Промышленные роботы и роботы с элементами искусственного интеллекта

Из множества самых различных человекоподобных автоматических существ - роботов, созданных богатым воображением человека, - на практике широкое распространение получили наиболее примитивные механические устройства, так называемые промышленные роботы, лишь отдаленно напоминающие своих мифических предков. Впервые термин "промышленные роботы" появился в начале 1960-х годов на страницах популярного в промышленных кругах американского журнала "American metal & market". Однако реальное устройство, обладающее всеми характерными для промышленных роботов особенностями, было создано за шесть лет до этого события. Патент на его изобретение был выдан в 1954 г. Дж. К. Диволу. Первый в мире промышленный робот имел довольно скромное название - "программируемое устройство для передачи предметов". На основе этого патента американская фирма Consolidated Controllers разработала в 1958 г. прототип промышленного робота с цифровым управлением - "автоматический программируемый аппарат". Именно этот "аппарат" положил начало коммерческому производству промышленных роботов. Первые коммерчески доступные промышленные роботы были созданы под руководством Дж. Ф. Энгельбергера и М. Дж. Дана и выпускались фирмой Consolidated Controllers с торговой маркой "Unimate".

Промышленные роботы типа "Unimate" и "Wersatran" работали по следующему принципу. Человек-оператор в режиме обучения о помощью ручки координат задавал последовательность точек, через которые должна была пройти рука за один рабочий цикл, а робот запоминал координаты этих точек и мог автоматически с большой точностью перемещаться от одной точки к другой в заданной последовательности, т. е. мог воспроизводить полный рабочий цикл необходимое число раз. Так были конкретизированы и практически реализованы принципы управления программируемыми устройствами для передачи деталей, впервые изложенные в патенте Дж. К. Дивола.

♦♦♦ Заметим, что предложенные Диволом принципы воспроизведения запомненной при обучении последовательности операций по своей сути оказались весьма близкими методам программирования широко распространенных к тому времени станков с числовым программным управлением. В самом деле, структура, устройство и принципы управления современными промышленными роботами не слишком отличаются от принципов построения станков с ЧПУ и управления ими. Главное различие между обыкновенными станками с ЧПУ и устройствами, объединяемыми термином "промышленные роботы", заключается в следующем. Промышленный робот представляет собой автоматическое устройство, наиболее характерным элементом которого является простирающийся далеко вперед, сходный по форме и функциям с человеческой рукой механизм, оканчивающийся устройством, предназначенным для захвата различных предметов. В курсе "сопротивление материалов" такой механизм принято называть консолью. Как правило, механизмы консольного типа не позволяют добиться большой точности и стабильности работы всего устройства, и поэтому они почти не применяются в устройствах высокого класса, к которым предъявляются требования высокой точности. Следовательно, появление "машин для передачи предметов", опровергающих привычные представления теории механизмов и имеющих очень большую зону обслуживания, оказалось эпохальным событием в истории машиностроения. Увеличение зоны обслуживания становится особенно очевидным при сопоставлении роботов с обычными обрабатывающими станками. Рабочая зона станка определяется расстоянием по оси вращения между двумя точками крепления вала. Даже в случае консольного исполнения механизма вращения вала зона обслуживания все равно ни на миллиметр не сможет выступать за пределы корпуса. Другими словами, размеры рабочей зоны любого станка ограничены длиной его корпуса. Только промышленный робот благодаря особой конструкции механизма манипулятора может, заменяя человеческие руки, выполнять разнообразные операции в рабочей области, граница которой проходит за пределами корпуса робота на значительном расстоянии от него. Превышение размеров зоны обслуживания над площадью, занимаемой корпусом, является одной из самых характерных особенностей промышленных роботов.

Наиболее простые из консольных механизмов, для которых также характерно превышение диапазона обслуживания над установочной площадью, применялись на заводах США и Японии задолго до появления настоящих промышленных роботов. Это были механические манипуляторы на основе многозвенных и кулачковых кинематических механизмов с пневматическими или гидравлическими приводами, а также непрограммируемые передаточные машины с так называемым жестким циклом операций. Начавший к этому времени входить в моду термин "промышленные роботы" производил чарующее действие на многих американских промышленников, но его притягательная сила еще больше возросла, когда он получил право на жительство на Японских островах. Именно этим объясняется тот факт, что в Японии к числу промышленных роботов стали относить известные ранее простейшие передаточные автоматы, которые на родине промышленной робототехники - США - не получили статуса роботов. Начиная с 1970 г. число японских фирм, называющих себя производителями робототехники и занятых выпуском как простейших передаточных автоматов, так и более совершенных роботов, включая модели "Unimate" и "Wersatran", стало стремительно расти.

В Японии основы промышленной робототехники закладывались с учетом достижений из-за океана. Однако по мере развития производства роботов в Японии оно достигло такого расцвета, что японский опыт стал изучаться и заимствоваться многими странами мира, в том числе США. Особенно впечатляющих успехов по масштабам и оригинальности технических решений Япония достигла в роботизации автомобильной промышленности. Накопленные при этом методы, технологии и технологические приемы роботизированного производства сыграли огромную роль в повсеместном развитии робототехники и привели к повышению эффективности использования роботов в других отраслях промышленности.

Обычно указывают несколько факторов, способствовавших необычайно бурному расцвету промышленной робототехники в Японии. И все же самым главным из них является умение японцев, заимствуя на начальном этапе идеи и технологии, разработанные и положительно зарекомендовавшие себя в промышленно развитых странах (главным образом в США), так перенести их на уникальную почву японской технологической культуры, чтобы в скором времени догнать и превзойти те же самые страны Европы и Америки по эффективности производства, качеству и надежности продукции, выпускаемой по изначально заимствованной технологии. Именно благодаря этому Япония достигла удивительного прогресса в автомобилестроении, металлургии, микроэлектронике и некоторых других отраслях промышленности.

Высокие темпы развития робототехники в Японии были также обусловлены особыми социальными и экономическими условиями, сложившимися в Японии к моменту появления первых роботов, значительно более острой потребностью в роботизации промышленных предприятий этой страны, чем в любых других индустриально развитых странах. Кроме того, необходимость внедрения промышленных роботов Япония осознала раньше своих западных конкурентов. "Дешево да плохо" - это выражение в течение долгого времени до войны и на протяжении первых послевоенных лет служило исчерпывающей характеристикой продукции японских промышленных предприятий и даже использовалось в качестве нарицательного определения для всех японских товаров. Чтобы изменить создавшееся положение, необходимо было повысить эффективность производства, увеличить производительность и снизить стоимость товаров при улучшении их качества. Очевидно, что решить эти задачи можно было только с помощью полной автоматизации производственных процессов. Только таким путем можно было обеспечить стабильность качества изделий, внедрить всеобъемлющие многоступенчатые методы управления качеством и в конечном итоге добиться скачкообразного увеличения надежности любой продукции.

Естественно, полная автоматизация всех процессов не оставляла места для проявления незаурядного мастерства и таланта, присущих отдельным умельцам. Другими словами, при таком способе производства трудно было рассчитывать на изготовление уникальных изделий экстракласса. Тем не менее она давала возможность увеличить количество и снизить стоимость изделий массового спроса, т. е. товаров для населения. Таким образом, осуществив автоматизацию производства, Япония смогла бы покуситься на твердыню, бдительно охраняемую США и наиболее развитыми странами Европы, т. е. она шаг за шагом стала бы пробиваться на рынки товаров массового спроса, которые все еще оставались вотчиной индустриального Запада. Вот в этот-то самый момент, когда умом японцев овладела почти маниакальная по своей силе неотступная идея автоматизации всех видов производства и внедрения повсюду трудосберегающих технологий, появились промышленные роботы. Стоит ли говорить, что для всхода этих "зерен" новой технологии нельзя было найти более благоприятных условий, чем существовавшие в Японии. Вот почему и урожай оказался самым обильным именно в этой стране.

Темпы роста производства промышленных роботов в Японии иллюстрируются с помощью диаграммы, приведенной на рис. 1.8, в суммарном стоимостном выражении. О масштабах производства робототехники свидетельствует следующий факт. В 1981 г. объем производства достиг 100 млрд. иен, что само по себе огромная сумма. Однако темпы прироста настолько высоки, что сейчас эта цифра не только не вызывает удивления, но и оказывается довольно скромной. Что касается США и стран Западной Европы, то они также в полной мере осознали огромное значение промышленных роботов для повышения технологического уровня современного производства, и многие из них с энтузиазмом приступили к реализации собственных крупномасштабных программ создания роботизированных технологий и внедрения промышленных роботов в производство.

Рис. 1.8. Темпы роста годового выпуска промышленной робототехники в Японии в суммарном стоимостном выражении (по данным Японской ассоциации промышленных роботов)

Первоочередная задача дальнейшего развития промышленной робототехники заключается в постепенном переходе от примитивных роботов к роботам с более развитыми механическими и главное интеллектуальными возможностями. Новые роботы в большей мере будут соответствовать нашим интуитивным представлениям об устройствах, носящих имя "робот". В ближайшие годы данный процесс найдет выражение в резком увеличении количества применяемых на практике так называемых промышленных роботов второго поколения.