекте памяти формы, электростатические, пневматические, гидравлические Поляков П. Ф., Невлюдов И. Ш., Палагин В. А., Хорунжий В. А., Поляков В. П., Королева Я. Ю. Мини-, микрои нанороботы// Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. трудов. Вып. 35. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2012. -С. 104 — 114.

Из микроприводов других типов наиболее широкое распространение получили электростатические. Такие микроприводы используют энергию электрического поля для совершения движения. Электростатический привод используется в качестве микропереключателей СВЧ-сигналов, перспективных для использования в космических системах связи, построенных из пикоспутников. Эти переключатели обладают такими преимуществами, как низкие вносимые потери, высокая добротность, низкая потребляемая мощность, хорошая изоляция на высокой частоте и низкая стоимость.

Возможность изготовления электромеханических переключателей на одном кристалле с микроэлектронными компонентами открывает перспективу создания систем с более высокой функциональностью. Перспективно применение микрозеркал в оптических приборах. Массивы микрозеркал, ориентация которых может управляемо изменяться, используются в качестве микроминиатюрных пространственных модуляторов света. Микрозеркала могут модулировать либо амплитуду, либо фазу падающего светового сигнала за счет изменения направления или длины оптического пути луча.

Одним из эффективных способов управления положением микрозеркал, обеспечивающим минимальную массу изделия, является использование электростатического привода. Используемый в технике блочно-модульный принцип построения систем в МЭМС-исполнении будет реализовываться в виде интегрированных в единое целое параллельных и распределенных миниатюрных адаптивных и интеллектуальных ячеек типа «сенсор-процессор-актюатор». Такие ячейки с единым принципом построения должны иметь специфические особенности, обусловленные их назначением, т. е. отличаться набором сенсоров, актюаторов, а также используемыми сложными функциональными блоками (СФ-блоками) или системами на кристалле (СНК), микропроцессорами.

Использование таких унифицированных ячеек позволит существенно расширить функциональные возможности существующих изделий (космической) техники, а также создать принципиально новые типы пикои наноспутников, планетоходов, устройств и приборов космического назначения. В настоящее время разработаны микрореактивные двигатели, имеющие размеры порядка 12×15×2,5 мм и развивающие тягу до 10 Н, пикоспутников связи массой до 250 г, нанопланетоходов массой несколько килограмм и т. д.

Для мобильных микророботов, предназначенных для передвижения в узких полостях (тонкие трубопроводы, желудочно-кишечный тракт, кровеносные сосуды человека и т. п.), разработаны специальные микродвижители, реализующие способ передвижения, подобный используемому гусеницами и червями. Вариант такой системы передвижения на пьезоприводах состоит из нескольких пьезоэлектрических сегментов, соединенных центральным стержнем из того же материала. Попарно расширяющиеся за счет пьезоэффекта сегменты выполняют функции фиксаторов, а поступательное перемещение осуществляется путем удлинения центрального стержня. Частота импульсов движения — 10 — 20 МГц.

Существуют аналогичные системы, основанные на пневматике. На переднем и заднем концах такого микроробота имеются пневмофиксаторы, которые попеременно закрепляются на стенках полости. При этом корпус робота также попеременно удлиняется при закрепленном заднем и сокращается при закрепленном переднем конце. Для передвижения подобных роботов используется и управляемое внешнее силовое магнитное поле. Основные области микроприводов и основанных на них микроманипуляторов и микророботов — это микрообработка, сборка, сварка, биологические и фармакологические технологии, медицина (эндоскопия, доставка лекарств к определенным органам, хирургические операции). МЭМС технологии позволяют изготавливать микроманипуляторы, расположенные над поверхностью платы.

Наиболее часто в устройствах МСТ, содержащих и электронную, и механическую часть, используются гибридные конструкции, т. е. механика и электроника изготавливаются на раздельных подложках, хотя технологические процессы для получения каждой части могут быть сходными или иметь ряд одинаковых операций, а затем объединяются в общее целое с использованием процессов сварки: анодной, прямой, с промежуточным слоем или селективным гальваническим осаждением и монтажом. Длина схватов 2700 мкм, ширина 40 мкм, толщина 200 мкм. Приводятся в действие посредством электротермического воздействия.

С помощью селективного процесса монтажа контактные площадки присоединяются к площадке, но микросхваты перемещаются над подложкой свободно. Для исключения опасности коротких замыканий на корпус зазор между захватом и корпусом должен быть больше 20 мкм. Для исключения нагрева зоны схвата биметаллический толкатель вынесен в удаленную зону. Преобразование крутящего момента является важнейшим принципом механики, используемым в приводах, узлах, устройствах и системах микромеханики. Этот принцип используется и во многих механических системах с целью снижения требований к мощности двигателя источника питания Мальцев П. П., Телец В. А., Никифоров А. Ю. Технологии и изделия микроэлектромеханики. «МСТ». 2011, № 6, с. 1−13.

Высшим достижением в классе двигателей с конфигурацией рабочей поверхности в виде гребенок являются силы порядка 25 мкН. В большинстве практических случаев требуются значения силы на уровне единиц Н. Для решения проблемы вращение передается через редуктор с необходимым коэффициентом передачи. Зубцы шестерни на валу двигателя имеют диаметр меньше человеческого волоса, угол давления в зацеплении равен 200. Зубчатые колеса должны иметь высокую плоскостность для обеспечения последующего изготовления механизмов верхнего уровня. Типовая толщина рабочих кремниевых слоев конструкции равна 4 мкм.

К стандартным элементам кремниевой МЭМС относятся зубчатые микродвигатели, обеспечивающие прецизионные повороты (вращения) элементов устройств на заданные значения. Микродвигатели предназначены для контроля точности вращения механических элементов МЭМС и обеспечивают частоту вращения от 1 до 200 перемещений «зуба» в секунду (1 шаг в 5 мс). Миниатюрные роботы, снабженные датчиками, могут найти применение во многих отраслях промышленности, здравоохранения, науки. Создано значительное количество микророботов, работающих в токопроводящих жидкостях.

В Линкопингском университете, Швеция, разработан микроробот с размерами 670×170×240 мкм для работы в крови, урине и других средах. Электронная начинка робота защищена тонким слоем полипиролла. Детали, выполненные из полипиролла, способны сокращаться подобно мускулам при прохождении через них электрического тока, что использовано в манипуляторе, который может работать даже с отдельными клетками. Оборудованный сенсорным блоком микроробот превращается в микролабораторию, самостоятельно перемещающуюся и проводящую анализы внутри живого организма.

Изготовлено 140 экземпляров таких роботов. Продемонстрирована их возможность перемещения микрообъектов групповыми усилиями. Роботы могут играть роль хирургического инструмента для бескровных операций — как крупных, в ходе которых целая группа будет действовать сообща, так и локальных, на клеточном уровне.

В Китае создан плавающий микроробот длиной 3 мм, который в будущем будет уменьшен до 1 мм, а затем до 0,1 мм, и будет доставлять лекарственные препараты в разные части тела. Перемещается робот под действием внешнего магнитного поля, которое управляет его микроскопическими плавниками.

Очень важным направлением использования МЭМС микророботов и манипуляторов является их применение в качестве устройств микропозиционирования и инструментальных средств изучения и модификации поверхности в нанотехнологических процессах Быков В. А., Гологанов А. Н., Салахов С. А. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. «Наука и жизнь» 2011, № 11, с. 41−46. Это такие устройства, как кантилеверы туннерирующих сканирующих микроскопов и атомных силовых микроскопов, матрицы зондов «миллинеде», многозондовые пуансоны в процессах нанопечатной литографии («наноимпринтинга»), сканеров и зондов в перьевой литографии с использованием сканирующих зондовых микроскопах имеется возможность получать карты распределения целого ряда физических и физико-химических характеристик поверхности, таких как топография, распределение приповерхностных электростатических, магнитных, электродинамических сил, сил трения, тепловых полей, теплопроводности, электропроводности с высоким пространственным разрешением вплоть до атомного, благодаря созданию зондов специальных типов, а также развитию аппаратных средств и программного обеспечения. Зондами в СЗМ являются острые иглы. В туннельных микроскопах — это специальным образом заточенные металлические или полупроводниковые проводящие иглы, в близкокольной оптической микроскопии — заостренные световые волокна, в сканирующей силовой микроскопии — иглы, закрепленные на упругих балках. Так как разрешающая способность микроскопов зависит от угла заточки и радиуса скругления зонда, иглы выполняются с минимальным достижимым радиусом (3 нм).

Угол наклона балки в процессе сканирования регистрируется или пересчитывается в рельеф — при этом сила в процессе сканирования будет изменяться, или поддерживаться постоянной вертикальным перемещением кантилевера. Такой режим измерения рельефа называется контактным сканированием. В процессе контактного сканирования между образцом и кончиком кантилевера с одной стороны действует ван-дер-ваальсовые силы отталкивания, экспоненциально возрастающие с уменьшением расстояния, а его стороны упруго деформированной балки кантилевера — сила упругости, и в случае измерений на воздухе, капиллярные силы (как правило, это силы притяжения). Именно последними определяются минимальные силы в процессе контактного сканирования. Диапазон этих сил 1…5−10−9 Н. В случае, если радиус кривизны кантилевера меньше 10 нм, в системе зонд-поверхность развивается давление больше 1,5108 Па (1500 атм), что приводит к пластическим деформациям большинства органических материалов.

Существует возможность значительно (до 1000 раз) снизить давление на образец. Для этого регистрируют не изменение угла наклона балки кантилевера, а изменение амплитуды ее резонансных колебаний. Такой режим называют полуконтактным или «теппинг» (постукивание) — режимов сканирования. При этом поверхность ощупывают колеблющимся зондом в режиме малых резонансных колебаний консоли, возбуждаемых пьезоакустическим элементом 5. Амплитуду колебаний иглы устанавливают в диапазоне 1−50 нм и считывают фотодиодом 4 как сумму переменных сигналов в секциях. Высокая чувствительность сканирующих туннелирующих микроскопов достигается за счет того, что туннельный ток увеличивается на порядок и более при изменении расстояния на величину атома. Объединение группы индивидуально управляемых кантилеверов в матрицу (например, 32×32=1024 зондов) позволяет осуществить групповую обработку участка поверхности заготовки или записи — считывания информации на жесткие диски Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии и нанотехнологий. «Электронная промышленность». 2011, № 6, с. 34−48.

Заключение

Анализ современного состояния в области техники новых поколений и «критических» технологий в ряде наиболее развитых стран позволяет сделать заключение о том, что с начала 90-х годов наиболее бурно развивающимся глобальным научно-техническим направлением является «микросистемная техника». В рамках данного направления создаются миниатюрные чувствительные, исполнительные и энергообеспечивающие системы, в основе функционирования которых лежит активное использование классических принципов механики, оптики, акустики, электротехники, теплотехники, химии и биологии, интегрируемых в конструктивные решения на микроуровне с широким использованием материаловедческой и технологической баз микрои оптоэлектроники, а в последнее время — и биотехнологии.

Микромашины, механизмы и приборы микросистемной техники по стоимости, надежности, ресурсу, массогабаритным показателям, энергопотреблению, широте и эффективности применения настолько превосходят традиционные аналоги, что созданная без использования микросистемной техники продукция специального и гражданского назначения в ближайшем будущем может оказаться неконкурентоспособной.

Микросистемная техника является в настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся междисциплинарных научнотехнических направлений, определяющих новую революцию в области систем, реализуемых на микроуровне.

Исследования в области микроробототехники ведутся во всех развитых странах мира. По оценкам специалистов, в промышленном производстве и медицине 21 века микророботы будут играть ведущую роль. Анализ специалистов NASA показывает, что применение МЭМС позволяет приблизительно на порядок уменьшить ГМХ и потребление энергии аэрокосмических систем. В качестве примеров успешного применения МЭМС в космической технике отмечаются кремниевые гироскопы, акселерометры, датчики давления, клапаны, микроисточники энергии, системы химического и биологического анализа, высокочастотные оптические и механические фильтры, высокочастотные ключи.

Национальной нанотехнологической инициативой США предусматривается снижение ГМХ роботов на порядок. Приводы и двигатели, изготовленные по технологии МЭМС, будут способны обеспечить значительные силы и крутящие моменты. Они заменяют обычные механизмы. Такие технологии будут использоваться при создании микроспутников, микрозондов и микропланетоходов.

Технология МЭМС в настоящее время является технологической основой, на которой строится вся зарубежная микрои миниробототехника. В основе развития и практического использования технологий микросистемной техники лежат технико-экономические факторы (ожидаемые в будущем преимущества).

Имеются многочисленные публикации о создании роботов не только в микрометровом диапазоне размеров, но и в наноразмерной области, в частности, с использованием нанотрубок и ДНК — стркутур. С микрои нанороботами (так называемыми ассемблерами) связываются надежды на решение вопросов одного из видов сборки наноустройств в массовом произвосдтве. Дальняя перспектива развития робототехники это создание ассемблеров, самовоспроизводящихся интеллектуальных машин, предназначенных для выполнения определенного вида сборочных работ, а также дисассемблеров, которые позволят разобрать любой объект на составляющие элементы, для живых организмов сохранить генетический код и вновь воссоздать их.

МСТ является динамичной, быстро развивающейся отраслью техники, Области применения роботов с учетом их миниатюризации и повышения уровня интеллекта в ближайшее десятилетие существенно расширятся. Они будут необходимы в освоении новых высокоавтоматизированных производств, в медицине, фармакологии, в нанотехнологиях, военной технике, мониторинге окружающей среды, борьбе с терроризмом, образовании, бытовой технике, ракетнокосмической технике, системах телекоммуникаций и т. д.

Технологии МЭМС, нанотехнологии и микроробототехника тесно взаимосвязаны и достижения в каждой из них будет способствовать решению проблем смежных направлений, т. е они являются синергическими технологиями.

Для перехода к производству техники нового поколения необходимо использование технологической базы микроэлектронных производств и кооперация научных и производственных коллективов, а также установление международного научно-производственного сотрудничества.

автоматизация робот манипулятор

1. Беляев В. От электромеханических и дискретных решений к МЭМС/МСТ. МЭМС/МСТ в современной технике на примере автомобилестроения и авиации // Электронные компоненты. 2012. № 2. С. 27−34.

2. Бобцов А. А., Бойков В. И., Быстров С. В., Григорьев В. В. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений.- СПБ ГУ ИТМО, 2011. 131 с.

3. Бочаров Л. Ю., Мальцев. П. П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом//Искусственный интеллекс. — 2012. — № 3. — С. 599 — 606.

4. Быков В. А., Гологанов А. Н., Салахов С. А. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. «Наука и жизнь» 2011, № 11, с. 41−46.

5. Варадан В. ВЧ МЭМС и их применение / В. Варадан, К. Виной, К. Джозе. М.: Техносфера, 2012. 528 с.

6. Васильев А., Лучинин В., Мальцев П. Микросистемная техника. Материалы, технологии, элементная база // Электронные компоненты. 2012. № 4. С. 3−11.

7. Градецкий В. Г., Князьков М. М., Фомин Л. Ф., Чащухин В. Г. Механика миниатюрных роботов. — М.: Наука. — 2010 с. — 520 с.

8. Иванов А. А., Мальцев П. П. Микросистемная техника — основа научнотехнической революции в военном деле. «МСТ». 2011, № 10, с. 2−6.

9. К. Эрик Дрекслер. Машина созидания. 2012, 386 с.

10. Козырев Ю. Г. Применение промышленных роботов: учебное пособие / Ю. Г. Козырев. — М.: КНОРУС, 2010.— 488 с.

11. Кравченко С. Фантастическое сегодня. Нанотехнологии: реалии и перспективы. «Chip компьютеры и коммуникации» Украина, 2011, № 7, с. 20−23.

12. Лопота В. А. Юревич Е.И. Закономерности развития мехатроники и робототехники// Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. — № 57. — 2008. С. 3−9.

13. Мальцев П. П., Телец В. А., Никифоров А. Ю. Технологии и изделия микроэлектромеханики. «МСТ». 2011, № 6, с. 1−13.

14. Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии и нанотехнологий. «Электронная промышленность». 2011, № 6, с. 34−48.

15. Минии микроробототехника: учеб. пособие/ А. В. Иванов, Е. И. Юревич. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. — 96 с.

16. Нанои микросистемная техника.

17. Нанои микросистемная техника. От исследований к разработкам. / Под ред. П. П. Мальцева. М.: Техносфера, 2011. 592 с.

18. Основы микроробототехники. / Б. Г. Ильясов, О. В. Даринцев, Р. А. Мунасыпов. Уфа: Изд. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та, 2004. 161 с.

19. Поляков П. Ф., Невлюдов И. Ш., Палагин В. А., Хорунжий В. А., Поляков В. П., Королева Я. Ю. Мини-, микрои нанороботы// Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. трудов. Вып. 35. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2012. -С. 104 — 114.

20. Рубцов И. В., Нестеров В. Е., Рубцов В. И. Современная зарубежная военная микрои миниробототехника. «МСТ» 2012. № 5, с. 70−79.

21. Телец В. А., Негина Ю. С., Орлов А. А. Изготовление трехмерных МЭМС методами термокомпрессионной сварки. «МСТ», 2012, № 3, с. 2−6.

22. Уайтсайдс Дж., Эйглер Д., Андерс Р. Нанотехнология в ближайшем десятилетием. Прогноз направленияисследований / Под. ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса: Пер. с анг. — М.:Мир, 2012. — 292с.

23. Хомченко В. Г. Мехатронные и робототехнические системы: учеб. пособие / В. Г. Хомченко, В. Ю. Соломин. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. — 160 с.

24. Юревич Е. И. Минии микроробототехника//Машиностроение. — 2011. — № 2. — С. 89−91

25. Юревич Е. И. Роботы ЦНИИ РТК на Чернобыльской АЭС и развитие экстремальной робототехники. СПб, изд. СПбГПУ, 2012. — 160 с.

26. Юревич Е. Н. Основы робототехники. Уч.пос. 2-е изд.дополн. и перераб., СПб. «БХВ — Петербург» 2012, — 416 с.

Приложение 1

Перечень научно-исследовательских работ, Выполняемых по заказу управления перспективных исследований министерства обороны США (darpa) в рамках программы «memsмикроэлектромеханические системы»