Реферат на тему «Робототехника: автоматизация в промышленности и быту»

Введение

Слово «робот» придумал чешский художник Йозеф Чапек, а в литературу его ввёл его брат, писатель Карел Чапек, в пьесе «R.U.R.» (1920). Через двадцать с небольшим лет Айзек Азимов сформулировал «три закона робототехники» в рассказе «Хоровод» (1942). Промышленность получила первого робота в 1961 г.: манипулятор Unimate Дж. Девола и Дж. Энгельбергера начал работать на заводе General Motors в США.

Сегодня роботы сваривают кузова автомобилей, собирают электронику, сортируют посылки на складах, моют полы в квартирах и помогают хирургам. По данным Международной федерации робототехники (IFR), в 2022 г. в мире было установлено более 550 тыс. новых промышленных роботов, а их общее число в эксплуатации превысило 3,9 млн [5]. Поэтому тема автоматизации касается не только инженеров, но и всех, кто выбирает будущую профессию.

Объект исследования – робототехника как область техники. Предмет – принципы работы роботов, их типы и применение в промышленности и быту. Цель реферата – рассмотреть устройство и виды роботов и оценить последствия их внедрения.

Для этого описываются принципы работы роботов и их классификация по назначению и конструкции, затем сравниваются преимущества и недостатки роботизации промышленности и рассматриваются примеры применения роботов в быту. Основные типы роботов перечислены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные типы роботов и области их применения

Примечание – Составлено автором по [1; 2; 3].

Терминология дана по ГОСТ Р 60.0.0.4-2019/ИСО 8373:2012, где промышленный робот определён как автоматически управляемый, перепрограммируемый многоцелевой манипулятор, программируемый по трём или более осям [1]. Статистические данные приводятся по ежегодным докладам IFR World Robotics.

Глава 1. Основы робототехники

1.1 Основные принципы работы роботов

Начнём с состава. У Е. И. Юревича робот разобран на исполнительную систему (манипулятор или шасси с приводами), информационно-измерительную (датчики) и систему управления (контроллер с программным обеспечением) [2]; та же схема принята в большинстве учебников. Контур замкнут: датчики измеряют фактическое положение звеньев, контроллер сравнивает его с программным и выдаёт сигнал на приводы. Уберите обратную связь – и останется обычный автомат с жёстким циклом, как кулачковый механизм в станке.

С точки зрения механики манипулятор – незамкнутая кинематическая цепь; её звенья соединены вращательными (В) и поступательными (П) парами. Сколько независимых обобщённых координат, столько и степеней подвижности (англ. DOF). Схват можно поставить в любую точку рабочей зоны с любой ориентацией лишь при 6 DOF – три координаты на положение и три угла на ориентацию; поэтому шестиосевая схема ВВВВВВ и стала «стандартом» универсального промышленного робота.

Приводы бывают трёх видов – электрические (серводвигатель + волновой или планетарный редуктор), гидравлические и пневматические. В промышленных роботах последних десятилетий почти везде электропривод: он точнее, компактнее и проще в обслуживании. Гидропривод оставлен для тяжёлых манипуляторов (грузоподъёмность в сотни килограммов и выше), пневмопривод – для захватов и простых цикловых роботов.

Датчики по назначению делят на датчики внутренней информации (энкодеры, датчики тока и температуры двигателей) и внешней (камеры технического зрения, лидары, ультразвуковые дальномеры, шестикомпонентные датчики силы и момента). С. Л. Зенкевич и А. С. Ющенко выделяют также тактильные датчики, без которых невозможны операции сборки с контролем усилия [3]. Развитие внешней сенсорики и позволило роботам выйти из огороженных ячеек.

Система управления иерархична. Исполнительный уровень регулирует ток, скорость и положение каждого привода; тактический решает прямую и обратную задачи кинематики и строит траекторию схвата; стратегический планирует операцию (какую деталь взять, куда установить). Способы программирования: обучение с пульта (teach pendant), офлайн-программирование в САПР, обучение демонстрацией, когда оператор ведёт схват рукой.

Точность робота характеризуют повторяемостью позиционирования – тем, насколько точно он возвращается в одну и ту же точку. У малых сборочных роботов повторяемость составляет сотые доли миллиметра, у крупных сварочных – порядка 0,05–0,1 мм. Этого достаточно для большинства операций сборки и сварки.

Безопасность – отдельный принцип проектирования. Классические промышленные роботы работают в огороженной ячейке, а при открывании двери автоматически останавливаются. Коллаборативные роботы ограничивают скорость и усилие и останавливаются при касании; требования к ним изложены в технической спецификации ISO/TS 15066.

1.2 Типы роботов и их применение

Промышленные роботы – самый массовый класс. Больше всего их используют в автомобильной промышленности и производстве электроники, затем в металлообработке, химической и пищевой отрасли. Уровень роботизации сравнивают по плотности роботов – их числу на 10 тыс. занятых в обрабатывающей промышленности (рисунок 1).

Рисунок 1 – Плотность промышленных роботов в 2022 г., роботов на 10 тыс. работников

Примечание – По данным International Federation of Robotics, World Robotics 2023 [5].

Лидерство Республики Корея и Сингапура объясняется структурой экономики: там велика доля электроники и автомобилестроения при относительно небольшом числе занятых. Китай за десять лет вырос с уровня ниже среднего до показателя, сопоставимого с Германией и Японией. Средний мировой уровень в 2022 г. составлял 151 робот на 10 тыс. работников [5].

IFR делит сервисных роботов на профессиональные и бытовые (consumer). Первые – это автономные складские тележки (AMR), доильные роботы на фермах, роботы для инспекции трубопроводов, разминирования, дезинфекции помещений. Вторые – роботы-пылесосы, газонокосилки, мойщики окон; массовым такой прибор стал после выхода Roomba (iRobot, 2002).

Медицинская робототехника выделена в отдельную группу из-за требований к надёжности. Хирургический комплекс da Vinci (Intuitive Surgical) получил одобрение FDA в 2000 г.: хирург работает за консолью, а система масштабирует движения рук и подавляет тремор. Сюда же относят реабилитационные экзоскелеты, роботов для дозирования лекарств в больничных аптеках, телеприсутствия и т. п.

По кинематической схеме промышленные роботы классифицируют на декартовы (портальные, ППП), цилиндрические (ВПП), сферические (ВВП), шарнирные (ВВВ и более), SCARA и параллельные. Выбор схемы определяется задачей. Портальный робот обслуживает станки сверху и не занимает площадь цеха; SCARA быстро собирает мелкие детали в горизонтальной плоскости; дельта-робот (схема Р. Клавеля, 1980-е гг.) совершает до нескольких сотен захватов в минуту при сортировке лёгких изделий.

Отечественная робототехника ведёт отсчёт с 1970-х гг., когда в СССР начали выпуск промышленных роботов «Универсал», «Циклон», серии ПР и др. для машиностроения. В 2010-е гг. в России появились собственные производители коботов, складских и сервисных роботов, однако плотность роботизации обрабатывающей промышленности, по данным IFR, остаётся многократно ниже среднемировой (151 на 10 тыс. занятых) [5].

Отдельно стоит упомянуть «Фёдора» (FEDOR, Skybot F-850) – антропоморфного робота, созданного НПО «Андроидная техника» и Фондом перспективных исследований. В 2019 г. он летал на МКС на корабле «Союз МС-14», где отрабатывал операции с инструментом. Пример показывает, что антропоморфная схема пока применяется в основном для экспериментов, а не в серийном производстве.