Перспективы робототехники

В статье содержатся статистические данные об использовании роботов различного назначения в мировом масштабе, представлены лидирующие мировые компании в области производства робототехники.

Эта информация, возможно, поможет читателю составить представление о сферах применения роботов и перспективах развития российской робототехники.

Перспективы робототехники

А. А. ХИМИЧЕНКО,

«МАТИ»-Российский государственный технологический университет им. К. Э. Циолковского, г. Люберцы

Е-mail: dudichek@mail.ru

История и сферы применения

Условно историю развития робототехники можно разделить на пять этапов.

Первый этап - зарождение. В 400 г. до н.э. греческий философ Акрит сконструировал летающих орла, голубя и ползающую улитку. Во времена египетского фараона Птолемея II Филадельфа (III в. до н. э.), согласно свидетельствам древних папирусов, был сделан даже механический человек. Созданием подобных автоматов занимался Герон Александрийский (I век н. э.). К сожалению, до нас дошли только документальные сведения, а не вещественные доказательства.

Второй этап приходится на средние века, когда в большом количестве создавались человекоподобные механизмы, названные «андроидами». Их созданием увлекались известные мастера во многих странах. Первые из известных андроидов изготовили швейцарский часовщик Пьер-Жак Дро и его сын Анри Дро в 1774 г. - механических писца, художника и музыканта. Произведения русского мастера Кулибина - замысловатые часы с движущимися фигурками людей и животных, пользовались большой популярностью.

© ЭКО 2008 г.

Третий этап - конец XIX и начало XX вв. - совпал со временем выдающихся открытий в разных областях науки и техники. Появились различные генераторы тока, аккумуляторы, средства коммуникации, электрические двигатели и другие устройства. В 1920 г. чешский писатель Карел Чапек в своей социально-фантастической пьесе («Россум-

ские универсальные роботы») впервые употребил слово «робот», которое вскоре признал весь мир. «Роботами» вслед за Чапеком стали именовать механических рабочих, внешне подобных человеку и предназначенных для замены людей на тяжелых физических работах.

Четвертый этап - с начала XX в. по 1990 годы. Новые научные достижения и открытия подвели под разработку роботов более совершенный научный фундамент. Наука, которая позже стала называться кибернетикой, дала свои плоды. Первые простейшие устройства, способные двигаться в направлении света, разработал американский ученый Н. Винер, он же сформулировал и основные положения кибернетики. Наибольшую известность приобрели «черепахи», созданные в 1950-1951 гг. английским биофизиком и нейрофизиком Г. Уолтером. Американский ученый и писатель Айзек Азимов в своём «Скитальце» даже сформулировал законы безопасности робототехники.

1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.

2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые отдает человек, кроме тех случаев, когда они противоречат первому закону.

3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в какой это не противоречит первому и второму законам.

Пятый этап - с конца XX в. по настоящее время. Появилось новое понятие - искусственный интеллект, а затем интеллектуальные роботы, которые наряду с человеком способны осуществлять определенные операции и реагировать на изменение среды. Окончательно сформировалось новое научно-техническое направление - робототехника.

Основные причины появления и развития робототехники: гуманное желание освободить человека от работы в тяжелых и экстремальных условиях; необходимость существенного повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции за счет абсолютной точности операций,

выполняемых роботами; экономия социальных затрат на предприятиях, где труд роботов заменяет труд человека.

Роботов принято делить на три поколения в зависимости от степени их совершенства и возможностей дальнейшего научно-технического прогресса: промышленные роботы, адаптивные роботы и роботы с искусственным интеллектом. Они оснащены средствами передвижения.

Самым распространенным научным направлением считается создание шагающих роботов, а также роботов, предназначенных для исследований космоса и океана. Авторство принадлежит американцу Дж. К. Ди-волу (патент 1954 г.). Через четыре года на основе этого патента американская фирма «Consolidated Controllers» разработала «автоматический программируемый аппарат» - прототип промышленного робота с цифровым управлением. Первые роботы в коммерческих целях были сконструированы под руководством Дж. Ф. Энгельберга и М. Дж. Дана, их выпустила в 1960 г. фирма «Consolidated Controllers» под торговой маркой «Unimate». Лицензия на использование термина «промышленный робот» была получена американской фирмой «American Machine and Foundry», которая в 1962 г. начала выпуск промышленных роботов типа «Versatran». Это были достаточно примитивные по современным меркам механические устройства для передачи предметов, которые под управлением человека-оператора в режиме обучения запоминали координаты некоторой последовательности точек, а затем автоматически перемещали рабочий орган от одной точки к другой в заданной последовательности, воспроизводя полный рабочий цикл необходимое количество раз.

Выпуск роботов в других промышленно развитых странах был начат: в 1967 г. - Англией, в 1968 г. - Швецией и Японией (по лицензии США), в 1971 г. - ФРГ, в 1972 г. - Францией, в 1973 г. - Италией. Отечественный автоматический манипулятор (для переноса и укладки металлических листов) был создан в 1966 г. предприятием «Эникмаш» (Воронеж). В 1971 г. появились первые образцы промышленных роботов -УМ-1, УПК-1, «Универсал-50».

В промышленности роботизированные технологические комплексы занимают важное место в производственном процессе. Промышленные роботы подразделяются на технологические, которые выполняют основные технологические операции: холодную и горячую штамповку, резание материалов, абразивную зачистку поверхностей, точечную и дуговую, электронно-лучевую сварку, нанесение покрытий, термическую обработку и т.д.,

и вспомогательные, обеспечивающие обслуживание основного технологического оборудования, а также выполняющие транспортную функцию по складированию и хранению изделий, механическую, микроэлектронную сборку и электрический монтаж. Распределение использования промышленных роботов по отраслям с учетом мировой тенденции представлено на рисунке.

Другие сферы

Строительство, медицина, телекоммуникации Пищевая, текстильная, легкая

Металлургическая Химическая Микроэлектроника Авиационная Автомобильная

0 10 20 30 40 50 60

Динамика применения роботов по отраслям промышленности в мире, тыс. шт.

Источник рисунка и таблицы: IFR, Международная ассоциация роботов

В основном промышленные роботы и их комплексы используются там, где требуется абсолютная точность в выполнении операций. Например, при внедрении промышленного робота для выполнения такой операции, как вырезка лопастей авиационного двигателя, производственное задание выполняется с точностью 0,005 мм. Кроме того, робот не устает, а технологические остановки намного короче, чем простой станков по вине рабочего.

Современные масштабы мирового развития робототехники

По данным Международной ассоциации роботов (IFR), общая численность выпуска промышленных роботов в 2007 г. составила более 156 тыс. шт., на 30% больше, чем в 2006 г.

По мнению многих аналитиков, это не предел - по прогнозам, к концу 2009 г. общая численность роботов в мире составит 210 тыс. шт.1

Чем же вызнан такой интерес руководителей предприятий, которые стараются внедрять в производственный процесс роботизированные технологические комплексы? Причины условно можно разделить на две группы - социальные и экономические.

Социальные:

• разрешается известное противоречие между высокой общеобразовательной подготовкой рабочих кадров и выполняемой им работой - зачастую монотонной, утомительной и лишенной всякого творчества;

• улучшаются условия труда - роботы заменяют человека на вредных и физически тяжелых работах;

• экономия трудовых ресурсов за счет высвобождения рабочих;

• уменьшается доля ручного труда;

• повышаются квалификация и общая культура труда, происходит перераспределение человеческих ресурсов из производственной сферы в сферу обслуживания;

• решаются важнейшие проблемы в сфере труда - оздоровление и безопасность труда рабочего.

Экономические:

• комплексная автоматизация производства повышает экономическую эффективность и чистую прибыль;

• улучшается качество продукции за счет исключения влияния на технологический процесс утомляемости и эмоций работника, а также вследствие повышения точности операций выполняемых роботом;

• растет производительность оборудования;

• реализуются «безлюдные» и гибкие технологии, что особенно важно в условиях стремительного роста стоимости рабочей силы, динамичности потребительского рынка и гуманизации производства.

1 International Federation of Robotics (http://www.iir.org).

Структура рынка

Лидером в применении роботов является Азия: Япония, Корея, Китай, Индия, Индонезия, Малайзия, Филиппины, Сингапур, а также Австралия и Новая Зеландия. Экономики данных стран ориентированы на машиностроение, авиастроение и микроэлектронику, что требует автоматизации производства на высоком уровне. Америка и Европа занимают второе место в использовании роботов (в основном, в металлургической, химической и электронной промышленности).

Европейские фирмы специализируются на использовании роботизированных комплексов в машиностроении. Страны-лидеры в этой области - Германия, Италия, Испания, Франция, Великобритания. Динамика роста числа промышленных роботов и масштабы их применения в мире представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Динамика роста числа промышленных роботов в мире в 2004-2009 гг., шт.

Страна 2004 2005 2006 2007 2008* 2009*

Америка 15400 21555 22182 28432 30000 40000

Бразилия 208 320 421 680

США 13170 18825 19068 24562

Канада 1482 1598 1695 2089

Мексика 518 713 863 917

Другие страны 22 99 135 184

Азия 52311 76047 85976 90380 115000 130000

Китай 3493 4461 4853 4962

Индия 369 450 482 536

Индонезия 74 193 216 184

Япония 37086 50501 58378 61340

Малайзия 250 243 286 292

Филиппины 65 80 94 97

Корея 5457 13005 13421 14691

Сингапур 244 424 537 635

Тайвань 3680 4096 4584 4687

Таиланд 757 1458 1644 1604

Вьетнам 14 99 150 87

Страна 2004 2005 2006 2007 2008* 2009*

Другие страны 170 124 139 164

Австралия 385 595 764 693

Новая Зеландия 267 318 428 408

Европа 29439 28863 30277 37246 40000 50000

Австрия 545 485 549 577

Финляндия 401 556 593 621

Франция 3009 3275 3451 3851

Германия 13401 10506 11531 15432

Италия 5679 5765 5862 6215

Норвегия 134 115 128 139

Португалия 211 144 198 264

Испания 2826 2949 3069 4621

Швеция 833 939 968 1057

Швейцария 310 442 487 587

Турция 24 207 195 284

Великобритания 785 1363 1594 1783

Восточная Европа 419 1149 867 964

Россия 862 968 785 851

Африка 57 204 185 176 0 0

Всего 97207 126669 138 156234 185000 210000

* Прогноз

Таблица 2

Применение роботов в отраслях промышленности в мире в 2005-2007 гг., шт.

Отрасль 2005 2006 2007

Автомобильная промышленность 57101 52450 57060

Авиационная промышленность 17532 20695 22361

Микроэлектроника 16923 19385 21981

Химическая промышленность 11068 12687 13624

Металлургическая промышленность 9228 11592 12951

Пищевая, текстильная, легкая промышленность 6581 9624 11581

Строительство, медицина, телекоммуникации 4339 7851 10695

Другие сферы применения 3897 4336 5981

Итого: 126669 138620 156234

В настоящее время главенство в разработке и производстве роботов принадлежит японским, американским и немецким компаниям.

Мировой рынок робототехники растет вместе с развитием программного обеспечения и ростом потребностей в оптимизации производственных процессов. Ведущими в производстве роботов являются следующие компании:

• ABB - производит роботов для монтажа, манипулирования, сварки, точечной и дуговой сварки, палеттирования, упаковки, лакировки, окраски;

• ADEPT - известная американская компания в области автоматизации производства. Производит роботов для манипулирования, сортировки, упаковки и других мелких операций, требующих высокой точности;

• FANUC - японская компания, основанная в 1972 г., имеет представительства во Франции, Германии, Нидерландах, Испании, Италии и Англии. Производит роботов для манипулирования, сварки, покраски. Роботы имеют широкий спектр применения в силу точности действий и характера выполняемых операций;

• KUKA - одна из крупных немецких компаний в области производства промышленных роботов и роботизированных технологических комплексов. Производит роботов с широким спектром применения: манипулирование, монтаж, полирование, сварка, точечная сварка, палеттирование, шлифование;

• японская корпорация «Mitsubishi Electric Corporation» считается мировым лидером, имеет 132 филиала и сбытовых компании, 74 производства и 8 научно-исследовательских центров. Образована в 1921 г., в ней работают около 100 тыс. сотрудников2. Высокотехнологичные роботы MELFA фирмы «Mitsubishi Electric» отличаются быстротой, точностью, компактным дизайном и долговечностью. В своем классе роботы MELFA лучшие и имеют широкие возможности для применения;

• Motoman, или группа Motoman/Yaskawa - всемирно известная американская компания по производству робототехники. На мировом рынке с 1983 г. Выпускает роботов для манипулирования, сортировки, упаковки, сварки, шлифовки, полировки;

• REIS Robotics хорошо зарекомендовала себя на европейском рынке робототехники в автомобильной, машиностроительной, полимерной и металлургической отраслях;

2 Mitsubishi Electric Corporation (http://Www.mitsubishi-automation.ru).

• STAUBLI - известная швейцарская фирма в производстве высокоточных роботов для применения в автомобильной, машиностроительной, фармацевтической, пищевой промышленности и в медицине.

Современные зарубежные компании имеют давнюю историю развития. Научная база корпораций, которые занимаются производством промышленных роботов, передавалась от поколения к поколению, сохранялся и приумножался наработанный опыт. Конкуренция между компаниями продолжается в силу того, что в образцах роботов есть отличия3.

Роботы в России

Развитие отечественной робототехники переживает большие трудности, отрасль фактически поставлена на грань выживания. Есть несколько причин такого положения. Во-первых, вся научно-техническая и исследовательская база робототехники долгие годы поддерживалась и финансировалась государством, основные приоритеты развития данной отрасли определялись на правительственном уровне. Во-вторых, развитие робототехники в Советском союзе стимулировалось и экономическим соперничеством между странами социалистического и капиталистического лагеря.

С началом рыночных реформ многие конструкторские бюро и НИИ, занимающиеся созданием роботов, остались без финансирования программ и проектов по дальнейшему развитию робототехники. В результате отечественная робототехника утратила конкурентоспособность и не соответствует новым мировым стандартам качества выпускаемой техники. С рынка промышленных роботов исчезли отечественные разработки.

Но несмотря на это, многие российские машиностроительные и авиационные предприятия стремятся проводить автоматизацию производства посредством внедрения роботизированных комплексов, чтобы выпускаемая продукция пользовалась спросом как на внутреннем, так и на внешнем рынках.

3 Breazeal C., Kidd C. D, Thomaz A. L., Hoffman G., Berlin M. Effects of Nonverbal Communication on Efficiency and Robustness in Human-robot Teamwork. In IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Edmonton, Alberta, Canada, August 2005.

Поэтому руководители отечественных компаний приобретают и внедряют зарубежные образцы роботов и роботизированные комплексы. В сложившейся ситуации такое решение требует огромных финансовых ресурсов.

Многие вузы страны все еще готовят специалистов по робототехнике и роботостроению. К сожалению, выпускники находят работу лишь на инжиринговых предприятиях иностранных компаний. Получается, что тридцать сильнейших технических вузов страны готовят специалистов, которые готовы продавать свой опыт и знания иностранным предприятиям, развивая таким образом инновационный потенциал других стран.

Развитие робототехники в России зависит многих причин. Робототехника - важная и перспективная отрасль промышленности, поскольку при помощи роботов и их комплексов руководители предприятий могут создавать высокоэффективное производство с минимальными издержками и высоким качеством продукции. Для достижения этой задачи они готовы привлекать инвестиционный капитал и вкладывать в развитие собственные средства предприятия с целью значительно увеличить чистую прибыль от продаж продукции в будущем. Таким образом, для многих развитых предприятий подобный подход стал основой стратегии работы на долгие годы.

Мировые лидеры в производстве робототехники уже конкурируют между собой на российском рынке, используя знания и опыт отечественных инженеров по робототехнике. Положение дел необходимо срочно менять: развивать отечественную робототехнику при помощи национальных проектов, которые должны приниматься и курироваться на федеральном уровне.