Беседы о физике и технике

10. От робота к робототехнике

Первые роботы у нас появились в 1970 г. Через пять лет их насчитывалось 250, в 1983 г. — около 7 тыс., в 1985 г. — около 40 тыс. Количество их непрерывно растет и к 1990 г. должно достичь несколько сотен тысяч.

В связи с этим возникает вопрос: а много это или мало? Для иллюстрации скажем, что число выпущенных нашей промышленностью роботов больше, чем в США и Японии вместе взятых. Следовательно, наша промышленность более автоматизирована, т. е. обладает более высоким потенциалом? Тогда почему многие наши заводы, особенно перешедшие на хозрасчет и самофинансирование, отказываются от установки роботов и около половины изготовленных роботов в одиннадцатой пятилетке были отправлены на склад? А ведь стоимость каждого робота-манипулятора составляет несколько десятков тысяч рублей.

МОЖЕТ БЫТЬ, РОБОТЫ ДЕЙСТВИТЕЛЬНО НЕ НУЖНЫ?

Прежде чем ответить на поставленный вопрос, посмотрим, как решаются вопросы роботизации производства, какие проблемы стоят перед учеными и инженерами, каков экономический эффект от внедрения роботов и какими путями должна идти механизация и автоматизация на современном этапе и ближайшем будущем.

Сокращение ручного труда в народном хозяйстве является одной из важнейших социально-экономических задач. В то время, когда страна испытывает нехватку трудовых ресурсов, только в промышленности ручным трудом на 1985 год занято около 9,5 млн. человек — это более 36 % от общей численности рабочих. Еще больший процент от общего числа работающих в отрасли — в сельском хозяйстве, строительстве, бытовом обслуживании.

В настоящее время задача стоит несколько шире: не только сократить применение тяжелого и монотонного ручного труда, но и сделать труд более содержательным, безопасным, привлекательным.

Известно, что один станок с числовым программным управлением позволяет высвободить 3–4 рабочих, комплексно-автоматизированная линия — до 30, автоматизированный участок — до 60 человек. Вот почему поставлена задача: в двенадцатой пятилетке перейти от производства отдельных машин к созданию технологических линий и комплексов с высокой степенью автоматизации. Они способны коренным образом изменить материальную основу производства: в энергетике — за счет преимущественного строительства АЭС; в металлургии — с помощью метода прямого восстановления железа, плазменной плавки, горизонтальной разливки стали; в машиностроении — за счет обработки взрывом, за счет использования лазерной, электрохимической и роторной техники, матричной сборки, промышленных роботов…

ЧТО ТАКОЕ РОБОТ?

Промышленный робот, или автоматический манипулятор, — это агрегат, состоящий из исполнительного многозвеньевого механизма (например, механической руки), каждое звено которого приводится в движение управляемым приводом, и из системы управления, включающей в себя аппаратуру совместного управления приводами всех звеньев, программное устройство с блоком памяти и ЭВМ.

КОГДА ПОЯВИЛИСЬ ПЕРВЫЕ РОБОТЫ?

Прообразом современных механических роботов можно считать оборонительную машину Архимеда, которая «хватала» приблизившийся к крепостной стене вражеский корабль и опрокидывала его. Механические руки начали применять в промышленности с конца XIX в.: ковочные манипуляторы, механические лопаты экскаваторов…

Мощный толчок к созданию и совершенствованию манипуляторов дало в середине 40-х годов развитие атомной техники. В машиностроении распространены шарнирно-балансирные манипуляторы для переноса тяжелых деталей в пределах рабочего места. Манипуляторы устанавливают на машины лесной промышленности, строительные, транспортные, горные.

В настоящее время манипулятор является составной частью робота.

Роботы с автоматическим управлением промышленного назначения делят на три поколения: программные, адаптивные и интеллектные.

Термин «поколение» здесь звучит чисто условно. Эти три поколения роботов исторически не сменяют друг друга. Новые поколения появляются постепенно по мере накопления достижений науки и техники. Первое же поколение при этом продолжает существовать и приобретает все более широкое массовое применение. Но оно все время совершенствуется конструктивно, повышая свои качественные показатели и эффективность действия.

Различные виды роботов каждого поколения имеют свои области применения.

ДАВАЙТЕ РАССМОТРИМ ВСЕ ТИПЫ РОБОТОВ ПО ПОРЯДКУ. НАЧНЕМ С ПРОГРАММНЫХ.

Первое поколение — программные роботы — характеризуется действием системы управления по многократно повторяемой жесткой программе (взять деталь с определенного места, перенести ее под пресс, вынуть из-под пресса, перенести в другое место, возвратить в исходную позицию). Программный робот легко переналаживается на различные программы действия. Но после каждой переналадки он способен только повторять многократно одни и те же жестко запрограммированные движения. Роботы первого поколения могут перемещать груз массой от десятков граммов до нескольких тонн, а закладываемые в их запоминающие устройства программы могут включать более 1000 движений.

ТЕПЕРЬ ПЕРЕЙДЕМ К АДАПТИВНЫМ РОБОТАМ.

Второе поколение — адаптивные роботы — отличаются тем, что они обладают простейшими видами «органов чувств» манипулятора: тактильное (осязание), силовое (реакция на значение рабочего усилия), локационное (реакция на расстояние до предмета и скорость приближения к нему), световое (реакция на попадание предмета в луч света), тепловое (реакция на изменение температуры по пути движения). Сигналы от датчиков очувствления обрабатываются во встроенной ЭВМ и используются ею для формирования сигналов управления на приводы звеньев манипулятора, чтобы робот в результате выполнил заложенную в его память задачу в соответствии с данной обстановкой, зафиксированной датчиками очувствления.

Другими словами, робот в своих действиях приспосабливается (адаптируется) к незапрограммированной обстановке: при неопределенном положении деталей, при движении их, при сборке, сварке и т. п.

По сравнению с роботами первого поколения адаптированные роботы обладают повышенной маневренностью и возможностью хранить в запоминающем устройстве большее число более сложных программ. Работа промышленных роботов второго поколения с высокой степенью точности синхронизируется с работой основного технологического и другого оборудования, повышенная надежность системы числового программного управления обеспечивает длительную бесперебойную эксплуатацию.

И НАКОНЕЦ, ИНТЕЛЛЕКТНЫЕ РОБОТЫ…

Третье поколение — интеллектные роботы — располагает более богатыми средствами очувствления, распознавания обстановки, отработки информации для принятия решения и его реализации с помощью приводов, т. е. обладает определенной долей «искусственного интеллекта». Особое значение приобретают здесь зрительное очувствление и цифровое моделирование обстановки на этой базе в ЭВМ робота, а также комплексирование различных средств очувствления.

Надо иметь в виду, что термин «искусственный интеллект» в такой же мере условен, как и широко применяемые уже термины «память машины», «техническое зрение». Он отражает лишь внешнее сходство функционирования робота с действиями человека в процессе трудовой деятельности.

Кроме приведенной выше классификации промышленные роботы отличаются друг от друга по типу привода (гидравлические, пневматические, электрические), по количеству степеней подвижности в манипуляторе (от трех до восьми), по грузоподъемности (от граммов до сотен килограммов), по областям применения (машиностроительное, приборостроительное и другие производства).

ГДЕ СЕЙЧАС ПРИМЕНЯЮТ РОБОТЫ?

Уже сегодня, когда роботизация делает лишь первые шаги, можно смело говорить о ее эффективности. Так, на часовых заводах роботы успешно применяют на сборке механизмов часов, на автозаводах роботы сваривают кузова автомобилей, а в Орловском объединении «Промприбор» с их помощью изготовляют терморегуляторы для бытовых холодильников и др.

Современные промышленные роботы успешно используют вместо человека в основных процессах литейного производства — от подготовки исходных материалов до операций очистки и термообработки.

Роботы производят сегодня вспомогательные работы на металлорежущих станках — токарных, фрезерных, расточных, сверлильных и др. Их можно использовать для автоматизации таких работ, как, например, изготовление образцов для анализа химического состава сплавов и других материалов, подготовка образцов к контролю, установка их в оборудование для контроля, их испытание, удаление и др.

Промышленные роботы могут пригодиться в строительной, легкой и других отраслях промышленности, при ведении научно-исследовательских работ, в быту и т. п. Например, в швейной промышленности роботы используют для автоматизации процессов манипулирования кусками материи, сшивания кусков больших размеров, пришивания мелких деталей: пуговиц, пряжек, крючков, воротников, карманов и т. п. В сфере обслуживания роботы могут выполнять обязанности сторожа, садовника, могут мыть посуду, стирать и гладить белье, обслуживать бензозаправочные станции, собирать бытовой мусор, торговать штучным товаром, комплектовать продуктовые заказы. Роботы также могут входить в автоматические системы пожаротушения, регулировать уличное движение.

Перечень предприятий, где уже применяются или где можно применять роботы, можно продолжить. Так, на одной из международных выставок демонстрировался робот-официант.

КАК ОН РАБОТАЛ?

В столовой в проходах между столами на полу наклеивается узкая лента из алюминиевой фольги, которая образует замкнутый маршрут передвижной тележки. Из кухни выезжает роботизированная тележка с установленными на ней подносами с тарелками. Тележка оснащена фарой и двумя фотоэлектрическими датчиками, воспринимающими отраженный от фольги свет фары. Таким образом, тележке задается маршрут движения. Она подъезжает к столику и плавно останавливается, так как часть ленты у каждого столика перекрыта полосой черного цвета. После снятия с подноса первого блюда тележка едет к следующему столику. Через несколько минут появляется тележка со вторым блюдом и т. д. Тележка оснащена бортовой мини-ЭВМ и по заданной программе может делать остановки у определенных столиков в определенное время.

Разумеется, такие же тележки можно использовать и на небольших предприятиях для развоза деталей по цеху, на складах, в библиотеках, архивах.

РАСШИФРУЙТЕ ПОДРОБНЕЕ ТЕРМИН «РОБОТИЗАЦИЯ»

Важно не только создавать робот как таковой, но и комплексно связывать его со всем остальным технологическим оборудованием в сочетании с другими современными средствами автоматизации. Наибольшая технико-экономическая эффективность достигается при использовании роботов в роботизированных комплексах. На их основе будут создаваться автоматизированные линии, цехи и заводы. Такие примеры в машиностроительной и приборостроительной промышленности уже есть.

Так, на Петродворцовом часовом заводе в Ленинградской области внедрено свыше 150 промышленных роботов. На 63 автоматических линиях они осуществляют по заданной программе все операции по сборке часов. Внедрение роботизированного комплекса позволило в несколько раз повысить производительность труда и высвободить около 500 человек.

На Ковровском механическом заводе после внедрения 60 промышленных роботов в штамповочном и механо-обрабатывающем цехах производительность труда на роботизированных операциях повысилась в целом в 3 раза (а по отдельным участкам в 5–6 раз), высвобождено около 100 рабочих и достигнута годовая экономия более 300 тыс. руб.

В Центральном научно-исследовательском институте «Электроника» сконструирован автоматический участок для механической обработки поверхности экранов кинескопов.

Робот-перекладчик передает кинескоп от станка к станку — их четыре, а затем проводит через две моечные установки. Такой роботизированный участок позволяет совершенно исключить ручной труд. Производительность на нем выше, чем на обычных участках, в 2,5 раза.

Одним из достижений роботизации стало создание обрабатывающих центров — замкнутых циклов производства, работающих в запрограммированном автоматическом режиме.

Планируется создание роботов нового поколения: самообучающихся, способных различать графические символы, реагировать на звуки, сигналы, человеческую речь.

Много нам даст и многостороннее сотрудничество в разработке и производстве промышленных роботов в рамках СЭВ.

НЕ СЛИШКОМ ЛИ МЫ УВЛЕКЛИСЬ ДОСТОИНСТВАМИ? А ЕСТЬ ЛИ У РОБОТОВ НЕДОСТАТКИ?

Прежде всего необходимо подчеркнуть, что установка роботов-манипуляторов целесообразна только тогда, когда она дает реальный экономический эффект (на сборке часов, монтаже микросхем и т. д.). Действительно, пусть робот устанавливает деталь на металлообрабатывающий станок, а затем после обработки снимает ее. Следовательно, пока станок работает, робот-манипулятор «спит» и снова приходит в действие лишь когда рабочий закончит обработку детали.

Другой пример. Современный пресс обрабатывает 100 деталей в минуту, а «человекоподобный» механизм может подавать лишь 7—15 деталей в минуту, снижая производительность пресса в 10–15 раз. Шарнирность, нежесткость таких манипуляторов, необходимость больших помещений и обусловливают «тихоходность» робота в целом.

ГДЕ ЖЕ ВЫХОД ИЗ СОЗДАВШЕЙСЯ СИТУАЦИИ?

Ученые видят его в том, что более высокий уровень производительности труда призван обеспечить в будущем новый класс технологических машин — роторные и роторно-конвейерные линии. В них технологические операции осуществляются в процессе непрерывного совместного транспортирования предметов обработки и инструментов (простейший пример роторной линии — разлив молока в бутылки). Этот класс машин обеспечивает автоматизацию производства при одновременной быстрой окупаемости, т. е. при высвобождении одного человека за счет минимальных затрат — 3–5 тыс. руб., что в сотни раз меньше, чем при применении «человекоподобного» робота-манипулятора.

Создание новой техники — задача настоящего и недалекого будущего, задача, значение которой неизмеримо возрастает в условиях хозрасчета и самофинансирования предприятий.