Тема1.2.Робототехника История роботехники На всех этапах своего развития человечество стремилось создать орудия, механизмы, машины, облегчающие труд и обеспечивающие защиту от неприятеля. Эволюция современного общества и производства обусловила возникновение и развитие нового класса машин – роботов – и соответствующего научного направления – робототехники. Робототехника на сегодняшний день является интенсивно развивающейся научно-технической дисциплиной, изучающей как теорию, методы расчета и конструирования роботов, их систем и элементов, так и проблемы комплексной автоматизации производства и научных исследований с применением роботов. Предметом робототехники является создание и применение роботов, других средств робототехники и основанных на них технических систем и комплексов различного назначения. История робототехники уходит в глубокую древность. Уже в те времена появились идеи создания технических средств, похожих на человека, и были предприняты первые попытки по их созданию. Статуи богов с подвижными частями тела (руки, голова) появились еще в Древнем Египте, Вавилоне, Китае. В 3 веке до н. э. римский поэт Клавдий упоминал об автомате, изготовленном Архимедом. Он имел форму стеклянного шара с изображением небесного свода, на котором воспроизводилось движение всех известных в то время небесных светил. Шар приводился в движение водой. А греческий изобретатель и физик Ктесибий из Александрии сконструировал водяные часы. Это был первый автомат для точного хронометрирования. До нас дошли книги Герона Александрийского (I век н.э.), где описаны подобные и многие другие автоматы древности. В качестве источника энергии в них использовались вода, пар, гравитация (гири). В «Театре автоматов» описано даже устройство целого театра, представление в котором разыгрывали фигурки-куклы, приводимые в движение с помощью системы зубчатых колес, блоков и рычагов. В средние века большой популярностью пользовались различного рода автоматы, основанные на использовании часовых механизмов. Были созданы всевозможные часы с движущимися фигурами людей, ангелов и т. п. К этому периоду относятся сведения о создании первых подвижных человекоподобных механических фигур – андроидов. Так, андроид алхимика Альберта Великого (1193 – 1280) представлял собой куклу в рост человека, которая, когда стучали в дверь, открывала и закрывала ее, кланяясь при этом входящему. В 13 веке Альберт Великий создал автомат, ставший впоследствии известным как «говорящая голова», способный воспроизводить человеческий голос. В 1495 году Леонардо да Винчи разработал детальный проект механического человека, способного двигать руками и поворачивать голову. А в 1500 году он построил механического льва, который при 1 въезде короля Франции в Милан выдвигался, раздирал когтями грудь и показывал герб Франции. Работы по созданию андроидов достигли наибольшего развития в XVIII в. одновременно с расцветом часового мастерства. Французский механик и изобретатель Жак де Вокансон (1709-1789) создал в 1738 году первое работающее человекоподобное устройство (андроид), которое играло на флейте. «Флейтист» был ростом с человека. Подвижными пальцами он мог исполнять 11 мелодий с помощью заложенной в него программы. Вокансон также создал механическую утку, покрытую настоящими перьями, которая могла ходить, двигать крыльями, крякать, пить воду, клевать зерно и, перемалывая его маленькой внутренней мельницей, отправлять нужду на пол. Утка состояла из более чем 400 движущихся деталей и была однозначно признана венцом творения мастера. Созданием автоматов также занимались швейцарские часовщики Пьер-Жак Дро (1721-1790) и его сын Анри Дро (1752-1791). От имени последнего позднее было образовано и понятие «андроид». Пьер-Жак Дро создал несколько автоматов, из которых наибольшую известность получили писец и художник. Писец представлял собой сидящую за столом девочку, которая выписывала аккуратным почерком буквы, слова и даже могла нарисовать собаку. При этом она плавно покачивала головой и опускала веки в такт движения руки. Вместе с сыном они создали девушку, играющую на клавесине. Эти человекоподобные игрушки представляли собой многопрограммные автоматы с оперативно сменяемыми программами. Не остались в стороне и русские механики. Однако их конструкции отличались простотой конструкции. Так, механик И.П. Кулибин (1735-1818) построил в течении трех лет яичную фигуру – универсальные часы. Часы давали театрализованное представление и играли музыку. В этих часах было три самостоятельных механизма и три завода: часовой, боевой и курантовый, а также автоматические приборы для приведения в действие механизмов, воспроизводящих сцены, музыку и бой. Как свидетельствует сохранившаяся опись частей, составленная Кулибиным, часы яичной фигуры состояли из 427 деталей. Все они были изготовлены исключительно точно и тонко. Вместе с непосредственным созданием различных автоматических устройств, выполнявших функции живых существ, в средние века были заложены основы различных научных направлений. Еще у Леонардо да Винчи (1452-1519) делались попытки установить соответствие между механизмами и отдельными органами человека. А знаменитый французский философ и математик Рене Декарт говорил, что тела животных есть не что иное, как сложные машины. В XVI-XVII вв. возникает новое научное направление на стыке физиологии и механики – ятромеханика (от греч. iatros – врач). Его выдающимся представителем был Джованни Альфонсо Борелли (1608-1679), врач и механик, профессор Мессинского университета. В его работе «О движении животных» рассматривается работа мускулов сердца, кровообращение других органов животных и человека на основе механических аналогий. По существу, ятромеханика заложила основы современных научных направлений – биомеханики и бионики. 2 На рубеже XVIII и XIX вв. в трудах Лазара Карно, Гаспара Монжа, Xосе Мария Ланца и Августина Бетанкура возникает наука о машинах. В 1841 г. Р. Виллис определил понятие механизма, и с этого времени к машине начинают подходить как к объекту, требующему научного исследования. Г. Монж явился инициатором преподавания курса «Построение машин» и наметил основания классификации механизмов. Л. Карно в 1783 г. опубликовал книгу «Опыт о машинах вообще», которая через 10 лет была переиздана под названием «Основные принципы равновесия и движения». В этой работе Карно считал, что механика по своей сущности является наукой экспериментальной, тем самым подтвердил ее право на самостоятельное существование. Российский математик и академик П.Л. Чебышев(1821-1894) положил начало новому этапу в исследовании машин и механизмов. Он увязал вопросы структуры и синтеза механизмов в единое учение о построении механизмов на основе математических методов. Чебышев в своей работе «Теория механизмов, известных под названием параллелограммов» описал задачи теории механизмов на языке математики. Промышленная революция второй половины XVIII века, связанная с переходом от ручного производства к машинному, заставляет изобретателей создавать новые машины и устройства. Именно в это время начали закладываться основы промышленной автоматики, особенно в текстильной промышленности. Еще в 1725 году Бэзил Бушон придумывает перфорированную бумажную ленту для записи программы, которую в дальнейшем использует для программирования ткацких станков для производства шелковой ткани с рисунком. А в 1728 ЖанБаптист Фалькон усовершенствует это изобретение Бушона. Он заменяет перфорированную бумажную ленту карточками, соединенными в цепочку, что позволяет легко заменять отдельные фрагменты программы. В дальнейшем эти станки были усовершенствованы Вокансоном и Жозефом Мари Жаккардом. В 1805 году Жаккард создает автоматический станок, на котором можно производить ткани с заранее запрограммированным рисунком с помощью перфокарт. Это изобретение явилось одним из важнейших событий, которые определи дальнейший технический прогресс промышленности и послужили толчком к развитию робототехники. Еще одним важным событием в области робототехники стало создание первой вычислительной машины. На основе способа программирования Жаккарда английский механик Чарльз Бэббидж (1792-1871) разработал счетную «Аналитическую машину», структурные особенности которой на целое столетие предопределили направление развития вычислительной техники. Благодаря развитию электротехники и электроники реализуются потребности общества и производства в различных автоматических устройствах. Литература и искусство в это время играют роль катализатора процесса развития робототехники. Именно в этот период появляется много научно-фантастических произведений литературы, в которых роботы-андроиды играют главные роли. Научная фантастика о роботах ведёт начало с «Франкенштейна», написанного Мэри Шелли в 1818 году. 3 Этот роман открыл целую серию произведений, в которых существа, созданные людьми с благими намерениями, осознают себя приходят в противоречие с человеческой моралью и гибнут. Одним из главных произведений является пьеса «R. U. R.» (Rosse’s Universal Robots – «Россумские универсальные роботы») знаменитого чешского писателя Карла Чапека (1890-1938). В этой пьесе, поставленной 21 января 1921 года на сцене Пражского национального театра, рассказывается о некоем Россуме, который основал фабрику, на которой биологическим путем выращивались роботы, отличавшиеся очень высокой работоспособностью. Именно в этом произведении впервые в истории появился термин «робот», под которым сейчас понимают электромеханическое, пневматическое, гидравлическое (или их комбинацию) устройство, способное выполнять определённые физические задачи. Несмотря на то, что эти создания сегодня получили бы скорее название «андроиды», чем «роботы», употребление слова «робот» стало повсеместным. «Роботы – это люди … они механически совершеннее нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них нет души», – таким образом определяет понятие «робот» один из персонажей пьесы. Так впервые появилось понятие «робот», которое в скором времени из фантастической литературы перешло в науку и технику. Роботы в пьесе, изначально созданные для замены людей на заводах, вскоре вышли из-под контроля людей и начали уничтожать своих создателей. Так К. Чапек иллюстрирует мысль о том, что техника может приносить пользу человечеству, только находясь в честных, добрых руках. Таким образом, К. Чапек не только создал литературное произведение, но и поставил и рассмотрел ряд важных вопросов робототехники, таких как способы создания роботов, их основные характеристики, размеры производства и области использования, социально-психологические аспекты взаимоотношения роботов и людей, самовоспроизведение роботов. Наверно более значительное место тема робототехники занимает в творчестве другого писателя-фантаста, американского ученого и популяризатора науки Айзека Азимова (1920-1992). В одном из своих рассказов, объединенных общим циклом «Я, робот», А. Азимов в 1942 г. попытался впервые сформулировать основные принципы поведения роботов и взаимодействия их с человеком, исходя из категорий добра и гуманности. Эти принципы, названные тремя законами робототехники, гласят: 1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред. 2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые дает человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону. 3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в какой это не противоречит Первому и Второму Законам. 4 Но вот спустя ещё некоторое время роботы появились в технических записках, проектах, научных статьях. Самые разнообразные технические разработки и машины стали относить к роботам. Прямыми предшественниками современных манипуляционных роботов можно считать программируемые краскораспылительные машины, разработанные в 19301940 гг. в США, например, машины Уилларда Л.В. Полларда и Гарольдом Роузландо, которые программировались путем записи сигнала от рычажного механизма, перемещаемого по заданной траектории. Возросший экономический потенциал и потребности в современных видах вооружения ведущих промышленных стран в первой половине XX века дают мощный импульс развитию науки и научно-технических направлений, без которых возникновение и прогресс современной робототехники стали бы невозможными. . Первыми компьютерами, в которых фоннеймановский принцип получил практическое воплощение, были вычислительная машина на электромагнитных релейных схемах Говарда Эйкена Mark I (1944 год) и электронная вычислительная машина ENIAC, разработанная в 1947 году под руководством Дж. Проспера Эккерта и Дж. Мокли, которые в последствии стали основателями знаменитой фирмы IBM. Возникновение современных роботов следует отнести к 1959 г. В этом году в США были созданы первые промышленные манипуляторы с программным управлением, которые получили общепринятое название промышленных роботов (ПР) и положили начало коммерческому производству. В 50-х гг. XX века группа американских инженеров начала работу над проблемой применения теории управления в решении общих задач оптимального перемещения оборудования. Первопроходцами здесь стали два талантливых американских инженера – Джордж К. Девол (1912-2011) и Джозеф Ф. Энгельбергер (род. в 1925). В 1954 г. Девол запатентовал в США способ перемещения предметов между различными участками предприятия на основе управляющей программы на перфокартах, сходных с предложенным когда-то Бэббиджем. Изобретение было призвано решить, в первую очередь, именно проблему гибкости, т.е. создания универсального транспортировочного устройства, легко перестраиваемого для выполнения других операций. В 1956 г. Девол вместе с Энгельбергером, работавшим тогда в одной из аэрокосмических компаний, организовали первую в мире робототехническую компанию «Unimation» («Юнимейшн»), что означает «универсальная автоматизация» – сокращенное от «Universal Automation», в лаборатории этой компании и был создан первый в мире промышленный робот по патенту Девола, носивший скромное название «программируемое устройство для передачи предметов» и ставший прототипом последующих разработок. В начале 1960-х гг. первые американские промышленные роботы с торговыми марками «Unimate» и «Versatran», созданные соответственно фирмами «Unimation», «American Machine and Foundry» (AMF) и предназначенные для обслуживания 5 технологических процессов – поступили на промышленный рынок. Они представляли собой уже достаточно совершенные системы с обратной связью и контролируемой траекторией движения, имели числовое программное управление и память, как у ЭВМ. Уже в первых роботах «Unimate» и «Versatran» был реализован принцип программирования обучением. Изменяется и сам принцип использования промышленных роботов – от единичного к комплексному. В ведущих робототехнических странах (Япония, США, ФРГ, СССР и др.) в конце 1960-х – начале 1970-х гг. разрабатываются и создаются гибкие производственные системы (ГПС), так называемые «безлюдные» производства, представляющие собой производства будущего. Научно-технические достижения робототехники позволили в 1960-1980-х гг. создать ряд сложных научных и специальных робототехнических комплексов для исследования космического пространства (станции типа «Луна», аппараты «Луноход» – СССР; станции типа «Маринер», «Сервейер», «Викинг» — США и др.), а также освоения подводных глубин (аппараты «TV», «Москито», «Долфин» – Япония; аппараты «KURV», «RCV» – США; «Манта», «ОСА» – СССР; «ROV», «RM» – Франция; «ARCS» – Канада и др.). Технический прогресс в развитии роботов был направлен, прежде всего, на совершенствование систем управления. Промышленные роботы первого поколения имели программное управление, в основном заимствованное у станков с числовым управлением. Второе поколение роботов – это очувствленные роботы, т. е. снабженные сенсорными системами, главными из которых являются системы технического зрения. Третье поколение роботов – это интеллектуальные роботы, т.е. с интеллектуальным управлением. Интеллектуальный робот – это робот конкретного назначения, в основных функциональных системах которого используются методы искусственного интеллекта. Возникновение интеллекта у роботов связано с развитием ЭВМ. В 1967 г. в США (Стэнфордский университет) был создан лабораторный макет робота, снабженного техническим зрением и предназначенного для исследования и отработки системы «глаз – рука», способной распознавать объекты внешней среды и оперировать ими в соответствии с заданием. В 1968 г. в СССР (Институтом океанологии Академии наук СССР совместно с Ленинградским политехническим институтом и другими вузами) был создан телеуправляемый от ЭВМ подводный робот «Манта» с очувствленным захватным устройством, а в 1971 г. – следующий его вариант с техническим зрением и системой целеуказания по телевизионному экрану. В 1969 г. в США (Стэнфордский университет) в рамках работ по искусственному интеллекту был разработан экспериментальный макет подвижного робота «Шейки» с развитой системой сенсорного обеспечения, включая техническое зрение, обладавшего элементами искусственного интеллекта, что позволило ему целенаправленно передвигаться в заранее неизвестной обстановке, самостоятельно 6 принимая необходимые для этого решения. Тогда он назывался интегральным роботом или мобильным автоматом с использованием принципов искусственного интеллекта. Этот робот состоял из подвижной части, ЭВМ SDS-940 и соответствующего программного обеспечения. Робот был создан для изучения процессов управления в сложной окружающей среде в реальном масштабе времени. Все функции, которые должен выполнять робот, можно разделить на три класса: решение задачи, восприятие, моделирование. Система управления робота, осуществляющая решение задач, использовала записанную в модели информацию для планирования и расчёта последовательности действий. По мере изменения внешней среды активными действиями самого робота или по другим причинам модель должна была преобразоваться с целью запоминания этих изменений. Кроме того, в модель должна была добавляться новая, текущая информация о внешней среде, которую робот приобретает в процессе её познания. В 1971 г. в Японии также были разработаны экспериментальные образцы роботов с техническим зрением и элементами искусственного интеллекта: робот «Хивип», способный самостоятельно осуществлять механическую сборку простых объектов по предъявленному чертежу, и робот ЭТЛ-1. В 1972-1975 годах в Киевском Институте кибернетики под руководством Н. М. Амосова и В. М. Глушкова был создан макет транспортного автономного интегрального робота (ТАИР). Робот демонстрировал целенаправленное движение в естественной среде, обход препятствий и т.п. Конструктивно ТАИР представлял собой трехколесную самоходную тележку, снабженную системой датчиков: оптическим дальномером, навигационной системой с двумя радиомаяками и компасом, контактными датчиками, датчиками углов наклона тележки, таймером и др. Особенностью, которая отличает ТАИР от многих других систем, созданных в СССР и за рубежом, является отсутствие в его составе компьютера в том виде, к которому мы привыкли. Основу системы управления составляет аппаратно реализованная нейронная сеть (узлы сети – специальные электронные схемы, собранные на транзисторах, связи между узлами – резисторы), на которой реализуются различные алгоритмы обработки сенсорной информации, планирования поведения и управления движением робота. В этот период и в ряде других стран создают подобные экспериментальные установки, так называемые интегральные роботы, включающие манипуляторы, управляющие ЭВМ, различные средства очувствления и общения с человекомоператором, которые предназначены для проведения исследований в области создания роботов следующих поколений, а также искусственного интеллекта. Одновременно развернулись работы в новой специфической области робототехники — шагающие машины как принципиально новое транспортное средство повышенной проходимости, образцом для которого являются ноги животных и человека. Были созданы экспериментальные образцы четырех- и шестиногих 7 транспортных машин, протезов ног человека, так называемых экзоскелетонов, для парализованных и тяжелобольных. Робототехника как научная дисциплина, формируется совместными усилиями ученых и разработчиков техники в целостное научно-техническое направление, обогащается огромным опытом разработки и эксплуатации самых разнообразных роботов, робототехнических устройств и систем. Зачем нужны роботы? Современное развитие робототехники вызвано, как минимум, пятью причинами. Одной из основных причин разработок и внедрения роботов является, конечно, экономия средств. По сравнению с традиционными средствами автоматизации они обеспечивают большую гибкость технических и организационных решений, снижение сроков комплектации и пуска в производство автоматизированных систем. Вторая причина — требование высокой производительности в сочетании с мобильностью современного производства: продукция должна появляться на рынке сразу же при возникновении спроса на неё; продукция должна быть конкурентоспособной, удовлетворять требованиям качества и стоимости. Третья причина — стремление изменить условия труда работающих путем освобождения от неквалифицированного, монотонного, тяжелого и вредного труда, улучшения условий безопасности, снижения потерь рабочего времени от производственного травматизма и профессионально-технических заболеваний. Четвертая причина — возможность применения роботов для выполнения работ в экстремальных и опасных условиях окружающей среды. Пятая причина — экономия и высвобождение рабочей силы для решения других технико-экономических и хозяйственных задач. Машиностроение и приборостроение стали первыми и основными потребителями средств робототехники, в том числе и потому, что роботы сами по себе являются продуктами машиностроительного производства. На первом этапе были решены задачи обслуживания промышленными роботами технологического оборудования и выполнения трудоемких основных технологических операций, таких, как сварка, окраска, сборка и т.д. Затем — перешли к созданию автоматизированных производств без участия человека (или — с минимальным участием). Общая характеристика промышленных роботов для обслуживания металлорежущих станков Промышленные роботы по конструктивному исполнению подразделяются на подвесные, устанавливаемые на портале; напольные, устанавливаемые на полу цеха; встраиваемые, устанавливаемые непосредственно на обслуживающем оборудовании (например, на станке). 8 Подвесные роботы, применяемые для обслуживания металлорежущих станков, как правило, работают в прямоугольной системе координат, т.е. имеют два основных движения – вдоль оси (осей) портала (движение каретки) и в направлении, перпендикулярном оси портала (выдвижение руки по вертикали или под углом к вертикали); в цилиндрической полярной системе координат, т.е. имеют три основных движения – вдоль вертикальной оси портала, поворот руки вокруг горизонтальной оси (качание руки) и выдвижение руки; в цилиндрической угловой системе координат, т.е. имеют три основных движения – вдоль оси портала и качание каждого из звеньев шарнирной руки. Подвесные промышленные роботы бывают различных исполнений. Кроме основных движений, определяющих систему координат, подвесной робот может выполнять следующие ориентирующие движения: вращение кисти с захватным устройством вокруг оси руки; поворот кисти вокруг оси (одной или двух), перпендикулярной оси руки. Напольные роботы, применяемые для обслуживания станков, работают, как правило, в цилиндрической системе координат, т.е. имеют три основных движения – подъем руки, поворот руки вокруг вертикальной оси и радиальное выдвижение руки в горизонтальной плоскости. Они выполняют движения, характерные для подвесных роботов, и, кроме того, сдвиг захватного устройства. Промышленные роботы, встраиваемые в станки, могут иметь компоновку, аналогичную подвесным промышленным роботам, работающим в плоской прямоугольной и полярной цилиндрической системах координат (с тем отличием, что монорельс, по которому движется каретка, крепится непосредственно на станке), а также компоновку, предусматривающую крепление робота спереди к станку и обеспечивающую возможность поворота руки вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Мостовые и портальные электромеханические агрегатно-модульные промышленные роботы Мостовые и портальные электромеханические агрегатно-модульные роботы предназначены для автоматизации обслуживания, включая элементы переналадки, металлорежущего оборудования, входящего в гибкие производственные модули и роботизированные технологические комплексы, в условиях мелкосерийного и серийного многономенклатурного производства. Они могут применяться и для других технологических операций, например для переналадки штабелирования. Модификации мостовых и портальных промышленных роботов отличаются друг от друга: количеством рук (одно- и двурукие); степенями подвижности кисти (1, 2, 3); наличием устройств автоматической смены захватов; длиной ходов переносных степеней подвижности. Модификации промышленных 9 роботов образуются набором унифицированных единиц (модулей и узлов), к которым относятся: эстакада, мост и др. Модули этих промышленных роботов, в свою очередь, образованы набором унифицированных агрегатных узлов: колонны, балки с направляющими, каретки, руки, кисти, механизм смены захватов и т.д. Функциональная схема промышленного робота В составе промышленного робота есть механическая часть (включающая один или несколько манипуляторов) и система управления этой механической частью. Кроме этого, робот может иметь средства очувствления (образующие в совокупности информационно-сенсорную систему), сигналы от которых поступают к системе управления. Манипулятор— это управляемый механизм (илимашина), который предназначен для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве, и оснащён рабочим органом. В некоторых случаях в состав промышленного робота могут входить два (или большее число) манипуляторов. Исполнительный механизм Исполнительный механизм манипулятора, как правило, представляет собой открытую кинематическую цепь, звенья которой последовательно соединены между собой сочленениями различного типа; в подавляющем большинстве случаев, однако, встречаются кинематические пары V-го класса (с одной степенью подвижности), а среди последних— поступательные и вращательные сочленения. Сочетание и взаимное расположение звеньев и сочленений определяет число степеней подвижности, а также область действия манипуляционной системы робота. Обычно предполагают, что первые три сочленения в исполнительном механизме манипулятора реализуют транспортные (или переносные) степени подвижности (обеспечивая вывод рабочего органа в заданное место), а остальные реализуют ориентирующие степени подвижности (отвечая за нужную ориентацию рабочего органа). В зависимости от вида первых трёх сочленений большинство роботов относят к одной из четырёх категорий: роботы, работающие в декартовой системе координат— роботы, у которых все три начальных сочленения являются поступательными (например, робот RS-1 компании IBM); роботы, работающие в цилиндрической системе координат— роботы, у которых среди начальных сочленений два поступательных и одно вращательное роботы, работающие в сферической системе координат— роботы, у которых среди начальных сочленений одно поступательных и два вращательных роботы, работающие в угловой, или вращательной, системе координат — роботы, у которых все три начальных сочленения являются вращательными 10 Для некоторых манипуляторов подразделение степеней подвижности на переносные и ориентирующие не принято. Примером могут служить манипуляторы с избыточностью (т.е. с числом степеней подвижности, большим шести); здесь управление перемещением рабочего органа и управление его ориентацией не «развязаны» по отдельным группам сочленений. В некоторых случаях манипулятор промышленного робота устанавливают на подвижное основание, что означает наделение его дополнительными степенями подвижности. Так, манипулятор устанавливают на рельсы или же на подвижную каретку, передвигающуюся по напольной колее или вдоль подвесных направляющих. Наиболее универсальной разновидностью захватного устройства является схват— устройство, в котором захватывание и удержание объекта производятся посредством относительного перемещения частей данного устройства. Как правило, схват по своей конструкции напоминает кисть человеческой руки: захват объекта осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской. Применяют также крюки (для поднятия деталей с конвейеров), черпаки или совки (для жидких, сыпучих или гранулированных веществ). Для захвата же множества однотипных деталей применяют специализированные конструкции (например, магнитные захватные устройства). Число применений промышленных роботов, в которых схват используется для удержания рабочего инструмента, относительно невелико. В большинстве случаев инструмент, нужный для выполнения технологической операции, крепится непосредственно к запястью робота, становясь его рабочим органом. Это может быть пульверизатор для окраски распылением, сварочные клещи для точечной сварки, сварочная головка для дуговой сварки, дисковый нож, дрель, фреза, отвёртка, гайковёрт и т. д. Приводы Для приведения звеньев манипулятора и устройства схвата в движение используют электрические, гидравлические или пневматические приводы. Гидравлические приводы предпочтительны в случаях, когда надо обеспечить значительную величину развиваемых усилий или высокое быстродействие; обычно такими приводами снабжаются крупные роботы большой грузоподъёмности. Электрические приводы не обладают столь же большой силой или быстродействием, но позволяют добиться лучших характеристик. Наконец, пневматические приводы обычно применяют для небольших по размерам роботов, выполняющих простые и быстрые циклические операции. Система управления В развитии систем управления промышленных роботов можно проследить два направления. Одно из них берёт своё начало от систем программного управления станками и вылилось в создание автоматически управляемых промышленных 11 манипуляторов. Второе привело к появлению полуавтоматических биотехнических и интерактивных систем, в которых в управлении действиями промышленного робота участвует человек-оператор. Таким образом, промышленные роботы можно подразделить на следующие три типа (каждый из которых, в свою очередь, подразделяют на несколько разновидностей): • Автоматические роботы: Программные роботы (роботы с программным управлением)— простейшая разновидность автоматически управляемых промышленных роботов, до сих пор широко используемых в силу их дешевизны на различных промышленных предприятиях для обслуживания несложных технологических процессов. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, а все действия выполняются циклически по жёсткой программе, заложенной в память запоминающего устройства. Адаптивные роботы (роботы с адаптивным управлением)— роботы, оснащённые сенсорной частью (системой очувствления) и снабжённые набором программ. Сигналы, поступающие к системе управления от датчиков, анализируются ею, и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях робота, предполагающее переход от одной программы к другой (смена технологической операции). Аппаратное и программное обеспечение— в принципе то же, что и в предыдущем случае, но к его возможностям предъявляются повышенные требования. Обучаемые роботы— роботы, действия которых полностью формируются в ходе обучения (человек при помощи специальной платы задаёт порядок действий робота, и этот порядок действий записывается в память запоминающего устройства). Интеллектуальные роботы (роботы с элементами искусственного интеллекта)— роботы, способные с помощью сенсорных устройств самостоятельно воспринимать и распознавать обстановку, строить модель среды, и автоматически принимать решение о дальнейших действиях, а также самообучаться по мере накопления собственного опыта деятельности. • Биотехнические роботы: Командные роботы(роботы с командным управлением)— манипуляторы, в которых человек-оператор дистанционно задаёт с командного устройства движение в каждом сочленении (строго говоря, это— не роботы в полном смысле слова, а «полуроботы»). Копирующие роботы (роботы с копирующим управлением)— манипуляторы, копирующие действия приводимого в движение оператором задающего устройства, кинематически подобного 12 исполнительному механизму манипулятора (как и в предыдущем случае, такие манипуляторы можно считать «полуроботами»). Полуавтоматические роботы— роботы, при управлении которыми человекоператор задаёт лишь движение рабочего органа манипулятора, а формирование согласованных движений в сочленениях система управления роботов осуществляет самостоятельно. • Интерактивные роботы: Автоматизированные роботы(роботы с автоматизированным управлением)— роботы, чередующие автоматические режимы управления с биотехническими. Супервизорные роботы(роботы с супервизорным управлением)— роботы, выполняющие автоматически все этапы заданного цикла операций, но осуществляющие переход от одного этапа к другому по команде человека-оператора. Диалоговые роботы(роботы с диалоговым управлением)— автоматические роботы (любой разновидности), способные взаимодействовать с человеком-оператором, используя язык того или иного уровня (включая подачу текстовых или голосовых команд и ответные сообщения робота). Большинство современных роботов функционирует на основе принципов обратной связи, подчинённого управления и иерархичности системы управления роботом. Применения промышленных роботов Промышленные роботы предназначены для замены человека при выполнении основных и вспомогательных технологических операций в процессе промышленного производства. При этом решается важная социальная задача освобождения человека от работ, связанных с опасностями для здоровья или с тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, не требующих высокой квалификации. Гибкие автоматизированные производства, создаваемые на базе промышленных роботов, позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и штучном производстве. Копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором, необходимы при выполнении различных работ с радиоактивными материалами. Кроме того, эти устройства незаменимы при выполнении работ в космосе, под водой, в химически активных средах. Таким образом, промышленные роботы и копирующие манипуляторы являются важными составными частями современного промышленного производства. Также они используются в лесной промышленности для погрузки и разгрузки пачек деревьев Различные аспекты применения промышленных роботов рассматриваются, как правило, в рамках типовых проектов промышленного производства: исходя из 13 имеющихся требований, выбирается оптимальный вариант, в котором конкретизирован необходимый для данной задачи тип роботов, их количество, а также решаются вопросы инфраструктуры питания (силовые подводки, подача охлаждающей жидкости— в случае использования жидкостного охлаждение элементов оснастки) и интеграции в производственный процесс (обеспечение заготовками/полуфабрикатами и возврат готового продукта в автоматическую линию для передачи следующей технологической операции). Промышленные роботы в производственном процессе способны выполнять основные и вспомогательные технологические операции. К основным технологическим операциям относятся операции непосредственного выполнения формообразования, изменения линейных размеров заготовки и др. К вспомогательным технологическим операциям относятся транспортные операции, в том числе операции по загрузке и выгрузке технологического оборудования. Среди самых распространённых действий, выполняемых промышленными роботами, можно назвать следующие: • перенос материалов (перенос деталей и заготовок от станка к станку или с конвейера на конвейер, штабелирование, работа с поддонами, укладка деталей в тару и т.п.); • обслуживание станков и машин(загрузка и разгрузка станков, удерживание обрабатываемой детали); • дуговая и точечная сварка; • литьё под давлением(особенно литьё под давлением); • ковка и штамповка; • нанесение покрытий распылением; • другие операции обработки (сверление, фрезерование, клёпка, резка водяной струёй, обдирка, очистка, шлифовка, полировка); • сборка механических, электрических и электронных деталей; • контроль качества продукции и др. Достоинства использования Применение роботов в промышленном производстве имеет ряд преимуществ, в частности: • повышение производительности труда(поскольку открывается возможность использования технологического оборудования в три-четыре смены и 365 дней в году); • уменьшение издержек производства и повышение конкурентоспособности; • рациональное использование оборудования и производственных помещений; • улучшение качества продукции, связанное с повышением точности выполнения технологических операций; • исключение влияния человеческого фактора на конвейерных производствах, а также при проведении монотонных работ, требующих высокой точности; 14 • исключение воздействия на персонал вредных факторов, характерных для производств с повышенной опасностью; • снижение сроков окупаемости инвестиций. 15
