ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ

Раздел: Наука и техника

В настоящее время практически все развитые страны прошли этап формирования технико-экономических и социальных концепций в отношении к робототехнике и энергично включились в процесс внедрения роботов в различные сферы деятельности, и прежде всего в промышленное производство, создания на базе роботов гибких производственных систем. Среди капиталистических стран роботостроение и использование промышленных роботов получили наибольшее развитие в Японии, США, ФРГ, Италии, Великобритании, Швеции, что иллюстрируется сравнительными данными парка промышленных роботов

В 1985 г. в промышленности капиталистических стран эксплуатировались свыше 100 тыс. промышленных роботов, а в 1989 г. - уже более 257 тыс., в том числе в Японии - 174, в США - 35, в Западной Европе - 48 тыс.

В качестве комментария к приведенным данным заметим, что разные источники дают различные цифры производства и применения промышленных роботов, так как исходят из разных определений понятия "робот". Японская ассоциация промышленной робототехники (JIRA), например, в число промышленных роботов включает также простые непврепрограммируемые манипуляторы с жестким управлением, способные повторять несложные рабочие движения, аналогичные движениям человека (рабочего), типа "взять-положить".

Уровень роботизации промышленности ведущих капиталистических стран

 По определению американского института робототехники (RIA), промышленный робот - это перепрограммируемый многофункциональный манипулятор, предназначенный для перемещения объектов по заданным траекториям посредством изменяемых программируемых

движений. Близко к этому и европейское определение, где под роботами понимаются только универсальные автоматические установки, имеющие не менее трех степеней подвижности, оснащенные различными захватными устройствами и легко перепрограммируемой системой управления. Так, например, по данным японской статистики, в Японии по состоянию на 1981 г. было внедрено в производство около 60 тыс. промышленных роботов, по данным же Института робототехники США, - лишь около 13 тыс.

Сейчас примерно 65% всех роботов в капиталистическом мире приходится на Японию, 13 - на США и 18% - на страны Западной Европы. По масштабам роботизации производственных процессов ведущими странами в капиталистическом мире являются Япония и Швеция: 43,4 и 38,7 ПР на 10 тыс. работников соответственно. За ними следуют ФРГ (14,1), Франция (14,2) и США (12,4). Ведущими изготовителями роботов в мире являются компании "Kawasaki Heuvy Industries", "Hitachi", "Mitsubishi Heuvy Industries", "Fujitsu Fanuc", "Yasukawa Electric", "Matsushita Electric Company" (Япония); "Cincinnati Milacron", "Unimation", "GMF Robotics", "IBM" (США); "ASEA" (Швеция); "Volkswagen" и "Kuka" (ФРГ); "Renault" (Франция); "Comau-Fiat" (Италия); "Trallfа" (Норвегия); "GEC" и "Dainichi Sykes" (Великобритания).

Стоимость промышленных роботов на капиталистическом рынке достаточно высока и зависит от типа и сложности: более простые роботы без сервоуправления (пневмопривод, позиционная система управления, отсутствие очувствления) стоят от 5 до 30 тыс. дол., более сложные с сервоуправлением (гидро- или электропривод, контурная система управления, очувствление) - от 25 до 150 тыс. дол. При этом специ-альная остановка, обеспечивающая функционирование робота (так называемые периферийные устройства), обычно обходится в 2-3 раза дороже. Несмотря на высокую стоимость, производство роботов до сих пор возрастало исключительно высокими темпами: в среднем в капиталистических странах оно увеличивалось на 30 % ежегодно.

Характерной особенностью современного этапа развития робототехники в капиталистических странах является резкое расширение международного сотрудничества в области производства и сбыта промышленных роботов. Научно-технический прогресс в производстве роботов выражается в расширении их функций, повышении уровня "интеллектуальности", совершенствовании элементной базы. Уже достигнуты впечатляющие результаты в деле совершенствования промышленных роботов, повышении их эффективности и надежности. Так, промышленные роботы ведущих фирм (например, роботы типа "Unimate", "Versatran", "Kawasaki Unimate", "Trallfa", "AS'EA", "Kuka" и др.) могут работать без остановок на обслуживание до 500 - 700 часов, их общий срок службы доведен до 40 тыс. ч. Потери, связанные с простоями при ремонте и переналадке, не превышают 2% общего рабочего времени, а ежегодно экономия от 25 роботов типа "Unimate" составляет не менее 100 тыс. дол.

Роботизация промышленного производства, создание и применение роботов, исследование и совершенствование их систем, особенно связанных с очувствлением и искусственным интеллектом, осуществляются во всех промышленных странах весьма энергично. Общая цель этой работы - передел мирового рынка, выпуск на рынок товаров лучшего качества, с более низкой себестоимостью и в более разнообразном ассортименте. Одним из основных направлений научно- технического прогресса мировой промышленности является создание гибких производственных систем, обеспечивающих повышение эффективности мелкосерийного и серийного производств. И хотя пока масштабы применения ГПС в экономике развитых капиталистических стран можно считать незначительными (в 1987 г. в эксплуатации находились 360-370 ГПС, например, в Японии - 102, США - 66, ФРГ - 40, Великобритании - 36, Италии - 32, Франции - 30, Швеции - 10), по последним прогнозируемым данным, в первой половине 1990-х гг. в мире будут введены в производство тысячи ГПС. Даже по сдержанным оценкам, продукция роботопромышленности, которая в 1982 г. составляла примерно 500 млн. дол. во всем мире, а в 1985 - свыше 2 млрд. дол., в 1990 г. должна была превысить рубеж 6 млрд. дол., что превосходит темпы роста наиболее динамично развивающихся до сих пор отраслей промышленности - вычислительной техники и микроэлектроники.

Весьма показателен опыт Японии, капиталистической страны, вышедшей на первое место в мире по разработке, производству и использованию промышленных роботов. Как известно, в результате интенсивного развития японской экономики, начиная с 1950-х гг., уже в 1965 г. возникла острая нехватка квалифицированной рабочей силы, которая, по данным министерства труда, составляла в промышленности страны 1,8 млн. человек. Дальнейшего притока рабочей силы в основные отрасли промышленности не ожидалось в связи с преимущественным направлением трудовых ресурсов в сферу обслуживания.

Таким образом, роботизация производства в Японии с самого начала получила благодатную почву. Стремление преодолеть спад в своей экономике, завоевать мировой рынок посредством высококачественной, разнообразной и дешевой продукции заставило японских промышленников при серьезной поддержке правительства заняться, начиная со второй половины 1960-х гг., разработкой, а с 1970-х гг. - энергичным внедрением роботов в национальное производство. Начав активно заниматься робототехникой почти на 10 лет позже, чем США, досконально изучив мировой опыт, заимствуя на первых порах идеи и разработки посредством закупки в США лицензий на правах "ноу-хау" - "знаю как" (промышленные роботы "Versatran", "Unimate"), японские фирмы смогли за короткий срок не только создать самые современные модели промышленных роботов, но и обогатить мировую робототехнику новыми уникальными достижениями.

Если в 1968 г. разработкой и производством роботов в Японии занималось 10 фирм, то в 1981 г. их количество составило 175, из которых не менее 150 поставляют промышленных роботов также на внешний рынок. К ведущим японским роботостроительным компаниям относятся: "Kawasaki Heuvy Industries", "Hitachi", "Mitsubishi Heuvy Industries", "Fujitsu Fanuc", "Aida Ingineering", "Matsushita Electric Company", "Yasukawa Electric" и др. Если в 1968 г., по данным Японской ассоциации промышленной робототехники (JIRA) и в соответствии с японскими стандартами, было выпущено около 200 роботов, то в

1981    г. - 22100. Всего же за период с 1968 по 1981 гг. на японских предприятиях было изготовлено 98800 роботов. Общий парк промышленных роботов, используемых на предприятиях Японии, составил по состоянию на 1981 г. около 60 тыс. Заметим, что в эти числа включены также простые неперепрограммируемы.е манипуляторы с жестким управлением типа "взять-положить".

Если следовать американской классификации (и близкой к ней европейской), то парк собственно промышленных роботов в Японии к

1982    г. составил около 13 тыс., а далее возрастает до весьма внушительных цифр: в 1984 г. - 65, в 1985 г. - 93, в 1986 г . - 116, в 1989 г. - 174 тыс.! Прогноз Ассоциации промышленной робототехники (JIRA) обещает рост парка ПР к 1995 г. до 460 тыс. единиц. Несмотря на значительный спад производства в японском роботостроении в 1986 г. и даже банкротство некоторых фирм-продуцентов (например, компании "Dainiti Kiko"), "Страна восходящего солнца" занимает ведущие позиции в мире по проектированию, производству и внедрению в различные области и технологии промышленных роботов. В настоящее время наибольший Удельный вес в выпуск промышленных роботов в Японии имеют модели, предназначенные для манипулирования деталями, а также для сборочных операций. Роботы широко используются в автомобилестроении, производстве электро- и радиооборудования, пластмасс, в металлообработке.

Особенно впечатляющие успехи по масштабам и оригинальности технических разработок достигнуты в роботизации автомобильной промышленности. В результате энергичной и целеустремленной роботизации Япония добилась резкого увеличения производительности труда, в настоящее время представляет серьезную угрозу внутренним и экспортным рынкам как США, так и Европы. Роботы, например, стали главной ударной силой японских автопромышленников в борьбе с американскими конкурентами. Благодаря им, на каждого рабочего этой отрасли в стране производится около 60 автомобилей в год, в то время как в США - лишь 20.

За последние 10 лет японская промышленность добилась также заметного успеха в снижении себестоимости промышленных роботов: так, если в 1971 г. соотношение годовой зарплаты рабочего к стоимости • робота составляло 10,5 : 1, то сейчас это соотношение равно 3 - 3,5 : 1. Этот существенный сдвиг позволяет, по мнению японских экономистов, надеяться, что в ближайшие годы роботы будут все больше внедряться в производство. Тем более, что созданию и широкому использованию промышленных роботов особое внимание уделяет японское правительство, считающее эту проблему третьей по важности национальной научно-технической задачей вслед за охраной окружающей среды и освоением морских ресурсов, что определяет постоянные крупные инвестиции в эту динамично развивающуюся отрасль.

Когда в сентябре 1982 г. премьер-министр Великобритании Маргарет Тэтчер во время своего визита в Японию посетила завод фирмы "Fujitsu Fanuc", расположенный в префектуре Яманаси, то она была поражена: "Никогда прежде мне не доводилось видеть подобных предприятий. Это одно из самых сильных моих впечатлений от посещения Японии. Особенно поразительно то, что при таком невообразимом скоплении оборудования в цехах очень тихо". На этом ультрасовременном заводе, изготавливающем ежемесячно 10 тыс. электродвигателей, для полной автоматизации технологического процесса (от механообработки деталей до сборки готовой продукции) используется 101 робот, а в производстве занято все/о 60 человек управляющего и обслуживающего персонала, из них 21 - в механическом цехе (в одну смену) и 19 - на сборке. В "безлюдные" смены в машинном зале находится один диспетчер, контролирующий производство с помощью телекамер, установленных в цехах. "На наших заводах роботов изготавливают роботы" - этот лозунг в один день принес фирме "Fujitsu Fanuc" всемирную известность.

Только в 1982 г. на ее заводах побывало свыше 2000 иностранных специалистов, которые имели возможность воочию убедиться, что скачок производительности на японских предприятиях достигнут, в первую очередь, за счет применения промышленных роботов. По словам президента фирмы Исиэ Кадо, сопровождающего Маргарет Тэтчер во время ее экскурсии по заводу, внедрение промышленных роботов позволяет втрое повысить производительность труда в пересчете на одного рабочего.

В последние годы японские наука, техника и производство берут резкий курс на создание наиболее сложных очувствленных и интеллектуальных роботов и применение их в самых сложных сферах исследовательской и производственной деятельности, в технологических процессах сборки и монтажа, в комплексных системах гибкой автоматизации: гибких автоматизированных и автоматических производствах (ГАП), гибких производственных системах и т.п. Министерство внешней торговли и промышленности Японии объявило об осуществлении с весны 1982 г. семилетней программы по разработке промышленных роботов новых поколений, способных выполнять самостоятельно, например, такие сложные операции, как сборка автомобиля. В области научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в Японии, следует выделить три направления:

1)        усовершенствование существующих и разработка новых моделей промышленных роботов с уменьшенными габаритными размерами, повышенной грузоподъемностью на единицу собственного веса, модульной конструкцией, повышенными сроками эксплуатации и надежностью в работе, упрощенной механикой, простым программным обеспечением и универсальным захватным устройством;

2)        разработка новых комплектующих устройств и элементов, позволяющих расширить область применения роботов, главным образом для сборочных и монтажных операций (датчики, телекамеры, лазерные системы, электронные системы для цифрового анализа изображений и др.);

3)        раскрытие новых областей применения роботов (сельское хозяйство, рыболовство, горнодобывающая промышленность, коммунальное хозяйство, исследование космоса, использование морских ресурсов и др.).

Высокие темпы научно-технического прогресса в японском роботостроении, прежде всего освоение массового промышленного производства очувствленных и "интеллектуальных" промышленных роботов, способствуют расширению их использования не только в обрабатывающей, но и в добывающей промышленности, энергетике, сельском хозяйстве, в сфере услуг, уборке улиц и помещений, здравоохранении, освоении космоса и т.д., что отражается в повышенном внимании ведущих фирм-продуцентов к новым сферам использования промышленных роботов.

Ведущие капиталистические страны (в первую очередь, США и ФРГ), несмотря на ряд неблагоприятных социально-экономических последствий роботизации (например, возрастание безработицы), а также в интересах сохранения своих позиций на мировом рынке вынуждены отвечать на "японский вызов" роботизацией своей промышленности.

Крупнейшим после Японии продуцентом и потребителем промышленных роботов являются США, где первый промышленный робот был установлен в 1961 г. на автомобильном заводе фирмы "General Motors" в г. Трентон штата Нью-Джерси и использовался для извлечения и складирования раскаленных металлических слитков литья под давлением.

По парку промышленных роботов (13 тыс. - в 1984 г., 20 - в 1985 г .) США значительно уступают Японии. Разработкой и выпуском роботов в США занимается около 20 фирм, основными же производителями в настоящее время являются фирмы "Cincinnati Milacron" и "Unimation» (перешедшая в начале 1980-х гг. во владение концерна "Westinghouse".

Наиболее интенсивно внедрение промышленных роботов происходит в автомобильной индустрии в фирмах "General Motors", "Ford", "Chrysler" и др., где основной областью их применения становится точечная сварка автомобильных кузовов. Так, к 1981 г. на предприятиях фирмы "Genera! Motors" работало уже 270 роботов. Потребности в промышленных роботах постоянно нарастают. Если в начале 1980 г. в промышленности использовались 3500 роботов, то в 1982 г. - уже свыше 6000, а в 1989 г. - 35000. В США используются промышленные роботы как собственного, так и японского и европейского изготовления, причем продукция американских компаний обычно более разнообразна и сложна, чем импортная. Основное внимание разработчиков обращается на создание более совершенных роботов путем их оснащения устройствами очувствления.

Хотя США значительно отстают от Японии в области проектирования и применения робототехнических систем, они все еще являются ведущей страной в области фундаментальных исследований, сосредоточенных главным образом е высших учебных заведениях, и получают значительные субсидии не только от частных фирм, но и от правительства, которое стимулирует, в первую очередь, долговременные фундаментальные работы.

Крупным центром по разработке и исследованию роботов является Институт робототехники при университете "Carnehie-Mellon", в котором около 150 сотрудников, а годовой бюджет превышает 8 млн. дол. Здесь выполняются главным образом не прикладные, а такие фундаментальные исследования , как анализ и распознавание трехмерных изображений, тактильное очувствление и т.д. Несмотря на довольно широкое развертывание работ, развитие исследований и разработок в области робототехники в США идет относительно скромными темпами. Правительство США не проводит целенаправленного плана, поощряющего широкомасштабные исследования и разработки. Частные фирмы также не особенно форсируют развитие робототехники, ссылаясь на слишком долгий и не вполне определенный период окупаемости роботов, хотя по официальным источникам в среднем промышленный робот стоимостью 250 тыс. дол. "окупается через 3 года, стоимостью от 100 до 150 тыс. дол. - через 2 года и стоимостью 50 тыс. дол. - в течение немногим более года.

Кроме того, широкое внедрение промышленных роботов содержит возможные социальные последствия роботизации, например, рост безработицы в связи с уменьшением числа рабочих мест. Предполагается, что в 1990-х гг. в США дуговая сварка будет выполняться в значительной мере роботами, что уменьшит число рабочих мест на 50%.

Статистические данные мирового состояния промышленной робототехники, выполненные Британской ассоциацией (BRA), свидетельствуют, что в настоящее время число используемых в промышленности Западной Европы роботов больше, чем в США. Таким образом, Западная Европа становится вторым после Японии регионом по оснащенности промышленными роботами. Крупнейшим же продуцентом промышленных роботов Западной Европы, занимающим третье место в капиталистическом мире по выпуску промышленных роботов и масштабам роботизации производства, является Федеративная республика Германия, где в 1980 г. насчитывалось 22 фирмы, выпускающие промышленных роботое, а в настоящее время - свыше 90 компаний, предлагающих около 200 различных моделей. Однако не менее 50% , всех применяемых промышленных роботов произведены ведущими фирмами "ASEA", "Kuka", "Volkswagen".

Парк промышленных роботов в ФРГ в 1980 г. составлял около 1300, в 1984 г. - 6600, в 1986 г.^ 12400, а к началу 1988 г. - 14900 единиц, примерно половина из которых используется в автомобильной промышленности. По прогнозу Союза западно-германских машиностроительных компаний парк промышленных роботов в 90-х гг. возрастет до 20 тыс. единиц.

В настоящее время промышленные роботы в Германии наиболее широко используются на операциях сварки (прежде всего точечной затем - дуговой), обслуживании металлорежущих станков, обработки поверхностей, а также на сборке/Обследование пяти западно-германских предприятий, проведенное в 1980 г., показало, что средняя экономия рабочей силы в расчете на одного робота, установленного на этих заводах, составляет 1,5 рабочего за смену и 4 рабочих за полный рабочий день. Отсюда понятен значительный интерес промышленных компаний к перспективным разработкам по расширению использования роботов для наиболее трудоемких сборочных и монтажных технологий.

Динамично развивается робототехника также во Франции, Италии, Великобритании и Швеции, где с помощью правительственных субсидий ведутся серьезные и перспективные разработки по созданию гибких автоматизированных систем. Мировую известность получили успешно функционирующие гибкие автоматизированные производства механической обработки довольно сложных деталей металлорежущих станков и автомобилей в г. Колчестере (Великобритания), а также в г. Медона (Франция). Интегрированная гибкая производственная система "SCAMP" (Колчестер), например, разработанная фирмой 'Труппа 600" и предназначенная для механической обработки мелких партий деталей от -25 до 100 шт., состоит из 9 металлорежущих станков и транспортной системы с обслуживающими их роботами и использует сложную оптическую систему ориентации деталей. Полная обработка малой серии деталей обеспечивается без прикосновения руки человека за трое суток, в то время как в прошлом решение такой задачи потребовало бы 2 месяца и более 50 манипуляций!

Западная Европа, успешно преодолевая трудности по пути роботизации, уверенно выходит на передовые позиции в мире как по производству промышленных роботов, так и масштабам роботизации производственных процессов.