Роботы и робототехника

Раздел: Наука и техника

 Эволюция современного общества и производства обусловила возникновение и развитие нового класса машин - роботов - и соответствующего научного направления - робототехники. Робототехника интенсивно развивающаяся научно-техническая дисциплина, изучающая не только теорию, методы расчета и конструирования роботов, их систем и элементов, но и проблемы комплексной автоматизации производства и научных исследований с применением роботов. Следует заметить, что термин "робототехника" используется и в другом контексте, означая совокупность техники (машин, оборудования, агрегатов и др.), оснащенной робототехническими устройствами либо функционирующей совместно с роботами в едином технологическом процессе.

Робототехника – это совокупность техники (машин, оборудования, агрегатов и др.), оснащенной робототехническими устройствами либо функционирующей совместно с роботами в едином технологическом процессе.

Возникновение и развитие современной механики машин и роботов

Во все времена научная и производственная деятельность человека определялась, с одной стороны, потребностью развития и усовершенствования общественного производства как базы для достижения экономического могущества, с другой - необходимостью исследования и освоения новых нетрадиционных пространств и сфер деятельности.

История научных и научно-технических достижений, все развитие техники являются прекрасной иллюстрацией этапов этого непрерывного процесса. Возникновение и развитие роботов и робототехники - яркий пример реализации общественной потребности в коренном повышении эффективности производства, освоении новых пространств и сфер деятельности.

Одним из решающих факторов ускоренного движения в экономике становится интенсификация промышленного производства, основой которого на современном этапе научно-технического и социального развития общества являются комплексная механизация и автоматизация. В этом направлении за последние годы в стране проделана немалая работа: созданы автоматизированные системы управления производством (АСУП), оснащенные ЭВМ, металлорежущие станки с программным управлением, обрабатывающие центры, специализированные автоматы и автоматические системы, роторные и роторно- конвейерные линии и др.

Дальнейшая интенсификация производства и повышение производительности труда требуют качественно нового подхода. Так называемая жесткая автоматизация, составляющая основу отечественного высокопроизводительного производства и базирующаяся на специальном автоматизированном оборудовании, поточных и автоматических линиях, ориентирована на крупносерийное и массовое производство и непригодна для условий серийного, а тем более мелкосерийного из-за высокой стоимости, сложности и длительности переналадки на выпуск новых видов продукции, т.е. не обладает свойством гибкости.

 Современный мировой рынок, ориентированный исключительно на запросы потребителя, диктует промышленности необходимость приспособления к колебаниям спроса, частого изменения номенклатуры выпускаемой продукции, т.е. требует изделий, производимых малыми партиями и в большей степени удовлетворяющих индивидуальным потребностям на основе гибко перестраиваемых производств. Так, сейчас не менее 70% мировой машиностроительной продукции составляют изделия, выпускаемые мелкими и средними сериями. Однако требования малой серийности и высокой производительности труда практически несовместимы в традиционном машиностроительном производстве, так как наиболее гибкие производства, обладающие неограниченными возможностями перестройки на выпуск любой продукции, базирующиеся на универсальном технологическом оборудовании и управляемые вручную, требуют применения дефицитного и все более дорожающего высококвалифицированного труда рабочих и практически исчерпали возможности дальнейшей интенсификации и роста производительности труда. Таким образом, сложилось противоречие, не разрешимое в рамках традиционных научно-технических принципов автоматизации.

Кроме того, новых подходов требует и ряд других немаловажных факторов комплексной автоматизации производства. Так, даже при сравнительно высоком уровне автоматизации основных технологических процессов современного производства значительная часть вспомогательных операций, как правило, монотонных и утомительных, а зачастую и травмоопасных, связанных с загрузкой и разгрузкой оборудования, перемещением и складированием деталей и т.п., практически не поддается автоматизации традиционными средствами, продолжает выполняться вручную, тормозит дальнейшее совершенствование -технологий.

По свидетельству специалистов, на предприятиях с серийным типом производства заготовка около 90% времени находится в процессе транспортировки либо ожидания очередной операции, а само изготовление типовой детали на станке занимает лишь 2-3% времени. А это огромные резервы. Наконец, с помощью традиционных методов жесткой автоматизации крайне трудно либо очень дорого, а чаще всего просто невозможно автоматизировать сборочные, сварочные, окрасочные и другие операции, не поддающиеся жесткой регламентации процесса.

И последнее: теперь человечество подошло к рубежу, когда его дальнейшее прогрессивное развитие немыслимо без интенсивного исследования новых пространств и сфер деятельности - космоса, океанских глубин, глубочайших земных недр, а также разработки новейших технологий, освоение которых обычными методами при непосредственном участии человека неэффективно, а во многих случаях вообще невозможно.

Таким образом, налицо острые противоречия современного общества и производства между совершенством промышленной техники и характером труда при ее использовании, требованиями интенсификации производства и традиционными методами ее достижения, потребностью в трудовых ресурсах и их предложением, необходимостью освоения новых пространств, технологий и ограниченными психофизиологическими возможностями человека. В полном соответствии с законами диалектики эти противоречия, сдерживающие дальнейшее развитие производства и общества, а также современные достижения науки и техники - механики, электроники, информатики (мехатроники), кибернетики и других-привели к возникновению и интенсивному развитию механики машин, роботов и робототехники.

Роботы, получившие наибольшее развитие в последние годы, предназначенные для автоматизации промышленного производства и вобравшие в себя не только новейшие достижения науки и техники, но и все проблемы и противоречия современного производства, получили название промышленных роботов, или автоматических манипуляторов с программным управлением, и явились тем недостающим звеном, которое позволило решать задачи комплексной автоматизации производства на качественно новом уровне, совместить, казалось бы, несов- 6 местимое - высокую производительность и эффективность производства с высокой его гибкостью. Именно промышленные роботы послужили той технологической базой, которая позволила от традиционных средств жесткой автоматизации - автоматических и поточных линий - перейти к созданию универсальных, легко переналаживаемых робототехни- ческих комплексов (РТК) и гибких производственных систем (ГПС), открыла реальную перспективу создания гибких автоматических производств.

Развитие и широкое внедрение робототехники во все сферы производственной и исследовательской деятельности человека позволяет решить комплекс важных технико-экономических задач, основными из которых являются:

автоматизация серийного, мелкосерийного и часто переналаживаемого производства;

автоматизация вспомогательных технологических операций, а также таких сложных технологических процессов, как сборка, монтаж, сварка, окраска;

резкое повышение производительности труда, выходящее за пределы возможностей рабочего в отношении нагрузок, скоростей, продолжительности работы;

создание гибких автоматизированных и автоматических производств и заводов, обслуживаемых промышленными роботами и управляемых от единой ЭВМ в соответствии с задачами, поставленными человеком;

интенсивное освоение новых технологий, пространств и сфер исследовательской и производственной деятельности (техника высоких температур и давлений, сверхнизкого вакуума, атомная энергетика, космос, океанские глубины, подземные недра и др.), где непосредственное участие человека нежелательно либо зачастую вообще невозможно;

обеспечение стабильного качества продукции, не подверженного влиянию субъективных факторов, присущих рабочему (человеку);

высвобождение рабочей силы, уменьшающее и исключающее дефицит трудовых ресурсов;

повышение коэффициента сменности оборудования, более полное использование основных фондов предприятий;

снижение затрат на создание комфортных условий в цехах, чистоты производственной атмосферы, уровня освещенности и пр., а также на бытовые услуги, профилактику профзаболеваний и травматизма.

Особое значение приобретают социальные аспекты роботизации - освобождение человека от физически тяжелой, грязной, травмоопасной и монотонной работы, а также нетворческой рутинной и умственной деятельности, предоставление ему работы, соответствующей способностям и наклонностям; освобождение человека из производств с вредными для здоровья и жизни условиями труда; повышение культуры труда, его социальной привлекательности, интеллектуализация общественного производства; устранение противоречия между постоянно возрастающим уровнем образования и квалификации трудящихся и традиционно низким уровнем требований к неквалифицированному ручному труду.

Технико-экономические и социальные результаты роботизации производственной и исследовательской деятельности человека имеют различные весомость и значение; основополагающими в условиях демократического общества, вытекающими из принципов гуманизма и основных направлений социально-экономического развития общества, остаются задачи улучшения условий труда, освобождения человека от тяжелых, монотонных и вредных для здоровья работ.

Особое место в решении технико-экономических и социальных проблем общества отводится промышленным роботам, появление и развитие которых, несомненно, явилось крупнейшим достижением науки и техники второй половины XX в. Именно промышленная робототехника развивается наиболее быстрыми темпами и достигла на сегодняшний день впечатляющих результатов, одним из наиболее показательных примеров которых явилось практическое создание гибких автоматизированных производств во многих высокоразвитых странах и прежде всего - в Японии.

Благодаря ряду объективных причин, а также удачному стечению обстоятельств в мировой экономической системе в 60-х гг. нашего столетия: резкому обострению конкурентной борьбы за рынок сбыта, острой нехватке и удорожанию квалифицированной рабочей силы, а также высокому уровню научно-технических достижений в механике, электронике, информатике и кибернетике, промышленная робототехника получила благодатную почву для стартового рывка и, по существу, избежала, по словам известного специалиста профессора Л. И. Волч- кевича, периода недоверия и недооценки, трудностей становления. Ни одна отрасль машиностроения за всю историю техники не развивалась столь динамично, как промышленная робототехника, включая- и электронное машиностроение.

В нашей стране за достаточно короткий срок была создана сеть специализированных предприятий, проектных и исследовательских организаций по роботостроению, что позволило не только создать ряд современных конструкций промышленных роботов, но и обеспечить их серийное производство. В период с 1970 по 1980 гг. в стране было разработано около 50 различных типов промышленных роботов, созданы научно-техническая и производственная базы для ежегодного изготовления около 7000 роботов и 10000 комплектов систем управления. И хотя уже в 1983 году на предприятиях страны действовало около 7 тыс. манипуляторов с программным управлением, в дальнейшем внедрение промышленных роботов, их использование в комплексной автоматизации производства существенно замедлились. По мнению ряда авторитетных специалистов, роботизация производства переживает серьезный кризис, который выражается в явном несоответствии между затратой сил и средств, с одной стороны, и реальной отдачей - с другой. И процесс этот характерен не только для отечественного роботостроения, но и для большинства ведущих промышленных стран мира. В чем же дело ?

Во-первых, идет становление принципиально нового научно- технического направления, когда трудности и неудачи неизбежны: промышленные роботы обладают не только одними достоинствами, но имеют недоработки и недостатки (высокая стоимость, недостаточная надежность, функциональная ограниченность и др.), а их широкое использование в промышленности вызывает к жизни ряд таких неожиданных проблем, как повышенная производственная травмоопасность, социально-психологическая совместимость с рабочими-людьми, изменение кадрового состава, обучение и переквалификация, возможно безработица в связи с высвобождением рабочих мест, занимаемых роботами и др. Не единичны факты, когда рабочие сознательно выводили из строя роботов либо препятствовали их функционированию, усматривая в них потенциальных конкурентов.

Во-вторых, идеализация и преувеличение реальных возможностей промышленных роботов под лозунгом "замены роботом человека", усиленно внедряемые в общественное сознание рекламой и средствами массовой информации, так называемый "роботоажиотаж", стимулируемый промышленными фирмами, вложившими немало средств в робототехнику, хотя и помогли на ранних этапах ее становлению, в дальнейшем явились источником многих трудностей и неудач, а также разочарований в возможностях современной промышленной робототехники. В значительной степени искусственно инициируемое внедрение промышленных роботов в производство как заменителей человека, призванных высвободить его от монотонных, тяжелых и вредных работ, попытки осуществления ускоренными темпами массового и повсеместного внедрения роботизированных систем, жаление в кратчайшие сроки осуществить "технологическую революцию", вызванное эйфорией от первых успехов роботизации, породили немало серьезных проблем, привели, в конечном счете, к определенной дискредитации изначально хорошей идеи и спаду в производстве и использовании промышленных роботов.

Ряд поспешно роботизированных цехов и участков, а также созданных вперые гибких производственных систем оказались неэффективными, что заставило во многих случаях вновь перейти к старым технологиям. Например, обследование, проведенное одной из ведущих консультационных фирм Великобритании в 1989 г., показало, что "большинство компаний, внедривших гибкие производственные системы, получили лишь убытки, так как не учли необходимости сопутствующих организационных изменений, не добились заинтересованного, творческого отношения персонала".

Тем не менее наблюдаемый ныне процесс спада, по мнению специалистов, носит временный характер. Уже к середине 90-х гг. ожидается интенсификация внедрения робототехники в промышленное производство, причем в качестве наиболее многообещающей области приложения очувствленных роботов новых поколений рассматриваются сборочные технологии, а критическое осмысление опыта временных неудач и разочарований поможет не повторить ошибок прошлого, выработать более взвешенные и. эффективные подходы и научно- технические направления роботизации. Так, профессором Л.И. Волч- кевичем рекомендованы общие принципы технической политики при роботизации промышленного производства.

Первый принцип - принцип достижения конечных результатов - гласит, что средства роботизации должны не просто имитировать или замещать человека, а выполнять производственные функции быстрее, надежнее и лучше человека, лишь тогда они по-настоящему будут эффективными.

Второй принцип - принцип комплексности подхода - диктует необходимость рассмотрения и увязки в едином комплексе всех важнейших компонентов производственного процесса: объектов производства (изделий), технологии, основного и вспомогательного оборудования, системы управления и обслуживания, кадрового обеспечения, взаимодействия с внешними структурами и др.

Третий принцип - принцип необходимости - определяет применение средств роботизации, пусть самых современных и перспективных, не там, где их можно приспособить, а лишь там, где без них нельзя обойтись.

Четвертый принцип - принцип своевременности, - не допускающий внедрения и тиражирования недостаточно созревших и отработанных технических решений и конструкций. Внедрение дорогостоящих, малонадежных и непроизводительных роботов и других средств автоматизации может привести лишь к их дискредитации.

Важным аспектом совершенствования механики машин и роботов как принципиально новых технических устройств является эффективное использование научных исследований и достижений. В последние годы сформировалось новое быстро развивающееся научно-техническое направление, названное "мехатроникой" и представляющее собой органическую совокупность научных идей и принципов механики, электроники и информатики. Возникновение и развитие основных контуров этой научной дисциплины в 80-е гг. нашего столетия в Японии обусловлено все более нарастающим и весьма плодотворным применением в машинах и механизмах различных электронных устройств в виде миниатюрных электронных приборов, интегральных микросхем (ИС, БИС, СБИС) и микроминиатюрных вычислительных устройств - микропроцессоров, изучаемых научно-технической дисциплиной - микроэлектроникой.

Так как роботы в своем развитии базируются на использовании для управления прежде всего ЭВМ, то они являются типичными мехатрон- ными устройствами и научно-технический потенциал мехатроники имеет важнейшее значение для развития прикладной робототехники.

Целью изучения мехатроники являются не роботы как конкретные устройства, а мехатронные системы в неразделимом единстве механических и электронных узлов, в которых осуществляется обмен энергии и информации. Мехатроника включает в себя комплекс принципов и средств механики, электроники и информатики в их взаимодействии в машинах и системах; в сферу ее интересов входит также автоматизация планирования и управления предприятием, промышленная автоматика и робототехника, автоматизация транспортных и диспетчерских систем. Поэтому дальнейшее развитие и совершенствование новых технологий и форм организации производства - гибких производственных систем с промышленными роботами - непосредственно зависят от достижений мехатроники.

Переживаемые ныне спады и трудности в становлении роботов и робототехнических технологий вовсе не означают порочности идеи роботизации производства, как бы они ни дискредитировались непродуманными и поспешными действиями. Роботы стали реальностью мировой экономической системы, и альтернативы их использованию в промышленном производстве и научных исследованиях нет. Именно роботы и робототехнические комплексы позволяют исследовать и осваивать недоступные непосредственно для человека пространства и сферы деятельности. Именно они явились тем недостающим звеном, которое позволило объединить разрозненное технологическое оборудование в комплексные гибкие системы, совместить, казалось бы, несовместимое - высокую производительность с высокой гибкостью производства. Поэтому роботы и робототехнические системы и впредь будут развиваться и проникать в самые различные области производственной, исследовательской и бытовой деятельности человека, без сомнения они станут надежными помощниками человека в его стремлении к развитию и прогрессу.

Литература [5,11,27,28,36,39, 46,58,75].

Контрольные вопросы для самопроверки

1.         В чем суть нового научно-технического направления - робототехники ?

2.         Какими причинами обусловлено возникновение и развитие роботов и робототехники ?

3.         В чем основной недостаток традиционной автоматизации производства ?

4.         Каково значение промышленных роботов для решения задач

комплексной автоматизации производства?

5.         Каковы основные технико-экономические и социальные задачи, решаемые робототехникой ?

6.         В чем причины кризиса, переживаемого ныне роботизацией производства ?

7.         Какими должны быть основные принципы технической политики при роботизации производства?

8.         В чем суть научного направления - мехатроники? Каково ее значение для развития робототехники ?