Введение

Промышленный робот – это роботизированная система, используемая в производстве. Промышленные роботы автоматизированы, программируемы и способны к перемещению по трем или более осям. Типичные области применения роботов включают сварку, покраску, сборку, разборку, установку и перемещение компонентов, упаковку и маркировку, паллетирование, контроль качества и тестирование продукции; все это выполняется с высокой выносливостью, скоростью и точностью. Они могут использоваться для перемещения материалов. По оценкам Международной федерации робототехники (IFR), в 2022 году во всем мире было в эксплуатации около 3 903 633 промышленных роботов.

Типы и особенности

Существует шесть типов промышленных роботов.

Ручные роботы

Членораздельчные роботы. Они выглядят как человеческая рука, поэтому их также называют роботизированными руками или манипуляторами. Благодаря шарнирным соединениям с несколькими степенями свободы, членораздельчные руки обладают широким диапазоном движений.

Автономный робот

Автономный робот – это робот, действующий без обращения к управлению со стороны человека. Первыми автономными роботами были Элмер и Элси, созданные в конце 1940-х годов У. Грей Уолтером. Они стали первыми в истории роботами, запрограммированными "мыслить" подобно биологическим мозгам и наделенными свободой воли. Элмера и Элси часто называли черепахами из-за их формы и способа передвижения. Они были способны к фототаксису – движению, возникающему в ответ на световой стимул.

Роботы с цилиндрическими координатами

Роботы с цилиндрической системой координат SCARA характеризуются двумя параллельными шарнирами, обеспечивающими движение в плоскости X Y. Негативное влияние сопутствующих движений необходимо смягчать или устранять при успешной разработке манипуляторов с ограниченной подвижностью. Например, робот Дельта не имеет паразитных движений, так как его рабочий орган не вращается.

Автономия

Роботы демонстрируют различную степень автономии. Некоторые роботы запрограммированы на последовательное и точное выполнение конкретных действий, повторяющихся без изменений. Эти действия определяются запрограммированными алгоритмами, задающими направление, ускорение, скорость, замедление и расстояние серии согласованных движений.

Другие роботы гораздо более гибки в отношении ориентации объекта, с которым они работают, или даже задачи, которую необходимо выполнить над этим объектом, которую роботу может потребоваться определить. Например, для более точного управления роботы часто оснащаются подсистемами машинного зрения, выполняющими функцию визуальных датчиков и подключенными к мощным компьютерам или контроллерам. Искусственный интеллект играет все более важную роль в современных промышленных роботах.

Определение параметров

Количество осей – для достижения любой точки в плоскости требуются две оси; для достижения любой точки в пространстве – три оси. Для полного контроля ориентации конца манипулятора (т.е. запястья) требуются еще три оси (рыскание, тангаж и крен). Некоторые конструкции (например, робот SCARA) жертвуют возможностями движения ради снижения стоимости, повышения скорости и точности. Степени свободы – как правило, это соответствует числу осей. Рабочая область – область пространства, доступная для робота. Кинематика – фактическая компоновка жестких звеньев и соединений в роботе, определяющая его возможные движения. Классы кинематики роботов включают в себя шарнирные, декартовы, параллельные и SCARA. Грузоподъемность или полезная нагрузка – максимальный вес, который робот может поднять. Скорость – скорость, с которой робот может позиционировать конец своего манипулятора. Она может определяться как угловая или линейная скорость каждой оси, либо как суммарная скорость, т.е. скорость конца манипулятора при движении всех осей. Ускорение – скорость изменения скорости оси. Поскольку это ограничивающий фактор, робот может не достигать заявленной максимальной скорости при перемещениях на короткие расстояния или по сложному пути, требующему частых изменений направления. Точность – насколько близко робот может достичь заданной позиции. При измерении абсолютного положения робота и сравнении его с заданной позицией, разница между ними является мерой точности. Точность может быть повышена с помощью внешних датчиков, например, системы технического зрения или инфракрасного излучения. См. калибровку робота. Точность может меняться в зависимости от скорости и положения в рабочей области, а также от полезной нагрузки (см. податливость). Повторяемость – насколько стабильно робот возвращается в запрограммированное положение. Это не то же самое, что точность. Если роботу задано переместиться в определенную точку с координатами X, Y, Z, он может достигать ее с отклонением всего в 1 мм. Это и будет его точность, которую можно улучшить калибровкой. Но если эта точка запомнена в памяти контроллера и при каждом перемещении в нее робот возвращается в пределах 0,1 мм от запомненной позиции, то повторяемость составит 0,1 мм. Точность и повторяемость – разные показатели. Повторяемость обычно является наиболее важным критерием для робота и аналогична понятию «прецизионность» в измерениях – см. точность и прецизионность. Стандарт ISO 9283 определяет метод измерения как точности, так и повторяемости. Обычно робот многократно перемещается в заданную точку, и при каждом возвращении измеряется ошибка после посещения 4 других точек. Повторяемость затем оценивается с использованием стандартного отклонения этих измерений во всех трех измерениях. Типичный робот, конечно, может допустить позиционную ошибку, превышающую эту, что может стать проблемой для процесса. Кроме того, повторяемость различается в разных частях рабочей области и также меняется в зависимости от скорости и полезной нагрузки. Стандарт ISO 9283 предписывает измерять точность и повторяемость при максимальной скорости и максимальной полезной нагрузке. Однако это приводит к пессимистичным значениям, в то время как робот может быть гораздо более точным и повторяемым при небольших нагрузках и скоростях. Повторяемость в промышленном процессе также зависит от точности концевого эффектора, например, захвата, и даже от конструкции «пальцев», соединяющих захват с захватываемым объектом. Например, если робот захватывает винт за головку, винт может быть ориентирован случайным образом. Последующая попытка вставить винт в отверстие может оказаться неудачной. Эти и подобные сценарии можно улучшить с помощью «подводящих траекторий», например, путем конической обработки входа в отверстие. Управление движением – для некоторых задач, таких как простая сборка и установка, робот должен лишь стабильно возвращаться в ограниченное число предварительно заданных позиций. Для более сложных задач, таких как сварка и отделка (распыление краски), движение должно непрерывно контролироваться для следования траектории в пространстве с заданной ориентацией и скоростью. Источник питания – некоторые роботы используют электродвигатели, другие – гидравлические приводы. Первые быстрее, вторые мощнее и предпочтительнее в таких приложениях, как распыление краски, где искра может вызвать взрыв; однако низкое внутреннее давление воздуха в манипуляторе может предотвратить попадание воспламеняющихся паров и других загрязнителей. В настоящее время на рынке практически не встречаются гидравлические роботы. Дополнительные уплотнения, бесщеточные электродвигатели и защита от искрения упростили создание устройств, способных работать во взрывоопасной среде. Привод – в некоторых роботах электродвигатели соединены с шарнирами через редукторы, в других – напрямую (прямой привод). Использование редукторов приводит к измеримому «люфту», который представляет собой свободный ход оси. В небольших манипуляторах часто используются высокоскоростные, маломоментные двигатели постоянного тока, которым обычно требуются высокие передаточные числа редуктора; это имеет недостаток в виде люфта. В таких случаях часто используется гармонический привод. Податливость – это мера величины перемещения оси робота по углу или расстоянию при приложении к ней силы. Из-за податливости, когда робот перемещается в заданную позицию с максимальной полезной нагрузкой, он окажется немного ниже, чем при отсутствии полезной нагрузки. Податливость также может быть причиной перерегулирования при работе с высокой полезной нагрузкой, в этом случае необходимо уменьшить ускорение.

Оружие для конца рукава

Наиболее важным периферийным устройством робота является конечный эффектор, или оснастка на конце манипулятора (EOAT). Типичные примеры конечных эффекторов включают сварочное оборудование (например, сварочные горелки MIG, точечные сварочные аппараты и т.д.), распылители, а также оборудование для шлифовки и зачистки (например, пневматические дисковые или ленточные шлифовальные машины, зенкеры и т.д.) и захваты (устройства, способные захватывать объекты, как правило, электромеханические или пневматические). Другим распространенным способом захвата объектов является использование вакуума или магнитов. Конечные эффекторы часто имеют сложную конструкцию, изготавливаются в соответствии с обрабатываемым изделием и часто способны одновременно захватывать несколько изделий. Они могут использовать различные датчики для помощи роботизированной системе в обнаружении, обработке и позиционировании изделий.

Контроль движения

Для данного робота единственными параметрами, необходимыми для полного определения местоположения рабочего органа (захвата, сварочной горелки и т. д.) являются углы поворота каждого шарнира или перемещения линейных осей (или их комбинации для форматов роботов, таких как SCARA). Однако существует множество различных способов задания точек. Наиболее распространенным и удобным способом является задание декартовых координат, то есть положения рабочего органа в мм по осям X, Y и Z относительно начала координат робота. Кроме того, в зависимости от типа шарниров, которыми оснащен конкретный робот, необходимо также указывать ориентацию рабочего органа по рысканию, тангажу и крену, а также положение инструментальной точки относительно фланца робота. Для шарнирного манипулятора эти координаты должны быть преобразованы в углы поворота шарниров контроллером робота, и такие преобразования известны как декартовы преобразования, которые могут выполняться итеративно или рекурсивно для многоосевого робота. Математика, описывающая взаимосвязь между углами поворота шарниров и фактическими пространственными координатами, называется кинематикой. См. раздел "Управление роботом".

Позиционирование по декартовым координатам может выполняться путем ввода координат в систему или с помощью пульта обучения (teach pendant), который перемещает робота по осям X, Y и Z. Человеку-оператору гораздо проще представить движения вверх/вниз, влево/вправо и т. д., чем перемещать каждый шарнир по отдельности. Когда достигается желаемое положение, оно определяется каким-либо образом, специфичным для используемого программного обеспечения робота, например, P1, P5, как показано ниже.

Особенности

Американский национальный стандарт для промышленных роботов и робототехнических систем — Требования безопасности (ANSI/RIA R15.06 1999) определяет сингулярность как «состояние, вызванное коллинеарным выравниванием двух или более осей робота, приводящее к непредсказуемому движению и скорости робота». Это наиболее часто встречается в роботах, использующих «тройное вращательное запястье». Это запястье, в котором три оси запястья, управляющие рысканием, тангажом и креном, пересекаются в одной точке. Примером сингулярности запястья является ситуация, когда траектория движения робота приводит к выравниванию первой и третьей осей запястья робота (то есть осей 4 и 6 робота). Вторая ось запястья затем пытается повернуться на 180° за нулевое время, чтобы сохранить ориентацию рабочего органа. Другим распространенным термином для этой сингулярности является «переворот запястья». Последствия сингулярности могут быть весьма серьезными и негативно сказаться на манипуляторе, рабочем органе и технологическом процессе. Некоторые производители промышленных роботов пытаются избежать этой ситуации, незначительно изменяя траекторию движения робота, чтобы предотвратить ее возникновение. Другой метод — уменьшить скорость движения робота, тем самым снизив скорость, необходимую запястью для совершения перехода. ANSI/RIA предписало производителям роботов информировать пользователя о возникновении сингулярности при ручном управлении системой. Второй тип сингулярности в вертикально сочлененных шестиосных роботах с разделенным запястьем возникает, когда центр запястья находится на цилиндре, центр которого расположен на оси 1, а радиус равен расстоянию между осями 1 и 4. Это называется сингулярностью плеча. Некоторые производители роботов также упоминают сингулярности выравнивания, когда оси 1 и 6 становятся совпадающими. Это просто частный случай сингулярности плеча. Когда робот приближается к сингулярности плеча, первое сочленение (ось 1) вращается с очень высокой скоростью. Третий и последний тип сингулярности в вертикально сочлененных шестиосных роботах с разделенным запястьем возникает, когда центр запястья находится в одной плоскости с осями 2 и 3. Сингулярности тесно связаны с явлением блокировки карданного подвеса, которое имеет аналогичную первопричину — выстраивание осей.

Здоровье и безопасность

Международная федерация робототехники прогнозирует рост внедрения промышленных роботов во всем мире и оценивает количество новых роботов, установленных на заводах по всему миру, в 1,7 миллиона к 2020 году [IFR 2017]. Быстрый прогресс в технологиях автоматизации (например, стационарные роботы, коллаборативные и мобильные роботы, а также экзоскелеты) обладает потенциалом для улучшения условий труда, но также может создавать риски для безопасности на производственных рабочих местах. Несмотря на отсутствие данных о профессиональном наблюдении за травмами, непосредственно связанными с роботами, исследователи из Национального института охраны труда США (NIOSH) выявили 61 случай смерти, связанный с роботами, в период с 1992 по 2015 год, используя поиск по ключевым словам в базе данных переписи несчастных случаев на производстве Бюро статистики труда (BLS) (см. информацию из Центра исследований в области профессиональной робототехники). Используя данные Бюро статистики труда, NIOSH и его региональные партнеры расследовали 4 случая смерти, связанные с роботами, в рамках Программы оценки и контроля смертности. Кроме того, Управление по охране труда (OSHA) расследовало десятки случаев смерти и травм, связанных с роботами, с информацией о которых можно ознакомиться на странице поиска инцидентов OSHA. Количество травм и смертельных случаев может увеличиться со временем из-за растущего числа коллаборативных роботов, работающих совместно с людьми, роботизированных экзоскелетов и автономных транспортных средств на рабочих местах. Стандарты безопасности разрабатываются Ассоциацией робототехники (RIA) совместно с Американским национальным институтом стандартов (ANSI). 5 октября 2017 года OSHA, NIOSH и RIA подписали соглашение о сотрудничестве для совместной работы по повышению технической экспертизы, выявлению и решению потенциальных опасностей на рабочем месте, связанных с традиционными промышленными роботами и новыми технологиями коллаборативной робототехники, а также для определения необходимых исследований по снижению рисков на рабочем месте. 16 октября NIOSH открыл Центр исследований в области профессиональной робототехники, чтобы "оказывать научное руководство для разработки и использования рабочих роботов, повышающих безопасность, здоровье и благополучие работников". На данный момент NIOSH и его партнеры определили следующие исследовательские потребности: отслеживание и предотвращение травм и смертельных случаев, разработка стратегий вмешательства и распространения информации для продвижения безопасных процедур управления и обслуживания машин, а также внедрение эффективных, научно обоснованных методов в практику на рабочих местах.