Рейнгард Геттнер - Роботы сегодня и завтра

Рейнгард Геттнер, Нина Зейдевиц

Роботы сегодня и завтра

Промышленные роботы сегодня

Уже давно никто не вспоминает роботов, которых более 60 лет назад Карел Чапек сделал главными героями своей книги «Восстание роботов». Собранные из большого количества жести, заклепок, электрических лампочек, с голосом, как из бочки, а быть может, и «сердцем», внешне они походили на человека и сейчас могут быть только предметом подражания для любителя мастерить или художника. Игрушечный робот из металла и пластмассы, который, если его завести, в состоянии «пройти несколько шагов», а то и посверкать огоньками, вызовет сегодня у ребенка лишь улыбку жалости: «Он же глуп, он может только ходить!». Заметим, кстати, что найти простое решение проблемы балансировки, т. е. сохранения равновесия шагающей игрушки-робота, достаточно трудно.

Промышленность не нуждается в роботах, сделанных по образу и подобию человека. Проблема разработки и создания промышленных роботов имеет технические, технологические, научные, экономические и другие аспекты. Существенные признаки технических систем и их элементов могут иметь сходство с известными системами и элементами из области биологии. Бионика, научная дисциплина, стоящая между биологией и техникой, заимствует для использования в технике решения или принципы у живой природы. К научным областям, занимающимся конструированием и созданием роботов, относятся в первую очередь физика, машиностроение, электроника и наука о труде.

За последние 20 лет роботы приобрели промышленное значение. И все же, несмотря на существенный прогресс, человечество стоит лишь на пороге использования этого великолепного достижения научно-технической революции. В предстоящие десятилетия в еще большей степени возрастет роль робототехники в преобразовании технологических процессов и автоматизации производства. Специалисты считают, что во второй половине 80-х — 90-х гг. промышленная робототехника, созданная на основе микроэлектроники, станет решающим фактором в области роста производства и высвобождения рабочих рук. Она таит в себе поистине революционные возможности, которые приведут, в первую очередь через комплексную автоматизацию и связанное с этим повышение технологического уровня, к коренным изменениям в структуре производства.

Промышленная робототехника открывает возможности для автоматизации в таких областях, где до сих пор она была невозможна либо требовала больших расходов, например в производстве изделий небольшими и малыми сериями.

Промышленная робототехника позволяет улучшать уже известные технологические и производственные процессы, повышать качество готовых изделий.

Оптимальное сочетание революционных и эволюционных изменений в области техники и в сфере производства, как в народном хозяйстве в целом, так и в его отдельных отраслях, — основное условие высокого темпа развития. Всеобъемлющая интенсификация производства и социалистическая рационализация, которые должны привести к кардинальному повышению технологического уровня и постепенному переходу к автоматизации целых участков выпуска готовой продукции, позволят в значительно больших масштабах, чем раньше, добиваться экономии рабочего времени и сокращения рабочих мест.

Высвобождающиеся рабочие руки помогут решить другие важные народно-экономические задачи. Зачастую комплексное использование промышленной робототехники, в свою очередь, приводит к усилению процесса рационализации.

Назначение промышленного робота — самостоятельно работать с инструментом, заготовками и материалами для автоматизации главных и вспомогательных производственных процессов. Он либо имеет фиксированную программу по одной или нескольким осям движения, либо приспособлен для самостоятельного выбора программ. Его основная задача — высвободить рабочие руки.

Понятие «промышленный робот» можно определить и более конкретно. Так, группа экспертов из Экономической комиссии ООН для Европы выработала следующее определение: «Промышленным роботом является автоматический, программируемый, гибкий многофункциональный манипулятор с регулируемым передвижением по различным осям, который, согласно программам, операциями перемещает материалы, детали, инструменты и специальное оборудование, выполняя множество задач. Наиболее часто он оснащен одной или несколькими рабочими руками, заканчивающимися шарниром. Его блок управления имеет запоминающее устройство. Иногда применяются сенсорные и другие дополнительные устройства, которые реагируют на внешнее воздействие. Подобные многофункциональные машины, как правило, предназначены для выполнения повторяющихся действий, но могут выполнять и другие функции без изменения оснастки».

Различают промышленные роботы со специализированной и с гибкой программой процессов.

Первые имеют жесткое соединение с самой машиной или ее оснасткой и предназначаются для выполнения какой-либо операции, например для загрузки (в том числе для установки и снятия обрабатываемых деталей) и для автоматической замены инструмента и обрабатываемых деталей.

Загрузка заготовок промышленным роботом. 1 — станок, 2 — деталь, 3 — машинная часть робота, 4 — пульт управления роботом, 5 — магазин.

Промышленные роботы с гибкой программой могут быть переоснащены для выполнения другой рабочей программы. Как правило, это роботы с точечным, линейным или сенсорным управлением. Они экономически выгодны при производстве малых и средних серий. Применяются они для загрузки машин, транспортировки и заполнения магазинов, укладки в штабеля, а также для манипулирования инструментом в технологических процессах, например при сварочных работах, ковке, покраске напылением, удалении загрязнений и т. п.

Особенно эффективны роботы, которые в рамках заданных программ могут свободно манипулировать по нескольким осям, располагают рабочими грейферами (схватами) для использования инструмента. Высокая степень мобильности делает их в некотором роде универсальными.

Перемещение инструмента промышленным роботом. 1 — деталь, 2 — инструмент, 3 — машинная часть робота, 4 — пульт управления роботом.

В зависимости от объема получаемой информации и возможности ее обработки различают три поколения промышленных роботов. Роботы первого поколения имеют заданную функциональную программу, которая находится в блоке памяти, откуда можно многократно давать команду на исполнение и повторение того или иного движения. Такие роботы не умеют собирать и накапливать информацию об обрабатываемом объекте. Они связаны относительно жестко зафиксированными условиями рабочего процесса и не могут самостоятельно реагировать на внешние воздействия, поскольку их программа не учитывает состояния внешнего окружения. Однако и в будущем роботам первого поколения найдется применение наряду с роботами второго и третьего поколений.

Ко второму поколению относятся промышленные роботы с сенсорными, т. е. тактильными (метод прикосновения) и визуальными (видео), системами, которые обеспечивают координирование по методу «глаз — рука». В пределах заданной программы они могут приспосабливаться к определенным изменениям условий протекания процесса. В зависимости от получаемой информации о физических признаках обрабатываемой детали (форма, размеры, расположение и т. д.) и, соответственно, об определенных внешних условиях осуществляется управление «рукой» и грейфером робота. Таким образом, сенсоры в сочетании с системой управления обеспечивают роботу, правда в узких границах, свободу реагирования на окружающую среду, тем самым качественно улучшается выполняемая работа, существенно расширяются возможности применения, а в определенных случаях достигаются более благоприятные параметры в технологических процессах.

Промышленные роботы третьего поколения с автоматической обработкой информации и возможностью моделировать процессы и рабочие позиции называют также роботами с «искусственным интеллектом» или роботами с адаптивным управлением. Как технические системы, они располагают более высокой автоматизацией информационных процессов; это позволяет им фиксировать в своей памяти рабочий процесс, а также частично окружающую их среду и во время работы «вновь узнавать» их. Эти роботы управляют своими движениями на основании сравнения информации, полученной с помощью сенсоров, и информации, заложенной в памяти. Роботы могут самостоятельно изменять по меньшей мере одну из своих функций управления, корректировать ход выполнения функций и приспосабливаться к заданным ситуациям. Для выполнения некоторых операций они самостоятельно разрабатывают собственную программу рабочих движений, опираясь на «заученные» процессы, вернее — на накопленную в памяти информацию.