Что может делать робот. Что могут делать современные роботы

Итак, роботы - это системы, которые способны заменить человека в различных сферах деятельности благодаря своим способностям "думать" и "делать" (конечно, соотношение между "думать" и "делать" для разных роботов различно). Области применения роботов уже сегодня чрезвычайно разнообразны, начиная с медицинского обслуживания, где они выполняют роль сиделки и ухаживают за больными, и кончая исследовательскими работами, где роботы могут заменить человека в океанских глубинах и на других планетах.

Мы в этой книге ограничимся рассмотрением роботов, которые используются в машиностроении, приборостроении, радиоэлектронной промышленности, и не будем касаться тех, которые нужны для сельского хозяйства, легкой и добывающей промышленности и т. д.

Для чего нужны промышленные роботы? Ответ на этот вопрос как будто несложен: они нужны для замены человека в его производственной деятельности, т. е. для выполнения различного рода основных и вспомогательных технологических операций. Однако не все так просто.

Рассмотрим, например, технологический процесс механической обработки при изготовлении молотка. В принципе современные промышленные роботы вполне могут с помощью напильника выполнить это. Но рационально ли это в производстве? Оказывается, нет. Ведь уже созданы металлорежущие станки с числовым программным управлением (ЧПУ), которые в автоматическом режиме, без участия человека в процессе обработки могут решить эту и другие, гораздо более сложные задачи, в том числе и такие, с которыми человек вручную уже не справится, причем гораздо быстрее и с более высоким качеством.

Ясно, что ни один робот с таким станком конкурировать не сможет. Но это и не нужно. Механообрабатывающие станки с ЧПУ созданы для того, чтобы, снимая лишний материал с заготовки (припуск), получить деталь требуемой формы и размеров, т. е. для автоматизации процесса резания. Они универсальны, т. е. могут обрабатывать самые разнообразные детали, отличающиеся по форме, размерам, материалу и т. д. Но устанавливал эти детали на станок и снимал их до сих пор человек. Здесь получился в известном смысле парадокс. То наиболее сложное, что определяло квалификацию рабочего, стоящего за универсальным токарным станком, т. е. сам процесс обработки детали, удалось автоматизировать с помощью токарного станка с ЧПУ, а вот простейшие задачи по установке детали в патрон станка, с которыми легко справляется любой ученик токаря, автоматизировать не удавалось (речь, конечно, не идет об автоматических линиях в массовом и крупносерийном производстве, на которых обрабатывается одна и та же деталь; там эти операции выполняют, например, автооператоры). А вызвано это разнообразием форм, размеров, траекторий перемещения деталей и относится, разумеется, не только к механообрабатывающему оборудованию.

Операции загрузки и выгрузки технологического оборудования - вспомогательные. Но сфера применимости роботов в производстве не ограничивается только ими.

Например, в процессе электросварки необходимо, чтобы конец электрода с определенной скоростью перемещался относительно стыка свариваемых деталей. Если траектория перемещения несложная, например прямолинейная, то этот процесс удается автоматизировать. Но чаще всего свариваемые детали имеют сложную форму и, следовательно, непростую конфигурацию стыка, поэтому такой большой объем сварочных работ выполнялся вручную. Роботы же вполне успешно заменяют на этих процессах человека.

То же самое можно сказать и об окраске распылением с помощью краскопультов (существуют и другие методы окраски, в частности окунанием, но мы на них останавливаться не будем). Детали простой формы, например панели, окрашиваются с помощью окрасочных конвейеров, на которых детали перемещаются с постоянной скоростью мимо краскопультов. Для деталей более сложной формы этот метод не пригоден, так как для равномерности окраски необходимо, чтобы расстояние от краскопульта до окрашиваемой поверхности и скорость перемещения были постоянными. Ну, а если деталь имеет форму шкафа или каркаса, который к тому же нужно покрасить и изнутри? Роботы способны успешно решить и эти проблемы.

Что же общего в этих технологических процессах загрузки деталей, сварки, окраски, что позволяет говорить о возможности и необходимости применения для их выполнения именно роботов? Общее состоит в том, что во всех случаях необходимо обеспечить перемещение детали относительно какого-либо рабочего инструмента по достаточно сложной траектории (в принципе неважно, перемещает ли робот деталь относительно оборудования, как при загрузке, или сварочную головку, как при сварке). Сложность траектории, которую может обеспечить робот, достигается за счет усложнения кинематики исполнительных органов.

Таким образом, назначение промышленных роботов - перемещение детали в пространстве, или рабочего инструмента (сварочной головки, краскопульта) относительно детали, или деталей друг относительно друга (как, например, в сборке). Разумеется, при этом необходимо обеспечить выполнение определенных условий, соблюдение технологических режимов. Например, при сборке часто необходимо приложить усилие, чтобы осуществить сопряжение деталей.

В чем же сложность технологических операций такого рода и почему их мог выполнять только человек? Можно назвать две основные причины: первая - разнообразие геометрических форм и размеров деталей и траекторий, по которым эти детали необходимо перемещать, и вторая причина, вытекающая из первой, - это большой объем информации, разнообразие и сложность задач ее переработки в процессе выполнения операций.

Определим теперь, что же такое промышленный робот. Согласно Государственному стандарту, промышленный робот - это "перепрограммируемая автоматическая машина, применяемая в производственном процессе для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям человека, при перемещении предметов производства и (или) технологической оснастки".

Так как робот берет на себя ряд производственных функций человека, интересно сравнить их функциональные возможности, но для этого нужна система критериев их оценки. Приведем основные технические характеристики робота, позволяющие судить о том, что он может.

Прежде всего представляет интерес, какие тяжести он может поднимать. Номинальная грузоподъемность промышленного робота определяет максимальную массу предметов производства, с которой он может манипулировать, при этом должны обеспечиваться не только захватывание и удерживание, но и установленные значения других эксплуатационных характеристик. По грузоподъемности роботы делятся на группы: от сверхлегких, предназначенных для работы с деталями массой до 1 кг, до сверхтяжелых, поднимающих предметы производства массой более 1000 кг.

Другой важнейшей характеристикой является точность, с которой робот может переместить деталь или инструмент в заданное положение в пространстве. Она называется погрешностью позиционирования рабочего органа манипулятора и характеризует отклонение положения рабочего органа манипулятора промышленного робота от заданного при его программировании. Допустимая погрешность позиционирования зависит от того, для каких операций применяется робот. Если он окрашивает краскопультом деталь, то погрешность позиционирования в несколько миллиметров практически не влияет на качество изделия. Однако в дуговой сварке при такой погрешности робот может даже не попасть электродом на стык деталей. Здесь допустимая погрешность позиционирования не должна превышать десятых долей миллиметра. Что же касается сборки часов, то там вообще нужна микронная точность.

Важной характеристикой является геометрическая характеристика рабочей зоны промышленного робота. Рабочей зоной называется пространство, в котором может находиться рабочий орган манипулятора; другими словами, это совокупность всех тех точек, в которые может быть перемещен рабочий орган. В зависимости от конструкции промышленного робота рабочая зона может иметь различную форму, например прямоугольника. Рабочая зона характеризуется линейными или угловыми размерами, площадью сечения, объемом.

Но понятие рабочей зоны в недостаточной степени характеризует технологические возможности робота. Например, сборочный робот типа "Скилам" имеет рабочую зону, показанную на рис. 2. Но может ли он выполнить в пределах рабочей зоны любую сборочную операцию? Оказывается, нет. "Скилам" способен выполнять такие сборочные операции, в которых рабочее движение по реализации сопряжения осуществляется только вертикально сверху вниз. Если же необходимо перемещение под углом, то "Скилам" с этой задачей не справится. У него недостаточно "гибкая" рука, поэтому он не может перемещать детали в пространстве по произвольной траектории. Эти возможности зависят от числа степеней подвижности промышленного робота. Под числом степеней подвижности понимается число степеней свободы кинематической цепи манипулятора. На практике оно равно числу кинематических пар, вращательных и поступательных. Из курса аналитической геометрии известно, что, для того чтобы осуществить любое движение в трехмерном пространстве, достаточно трех поступательных и трех вращательных движений. Именно число степеней подвижности главным образом и определяет кинематическую избыточность робота, широту его функциональных возможностей.

Рис. 2. Специализированный сборочный робот "Скилам" (Япония) (а) и конфигурация его рабочей зоны (б)

Отличается от понятия рабочей зоны понятие рабочего пространства - пространства, в котором может находиться исполнительное устройство промышленного робота.

Различают стационарные и подвижные роботы. Стационарные роботы предназначены для работы на одной рабочей позиции. Подвижные роботы обслуживают несколько позиций. К ним относятся, например, роботы портального типа, такие, как М-33 (рис. 3), которые могут перемещаться по монорельсу и обслуживать несколько токарных станков, а также транспортные роботы, обеспечивающие транспортировку заготовок и деталей со склада на станки и обратно, передачу деталей от станка к станку.

Говоря об эксплуатационных характеристиках промышленных роботов, нельзя не упомянуть об их надежности. К сожалению, чем шире функциональные возможности, тем менее надежен робот вследствие его большей сложности. Надежность роботов оценивается наработкой на отказ. Повышение надежности роботов имеет большое значение. Ведь технологическую линию обслуживают несколько роботов (а иногда и несколько десятков), и при выходе из строя любого из них останавливается вся линия.

Несмотря на то что с момента создания первых промышленных роботов прошло совсем немного времени, насчитывают уже три поколения их. Первое поколение - программные роботы, второе поколение - адаптивные роботы и третье поколение - так называемые интеллектуальные роботы.

Чем же отличаются роботы различных поколений? Отличаются они очень многим, но основное их отличие - в гибкости, способности перестраиваться, изменять свое поведение при изменении производственной среды. Эту гибкость (конечно, в пределах функциональных возможностей, зависящих от кинематики робота) определяют главным образом информация о внешней среде, которую может воспринять робот, и способность ее обработки системой управления робота, вырабатывающей управляющие воздействия для исполнительных механизмов.

Однако не следует думать, что одно поколение роботов последовательно вытесняет другое. Объясняется это тем, что при использовании роботов необходимо придерживаться принципа минимальной функциональной избыточности, т. е. в зависимости от характера той технологической задачи, которую должен выполнять робот, следует выбирать уровень его функциональной избыточности не выше, чем этого требует конкретная задача.

Мы уже говорили о том, что история робототехники началась не "на пустом месте". Предшественниками промышленных роботов были жестковстроенные манипуляторы (автооператоры), которые иногда называют роботами нулевого поколения и успешно применяют и сейчас в автоматических линиях. Автоматические линии создаются в массовом и крупносерийном производстве для изготовления одной и той же детали в больших количествах и в течение длительного промежутка времени (несколько лет). Автооператоры работают в одном цикле со всем остальным технологическим оборудованием линии и выполняют вспомогательные операции его загрузки и выгрузки. Так как деталь всегда одна и та же, то не возникает необходимости в перестройке автооператора.

Роботы первого поколения - программные - отличаются тем, что поведение их может меняться в результате смены программы. Рассмотрим, например, робот, загружающий детали в патрон токарного станка с ЧПУ с палеты (это приспособление для транспортировки деталей, в котором они хранятся строго ориентированно в специальных гнездах). Робот берет поочередно заготовки из палеты и устанавливает их в патрон станка, а готовые детали - в освободившиеся гнезда. После того как обработка всех деталей в палете закончена, может быть подана палета с другими деталями. Тогда в станок с ЧПУ необходимо ввести управляющую программу для обработки новой детали. Новая программа вводится и в систему управления робота. Таким образом, робот перестраивается на загрузку других деталей, при этом он работает в строго детерминированной среде.

Вся информация об изменении производственной среды поступает в систему управления робота в процессе его программирования. Информация об изменении среды, поступающая в процессе функционирования робота, крайне незначительна. Не оснащенный специальным датчиком робот, если в каком-либо гнезде палеты не окажется детали, будет пытаться "взять" пустое место и установить его в патрон. Если же робот оснащен тактильными датчиками, позволяющими обнаружить отсутствие детали, он остановится и вызовет человека, который должен выяснить причины останова и устранить их. Перестроиться на новую программу, приспособиться к происшедшим изменениям без помощи человека программный робот не может. Информация о незапланированных изменениях производственной среды, поступающая в систему управления робота, способна вызвать реакцию только одного типа - прекращение его функционирования и вызов обслуживающего персонала. Вместе с тем благодаря своей способности быстро перестраиваться на выполнение новых задач программные роботы нашли широкое применение в различных областях промышленности, и именно они составляют сейчас большинство используемых в промышленности роботов.

Роботы второго поколения способны реагировать на изменение внешней среды. Они называются адаптивными. Какого рода изменения внешней среды имеются здесь в виду? Ведь, казалось бы, в производстве можно все организовать таким образом, что роботу достаточно выполнять заданную программу, и это обеспечит надежное его функционирование. Однако сделать это удается далеко не всегда.

Рассмотрим, например, технологический процесс дуговой сварки. Предположим, нужно приварить боковую стенку к крыше кабины трактора "Беларусь". Свариваемые детали имеют сложную форму, а стык - сложную конфигурацию. Робот, снабженный сварочной головкой, должен переместить ее по соответствующей траектории, и это перемещение может быть запрограммировано. Что же происходит на практике, когда операцию сварки выполняет программный робот? Вместо годной продукции часто получается брак. Вызвано это тем, что детали, как мы уже говорили, имеют сложную форму, значительные габариты, а требования к точности их изготовления не очень высоки, так как на эксплуатационные характеристики кабины незначительные отклонения размеров существенного влияния не оказывают, при транспортировке детали из листового металла могли слегка деформироваться, длина же стыка довольно значительна. В итоге робот где-то положит шов хорошо, где-то - лишь на одну из свариваемых деталей, а где-то и вовсе "варит воздух".

Адаптивный же сварочный робот, выполняя эту операцию с помощью средств очувствления, которыми он оснащен, постоянно контролирует положение электрода относительно стыка деталей. Информация о смещении поступает в систему управления робота, которая ее обрабатывает в реальном масштабе времени, формирует управляющие воздействия и передает их исполнительным органам робота, корректирующим траекторию движения.

Таким образом, адаптивные роботы имеют развитую систему восприятия информации о внешней среде в процессе их функционирования, которой программные роботы не имеют. Эта информация должна быть не только воспринята, но и преобразована в управляющую информацию, поэтому адаптивные роботы имеют систему обработки информации. Так как именно ЭВМ является универсальной машиной для обработки информации, системы управления адаптивных роботов создаются на базе достаточно мощных вычислительных систем на основе микропроцессорной техники. Безусловно, реакция робота на изменения внешней среды должна быть вполне определенной. Алгоритмы переработки информации об изменениях внешней среды в управляющие воздействия программируются и составляют очень важную часть программного обеспечения. Совершенство программного обеспечения адаптивного робота главным образом и обеспечивает широту его функциональных возможностей, эффективность в эксплуатации. Роботы второго поколения уже применяются в промышленности, но количество их пока сравнительно невелико.

Роботы третьего поколения - интеллектуальные. Промышленностью они пока не выпускаются и в производстве не используются. Да и область применения их в. производстве пока не ясна. Ученые у нас в стране и за рубежом проводят интенсивные исследования не столько в направлении создания интеллектуальных роботов, сколько пытаясь решить более легкую задачу создания некоторых элементов искусственного "интеллекта". Чем же отличаются интеллектуальные роботы от других? Как роботы третьего поколения они, естественно, наделены всеми теми же способностями, что и роботы первого (программные) и второго (адаптивные) поколений. Интеллектуальные роботы, как и программные, способны к целенаправленной деятельности, могут выполнять жестко заданную программой последовательность действий. Как и адаптивные роботы, они способны воспринимать информацию о внешней среде, обрабатывать ее и изменять свое поведение в соответствии с изменениями внешней среды. Главное отличие интеллектуальных роботов состоит в том, что они способны планировать свою деятельность. Перед роботом третьего поколения достаточно поставить задачу: четко сформулировать цель, критерии, по которым он должен оценивать способы достижения цели, задать ограничения, в рамках которых он может действовать, и он сам может разработать множество способов, путей решения поставленной задачи, оценить их с точки зрения заданных критериев, выбрать наилучший в конкретных условиях путь и решить задачу. Таким образом, основное, что отличает роботы различных поколений, - это объем и сложность задач переработки информации, возникающих в процессе их функционирования.

1.Введение ………………………………………………..1

2. Что такое робот ………………………………………...9

3. Робототехника не роботы ……………………………..10

4. Истоки робототехники ………………………………...10

5. Рука робота ……………………………………………..14

6. Классификаця роботов …………………………………15

7. Что могут делать современные роботы ……………….17

8.Список использумой литературы ………………………18

Введение

В течение длительного времени в различных отраслях производства сосуществовали, почти не смешиваясь и не влияя друг на друга, два разнородных вида производства.

Первый вид - это высокоавтоматизированное и высокоэффективное массовое производство, которое базируется на высокопроизводительных поточных и автоматических линиях, многопозиционном и многоинструментальным технологическом оборудовании. Широкомасштабная автоматизация автомобильной, тракторной, подшипниковой, часовой промышленности и других отраслей, начатая еще в 50-е годы, привела повсеместно к созданию «безлюдных» производств в масштабах участков и даже цехов. Однако такие производства до недавнего времени базировались в основном на специальном оборудовании, которое не обладало «гибкостью», способностью переналаживаться на выпуск разнообразной продукции. В результате при смене объектов производства подавляющая часть технологического оборудования, оснастка и инструменты списывались независимо от физического состояния.

Второй вид-это неавтоматизированное серийное и индивидуальное производство, которое всегда базировалось на универсальном технологическом оборудовании с ручным управлением, ручной или механизированной сборке, контроле, транспортировке и складировании изделий. Такое производство обладает высокой «гибкостью» с точки зрения выпуска разнообразнейшей продукции, однако малопроизводительно, требует непосредственного участия человека во всех элементах производственного процесса преимущественно на уровне ручного труда.

Сейчас такому «сосуществованию» приходит конец, так как ни один из названных видов производства не может существовать в сложившихся традиционных формах.

Революционные преобразования массового производства диктуются высокими темпами научно-технического прогресса, быстрой сменяемостью объектов производства. Растягивание сроков выпуска конкретной модели автомобиля, трактора, электродвигателя до сроков, сопоставимых со сроками предельного износа производственного оборудования, означает отставание в техническом прогрессе. А списывать огромное количество специального оборудования после нескольких лет или месяцев работы губительно для экономики.

Поэтому высокоавтоматизированному «безлюдному» массовому производству требуется «гибкость», т. е. возможность периодической мобильной перестройки на крупномасштабный выпуск иной продукции.

Не менее значительные коренные преобразования должно претерпеть серийное и индивидуальное производство, и движущими здесь являются в первую очередь факторы социальные.

Быстрый рост образовательного, культурного, материального уровня трудящихся, когда подавляющая часть рабочих имеет образование не ниже среднего, существенно изменил наши требования к условиям работы и содержательности трудовых процессов.

Ручной труд, особенно малоквалифицированный, монотонный и

тяжелый, становится все более непривлекательным, не престижным,

нежелательным, особенно для молодежи. Поэтому тот технический арсенал средств неавтоматизированного производства, который составляет сейчас его основу, уже в обозримом будущем станет социально неприемлемым, социально невозможным. Иными словами, переналаживаемому производству необходимы автоматизация, «безлюдность» при выполнении и технологических, и вспомогательных процессов.

Таким образом, к двум традиционным видам производства необходимо добавить третий-гибкое автоматизированное производство, которое призвано обеспечить выпуск разнообразнейшей продукции, как на универсальных станках, но без участия человека, так и на автоматических линиях.

Есть все основания полагать, что именно предстоящее десятилетие станет переломным этапом в развитии техники производств, историческим рубежом между эпохами господства неавтоматизированного и автоматизированного производства. Потому что именно сейчас для этого созрели, с одной стороны, острейшая социальная необходимость, с другой - необходимые научно-технические предпосылки, связанные с появлением и развитием многих новейших средств автоматизации.

К ним относятся в первую очередь автоматические системы управления на основе средств вычислительной техники и промышленные роботы, которые призваны революционизировать производство, поднять его на качественно более высокий уровень.

Появление и развитие промышленных роботов, безусловно, явились одним из крупнейших достижений науки и техники последних лет. Они позволили расширить фронт работ по автоматизации технологических и вспомогательных процессов, открыли широкие перспективы создания автоматических систем машин для гибкого, переналаживаемого производства.

Промышленные роботы избежали периода недоверия и недооценки, трудностей становления. Наоборот, ни одному техническому средству не доставалось даже авансом столько восторженных похвал, ни одному не уделялось столько внимания. Об этом можно составить представление хотя бы по материалам данной книги. В нашей стране за короткие сроки создана целая сеть специализированных предприятий и организаций по роботостроению во многих машиностроительных и приборостроительных министерствах. Если в десятой пятилетке было выпущено около 6 тыс., в одиннадцатой - почти 50, то в двенадцатой пятилетке намечено выпустить около 100 тыс. промышленных роботов.

Казалось бы, сочетание безусловной прогрессивности и повышенного внимания должно было обеспечить триумфальное шествие роботов, их весомый вклад в решение задач интенсификации производства, сокращения ручных работ и т. п. Однако пока этого не происходит.

Возьму на себя смелость утверждать, что роботизация производства переживает сейчас серьезный кризис, который выражается в явном несоответствии между затратами сил и средств, с одной стороны, и реальной их отдачей-с другой. И кризис вызван не какими-то вдруг открывшимися недостатками промышленных роботов, а допущенными просчетами в осуществлении технической политики в области роботизации.

Автор книги приводит некоторые данные об этом. Согласно проведенному анализу в Англии 44 % фирм, занявшихся роботизацией производства, объявили о неудачах, и цифра эта представляется скорее заниженной, потому что далеко не всякая фирма отважится признаться в своих просчетах. Половина из указанных фирм объявила о прекращении работ по роботизации производства.

По нашему мнению, создавшаяся в настоящее время ситуация обусловлена комплексом объективных и субъективных факторов.

Идет становление принципиально нового научно-технического направления, и трудности и неудачи здесь неизбежны. Промышленные роботы имеют слишком короткую историю, чтобы обладать одними достоинствами и не иметь недостатков в конструкциях и практике применения.

Однако дело не только в этом. На протяжении длительного времени промышленные роботы рассматривались с позиций не действенного средства повышения эффективности производства, а лишь как некий эквивалентный заменитель человека на производстве, призванный высвободить его от монотонных и тяжелых, непривлекательных ручных работ. Именно такая концепция робота как «железного человека» со стальными мускулами и мощным электронным мозгом, который не прогуливает и не устраивает забастовок, а работает неутомимо круглосуточно и круглогодично, проходит красной нитью через всю книгу П. Скотта.

Безусловно, эта красивая легенда, обещавшая одним махом избавить рабочих от ручного труда, а руководителей от множества забот и трудностей в случае немедленного приобретения и применения в большом количестве роботов, оказалась в определенный момент необыкновенно привлекательной. Она искусно стимулировалась промышленными фирмами, вложившими немало средств в организацию выпуска промышленных роботов, подогревалась средствами массовой информации. И в этом мощном «роботоажиотаже» до поры до времени тонули трезвые голоса.

Разумеется, концепция «очеловечивания» промышленных роботов сыграла определенную положительную роль на ранних этапах роботостроения благодаря простоте и наглядности, особенно для тех, кто не знал глубоко тонкости производства, но обладал правом решать. Это помогало становлению нового направления, убирало многие препятствия с пути немногих в то время энтузиастов, ускоряло разработки, создание первых поколений конструкций.

Но впоследствии, когда промышленные роботы стали выходить на широкую дорогу производственного применения, именно концепция «робот заменяет человека» в отрыве от конечных задач и остального арсенала технических средств производства явилась источником множества трудностей и неудач сегодняшнего дня.

Прежде всего она глубоко ошибочна в сущности. Робот не может заменить человека. Человека может заменить лишь другой человек, желательно более сильный, квалифицированный, добросовестный.

В разнообразии функций и возможностей, подвластных человеку, в том числе в сфере производства, роботы в состоянии взять на себя лишь считанное число функций, которые во многих случаях не превышают возможности таких традиционных средств механизации и автоматизации, как ленточные транспортеры, вибрационные загрузочные устройства, обычные манипуляторы с цикловым управлением, которые известны уже десятки лет. Более того, все те отличительные свойства по сравнению с человеком, которые мы восторженно приписываем промышленным роботам, на самом деле Обычные свойства любых технических средств производства. Ленточный транспортер тоже заменяет человека, высвобождая его от тяжелого ручного труда, вообразите себе армаду, грузчиков с мешками на плечах, бегущих рысью через весь цех. Ленточный транспортер не курит, не прогуливает и не требует квартиры для семьи или места в детском саду, но никому в голову не приходило подобными аргументами обосновывать применение данных транспортеров, например, по сравнению с цепными конвейерами.

Сложившееся у широких слоев населения под влиянием средств массовой информации идеализированное представление о роботах, которые якобы способны полностью заменить людей на производстве и позволяют в кратчайшие сроки осуществить «технологическую революцию», перестроить основы промышленного производства и т. и., не отражает реального положения дел. В действительности же осуществляемое быстрыми темпами массовое внедрение роботизированных систем во многом дестабилизировало промышленное производство и породило немало серьезных проблем. Это произошло потому, что реальные возможности роботов были преувеличены и некоторые образцовые примеры преподносились как типичные. Такое упрощенное и неточное представление о роботах небезвредно хотя бы потому, что маскирует проблемы, с которыми приходится сталкиваться на практике, и может побудить потребителей сделать необоснованный выбор.

Превратное понимание роботизации, нацеливание ее не на решение коренных проблем повышения эффективности производства (качество, производительность, себестоимость), а лишь на имитацию некоторых ручных действий человека в надежде, что все остальное приложится, тоже не столь безобидны, как это может показаться.

Во-первых, отсюда лишь один шаг до роботизации ради самой роботизации. И как следствие-разочарование и дискредитация, потому что производство с его суровыми законами неизбежно отторгает дорогие, тихоходные и малонадежные конструкции. Во-вторых, и сами разработчики, действуя по принципу «лишь бы робот, лишь бы манипулировал», начинают искать самые легкие, а не самые эффективные пути.

Ведь с точки зрения возможностей повышения эффективности производства различные типы роботов далеко не равнозначны. Так, их применение на операциях сварки, окраски, нанесения гальванопокрытий, очистки позволяет существенно повышать качество продукции прежде всего за счет стабилизации технологических режимов. Производительность оборудования повышается здесь за счет «многорукости», быстродействия, увеличенной грузоподъемности, человек полностью выводится из рабочей зоны и избавляется от труда в неблагоприятной среде.

В то же время при загрузке металлорежущих станков промышленные роботы на качество изделий не влияют. По производительности оборудования, как правило, получается проигрыш, так как ручная загрузка деталей массой до 3-5 кг выполняется человеком в несколько раз быстрее. Следовательно, выигрыш можно получить лишь по фонду заработной платы, да и то незначительный, так как один рабочий обслуживает 2-3 станка с ЧПУ и без роботов. Почему же тогда подавляющее большинство разработок адресуется не сварке, окраске, гальванопроизводству, а загрузке металлорежущих станков или прессов, т.е. наименее перспективным направлениям? Ответ один - если подходить к роботизации как к задаче имитации действий человека, то так проще, легче, удобнее.

Длительное время большинство промышленных роботов создавалось как конструкции напольного типа, что явилось следствием вольного или невольного подражания человеку, который стоя обслуживает станок.

По нашим данным, промышленные роботы напольной конструкции составляют 53 % общего количества, еще 39%-с креплением на базовых узлах оборудования и лишь 8 % - подвесные конструкции (портальные и т. д.).

Между тем напольные конструкции - самые нерациональные и неэкономичные, так как требуют значительных дополнительных площадей, вызывают психологическое напряжение при наладке и обслуживании, имеют минимальные возможности «многостаночного» обслуживания.

А ведь промышленные роботы могут работать «вниз головой», и даже лучше!

Робот роботу рознь! И хотя автор высказывает эту очевидную мысль, но во всем остальном содержании книги какой-либо отличительной черты между роботами транспортно-загрузочными и технологическими не проводится, перспективность и эффективность промышленных роботов рассматриваются как некая всеобщая и в общем бесконфликтная категория.

Практика сегодняшнего дня развеивает подобные иллюзии. На сегодняшний день потенциально эффективными являются прежде всего роботы для точечной и шовной сварки, в том числе в автомобильной промышленности. Но и здесь опыт внедрения говорит о тяжелом и сложном процессе повышения мобильности роботов, их быстродействия и надежности в работе, который необходимо пройти, пока потенциальные возможности не станут реальностью.

По сравнению с традиционными поточными и автоматическими сварочными линиями автомобильной промышленности роботизированные комплексы должны по идее обеспечивать значительно большую гибкость работы оборудования: при переходе к выпуску любой новой модели автомобиля в принципе достаточно ввести необходимые изменения в программу, с помощью которой осуществляется управление роботом. В действительности, однако, столь гибкие системы пока еще не существуют. На сегодняшний день роботизированные комплексы приспособлены к выпуску весьма ограниченного числа видов продукции. Если, например, квалифицированному рабочему для перехода от одной производственной операции к другой практически требуется всего несколько секунд, то перепрограммирование роботов или при наличии требуемой программы их переналадка в связи с переходом к производству автомобиля с другим типом кузова, хотя и прежней модели, представляет собой достаточно сложный процесс. Реальные сдвиги в этой области произойдут лишь с внедрением в производство новых поколений промышленных роботов, обладающих значительно большим объемом «памяти», и с разработкой более совершенных языков программирования. Достаточно малейшей неисправности одного из роботов, и работа на всей линии автоматически прекращается. Оборудование, таким образом, простаивает, причем зачастую при определении причины отказа и степени серьезности неисправности представители ремонтных служб делают неточные заключения и прогнозы, завышая или занижая предполагаемые затраты времени, необходимого для устранения неисправности.

Не случайно поэтому на многих промышленных предприятиях в конце каждой конвейерной линии дополнительно устанавливают оборудование, позволяющее выполнять вручную те операции, которые не смог осуществить тот или иной вышедший из строя робот. Подобные действия, в результате которых доля ручного труда на роботизированных участках в короткий срок возрастает до 30-40 °/о, нередко становятся поводом для серьезных проблем.

К настоящему времени миф о непогрешимости и всемогуществе промышленных роботов, согласно которому автоматизация производства сводится к его роботизации, замене рабочих на производстве промышленными роботами, ничего, кроме вреда, не приносит. Концепция эта подразумевает, что технологические процессы, конструкции и компоновки машин остаются в основном на прежнем уровне, но высвобождаются от необходимого присутствия человека. Это неверно. Содержание любого процесса производства составляли и будут составлять технологические процессы получения материалов, их обработки, контроля и сборки изделий, материализованные в конструкциях и компоновках машин, аппаратов и их систем. Именно в них закладываются все потенциальные возможности качества и количества выпускаемой продукции, экономической эффективности производства. Никакая автоматика и робототехника не может дать более того, что заложено в технологии.

Между тем все технологические процессы неавтоматизированного производства обладают невысоким потенциалом из-за низкой интенсивности, отсутствия концентрации операций, их совмещения во времени. Одностороннее замещение функций человека в системах, которые десятилетиями складывались применительно к ограниченным возможностям, бесперспективно.

Немалое количество автоматизированного роботизированного оборудования, спроектированного высококвалифицированными разработчиками, оказалось неудачным лишь потому, что все усилия разработчиков были направлены на «искоренение» ручных операций, а вопросы качества продукции, быстродействия машин и их надежности в работе упускались из виду. Иначе говоря, правильные общие лозунги типа «ручной труд-на плечи машин» иногда понимаются формально и прямолинейно, а автоматизацию пытаются свести к созданию технических средств, имитирующих ручные действия человека при манипулировании или управлении машинами. В результате появляется новая техника, работающая, как сейчас модно говорить, по «безлюдной технологии», но громоздкая и дорогая, малопроизводительная и ненадежная, а в итоге экономически неэффективная.

Автоматизация производства есть комплексная конструкторско-технологическая задача создания новой техники, принципиально отличной от технического арсенала средств неавтоматизированного производства.

Генеральное направление комплексной автоматизации производственных процессов - не в замене человека при обслуживании известных машин и аппаратов, а в создании высокоинтенсивных технологических процессов и высокопроизводительных средств производства, которые были бы вообще невозможны при непосредственном участии человека.

Правильное понимание сущности автоматизации, основной направленности работ в этой области является необходимой предпосылкой формирования научных принципов и научных основ технической политики в области роботизации на производственном уровне.

Особенностью современного этапа научно-технического прогресса является то, что определяющим фактором при разработке новой техники становится ограниченность материальных и людских ресурсов. Необходимо так выбирать ограниченное количество объектов разработки, чтобы при реальных возможностях получать наибольшие социально-экономические результаты.

В стратегическом плане это означает поворот к первоочередному техническому перевооружению именно тех звеньев производства, где мы можем добиться результатов благодаря применению прогрессивной технологии, новых методов и процессов,--концентрации операций, многопозиционной и многоинструментной обработки или сборки.

В тактическом плане это означает избегать тиражирования тех технических средств роботизации, которые не обеспечивают высоких конечных результатов или эти результаты односторонние, например сокращение времени ручного обслуживания. При этом в конкретных производственных условиях следует руководствоваться наряду с известными методами расчетов и обоснований рядом принципов технической политики.

Первый принцип-принцип достижения конечных результатов: средства роботизации должны не просто имитировать или замещать действия человека, а выполнять производственные функции быстрее и лучше, лишь тогда они будут по-настоящему эффективными. Изменение численности какой-либо категории работающих или замена ручного манипулирования автоматическим - не цель и не результат.

Анализ работ по автоматизации показывает, что 60- 70 % экономического эффекта получается благодаря более высокой производительности автоматизированного оборудования по сравнению с неавтоматизированным; 15-20 % - за счет повышения или стабилизации качества и лишь 10-15%-благодаря экономии фонда заработной платы. Поэтому при планировании и обосновании работ по роботизации необходимо предварительно проанализировать, как могут повлиять намечаемые мероприятия на качество и количество выпускаемой продукции; численность обслуживающего персонала.

Именно такие факторы обеспечили приоритетное развитие технологических промышленных роботов, которые позволяют получить выигрыш по всем источникам эффективности благодаря улучшению качества изделий, повышению производительности машин, сокращению численности производственного персонала, работающего в тяжелых и вредных условиях производства.

Второй принцип технической политики при роботизации производства - принцип комплексности подхода. Все важнейшие компоненты производственного процесса-объекты производства, технологии, основное и вспомогательное оборудование, системы управления и обслуживания, кадры, удаление отходов - должны быть рассмотрены и в конечном итоге решены на новом, более высоком уровне. Иногда достаточно упустить из поля зрения хотя бы один компонент производственного процесса, например конструкцию изделия, и вся система мероприятий по автоматизации оказывается неэффективной. Тем более неперспективны попытки сводить автоматизацию лишь к преобразованию отдельных компонентов, скажем, созданию сложных и дорогих систем микропроцессорного управления при сохранении отсталой технологии, а таких примеров немало. И промышленные роботы, и автоматизированные системы управления должны разрабатываться и внедряться с учетом прогресса технологии и конструкции и в комплексе приспосабливаться к требованиям производства - лишь тогда они будут эффективными.

Третий принцип технической политики при автоматизации производства - принцип необходимости: средства роботизации, включая самые перспективные и прогрессивные, должны применяться не там, где их можно приспособить, а там, где без них нельзя обойтись.

Значимость современных средств электроники и вычислительной техники - не только и не столько в замене функций человека при обслуживании известных машин, но прежде всего в открывающихся возможностях создания на их основе средств производства, которые раньше не могли быть созданы.

Подавляющее большинство универсальных металлорежущих станков, прессов, сварочных установок однопозиционные и одноинструментные. В них одновременно обрабатывается лишь одно изделие одним инструментом. Это объясняется ограниченными возможностями человека, который не может одновременно управлять несколькими процессами или объектами. Применение современной электроники позволяет создавать оборудование с высокой степенью концентрации технологического процесса, со многими одновременно действующими механизмами и инструментами. Поэтому техническая политика, особенно при создании роботизированных производственных систем для серийного производства, должна быть направлена в первую очередь на проектирование, внедрение многоинструментных и многопозиционных машин с дифференциацией и концентрацией операций, которые в десятки раз производительнее обычного однопозиционного оборудования и где ручные, нероботизированные операции невозможны. Не нужно устраивать конкуренцию с человеком там, где он «врос корнями»; следует терпеливо искать в качестве первоочередных объектов роботизации такие, где человек в паре с действующими механизмами конкурировать с роботом не сможет.

Наконец, четвертый принцип - принцип своевременности: внедрение и тиражирование недостаточно созревших технических решений недопустимы.

К сожалению, зачастую, упоенные широкими перспективами роботизации, мы стремимся к быстрейшему тиражированию конструкции роботов, едва-едва доведенных до уровня «способных функционировать».

В конечном итоге внедрение дорогих, малонадежных и тихоходных систем и средств автоматизации приводит лишь к их дискредитации.

На развитие роботизации как нового научно-технического направления несомненно повлияло и то обстоятельство, что первоначально созданием промышленных роботов стали заниматься специалисты по вычислительной технике, технической кибернетике и т. д., которые ранее производственными вопросами автоматизации не занимались и вполне искренне верили, что самое главное - 370 создать конструкцию робота, прежде всего систему его управления, и комплекс управляющих программ для процессов манипулирования, имитирующих действия человека, а остальное, как говорится, будет делом техники. К такой формации специалистов по робототехнике принадлежит и автор книги. По-видимому, совсем не случайно, что автор, приводя множество фамилий и адресов разработчиков конструкций, схем, математического обеспечения, не рассматривает ни одного конкретного примера производственного, цехового внедрения промышленных роботов, ограничиваясь лишь общими положениями и рекомендациями.

Промышленные роботы не являются чем-то сверхъестественным. Их внедрение может быть эффективным или убыточным, сокращать кадровый дефицит или обострять его-все зависит от конкретных условий.

Значимость промышленных роботов не в замене человека при обслуживании известных машин. Они явились тем недостающим звеном, которое позволило объединять разрозненное технологическое оборудование в комплексные гибкие автоматизированные производственные системы машин и приборов. Именно таким системам принадлежит будущее. Поэтому промышленные роботы будут и впредь развиваться и завоевывать все новые позиции, как бы мы ни старались дискредитировать их поспешными и непродуманными действиями. Однако не следует смешивать перспективы с реальными возможностями сегодняшнего дня. Очень спорно с учетом несовершенства конструкции и неподготовленности производства, а также допущенных ошибок, чтобы промышленные роботы уже в ближайшее время могли существенно повлиять на общий уровень ручных работ на производстве, тем более на уровень производительности труда во всех возможных приложениях.

И тем не менее будущее за промышленными роботами. Придет время, когда без промышленной робототехники представить себе и производство, и быт будет столь же трудно, как сегодня без автомобиля или телевизора.

Сейчас технический уровень промышленных роботов растет стремительными темпами. Прогресс роботостроения сегодня как залог успехов роботизации завтра - таков лейтмотив книги, с которым нельзя не согласиться. Раскрыть будущее промышленных роботов с позиций уже не научной фантастики, а конкретного научного анализа и прогнозирования - это важнейшая, увлекательная задача.

Что такое робот?

1 Лист разрезается с помощью ручного инструмента.

БИОГРАФИЯ РОБОТОТЕХНИКИ

О чем вся эта суета. Основы робототехники

Робототехника, не роботы

Эта книга о потенциально широкой области робототехники, а не только о тех роботах, которые существуют уже сейчас. Другими словами-эта книга была написана в то время, когда вокруг создания и применения роботов бушевали страсти, и если бы она была посвящена только тем их образцам, которые имелись на период написания, тогда то, что вы сейчас читаете, безнадежно устарело бы.

Темпы развития робототехники связаны с успехами в области совершенствования вычислительных машин. Часто цитируемые статистические данные в отношении их сводятся к следующему. Если бы автомобилестроение развивалось так же быстро, как вычислительная техника, то тридцатилетней давности автомашина «Ролле Ройс» стоила бы сейчас 2 фунта стерлингов, на весь срок эксплуатации хватило бы заправки одной пинты бензина и машина развивала бы достаточную тягу для движения на крутом подъеме. Этот пример в какой-то степени показывает, как быстро сейчас движется вперед робототехника. Однако, хотя техника и усложняется с большей скоростью, тем не менее принципы, лежащие в основе быстрого развития, изменяются сравнительно медленно. Овладение этими принципами и является ключом к раскрытию секретов нового мощного «взрыва» робототехники.

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 Талуса 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 предложи-

ли термин мехатроника, делающий акцент на взаимосвязи механики и электроники как главной особенности всех видов этой техники.

Рука робота

Вполне вероятно, что в один прекрасный день мобильные роботы получат широкое распространение, но в настоящее время уровень развития, которого достигли промышленные роботы, лучше всего характеризуется понятием «механическая рука», прикрепленная к полу, стене, потолку или к машине, снабженная специальным рабочим органом, которым может быть захват или какой-нибудь инструмент, например сварочный или покрасочный пистолет. Рука приводится в движение гидравлическим, электрическим, а иногда и пневматическим приводом в заранее запрограммированной последовательности движений под управлением контроллера (управляющего устройства), который, как правило, основан на микропроцессоре и способен определять положение руки благодаря устройствам обратной связи в каждом узле.

Роботов обычно программируют операторы, передвигая руку в нужной последовательности либо путем воспроизведения этой последовательности с помощью устройства дистанционного управления. Некоторые сложные роботы могут программироваться непосредственно голосом, отдачей приказаний передвинуться на заданное расстояние и в заданном направлении. Новейшие образцы роботов оснащены сенсорной обратной связью и способны реагировать на происходящее в непосредственной близости от них. Для увеличения протяженности рабочего пространства, в котором может действовать рука, роботы устанавливают на направляющие или рамы и тем самым сообщают им ограниченную подвижность. Диапазон размеров весьма велик - от миниатюрных сборочных роботов, способных маневрировать в пространстве объемом около десяти кубических сантиметров, до роботов, созданных фирмой «Ламбертон Ро-ботикс» в Шотландии, которые могут перемещать поковки массой до 1,5т. в пространстве объемом в несколько кубических метров.

Тем не менее огромное большинство промышленных роботов можно уподобить человеку, который слеп, глух, нем, однорук, со связанными и залитыми бетоном ногами. Но несмотря на эти «невероятные увечья» робота уже внесла выдающийся вклад в производство. Однако это стало возможным только благодаря что среда, в которой она работает, вплоть до нашего времени специально «строилась» для нее и не является идентичной среде, в которой человек выполнял ту же работу.

Классификация роботов

Кроме классификации роботов по конфигурации руки широко используются и другие классификационные принципы.

Роботы с жесткой и изменяемой последовательностью перемещений. Устройства такого типа, действующие по принципу «взять-положить», хотя, строго говоря, не относятся к роботам, тем не менее часто называются роботами с жесткой последовательностью перемещений. Ход в каждом направлении движения по оси определен установкой механических жестких упоров, а датчики, как правило, представлены конечными выключателями, которые могут воспринимать только конечные точки, а не промежуточные. Такие устройства нельзя перепрограммировать на выполнение новой задачи. Они должны быть заново переналажены и отлажены, как традиционные автоматические механизмы.

Роботы с изменяемой последовательностью перемещений могут выполнять различные задачи или последовательности операций по новой программе. Однако в настоящее время созданы устройства типа «взять-положить», которые включают различные жесткие упоры по соответствующей программе. Например, у робота «МХУ Сеньер» фирмы «АСЕА» установлены на каждой оси семь упоров, каждый из которых может управляться по своей программе, что позволяет выполнять сложные последовательности. Кроме того, конечно, в промышленности всегда существует соблазн относить к роботам любые манипуляционные устройства типа «взять-положить».

. Роботы со следящей системой и без нее . Роботы с изменяемой последовательностью перемещений должны обладать способностью останавливать отдельный узел руки в любой точке траектории. Существуют два подхода к решению этой задачи. При простейшем техническом решении контроллер просто посылает энергию к узлу, как только получен сигнал, что руке требуется занять нужную позицию. При использовании некоторых специальных электрических моторов (шаговых двигателей и т. д.). такой подход приемлем, но в целом управление с открытым контуром без обратной связи относительно информации о действительном положении того или иного узла весьма неточно - рука робота может где-нибудь застрять и совсем перестать двигаться. Поэтому во всех роботах, кроме учебных, используют другое решение задачи, которое предполагает размещение на каждом узле сервомеханизма, эффективно контролирующего фактическое положение узла и положение, которое контроллер «хочет», чтобы узел занял, а затем перемещающего руку до тех пор, пока положения не совпадают. Роботы, использующие управление с замкнутым контуром, называются роботами со следящей системой или просто сервороботами.

Роботы с позиционными и контурными системами (действующие от точки к точке и по сплошной траектории управления). Два типа контроллеров, используемых в промышленных роботах, обладают следующей особенностью. У многих роботов первых поколений компьютерной памяти хватало для запоминания лишь дискретных точек в пространстве, по которым должна двигаться рука. Траектория движения руки между этими точками не задавалась, и ее нередко трудно было предсказать. Такие роботы с позиционным управлением еще широко распространены и вполне пригодны для таких работ, например, как точечная сварка. С уменьшением стоимости запоминающих устройств появилась возможность увеличить число запоминаемых точек. Многие изготовители используют термин многоточечное управление, если в компьютерной памяти можно хранить очень большое число дискретных точек.

Для некоторых видов работ (покраска распылением и дуговая сварка) необходимо, чтобы рука робота, следуя по траектории, управлялась непрерывно. Такие роботы с контурным управлением в действительности разбивают сплошную траекторию на большое число отдельных близко расположенных друг от друга точек. Положения точек записывают во время программирования или вычисляют при фактическом движении путем интерполяции, например между двумя точками для образования прямой линии. Эти роботы можно рассматривать как естественное развитие систем с позиционным управлением. Фактически существует «серая зона», в которой системы многоточечного управления могут аппроксимировать сплошную траекторию системы, если рука робота не останавливается в каждой дискретной точке, а плавно проходит через них.

Роботы первого, второго, третьего поколений . К роботам первого поколения обычно относят «глухие, немые и слепые роботы», которые нашли широкое распространение на предприятиях. Роботы второго поколения, которые совсем недавно появились в лабораториях, сейчас можно встретить и на заводах. Роботы второго поколения очень похожи на роботы первого поколения. Используют различную сенсорную информацию об окружающей среде, чтобы корректировать свое поведение при выполнении производственной операции (что соответствует наиболее сложному, шестому классу в упомянутой ранее японской классификации роботов). Сенсорные системы включают устройства технического зрения и тактильные датчики, обеспечивающие «ощущение касания».

Некоторые роботы второго поколения называют интеллектными роботами. Но этот термин следовало бы отнести к роботам третьего поколения, которых нет еще даже в лабораториях. Сейчас только начались исследования по созданию роботов, наделенных «здравым смыслом». Тем не менее такие исследования действительно приведут к созданию так называемых интеллектных роботов, которые будут наделены «чувствами» и способностью распознавать объекты внешнего мира и, таким; образом, в перспективе станут в какой-то степени обладать способностью действовать самостоятельно.

Несмотря на все многообразие классификационных признаков, существуют «серые зоны». Например, один простой датчик еще не делает устройство роботом второго поколения. Необходимо, чтобы датчик значительно влиял на действия робота. Но что значит «значительно»? Более того, даже принятые определения отличаются друг от друга. Некоторые специалисты относят к первому поколению роботов устройства типа «взять-положить», так что все прочие типы робототехнических устройств оказываются передвинутыми на одно поколение «вверх».

Вполне возможно, что в конечном итоге только роботов второго поколения можно будет считать настоящими роботами, относя первое поколение к программируемым устройствам, обычным манипуляторам и т. п.

Что могут делать современные роботы

Применение современных промышленных роботов увеличивает производительность оборудования и выпуск продукции, улучшает качество продукции, заменяет человека на монотонных и тяжелых работах, помогает экономить материалы и энергию. Кроме того, они обладают достаточной гибкостью, чтобы использовать их при выпуске продукции средними и малыми партиями, т. е. в той области, где традиционные средства автоматизации неприменимы. Мелкосерийная продукция имеет большой рынок. Исследования показывают, что подавляющее большинство деталей, закупаемых даже военными организациями, были выпущены партиями менее 100 штук, а в Великобритании согласно проведенным оценкам примерно 75 % всех металлических деталей выпускалось партиями менее 50 штук.

Роботы еще не обладают многими важнейшими качествами, присущими человеку, например не способны к разумному реагированию на непредвиденную обстановку и изменение рабочей среды, к самообучению на основе собственного опыта, использованию тонкой координации системы «рука - глаз». Роботы с захватами или подобные им применяются для выполнения манипуляционных операций, например при удалении заусенцев, литье, очистке слитков, ковке, термообработке, точном литье, обслуживании станков на погрузке-разгрузке, формовке, упаковке, размещении деталей в палеты и складировании.

Руки роботов вместо захватов могут оснащаться различными инструментами для выполнения работ, начиная с покраски распылением, нанесения клеевых и изоляционных покрытий и кончая сверлением, зенкованием, закручиванием гаек, шлифовкой, пескоструйной очисткой. Кроме того, роботы можно использовать для точечной и дуговой сварки, тепловой обработки и резания с помощью пламени или лазера, а также при очищении с помощью водяных струй. Следует отметить, что первоначальные иллюзии о возможности создать универсальный робот, способный выполнить почти любую работу - от сборки до точечной сварки, теперь в значительной степени развеяны. В настоящее время роботы приобретают специализацию, становясь покрасочными роботами, сварочными роботами, сборочными роботами и т. д.

Наконец, в отношении потенциальной замены рабочих «стальными воротничками» следует помнить, что робот может заменить только того, кто «работает, как робот». Однако недалеко то время, когда роботы смогут заменить людей не только на утомительной, повторяющейся или тяжелой работе, но и на работах, которые, как считалось раньше, требуют сноровки, приобретаемой с опытом. Поэтому вполне понятно, что у многих распространение роботов вызывает беспокойство в связи с возможным ростом безработицы.

С появлением сложных робототехнических устройств нельзя более утверждать, что роботы просто заменят людей на непривлекательных работах, однако человечеству грозит деградация, если оно, опасаясь безработицы, будет продолжать

Список используемой литературы :

Книга В.И. Захарова и М.П. Васильева “Промышленные роботы”

Как был создан медицинский робот, который по многим показателям превосходит знаменитый Да Винчи? Об этом корреспонденту "РГ" рассказал директор Института конструкторско-технологической информатики РАН доктор технических наук Сергей Шептунов.

Сенсацией стали телерепортажи об уникальной операции, которую провел наш медицинский робот. Правда, пока на свинке Роза. Рассказ о роботе сопровождался громкими эпитетами. На ваш взгляд, здесь нет журналистского преувеличения?

Сергей Шептунов: Честно говоря, не люблю ни громких, ни тихих эпитетов. Но понимаю, что журналисты выполняют свою работу. Да, ряд показателей у нас лучше, чем у робота Да Винчи, но я всегда повторял, что именно он в свое время стал революцией, первопроходцем в хирургии.

В чем и почему этот созданный по заказу НАСА робот сумел превзойти самых виртуозных хирургов?

Сергей Шептунов: Даже самый выдающийся хирург ограничен физиологией. Скажем, размеры рук не позволяют с максимальным удобством добраться до каких-то зон операции. Рука всегда слегка подрагивает, что может сказаться на точности работы. То есть развитие хирургии уперлось в потолок возможностей человека, надо искать новые технологии, перевести операции на новый, менее зависимый от человека уровень. Таким прорывом и стал хирургический робот Да Винчи. Это не традиционный автоматический робот. Он повторяет движения рук хирурга, но только на микроуровне. Инструмент в теле пациента перемещается на миллиметры.

Накопив опыт операций, робот многому научится и сможет поправлять врача, подсказать, например, что не туда иголку направил. Фото: РИА Новости

Преимущества такой машины очевидны. Скажем, полостная операция на предстательной железе очень сложна, потому что до нее трудно добраться, пациент теряет до 1,5 литра крови. А робот делает всего 3-4 прокола диаметром в несколько миллиметров, через которые вводятся инструменты и 3D-камера. Потеря крови всего 20-50 миллилитров. То есть операция очень щадящая.

Далее. В отдельных случаях полостная операция длится 1,5-2 часа, а робот помогает выполнить ее за 30 минут. Пациент на третий день может быть выписан. Значит, повышается эффективность работы клиники, она может обслужить намного больше пациентов. Словом, все было бы здорово, однако к Да Винчи помимо восторженных отзывов постепенно накопилось немало серьезных претензий.

Казалось бы, такая совершенная машина. В мире с ее помощью выполняются ежегодно сотни тысяч операций. И тем не менее врачи недовольны…

Сергей Шептунов: Всегда хочется лучшего. К примеру, медики просят повысить точность работы. Но главная претензия к цене - около двух миллионов долларов. Кстати, о том, что не так все хорошо, свидетельствует красноречивая цифра. Если сравнить число хирургических роботов в мире с количеством сделанных ими операций, то получается одна операция в два дня. Вроде бы, чтобы себя окупить, должен "пахать" круглые сутки, а он больше простаивает, чем работает. Поэтому роботу трудно вписаться в страховую систему. Цена операции всегда будет гораздо больше, чем может выплатить страховая компания. И это, по-моему, главное, что сдерживает массовое внедрение таких технологий.

Все это и стало поводом создать российский недорогой медицинский робот?

Сергей Шептунов: Не просто недорогой. Мы вместе с группой хирургов во главе с главным урологом минздрава Дмитрием Юрьевичем Пушкарем поняли, что бессмысленно идти уже по проторенной дороге, модернизировать, а по сути повторять заложенные в Да Винчи принципы. И вообще конкурировать небольшому российскому институту с такими компаниями-гигантами, как авторы Да Винчи, на их поле значит заведомо проиграть. Поэтому единственный приемлемый для нас вариант пойти своей дорогой, создать принципиально новое, что кардинально отличается от Да Винчи. Учтя и преодолев его недостатки, ограничения, о которых я говорил. В итоге разработана платформа, на которой можно создавать роботы для разных видов хирургии: на легких, мозге, урологические, гинекологические и т.д. Это совершенно разные задачи, для их реализации нужны абсолютно разные устройства-роботы.

Нравится ли Розе быть страницей в истории российской хирургии, неизвестно. А сахар нравится точно. Фото: РИА Новости

Принципиальное требование врачей - мобильность машины. Да Винчи - монстр весом более тонны, с внушительными габаритами. У нас огромная страна, множество клиник, понятно, на все никаких Да Винчи не хватит. Перевозить такую махину с места на место нереально. Размышляя о будущем роботе, Дмитрий Пушкарь сказал: "Здорово было с чемоданом с роботом приехать в какой-то город, сделать операцию и с тем же чемоданом уехать".

Кроме того врачи просили повысить точность операции. У Да Винчи инструмент перемещается с точностью 500 микрон. Это уже не устраивает.

Наш робот намного меньше и дешевле Да Винчи, на порядки превосходит его по точности

Как удалось решить все эти задачи?

Сергей Шептунов: По сравнению с Да Винчи наш робот устроен совершенно иначе, и у него принципиально иная архитектура. Это позволило повысить точность перемещения инструмента до 10 микрон, что на порядки лучше, чем у Да Винчи. Кроме того наш робот в 5 раз легче, во много раз меньше и дешевле. Еще важно, что это полностью цифровая машина. Это позволит ее перестраивать для работы в разных сферах хирургии. Но этого мало. Робота можно "подстроить" под конкретного хирурга. Создать ему максимальные комфортные условия для работы.

Сергей Шептунов: И робота можно "подстроить" под конкретного хирурга. Фото: РИА Новости

Работая на Да Винчи, врач не чувствует руками, например, с каким усилием он тянет ткань, и даже рискует ее порвать. Он может полагаться, контролировать операцию только глазами, наблюдая все происходящее на экране монитора. В нашей машине есть обратная связь, врач руками чувствует каждое свое движение, какие прикладывает усилия. Более того, накопив опыт операций, робот многому научится и постепенно сможет анализировать действия врача и даже его поправлять, подсказать, например, что не туда иголку направил. Это уже элементы искусственного интеллекта.

Недавно вся страна видела, как ваш робот прошел испытания в Пензе, где профессор Пушкарь делал операцию на свинье Розе. Как вы сами оцениваете этот эксперимент?

Сергей Шептунов: В Пензе были поставлены очень амбициозные задачи. Мы умышленно загнали себя в цейтнот. Ночью с чемоданами, где находились части робота, выехали в Пензу, преодолели 700 километров. Там часа за два собрали машину. На следующий день приехал Дмитрий Пушкарь, сделал серьезную операцию и уехал. Таким образом, удалось продемонстрировать, что в столь сжатые сроки робот можно доставить к месту операции, собрать, запустить, а доктор успешно проведет операцию. Это важнейший этап, приближающий нас и врачей к операциям на людях. По всем регламентам создания медицинской техники это произойдет через 1,5-2 года.

Справка "РГ"

Как оперирует медицинский робот? Хирург располагается в отдалении от операционного стола. На его рабочем месте находятся контроллеры, управляя которыми с помощью рук, он выполняет операцию. На экране монитора врач видит трехмерное изображение операционного поля, получаемое от 3D-камеры. Она вводится в тело пациента через маленькие отверстия. Через такие же проколы в зону операции доставляются мини-инструменты: пинцет, ножницы, иглодержатель и т.д. Они приводятся в действие манипулятором, который отрабатывает получаемые от врача команды.

Фантасты придумали роботов десятки лет назад, но умные металлические люди так и не появились на наших улицах. Воплощению мечты в реальность мешает многое. В том числе и сам человек

Неуниверсальные помощники

Симпатичные создания из новейших пластиков и сплавов, по мнению людей, должны выполнять тяжелую или скучную работу: ходить в магазин, мыть посуду, пылесосить, делать с детьми уроки и разговаривать с бабушкой о погоде. Если понадобится, они отнесут квитанции в банк и довезут хозяина до работы.

Каждое из этих действий само по себе не требует особых усилий, но вместе они отнимают массу времени, поэтому бытовые роботы должны быть универсальными.

«Сегодня в лабораториях есть роботы, которые умеют решать несколько задач параллельно, но, во-первых, в каждый момент они заняты только одной из них, а во-вторых, они самостоятельно не могут выбрать, какой из задач отдать предпочтение. Более того, роботы совсем не понимают, чего не нужно делать в конкретной ситуации» , — объясняет старший лектор Школы компьютерных наук в Бирмингеме, специалист в области искусственного интеллекта Ник Хоз .

Чтобы пропылесосить квартиру, роботу нужен один алгоритм, для похода в магазин — другой, и оба они должны быть прописаны в электронных «мозгах». Небольшое изменение параметров, если оно не задано изначально, например продуктовые секции в магазине поменяли местами, делает задачу неосуществимой. Машина выполняет только предустановленные команды и не может «сообразить», что в магазине, по сути, все осталось прежним. «Одно из решений проблемы — создать подобие социальной сети для роботов, куда они будут загружать данные, полученные в новых ситуациях, а остальные роботы смогут их скачать» , — говорит Ник.

Ограниченный ум

Другая черта, которую сценаристы будущего приписывают роботам наряду с универсальностью, — фантастический ум. С тех пор как созданный IBM компьютер Deep Blue обыграл одного из величайших шахматистов планеты Гарри Каспарова, многим кажется, что по части интеллекта машины превзошли людей. Суперкомпьютеры и процессоры в мобильных телефонах, выполняющие тысячи операций в секунду, подкрепляют эту уверенность. Но в действительности людям нечего бояться.

Nao оборудован процессором Intel Atom , как и простые нетбуки

Ум роботов ограничен так называемой проблемой значения. «Это колоссальная проблема робототехники , — говорит Хоз. — Роботы не понимают, что значит «цветок», или «небо», или что угодно. Хуже того, люди и сами не знают, что такое значение — они просто понимают его, и все» . Машина может выучить, что объект на четырех ножках с сиденьем и спинкой — это стул, но смысл понятия «стул» ей недоступен. Поэтому дизайнерский стул без ножек и с раздвоенной спинкой робот вряд ли опознает, притом что у человека никаких проблем с этим не возникнет.

«Люди создают огромные базы, куда записывают все возможные значения слов. Но это лишь частичное решение: если то, о чем вы говорите, есть в базе, робот вас поймет. А если слова там нет? Существует и другой подход, когда роботов обучают значению через опыт. Но опять-таки они выучат только значение тех понятий, с которыми столкнулись лично» , — рассказывает Ник Хоз.

СЛОЖНОСТИ Почти, но не совсем... Антропоморфность — коварная штука. Если робот сильно напоминает человека, но некоторые черты все же отличаются, люди начинают испытывать отвращение. Этот феномен получил название «зловещая долина» (uncanny valley ). Термин придумал в 1970 году японский специалист по робототехнике Масахиро Мори. Изначально реакцию отторжения объясняли особенностями человеческой психики, но в 2009 году ученые из Принстона показали, что обезьяны ведут себя точно так же. Это означает, что боязнь вроде бы таких же, но чуть-чуть непохожих на себя существ имеет серьезные эволюционные основания. Мозг воспринимает эти различия как признак нездоровья и стремится ограничить контакты с потенциально опасным объектом. На фото: Симпатичные роботы совсем невысокие — их рост 58 см

Отсутствие желаний

Пожалуй, больше всего люди боятся, что однажды роботам надоест подчиняться человеку и они захватят мир. Перспектива маловероятна не только потому, что роботы не понимают смысла слов «захватить» и «мир». Намного более веская причина в том, что пока инженерам не удалось наделить роботов сознанием. Это трудноопределимое понятие дает людям свободу выбора и желания, в том числе и мирового господства.

«Пока мы не понимаем, как формируется сознание у людей, а значит, не можем воспроизвести его у роботов. На мой взгляд, дело в том, как именно связаны между собой различные отделы мозга. Если мы когда-нибудь разберемся в этом, то, возможно, сумеем повторить структуру мозга и снабдить роботов сознанием» , — полагает Хоз.

ПРАКТИКА Больше — значит лучше Многие действия, которые не требуют от человека усилий, для роботов оказываются невыполнимыми. Механическим существам трудно рассчитать силу захвата, когда они жмут руку или берут что-то хрупкое, они очень плохо ходят и совсем не умеют бегать. На ежегодном чемпионате по робофутболу RoboCup игроки передвигаются со скоростью около 3 м/с (10,8 км/ч), а у лучших футболистов вместо ног колеса или гусеницы. Двуногим роботам очень сложно удерживать равновесие, при ходьбе процессор просчитывает каждый шаг, определяя, как именно распределить вес. Самыми устойчивыми в движении оказались роботы с четырьмя конечностями, например созданный компанией Boston Dynamics совместно с Лабораторией реактивного движения NASA «большой пес» , BigDog (на фото). Существо на гибких лапах умеет ходить по ровной земле, песку, снегу и неглубоким водоемам, забирается в горы и спускается с них и при этом тащит на «спине» до 150 килограммов веса. Повалить его на землю не так-то просто: на демонстрационных видео инженеры пинают робота ногами, но он все равно остается на четырех конечностях.

Машины, не понимающие значений слов и не имеющие сознания, не смогут заменить людей там, где нужно действовать не по шаблону, пусть даже и сложному. Например, хотя роботам неведом страх, они не боятся боли, могут существовать без кислорода и воды, выдерживать экстремальные температуры, — из них очень плохие космонавты. «Ту информацию, которую марсоход собирает три месяца, человек получил бы за три часа , — поясняет Ник. — Люди с Земли отсматривают телеметрию и посылают аппарату задание, сколько сантиметров проехать, к какому камню приблизиться, какой инструмент использовать. Человек принял бы все эти решения за доли секунды» . В среднем сигнал идет от Марса до Земли около 15 минут (и столько же обратно), но коммуникация не всегда возможна из-за помех. Поэтому «выхлоп» даже от короткого путешествия человека на Марс оказался бы в сотни раз больше нескольких роботизированных миссий, каждая из которых длилась годы. Рекордсмен среди марсианских долгожителей, ровер «Оппортьюнити», за более чем 10 лет на Красной планете проехал всего 40 километров.

Да, роботы хорошо считают, они сильны, выносливы и работают без перерывов на сон и еду. Но, как это ни парадоксально, из машин не выйдет универсальных помощников до тех пор, пока они не станут более человечными и не обзаведутся сознанием (или, возможно, душой).

Фото: Diomedia (x6), PAL Robotics SL (x2), DARPA

Разновидность робота, обычно изображаемого в кино и мультфильмах, с гуманоидными чертами и поведением, имеет мало общего с роботами, которые сконструированы в инженерных лабораториях по всему миру.

Это несоответствие объясняется двумя причинами: оптимальная форма для работы редко напоминает телосложение человека, а человеческое поведение слишком сложно для того, чтобы быть воплощенным в компьютерной программе, годной для управления действиями робота.

Тем не менее инженеры преуспели в разработке робота, который может подражать отдельным функциям человека. Как показано на иллюстрации, механические руки робота, называемые манипуляторами, могут держать и поворачивать предметы почти так же, как это делают руки человека. Электронные глаза позволяют роботу воспринимать окружающие предметы и взаимодействовать с ними.

Простая рука робота, называемая манипулятором, состоит из двух пальцев, которые открываются и закрываются, чтобы взять предмет. Манипулятор, соединенный с вращающимися суставами, может двигать предметы вверх и вниз и вращать их во всех направлениях. Электронный сенсор позволяет пальцам манипулятора регулировать силу сжатия.

Ученые-специалисты еще не создали полноценно функционирующего робота-гуманоида. Тем не менее специализированные роботы могут имитировать многие ограниченные человеческие функции.

Цифровое зрение

Глаз робота состоит из телевизионной камеры, которая фиксирует визуальные образы, и микропроцессора, преобразующего эти образы в электрические сигналы.

Когда глаз робота фокусируется на предмете (внизу), микропроцессор производит электрический образ (справа).

Душа робота

Вместо мозга роботом управляет компьютерная программа. Программа получает данные из сенсора, затем обрабатывает информацию, чтобы определить, как роботу следует на нее реагировать.

Ползать, а не бегать

Ученым еще предстоит создать настоящего мобильного робота. Колеса предоставляют роботам простейшую возможность передвижения, однако не подходят для роботов, которым приходится иметь дело с неровными поверхностями, например, с лестницей. Одним из возможных вариантов могут стать многоножки, которые помогут роботу сохранить устойчивость на неустойчивой поверхности.