Введение.
Промышленная робототехника является одним из новых направлений автоматизации производственных процессов, начало развития, которого в нашей стране относится к последнему десятилетию. Комплексный подход к решению технико-экономических и социальных задач, связанных с внедрением промышленных роботов, позволил высвободить большое количество рабочих. В процессе создания, производства и внедрения роботов приходилось сталкиваться с решением ряда сложных научно-технических проблем. Получен большой, опыт по разработке робототехнических комплексов (РТК) и организации автоматизированного производства на базе промышленных роботов. Все эти вопросы представляют, по моему мнению значительный интерес как для широкого круга специалистов, конструкторов и производителей различных отраслей, которые заняты в настоящее время работой по увеличению производства и широкому применению роботов во всех отраслях народного хозяйства, так и для всех специалистов, работающих в области автоматизации производственных процессов.
Современный этап научно-технической революции характеризуется комплексной автоматизацией производства на базе систем машин-автоматов. До недавних пор в основном применяли специализированные автоматы и автоматические линии, незаменимые в массовом производстве, но нерентабельные в условиях серийного и мелкосерийного производства из-за высокой стоимости, а также длительности разработки, внедрения и перена-ладки их на новую продукцию. Традиционное управляемое вручную оборудование обеспечивает достаточную гибкость производства, но требует примене-ния квалифицированного труда рабочих и имеет низкую производительность.
За последние десятилетия автоматизация основных технологических операций (формообразование и изменение физических свойств деталей) достигла такого уровня, что вспомогательные операции, связанные с транспортировкой и складированием деталей, разгрузкой и загрузкой технологического оборудования, выполняемых вручную либо с помощью существующих средств механизации и автоматизации, являются «тормозом» как в повышении производительности труда, так и в дальнейшем совершенствовании технологии. Обычными методами с помощью существующих технических средств невозможно автоматизировать сборочные, сварочные, окрасочные и многие другие операции. Все это привело к острым противоречиям между совершенством промышленной техники и характером труда при ее использовании, потребностью в трудовых ресурсах и их фактическим наличием, требованиями интенсификации производственных процессов и ограниченными психофизиологическими возможностями человека. Эти причины социального, экономического и технического характера, ставшие основными сдерживающими факторами в развитии производства и даль-нейшем повышении производительности труда, а также современные достижения в создании орудий производства, вычислительной техники и электроники привели к бурному развитию робототехники - отрасли, создавшей и производящей новую разновидность автоматических машин - промышленные роботы. По замыслу разработчиков эти машины предназначены для замены человека на опасных для здоровья, физически тяжелых и утомительно однообразных ручных работах. Свое название они получили благодаря реализованной в них идеи моделирования двигательных, управляющих и, в некоторой степени, приспособительных функций рабочих, занятых на повторяющихся трудовых операциях по разгрузке-загрузке технологического оборудования, управлению работой этого оборудования, межоперационному перемещению и складированию деталей, а также на различных сборочных, сварочных, окрасочных и других операциях, выполняемых с применением переносных орудий труда.
Промышленные роботы (ПР) оказались тем недостающим звеном, появление которого позволило решать задачи комплексной автоматизации на более высоком уровне, объединяя средства производства предприятия в единый автоматизированный комплекс.
Основные сведения о робототехнике.
Ближайшими по назначению прототипами для ПР послужили автооператоры и механические руки, уже давно применяющиеся в промышленности, но не удовлетворяющие производственников по причинам их узкой специализации, плохой переналаживаемости, небольшого числа выполняемых функций и ограниченной (массовым и крупносерийным производством) области применения. Недостатки, присущие этим прототипам, в конструкциях ПР были в значительной степени устранены посредством увеличения их манипуляционных возможностей, снабжения собственной системой привода и системой программного управления. Благодаря этому созданные устройства приобрели качественно новые свойства: автономность в смысле невстроенности в технологическое оборудование и способность работать автоматически по заданной программе, универсальность, т. е. способность перемещать в пространстве объекты различного типа по сложным пространственным траекториям, сопрягаемость с достаточно большим количеством типов технологического оборудования и хорошую переналаживаемость на различные сменяющиеся виды работ.
В настоящее время под роботом понимают автоматический манипулятор с программным управлением. В зависимости от участия человека в процессах управления роботами их подразделяют на биотехнические и автономные или автоматические.
К биотехническим роботам относятся дистанционно управляемые копирующие роботы; экзоскелетоны; роботы, управляемые человеком с пульта управления, полуавтоматические роботы.
Дистанционно управляемые копирующие роботы снабжены задающим органом (например, манипулятором, полностью идентичным исполнитель-ному), средствами передачи сигналов прямой и обратной связи и средствами отображения информации для человека-оператора о среде, в которой функ-ционирует робот.
Экзоскелетоны выполняются в виде антропоморфных конструкций, обычно «надеваемых» на руки, ноги или корпус человека. Они служат для воспроизведения движений человека с некоторыми необходимыми усилиями и имеют иногда несколько десятков степеней подвижности.
Роботы, управляемые человеком с пульта управления, снабжаются системой рукояток, клавиш или кнопок, связанных с исполнительными механизмами каналов управления по различным обобщённым координатам. На пульте управления устанавливают средства отображения информации о среде функционирования робота, поступающей к человеку по радиоканалу связи.
Полуавтоматический робот характерен сочетанием ручного и автомати-ческого управления. Он снабжен супервизорным управлением для вмешательства человека в процесс автономного функционирования робота путем сообщения ему дополнительной информации с помощью указания цели, последовательности действий и т. п.
Роботы с автономным или автоматическим управлением обычно подразделяют на производственные и научно-исследовательские роботы, которые после создания и наладки в принципе могут функционировать без участия человека.
По областям применения производственные роботы подразделяют на промышленные, сельскохозяйственные, транспортные, строительные, бытовые и т. п.
За короткий период развития роботов произошли большие изменения в элементной базе, структуре, функциях и характере их использования. Это привело к делению роботов на поколения.
Роботы первого поколения (программные роботы) имеют жесткую программу действий и характеризуются наличием элементарной обратной связи с окружающей средой, что вызывает определенные ограничения в их применении.
Роботы второго поколения (очувствленные роботы) обладают коор-динацией движений с восприятием. Они пригодны для малоквалифици-рованного труда при изготовлении изделий. Программа движений робота требует для своей реализации управляющей ЭВМ.
Неотъемлемая часть роботов второго поколения - алгоритмическое и программное обеспечение, предназначенное для обработки сенсорной информации и выработки управляющих воздействий.
Роботы третьего поколения относятся к роботам с искусственным интеллектом. Они создают условия для полной замены человека в области квалифицированного труда, обладают способностью к обучению и адаптации в процессе решения производственных задач. Эти роботы способны понимать язык и вести диалог с человеком, формировать в себе модель внешней среды с той или иной степенью детализации, распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия, планировать поведение, строить програм-мные движения исполнительной системы и осуществлять их надежную отработку.
Появление роботов различных поколений не означает, что они последовательно приходят на смену друг другу. В процессе развития совершенствуются функциональные возможности и технические характеристики роботов различных поколений.
К роботам первого поколения относят обычно промышленные роботы. По количеству внедренных ПР наша страна занимает одно из ведущих мест в мире.
Блок-схема ПР представляет собой сложную конструкцию (рис.1), включающую ряд систем: механическую, приводов управления, связи с оператором, информационную, а также операционное устройство.
Рисунок 1- Блок-схема промышленного робота.
Механическую систему выполняют, как правило, в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, укрепленного на неподвижном или подвижном основании; она обеспечивает перемещение рабочего органа с определенным грузом. Форма и габаритные размеры манипулятора определяются видом и особенностями технологического процесса, для которого он предназначен. Созданные модели ПР представляют собой по существу многокоординатные манипуляторы с программным управлением, программируемые по первому циклу. Их системы управления помимо основных функций по управлению движением рабочих органов манипулятора обеспечивают выдачу сигналов на обслуживаемое оборудование, прием сигналов от простейших датчиков внешней информации, работающих по принципу Да-Нет, и использование этих сигналов в целях выбора той или иной подпрограммы работы из числа заданных оператором. Наличие внешнего контура управления существенно расширило области применения созданных ПР, так как позволило использовать их по отношению к автоматизированному процессу не только в качестве универсальных манипулирующих, но также и в качестве управляющих устройств. Наличие датчиков и соответствующих электронных схем внешней информации придало этим ПР принципиально новую способность адаптации к изменяющимся условиям работы.
Привод для каждой из координат ПР обеспечивает силовое воздействие на соответствующий механизм, осуществляющий задаваемое перемещение. Приводом служит автоматическая система, входным сигналом которой является детерминированное воздействие управляющей системы, а выходным сигналом - механическое перемещение.
Разработка типажа ПР, имеющего существенное значение для организации их производства, проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ еще не закончена. В настоящее время наиболее разработан типаж ПР первого поколения. Так, например, в станкостроительной и инструментальной промышленности по структуре типаж этих ПР подразделяют на следующие группы и подгруппы: универсальные ПР, обслуживающие различное технологическое оборудование и выполняющие различные основные технологические операции; целевые ПР подъемно-транспортной группы (многоцелевые), обслуживающие различное технологическое оборудование, выполняющие транспортно-складские и специальные работы; целевые ПР производственной группы (многоцелевые) для выполнения различных технологических операций сварки, очистки и подготовки деталей, окраски и нанесения покрытий, разборки, контроля, измерения, отбраковки, разметки и сборки.
Истоки робототехники.
Человечество стремилось создать механическое подобие себя задолго до
того, как были начаты первые работы в этом направлении, которые в конце
концов привели в начале 60-х годов к успешному применению промышленных
роботов.
В течение всей истории человечество в своем воображении создавало
машины, наделенные способностью чувствовать (по крайней мере частично).
В древних греческих мифах бога огня Гефеста сопровождали, помогая ему,
две живые статуи из чистого золота. Позднее он построил бронзового
гиганта Таласа для охраны острова Крит от вражеского нашествия. Более
двух тысяч лет назад Герои Александрийский в «Трактате о пневматике»
описал множество автоматов, таких как движущиеся фигуры и поющие
птицы, - прямо древнегреческий «Диснейленд». Интересно, что эти
замечательные игрушки оставались единственным реальным применением
пневматики.
Примерно в 1500 г. Леонардо да Винчи построил для Людовика XII
Механического льва, который при въезде короля в Милан выдвигался,
раздирал когтями грудь и показывал герб Франции. Такие постоянно
усложняющиеся механические автоматы оставались модными и на протяжении
последующих четырех столетий. Но слово «робот» вошло в английский язык
лишь в начале двадцатого века после того, как появилась пьеса Карела
Чапека «.R U. R.» (Россумские универсальные роботы). В пьесе «роботы»
выращивались биологическим путем, и их нельзя было отличить от людей,
разве что только по отсутствию эмоций. Сам термин был образован от
чешского слова “работа”, означающего принудительный труд, и от слова «работник», означающего раб. Хотя эти создания в пьесе получили бы сегодня скорее название «андроиды», чем «роботы» (которые, как теперь считается, должны быть механическими), неправильное употребление этого слова стало повсеместным.
Слово «роботикс» (робототехника) придумано мастером научной фантастики писателем Айзиком Азимовым. В рассказе «Скиталец», появившемся в марте 1942 г. в сборнике «Поразительная научная фантастика», А. Азимов впервые выдвинул три знаменитых закона робототехники:
1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием позволить причинить вред человеку.
2. Робот должен исполнять приказы, отданные человеком, за исключением тех случаев, когда эти приказы нарушили бы первый закон.
3. Робот должен защищать себя, если это не нарушает первого или второго законов.
Хотя А. Азимов в то время и не осознавал, но именно тогда впервые появилось в печати слово «робототехника». Джо Энгельбергер, основатель фирмы «Юни-мейшн», считающийся отцом современной промышленной робототехники, отметил, что три закона А. Азимова до сегодняшнего дня остаются теми стандартами, которым при проектировании должны следовать специалисты по робототехнике.
«Что такое робот?»
До настоящего времени не выработано единой концепции относительно того, из чего же состоит робот. Даже в отношении сравнительно недавно появившегося понятия «промышленный робот» нет международного соглашения о его определениях - границы термина устанавливаются весьма произвольно.
Например, в Японии роботом называется устройство, действующее по принципу взять-положить, т. е. простая механическая рука, движения которой ограничены механическими упорами. Однако на Западе подобное устройство, не обладающее гибкостью (если кто-нибудь не передвинет упоры), считается особым видом жесткого автомата, а не роботом. Итак, когда же мы имеем дело с робототехнической системой, а когда просто с традиционной формой автоматики?
Например, поставлена задача: отрезать кусок от большого металлического листа. Рассмотрим как саму операцию резания, так и манипулирование с листом. Варианты решения этой задачи в соответствии с уровнем сложности используемых технических средств можно представить в такой последовательности:
1. Человек вручную сгибает лист вперед-назад, пока не отломится кусок металлического листа.
2. Лист разрезается с помощью ручного инструмента.
3. Лист разрезается с помощью инструмента с каким-либо силовым приводом.
4. Лист разрезается на специальном оборудовании под управлением человека.
5. Режущий станок автоматически выполняет заданную последовательность
резки, которую нельзя изменить; загрузку листа осуществляет человек либо поточная линия.
6. Устройство типа «взять-положить» берет лист из единственного фиксированного положения и загружает в станок, который затем отрезает лист в заданной последовательности. Положение листа для захвата и последовательность операций резки могут быть изменены путем механической переналадки станка.
7. Простой робот с позиционной системой управления забирает лист из произвольного положения и загружает его в станок, который вырезает один из нескольких возможных профилей и конфигураций (возможных в зависимости от того, откуда робот берет лист).
8. Робот с контурным управлением по сплошной траектории мягко берет один из многих листов и с управляемым ускорением загружает его в станок, который вырезает один из многих сложных профилей.
9. Вся робототехническая система является частью значительно большей системы, управляемой компьютером. Виды профилей могут изменяться в зависимости от номенклатуры производимых изделий.
10. Вся робототехническая система использует значительный объем визуальной и тактильной информации, например, для поиска листа.
Уровни с первого по шестой считаются (на Западе) жесткой (или специализированной) автоматизацией, хотя ясно, что на шестом уровне уже достигается значительная гибкость. Седьмой уровень представляет собой простейшую робототехническую систему, поскольку возможность изменения запрограммированных движений манипулятора позволяет классифицировать его как робот. Далее, металлорежущий станок может быть снабжен устройством числового программного управления (ЧПУ). Такой автоматический станок управляется мини- или микрокомпьютером с использованием предварительно записанной последовательности операций механической обработки деталей. Однако, хотя его и можно перепрограммировать, станок с ЧПУ нельзя отнести к роботам, поскольку он может, например, только резать металл. Устройства уровней 9 и 10 уже находят ограниченное применение на заводах, однако их широкое распространение сдерживается необходимостью решения ряда проблем. Сейчас приняты различные определения роботов. Как правило, роботами называют механизмы, которые целиком или частично имитируют человека—внешность, действия, иногда то и другое. Что же касается определений промышленного робота, то они различаются по степени общности. Например, Японская ассоциация промышленных роботов подразделяет роботы по уровню сложности на шесть классов: ручные манипуляторы; устройства типа «взять-положить»; программируемые манипуляторы; роботы, обучаемые вручную; роботы, управляемые на языке программирования; роботы, способные реагировать на окружающую среду. В Европе и США термин «промышленный робот» не включает первые два класса японской трактовки. Британская ассоциация по робототехнике (БАР) определяет робот как «перепрограммируемое устройство, предназначенное для манипулирования и транспортировки деталей, инструментов или специализированной технологической оснастки посредством вариабельных программируемых движений по выполнению конкретных производственных задач». Определение, используемое Американским институтом по робототехнике, в основном схоже с трактовкой БАР и характеризует робот как «перепрограммируемый многофункциональный манипулятор, предназначенный для перемещения материалов, деталей, инструментов или других специальных устройств посредством программируемых движений для выполнения разнообразных задач».
Таким образом, термином «робот», как он трактуется на Западе, не
охватываются такие устройства как дистанционно управляемые манипуляторы (телеоператоры), искусственные конечности, основанные на принципах бионики, или протезы, поскольку эти устройства управляются человеком, хотя они и основаны на той же технологии, что и роботы.
Отнесение японцами к роботам устройств типа «взять-положить» и ручных манипуляторов серьезно затрудняет сравнение статистики производства и использование роботов в Японии, Западной Европе и США. Однако для того, чтобы преодолеть эту путаницу, японцы предложили термин мехатроника, делающий акцент на взаимосвязи механики и электроники как главной особенности всех видов этой техники.