Не боги горшки обжигают, или История промышленных роботов

Эпоха промышленных роботов началась в 1961 году с Unimate на заводе GM в Трентоне. Это был относительно простой робот-манипулятор, который помогал в сборке машин. Сейчас индустрия промышленных роботов развилась до невиданных ранее высот — из роботов делают целые конвейерные линии с одним оператором. В посте посмотрим на то, с чего это началось, и поразмышляем, как скоро механические работники заменят «кожаные мешки» на производстве.

Первый промышленный робот, выпущенный компанией Unimation

Ещё не роботы

Мысли о промышленном роботе или, по крайней мере, о человекоподобных созданиях или автоматических устройствах, которые будут служить людям, существуют уже давно. Они присутствуют в мифах, историях и сказках. Некоторые исследователи считают, что всё началось с инженера Герона Александрийского, который жил в первом веке до нашей эры. В числе его идей были система автоматического открывания дверей храма с помощью энергии зажжённого алтарного огня и устройство, преобразующее пар во вращательное движение.

Самые ранние применения механических автоматов, которые были прародителями роботов, дошли до нас в греческих драматических произведениях. При этом реального воплощения этих идей до сих пор найти не удалось. Одно из объяснений такого положения вещей заключается в том, что греческая наука в целом не ценила практические приложения научных достижений. Социально-экономического механизма, который вознаграждал бы практическое воплощение изобретений, в Греции просто не существовало. 

Позже, в 9 веке, Багдадский халиф решил собрать все греческие тексты, которые были сохранены монастырями и учёными во время падения эллинской цивилизации. В результате появилась книга «Наука о хитроумных механизмах», где были описаны и изображены более сотни устройств. В отличие от эллинов арабы были заинтересованы в создании комфортной окружающей среды для человека, а не только в драматической иллюзии, как греки. Поэтому их главным вкладом в развитие робототехники стало практическое применение идей греческих мыслителей.

Эпоха Возрождения освежила интерес к греческому искусству и науке. Одним из заинтересованных интеллектуалов был Леонардо да Винчи. Он пытался проверить греческие конструкции и завершить мысли. Кульминация создания механизмов пришлась на 18 век, когда швейцарские мастера построили несколько автоматов, сконструированных как человекоподобные куклы. Встроенные в них механизмы заставляли этих пра-роботов действовать очень естественно. Среди самых известных автоматов того времени — Писец, Рисовальщик и Дама-музыкант. 

Робот-писец и его механизм

Автоматы для радости и развлечения создали почву для использования подобных устройств в промышленности. Одним из тех, кто вдохновился работами да Винчи в 20 веке, был Никола Тесла. Он стал одним из величайших изобретателей эпохи промышленной революции, создав новаторскую модель лодки-робота.

Тесла также был одним из первых, кто увидел прямую аналогию между машинами и человеком в их механизмах, чувствах и управлении. Он рассматривал роботов не как игрушки, а как сложные интегрированные системы, которыми они и являются. 

Сначала было слово

Само слово «робот» появилось позже, чем устройства, которые можно называть роботами. Оно происходит от чешского слова «robota», означающего «тяжёлая работа» или «принудительный труд». Этот термин связывают с чешским писателем Карелом Чапеком (1890-1938), который впервые использовал его в 1920 году в своём романе «R.U.R.: Универсальные роботы Россума».

Слово «робототехника» впервые употребил Айзек Азимов (1920-1992) в рассказе «Хоровод» (1942), вошедшем в знаменитую серию «Я, Робот». В этом произведении он определил три правила, касающиеся поведения роботов и взаимодействия с людьми: эти правила позже будут названы тремя законами робототехники.

Первый робот

Зарождением первого промышленного робота можно считать коктейльную вечеринку 1956 года в Коннектикуте. Одним из гостей на этой вечеринке был Джордж Девол, который двумя годами ранее зарегистрировал патент на машину под названием Programmed Transfer Article. Однако он не был уверен в том, как на самом деле можно использовать эту машину. Другим гостем был Джозеф Энгельбергер, инженер космической промышленности, очень любивший научную фантастику и книги Айзека Азимова. Предприниматель Энгельбергер и новатор Девол очень хорошо дополняли друг друга, и вскоре после коктейльной вечеринки двое мужчин основали компанию Unimation, название которой представляет собой сочетание слов «универсальный» и «автоматизация», придуманное Деволом при оформлении патента. 

Робот подает напитки сооснователям компании Unimation Деволу (справа) и Энгельбергеру (слева)

Год спустя Энгельбергер основал компанию Consolidated Controls Corp. в попытке сохранить свою бывшую команду из Manning, Maxwell, and Moore, после того как MM&M ликвидировала аэрокосмическое подразделение, которое возглавлял Энгельбергер. Затем Энгельбергер убедил Нормана Шафлера, генерального директора Condec Corp. (материнской компании Consolidated Controls), финансировать разработку изобретения Девола. В итоге Condec приобрела Unimation в 1960 году и купила патент Девола, когда он был окончательно выдан.

Пока патент Девола находился на рассмотрении, команда из шести человек приступила к воплощению его идеи в жизнь. Сначала они решили создать механическую руку с пятью степенями свободы. Позже она превратилась в шестиосевую машину, которая имитировала человеческое плечо, локоть и запястье. Она имела автономную гидравлическую систему, работающую при давлении 6,9 мегапаскалей (1 000 фунтов на квадратный дюйм). 

Новаторам пришлось изобрести системы управления и памяти, а также цифровые оптические энкодеры для определения положения валов. Прототип весил около 1 360 килограммов. Это выглядело чудовищно, но робот мог поднимать детали весом до 45 кг. Более поздние модели могли работать с предметами в пять раз тяжелее. Unimate был и приземистее, и шире, чем средний рабочий: его высота составляла 1,6 метра, ширина - 1,2 метра, а глубина - 1,5 метра.

На видео из Университета Генри Форда в Дирборне, штат Мичиган, где находится Unimate, показан робот в действии.

Оригинальный Unimate не имел языка программирования, но позволял программировать работу. Для этого пользователь перемещал головку машины в нужное место, и датчик положения фиксировал положение. Повторяя этот процесс, можно было записать последовательность действий, которую Unimate затем мог воспроизвести. Когда компания Unimation приобрела робота Виктора Шейнмана Vicarm, она также приобрела язык программирования робота, VAL. Начиная с 1973 года, VAL стал частью промышленных роботов Unimation.

Первое поколение — 1950-1967

Первое поколение промышленных роботов охватывает период с 1950 по 1967 год. Роботы этого поколения были в основном программируемыми машинами, которые не имели возможности реально контролировать модальность выполнения задачи, кроме того, они не имели связи с внешней средой. Роботы первого поколения были довольно низкотехнологичным оборудованием, сервоконтроллеры отсутствовали. 

Характерной особенностью этих роботов был сильный шум, который они издавали, когда их руки сталкивались с механическими упорами, построенными для ограничения движения осей. Почти все роботы первого поколения использовали пневматические приводы и управлялись своего рода «логическими воротами», действующими как автоматические регуляторы. Такие «логические ворота» в основном представляли собой кулачки, которые активировали пневматические клапаны или реле, управляющие электромагнитными клапанами. Задачи, которые могли выполнять роботы первого поколения, были довольно тривиальными —  погрузка-разгрузка или простые операции по перемещению материалов.

Историю промышленной робототехники условно относят к 1950-м годам, хотя некоторые разработки в области автоматизации происходили и раньше: например, «программируемое» устройство для распыления краски, изобретённое Поллардом и Розелундом в 1938 году, и телеуправляемый «манипулятор», изобретённый Герцем в 1949 году. 

Однако поворотным пунктом в развитии промышленной робототехники стал робот Джорджа Девола, послуживший основой для разработки первого в истории настоящего промышленного робота Unimate.

Робот Unimate

Unimate с гидравлическим приводом сразу же был установлен на автомобильном предприятии General Motors в Трентоне (Нью-Джерси, США), где он использовался для извлечения деталей из литейной машины (как уже упоминалось, он использовался для выполнения одной задачи, поскольку перепрограммировать его было очень сложно). В последующие годы ещё несколько Unimates были установлены на автомобильных заводах, где в основном использовались для точечной сварки автомобилей и перемещения заготовок.

​​В 1961 году GM заплатила 18 000 долларов США за свой первый Unimate, что было огромной скидкой по сравнению с 65 000 долларов США, которые потребовались для производства машины.

В те же годы появилось несколько компаний по производству роботов, поскольку многие предприниматели поняли, что у такого рода устройств большой потенциал, особенно в автомобильном секторе. Такие компании, как Ford и General Motors, стали задумываться об автоматизации своих производственных предприятий, и для достижения этой цели им требовалось такое устройство, как новый робот. Таким образом, произошло резкое увеличение заказов на роботизированные устройства, что дало толчок к развитию многим производителям роботов.

Одной из таких компаний была, например, AMF Corporation. В 1962 году они выпустили нового робота, который назывался Versatran (т.е. «универсальный трансфер»). Это был цилиндрический робот, заказанный компанией Ford для своих производственных предприятий в Кантоне (штат Огайо, США). 

Versatran также был первым роботом, установленным на производственном объекте в Японии (1967). В 1969 году присутствие роботов на японских предприятиях значительно увеличилось, в том числе благодаря тому, что Unimation предоставила компании Kawasaki Heavy Industries Ltd. лицензию на производство роботов для японского и азиатского рынка. В частности, это привело к разработке Kawasaki-Unimate 2000, первого промышленного робота, когда-либо созданного в Японии.

С тех пор Япония стала одной из ведущих стран мира в области промышленной робототехники. Именно в Японии в 1971 году была основана первая в мире национальная ассоциация робототехники — JIRA, японская ассоциация робототехники.

Распространение роботов в Европе происходило примерно в то же время, что и в Японии, а именно во второй половине 1960-х годов. Первая роботизированная установка в Европе появилась в 1967 году в компании Svenska Metallverken, расположенной в Уппландс Вэсби (Швеция). Она состояла из роботов, выполнявших простые задачи по подбору и перемещению грузов. Два года спустя в Норвегии компанией Tralffa был изготовлен первый робот для покраски, его установили на заводе по покраске тачек.

Появление роботов позволило автоматизировать такие важные производственные задачи, как сварка. Компания Unimation первой начала производить сварочных роботов, а General Motors первой установила подобные роботизированные устройства на своих автомобильных заводах в Лордстауне (штат Огайо, США) в 1969 году. Через три года после этого FIAT установил первых сварочных роботов в Европе на своих заводах в Турине (Италия).

Второе поколение — 1968-1977

Промышленные роботы второго поколения представляли собой базовые программируемые машины с ограниченными возможностями адаптивного поведения и элементарной способностью распознавать внешнюю среду. Эти роботы использовали сервоконтроллеры, что позволяло им выполнять как движение «точка-точка», так и непрерывные траектории. Их система управления состояла из микропроцессоров или программируемых логических контроллеров (ПЛК), и они также могли программироваться оператором с помощью обучающего блока. 

По сравнению с роботами первого поколения эти роботы могли выполнять более сложные задачи, например, управление рабочими центрами, однако уровень их универсальности был не очень высок, поскольку каждый робот имел собственное программное обеспечение, предназначенное для выполнения конкретной задачи. Таким образом, эти роботы оказались устройствами, специфичными для конкретного применения,поэтому было очень трудно использовать одного и того же робота для выполнения различных задач, поскольку это потребовало бы существенной модификации контроллера и тщательного перепрограммирования операционного программного обеспечения. 

Роботы второго поколения не отличались высокой производительностью, поскольку единственные диагностические отчеты, которые они могли выдавать, были связаны с отказами, о которых сообщалось с помощью световых индикаторов, без каких-либо намеков на причину отказа, которую должен был отследить оператор.

В начале истории промышленной робототехники роботы оснащались гидравлическими приводами. Переход от гидравлических к электрическим приводам произошел в 1970-х годах, когда электронные компоненты, необходимые для управления роботом, достигли полной технической зрелости. Микропроцессоры и другие компоненты уже вовсю использовались в то время. Это позволило производителям роботов располагать мощными и экономичными устройствами для реализации систем управления, способных справиться со сложной и вычислительно дорогой задачей управления роботом.

Экономическая и геополитическая ситуация на международном уровне также подтолкнула тенденцию к созданию роботов с электрическим приводом: например, цена на сырую нефть внезапно выросла после нефтяного кризиса, последовавшего за Кипрской войной в октябре 1973 года. Компании были вынуждены искать более эффективные способы производства, а роботы, в особенности роботы с электроприводом, позволяли снизить затраты и повысить производительность. Это дало толчок к росту числа промышленных роботов, которое во второй половине 1970-х годов увеличивалось более чем на 30% в год.

Стэнфордская рука Виктора Шейнмана

С научной точки зрения, значительный вклад в развитие роботов с электрическим приводом внесли работы Виктора Шейнмана. Шейнман был студентом механического факультета Стэнфордского университета, который в 1969 году спроектировал и построил знаменитую «Стэнфордскую руку». Этот робот был первым прототипом, приводимым в действие электродвигателями (6 двигателей постоянного тока), и управлялся микропроцессором PDP-6. Стэнфордская рука имела 5 револьверных и один призматический шарнир, всего 6 DOF, а её кинематическая цепь состояла из гармонических приводов и цилиндрических редукторов. На роботе были установлены тахометры и потенциометры для измерения положения и скорости суставов робота.

В 1973 Шейнман разработал ещё одного электрического робота, названного Vicarm, который был меньше и легче промышленных роботов того времени. Это сделало Vicarm особенно подходящим для использования в таких задачах, как сборка деталей, где от робота не требовалось поднимать и переносить тяжёлые грузы. Эти особенности Vicarm были настолько высоко оценены, что компания Unimation купила компанию-производителя Vicarm и использовала её ноу-хау для разработки и производства в 1978 году знаменитого робота PUMA.

Робот PUMA

PUMA (от Programmable Universal Machine for Assembly) на протяжении многих десятилетий считался прообразом антропоморфных роботов, а его кинематика до сих пор приводится в качестве примера в нескольких учебниках по робототехнике для студентов и аспирантов.

В то же время другие компании разрабатывали и производили другие типы промышленных роботов. Например, компания KUKA разработала в 1973 году робота Famulus, название которого в переводе с латинского означает «слуга». В 1974 году компания Cincinnati Milacron, крупный производитель станков, разработала робота под названием T3 (аббревиатура от «The Tomorrow Tool»), который был установлен на нескольких автомобильных заводах, и особенно на заводах Volvo в Швеции. T3 был первым коммерчески доступным промышленным роботом, управляемым мини-компьютером.

Робот Cincinnati Milacron T3

В 1974 году шведская компания ASEA (ныне ABB) начала производство роботов знаменитой и успешной серии IRB, хорошо известной во всём мире также благодаря своему характерному оранжевому цвету. Первым роботом этой серии, который выпускался более 20 лет, был IRB-6, который в основном использовался на производственных участках для выполнения сложных задач (механическая обработка, дуговая сварка) благодаря своей способности плавно перемещаться по непрерывным траекториям.

Легендарный робот ABB IRB

В том же году японская компания Hitachi разработала робота HI-T-HAND Expert, который вошёл в историю промышленной робототехники благодаря точности, которой он достигал в операциях вставки (он мог вставлять механические детали с зазором около 10 микрометров). Он также был оснащён системой управления с обратной связью по усилию и гибким запястным механизмом.

Третье поколение — 1978-1999

Промышленные роботы третьего поколения характеризовались большей степенью взаимодействия с оператором и окружающей средой посредством сложных интерфейсов, таких как зрение или голос. Они также обладали некоторыми возможностями самопрограммирования и могли перепрограммировать себя, хотя и на небольшую величину, для выполнения различных задач.

Эти роботы были оснащены сервоуправлением и могли выполнять сложные задачи, перемещаясь от точки к точке или по непрерывным траекториям. Их можно было программировать как в режиме онлайн (оператор мог использовать обучающий блок с клавиатурой), так и в автономном режиме, подключив к ПЛК или ПК, что позволяло использовать язык высокого уровня для программирования движений и обеспечивало взаимодействие роботов с САПР или базой данных.

Возможность высокоуровневого программирования в автономном режиме расширила эксплуатационные возможности роботов. Они могли обрабатывать данные, полученные от датчиков, чтобы корректировать движения робота с учётом изменений в окружающей среде (например, изменения положения и ориентации заготовок). Более того, возможности диагностики могли быть значительно расширены: эти роботы умели выдавать не только индикацию отказа, но и отчёт о месте и типе отказа.

Кроме того, в роботах третьего поколения присутствовал своего рода «интеллект» с некоторыми, хотя и ограниченными, адаптивными возможностями. Эти возможности можно было использовать в некоторых более сложных задачах, таких как тактильный контроль, сборочные операции, дуговая сварка, используя данные, поступающие от систем зрения или восприятия, для определения местоположения объектов и заготовок и управления движениями суставов в соответствии с выполняемой задачей, принимая во внимание возможность небольших изменений в положении объектов.

Один из первых прототипов робота SCARA

В 1978 году японский учёный Хироши Макино из Университета Яманаси предложил новую кинематическую структуру. Такая структура состояла из трех револьверных шарниров с параллельными осями и призматического шарнира, лежащего в конце кинематической цепи. Робот с такой структурой был назван SCARA (от «Selective Compliance Assembly Robot Arm»), поскольку его податливость в горизонтальном направлении оказалась ниже, чем податливость в вертикальном направлении. По этой причине, а также из-за лёгкости кинематической цепи, позволившей использовать более простой и быстрый контроллер, этот робот был пригоден для использования в таких задачах, как сборка небольших объектов.

Другим актуальным техническим усовершенствованием в промышленной робототехнике стало появление робота с прямым приводом. Первым прототипом такого робота был CMU Direct Drive Arm (Asada & Kanade, 1983), разработанный в 1981 году инженерами Гарри Асада и Такео Канаде в Университете Карнеги-Меллон (Питтсбург, США). Этот тип робота отличался более высокой точностью и скоростью выполнения операций, поскольку двигатели соединялись непосредственно с манипуляторами, исключая необходимость в промежуточных зубчатых или цепных системах.

Варианты робота AdeptOne SCARA

Обе вышеупомянутые разработки были использованы в AdeptOne, первом коммерчески доступном роботе SCARA с прямым приводом (1984).

Эти научно-технические достижения способствовали распространению роботов в областях применения, отличных от классического автомобильного сектора, в частности в производстве потребительских товаров, особенно на рынке электроники. Роботы SCARA использовались на сборочных линиях такого типа, например, в Японии. По этой причине в 1980-х годах Япония стала мировым лидером не только в производстве роботов с более чем 40 компаниями, которые создавали и продавали роботов по всему миру, но и в производстве электронных потребительских товаров.

Робототехника в 1980-х годах была восходящей звездой не только в Японии, но и во всех развитых странах. Она казалась перспективной областью, которая привлекала интерес журналистов, учёных, политиков, а также простых людей.

С научно-технической точки зрения, это время, когда роботы стали ещё более универсальными, используя значительные усовершенствования как в отношении аппаратного, так и программного обеспечения. Что касается первого аспекта, роботы начали оснащаться передовыми датчиками (например, камерами, датчиками силы, лазерными сканерами); что касается второго аспекта, управляющее программное обеспечение стало более «умным» благодаря внедрению новых технологий, связанных с искусственным интеллектом. Эти аспекты повысили универсальность и гибкость роботов, которые могли использоваться для выполнения всё более сложных задач.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в 1980-х годах, потребность в роботах, способных выполнять задачи на высокой скорости, подтолкнула научные исследования к разработке инновационных кинематических структур. Была выдвинута идея использования параллельных кинематических цепей вместо классических последовательных, что привело к созданию типа лёгкого робота, способного двигаться с высокой скоростью. 

Робот Delta в рабочих камерах Demaurex для упаковки выпечки

Архетипом такого рода роботов стал робот Delta, появившийся в 1992 году. Его создал швейцарский учёный Реймонд Клавель в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL). Разработанный Клавелем в его докторской диссертации робот имел три трансляционные DOF и одну вращательную DOF. По сравнению с последовательными роботами параллельные отличаются меньшим рабочим пространством, но могут работать с гораздо большей скоростью. Кинематическая архитектура робота Delta была скопирована во многих параллельных манипуляторах, предназначенных для высокоскоростных операций по захвату и перемещению.

Четвёртое поколение — после 2000

В 2010-х годах в робототехнической промышленности произошла ещё одна революция, в результате которой роботы оказались там, где их уже давно представляли: работающими бок о бок с человеком.

Коллаборативные роботы или «коботы» — это машины, которые работают в непосредственной близости от человека или непосредственно с операторами. В прошлые годы роботы должны были находиться строго на карантине вдали от людей, чтобы свести к минимуму вероятность того, что большая, тяжёлая промышленная машина причинит вред, выйдя из строя или сломавшись.

Более качественные, безопасные и лёгкие материалы, а также гораздо более совершенные сенсорные технологии, которые могут подсказать роботу, где находится он сам и его партнёры-люди, открыли эру роботов человеческого масштаба, предназначенных для совместной работы с людьми.

Другая важная инновация в этой области, автоматизация, также позволила создать этот тип тесного сотрудничества между человеком и роботом. С помощью программного обеспечения автоматизация выполняет всё более мелкие детали рабочего процесса. Алгоритмы, учитывающие различные обстоятельства в процессе, могут корректировать действия в реальном времени для достижения заданных результатов.

Современные роботы работают в тесном контакте с людьми

Например, в то время как робот, управляемый компьютером, будет выполнять точную серию движений и действий в последовательности с регулярностью в доли секунды, кобот, ожидающий человека, чтобы передать ему объект для обработки, может использовать свои датчики и программирование, чтобы понять, что его партнёр-человек остановился, чтобы попить или сходить в туалет, и потянется за объектом только тогда, когда ему это предложат.

После десятилетия разработок коботы заняли своё место в производстве. По одной из оценок в мире работает около 40 000 коботов, что представляет собой рынок стоимостью около 1 млрд долларов в 2021 году, а в 2030 году прогнозируется рост до 11 млрд долларов.

Промышленные роботы 2020-х внешне мало чем отличаются от тех, что были на протяжении последних 50 лет. Однако вблизи датчики стали лучше, эффекторы - точнее, а материалы зачастую гораздо удобнее. Но это всё ещё шарнирно соединённые отрезки жёсткого материала с инструментом на конце и шарнирами по всей длине, обеспечивающими движение по нескольким осям.

Отличия сегодня заключаются в том, чего вы не видите. Данные, облачные вычисления и технологии Интернета вещей (IoT) означают, что каждый вход, действие и выход (от целого завода, отдельного устройства или части устройства) может записывать информацию о своей работе и предоставлять отчёт о ней.

Все эти данные дают производственным предприятиям гораздо больший контроль над качеством, техническим обслуживанием и производительностью и могут быть переданы в другие отделы, партнёрам, поставщикам, клиентам и заинтересованным сторонам, находящимся на другой стороне улицы или по всему миру. Они формируют инфраструктуру «умной фабрики», глобальный производственный мозг, который может улучшить способ производства на макроэкономической основе, способствуя экономии денег, времени и окружающей среды планеты.

Не пора ли кожаным мешкам на покой? 

Несмотря на все усилия, машины всё равно ломаются. Цикл технического обслуживания и замены гораздо легче планировать благодаря таким технологиям, как облачные отчёты о производительности, но отключение важной детали может создать узкое место, которое замедлит работу всего остального оборудования. Это может быть не просто остановка одного робота на ремонт, а остановка всего производства на заводе.

Человеческие существа имеют ограничения, но весь процесс эволюции сделал нас приспособленными к изменениям, мы специально созданы для адаптации. Добиться такой же гибкости от роботов может оказаться чрезвычайно дорогостоящим занятием. Если потребности производственного процесса меняются, например, из-за непредсказуемых рыночных сил, это может потребовать замены нескольких исполнительных механизмов, но вместе с этим может означать масштабные усилия по перепрограммированию, а возможно, и полную замену парка роботов.

Другими словами, роботы продолжают оставаться помощниками, которые выполняют сложную, опасную и грязную работу. Потребность же в людях по-прежнему остаётся высокой, особенно в людях, обладающих серьёзными знаниями и навыками. 

Источник