Инновации 1 июля 2024

Учим робота чувству локтя

Выступая на Петербургском международном экономическом форуме, президент России Владимир Путин поставил задачу: «К 2030 году по числу промышленных роботов Россия должна войти в число 25 ведущих стран мира». Обсуждаем пути решения этой задачи с научным руководителем компании НПК АМС Александром Андреевым
Учим робота чувству локтя
Научный руководитель компании НПК АМС Александр Андреев
Фото из личного архива А. Андреева

Статья публикуется одновременно в журналах «Монокль» и «Стимул».

Решить задачу, поставленную президентом, непросто: пока Россия по числу установленных роботов отстает даже от таких небольших стран, как, например, Чехия. Ситуация усугубляется тем, что большинство роботов в России — иностранного производства. А ведь одновременно Россия должна решить задачу достижения технологического суверенитета.

ООО «Научно‐производственная компания “Автоматизация и модернизация станков”» (НПК АМС) разрабатывает и производит роботы, в первую очередь в интересах промышленности. Мы встретились с ее научным руководителем Александром Андреевым, чтобы обсудить с ним перспективы развития роботостроения в России, проблемы, которые возникают на этом пути, и узнать о разработках его компании.

— Уровень роботизации принято измерять соотношением числа установленных в промышленности роботов к 10 тысячам человек, занятых в промышленности. Лидером по этому показателю в мире является Южная Корея — 1012 роботов на 10 тысяч человек в 2022 году.

А лидером по абсолютному потреблению роботов является Китай. По итогам 2022 года больше половины всех роботов, установленных в мире, пришлось на КНР. По данным Международной федерации робототехники, в 2022 году в мире было установлено 553 тысячи роботов, из них в Китае — 290 тысяч.

А мы пока по числу роботов на 10 тысяч человек в промышленности находимся где-то в самом конце списка. Мы не то что в топ-25 не входим, мы даже не входим в зону наблюдения Международной федерации робототехники. По моим расчетам, в России сегодня семь роботов на 10 тысяч человек, занятых в промышленности.

Но сейчас количество установленных у нас роботов растет в арифметической прогрессии. И дело здесь не только в том, что президент дал команду. В конце концов, промышленность работает по рыночным законам. Просто созрели условия.

magnifier.png Уровень роботизации принято измерять соотношением числа установленных в промышленности роботов к 10 тысячам человек, занятых в промышленности. Лидером по этому показателю в мире является Южная Корея. А лидером по абсолютному потреблению роботов — Китай

Очень долгое время у нас промышленные роботы практически не устанавливались. Была очень большая пауза после некоего бума робототехники в 1980-е годы, когда Советский Союз стремился следовать общемировой тенденции — ускоренной роботизации производства. Но с начала 1990-х у нас все это было полностью прекращено просто потому, что промышленность стагнировала. Предприятия машиностроения и вообще обрабатывающая промышленность практически ушли от серийного производства. А автоматизация экономически эффективна при серьезных сериях. При малых объемах производства никакое средство автоматизации, в том числе промышленные роботы, не окупается. Поэтому у нас оставались только островки потребления промышленных роботов, прежде всего в автомобилестроении. Основным потребителем чуть ли не пятнадцать-двадцать лет, начиная с 1991 года, был АвтоВАЗ, который к тому же имел у себя собственное производство роботов по лицензии компании KUKA.

Это история, о которой я хотел бы рассказать, потому что она очень поучительна для сегодняшнего момента. В середине 1980-х у компании KUKA была приобретена лицензия для АвтоВАЗа, и на АвтоВАЗе было организовано сборочное производство роботов. Сначала из комплектации, полностью поставляемой из Германии, но в Советском Союзе тогда был взят курс, как это сегодня называется, на импортозамещение, и практически все узлы и подсистемы роботов уже к 1990 году были освоены на разных предприятиях. А АвтоВАЗ делал основные механические компоненты и собирал роботы. И только один блок, а именно центральный вычислитель системы управления роботом, не был воспроизведен. Тогда это была система RCM компании Siemens.

Производство роботов на АвтоВАЗе было организовано в большом подразделении, которое называлось «Производство технологического оборудования», ПТО. Но когда контрольный пакет АвтоВАЗа был продан фирме Renault‒Nissan, французы начали постепенно это ПТО сворачивать. Потому что всю конструкторско-технологическую подготовку производства новых моделей автомобилей они отправили к себе во Францию. И ПТО для них стало просто ненужным. Хотя производство роботов примерно до 2010 года все еще на АвтоВАЗе продолжалась.

Показательно, что за двадцать пять лет производства лицензионных роботов на АвтоВАЗе так и не была замещена система управления. Она всегда поставлялась из Германии. Несмотря на то, что АвтоВАЗ предпринимал попытки создать свою систему управления роботами, эти попытки, к сожалению, не увенчались успехом. Таким образом, «российские» роботы, производившиеся на АвтоВАЗе и потреблявшиеся в основном самим АвтоВАЗом, всегда оставались, по сути, продукцией иностранного происхождения, потому что ключевая комплектация, определяющая все технические характеристики и функционал роботов, поставлялась из-за рубежа. Пользуясь этим, компания KUKA неоднократно блокировала попытки АвтоВАЗа применить роботы на новых технологических процессах — например, для лазерной сварки или в режиме координатно-измерительной машины. Это делалось в интересах немецких автомобилестроителей — чтобы не развивать конкурента.


АНДРЕЕВ ГРАФИК1.jpg
«Монокль»

Для роботов нужны условия

— А сейчас у нас, на ваш взгляд, созрели условия для развития собственной робототехники?

— В России действительно долгое время не существовало условий для того, чтобы делать собственные роботы. А завозились они из-за границы точечно — под обеспечение каких-то специальных технологий: той же лазерной сварки, полирования лопаток.

Покупались при этом не сами роботы, которые являются комплектующими изделиями, а необходимые для производственных предприятий роботизированные технологические комплексы (РТК) или ячейки, куда входит сам робот, некое периферийное оборудование и много оснастки. Поэтому у нас на рынке, когда начался восходящий тренд применения роботов, появились так называемые системные интеграторы — компании, которые проектируют и поставляют РТК. По сей день они используют импортные роботы. Раньше европейские и японские, а теперь, конечно, китайские. Хотя сейчас появились и российские компании, которые утверждают, что они освоили производство роботов.

АвтоВАЗ еще в 2007‒2009 годах реализовывал, кстати совместно с МГТУ «Станкин», проект по разработке оригинальных российских промышленных роботов — серии ТУР, которая копировала модельный ряд компании KUKA. Но они не пошли в серию, потому что экономических условий для этого не было. Собственные роботы были дороже, чем собранные из импортной комплектации по лицензии KUKA. KUKA не отказывалась поставлять ни эту комплектацию, ни готовые роботы. Но сегодня ситуация другая, все европейские и японские компании, которые раньше нам поставляли роботы, с российского рынка ушли.


АНДРЕЕВ ГРАФИК2.jpg
«Монокль»

Теперь нам пришли на помощь китайские друзья, которые совершенно независимо от нас и намного раньше нас начали роботизироваться суперускоренными темпами. Там уже до сотни доходит количество собственных производителей роботов. Кстати, в Европе последние годы объемы потребления роботов падают. Потому что у них стагнирует обрабатывающая промышленность. А в Китае все активно развивается.

Соответственно, наши системные интеграторы, которые раньше брали роботы KUKA и подобные им, стали брать китайские роботы. С китайцами еще почему хорошо работать? Китайцы очень спокойно относится к своим брендам. Они позволяют на своих роботах писать все, что угодно: вы на них можете написать «Русский робот», и все шильдики вам китайцы изготовят на русском языке, и он будет вообще не иметь никаких внешних признаков китайского. Хотя, конечно, если чуть-чуть поскрести, то окажется, что все-таки конструкция и комплектация-то вся из Китая.

В последние годы у нас появились определенные требования к применению продукции российского происхождения — в государственном секторе нашей промышленности, где действует 719-е постановление правительства, и где российские производители получают некие преимущества. Там, если есть российский робот, то тогда не моги покупать китайский. То есть сейчас действительно созданы условия для организации собственного производства роботов: поручение президента, экономические кадровые организационные условия плюс протекционистская промышленная политика.

magnifier.png Сложилась уникальная ситуация, характерная, наверное, только для современной России: робот часто рассматривается не столько как замена имеющегося в наличии рабочего, сколько как альтернатива отсутствующему рабочему, которого просто неоткуда взять

— А когда использование роботов становится экономически эффективным?

— Во-первых, экономическая эффективность робота, как и любого производственного оборудования, естественно, зависит от его цены. Когда-то роботы были очень дорогим удовольствием. Скажем, в Советском Союзе роботизированный комплекс РМ-01 с финским лицензионным роботом PUMA-560 стоил от 80 тысяч рублей. Понятно, что если сравнить это с зарплатой советского рабочего в 200 рублей в месяц, которого робот должен был замещать, то срок окупаемости робота получался десятки лет. В процессе развития промышленной робототехники цена промышленных роботов везде постепенно снижалась — в силу удешевления комплектации, особенно электроники, совершенствования конструкций, уменьшения количества узлов и тому подобного.

Во-вторых, и робот, и любое средство автоматизации эффективны на повторяющихся технологических операциях, то есть начиная с определенного уровня серийности производства. Если наши предприятия многие годы занимались в основном только единичным и мелкосерийным производством продукции, то и не было условий для применения роботов. Но наша обрабатывающая промышленность вышла из застоя и развивается опережающими темпами, особенно последние три года. Серийность многих видов продукции резко выросла. Некоторые предприятия работают уже даже не в три смены, а в круглосуточном режиме, то есть вообще не прерывают производство. Для расширения производства нужны рабочие, а у нас острейший дефицит кадров. Сложилась уникальная ситуация, характерная, наверное, только для современной России: робот часто рассматривается не столько как замена имеющегося в наличии рабочего, сколько как альтернатива отсутствующему рабочему, которого просто неоткуда взять.

Следующее важное условие для роботизации — наличие кадров, обладающих соответствующими специальными знаниями и опытом. За то время, пока промышленные роботы у нас практически не применяли, исчезли компетенции. Понятно, что люди не забыли о том, что существуют промышленные роботы, но специалистов, способных оценить их эффективность и грамотно применить в производстве, не стало. Получилось, что, может быть, уже и созрели экономические условия, а оценить и реализовать их некому. И это очень долго было и остается по сей день сдерживающим фактором. Потому что опыта применения промышленных роботов и компетентных специалистов у большинства наших предприятий все еще нет, кроме, может быть, самых крупных производственных компаний. Специалисты только начали появляться.


АНДРЕЕВ ГРАФИК3.jpg
«Монокль»

Есть еще «вечные» условия для роботизации, которые не зависят от экономических факторов. Роботы применяются там, где технологическая операция опасна для человека, или там, где она принципиально не может быть выполнена человеком. Но эти случаи существовали всегда, поэтому единичное применение промышленных роботов у нас никогда полностью не прекращалось, но они довольно редки. Это не условия для массовой роботизации.

Сегодня в России все перечисленные тренды — снижение цены роботов, повышение серийности производства, недостаток производственных рабочих, образование компетенций — сложились. Соответственно, мы видим, что у нас на 40 процентов в год начинает увеличиваться количество установленных роботов. Правда, отсчет идет от чрезвычайно низкой базы, и даже такие темпы роботизации не позволят нам в ближайшие годы войти в топ-25 по числу установленных роботов.

— А чьи это роботы?

— Долгое время лидерами российского рынка были немецкая фирма KUKA, имевшая и имеющая здесь представительство, а также японские FANUC и Kawasaki плюс ABB — назову ее, традиционно, шведской. Робототехникой эти компании занимаются с 1970-х годов. Все эти компании имели представительства в России, деятельность которых сегодня приостановлена. То есть роботы были зарубежные. И из недружественных стран. Причем надо понимать, что роботы долгое время находились в списках Вассенаарского соглашения* как оборудование двойного применения, подлежащее экспортному контролю. Потом они были оттуда исключены в силу того, что все в мире, грубо говоря, научились их делать и уже не было смысла в ограничениях. Хотя некоторые категории роботов, несмотря на то что они в Вассенаарское соглашение не входят, под экспортным контролем, тем не менее, находятся. Яркий пример — прецизионные роботы компании FANUC.

* «Вассенаарское соглашение о контроле над экспортом обычных вооружений и товаров и технологий двойного назначения», международная система, созданная в 1996 году с целью осуществления контроля за международной торговлей оружием и технологиями двойного назначения.


СВАРОЧНЫЙ РОБОТ.jpg
Сварочный роботизированный технологический комплекс (РТК) с роботом ООО НПК АМС грузоподъемностью 20 кг

Математика для обучения робота

— Прецизионные, то есть с особо точным позиционированием…

— Да, но надо пояснить, что это значит применительно к роботам. Есть одно очень существенное отличие робота от станка, хотя, казалось бы, и то и другое — это средство перемещения инструмента по некоему заданному закону. Этим инструментом у станка является, например, фреза, или сверло, или резец.

Универсальные антропоморфные роботы отличаются тем, что они находятся внутри своей рабочей зоны. А рабочая зона станка находится внутри станка. То есть станок охватывает свою рабочую зону. А для робота рабочая зона охватывает его. Хотя это несправедливо для портальных роботов*. Но портальные роботы — это, вообще говоря, экзотика. Сегодня под промышленным роботом подразумевают механизм, повторяющий в какой-то степени руку человека. То есть это устройство, кинематика которого строится на основе поворотных осей, составляющих открытую кинематическую цепь. И именно это в устройстве робота является его основным отличием от станка.

Станки программируются в абсолютных координатах. То есть вы в программе пишете впрямую координаты, например X, Y, Z. Станок отрабатывает эти координаты с некоторой погрешностью, которая характеризует точность этого станка. Эта погрешность может составлять сотую долю миллиметра, а может даже микрон или доли микрона — для прецизионных или оптических станков. Речь идет об абсолютной погрешности. Конструкция станка обеспечивает позиционирование инструмента и движение инструмента по некоторым траекториям с этой точностью в абсолютной системе координат. А для робота это не так. Для всех роботов производители дают не абсолютную погрешность, а погрешность повторения программной позиции, которую называют повторяемостью. Повторяемость означает, что если вы в роботе инструмент выставите в некоторую позицию, то, уйдя с этой позиции, в следующий раз в эту позицию робот придет с этой вот погрешностью повторения программной позиции. А если вы попробуете робота программировать в абсолютных координатах, как станок, тогда вы столкнетесь с тем, что погрешность будет в разы или даже в десятки раз больше, чем эта повторяемость. Я, например, на практике видел абсолютную погрешность серийного робота в 20 миллиметров, при том что повторяемость у него была 0,1 миллиметра.

— И как эта проблема решается?

— Во-первых, для робота существует специальный метод программирования — метод обучения, Teach-In. Например, вам для реализации технологической операции необходимо обеспечить движение инструмента по отрезку прямой линии. Вы приводите робот в начальную точку при помощи пульта ручного управления и запоминаете ее. Далее делаете то же самое с конечной точкой. И задаете в управляющей программе робота линейное перемещение по отрезку с заданными таким образом концами. Траектория линейного перемещения рассчитывается системой управления робота уже автоматически. Если длина отрезка небольшая, то отклонение траектории от идеальной прямой линии будет незначительным — сравнимым с повторяемостью робота. А вот если отрезок проходит через всю рабочую зону робота, то отклонение может быть очень большим, потому что начинает влиять абсолютная погрешность робота, которая, повторюсь, намного больше его повторяемости. На практике специалисты, работающие с роботами, избегают длинных участков траектории, чтобы привязать опорные точки траектории к реальному объекту методом обучения. Чтобы обеспечить требуемую точность движения инструмента робота по траектории, неминуемо используется этот метод — даже если изначально управляющая программа предварительно подготовлена на компьютере средствами CAM.

magnifier.png Калибровка робота и управление им по расширенной математической модели — это ноу-хау производителей роботов. Используют ли, например, китайские производители роботов подобное математическое обеспечение и насколько оно у них совершенно — это вопрос для меня открытый

Во-вторых, роботы ведущих компаний имеют развитые средства очувствления. Используются датчики, по которым движение робота корректируется непосредственно в процессе движения, и робот как бы сам находит и реализует нужную траекторию движения инструмента. Например, при дуговой сварке используется коррекция траектории по величине сварочного тока. Горелка движется в биссектральной плоскости сварного шва, при отклонении от нее величина сварочного тока возрастает из-за сокращения дугового расстояния, и система управления робота автоматически возвращает горелку в биссектральную плоскость, то есть в плоскость с заданным значением сварочного тока. Используются и более сложные средства адаптивного управления — техническое зрение, лазерное сканирование, силомоментное очувствление и прочие. Но все это реализуемо, только если система управления робота поддерживает эти методы, что выполняется далеко не для всех роботов.

В-третьих, проблема большой абсолютной погрешности робота решается методом калибровки. Абсолютная погрешность робота велика в силу особенностей его конструкции, потому что это поворотные оси с большими рычагами. На оси в начале рычага одна угловая минута, а на конце у вас уже могут быть миллиметры. Зависит от длины рычага, от радиуса. Чем дальше от оси, тем погрешность больше. А роботы имеют руку длиной полтора-два метра, есть роботы и с длиной руки три метра, есть даже шесть метров. Рука робота — это механизм с открытой кинематической цепью, изготовленный неминуемо с некоторыми погрешностями. Оси не параллельны друг другу и не взаимно перпендикулярны. Длины звеньев имеют погрешности. То есть рука реального робота не соответствует идеальной шарнирно-рычажной модели, известной всем. Калибровка робота — это процесс построения и определения параметров индивидуальной математической модели конкретного робота, учитывающей как можно большее количество реальных — измеренных или рассчитываемых по результатам измерений — параметров этого робота. Выполняется, как правило, на заводе — изготовителе робота. Построенная в результате калибровки расширенная математическая модель конкретного робота закладывается в систему управления этого робота, и управление осуществляется по ней, из-за чего абсолютная погрешность робота снижается. Одна существенная оговорка: все это весьма сложная математика, на эту тему в мире защищено немало диссертаций и написано немало трудов. Калибровка робота и управление им по расширенной математической модели — это ноу-хау производителей роботов. Используют ли, например, китайские производители роботов подобное математическое обеспечение и насколько оно у них совершенно — это вопрос для меня открытый.

* Портальный робот — это машина, состоящая из манипулятора, установленного на подвесной системе, которая обеспечивает линейные движения по координатам x, Y, Z в декартовой системе координат.


РОБОТ МПК АМС.jpg
Робот ООО НПК АМС грузоподъемностью 20 кг

Наш принцип — все свое

— А у нас кто-нибудь разрабатывает подобное математическое обеспечение?

— Точно знаю, что этим занимается наша команда. Причем уже очень давно, с 1999 года, когда мы сделали по заказу Технического университета Берлина первую систему калибровки и систему управления роботом с функцией управления по расширенной математической модели и самокалибровки, то есть калибровки без использования специальных измерительных средств. С тех пор мы ушли далеко вперед, хотя общая постановка задачи не поменялась.

Мы вообще давно занимаемся разработкой систем управления роботами и программно-математическим обеспечением для них. Поскольку серийного производства роботов в России, кроме как на АвтоВАЗе, не было, а крупносерийного вообще никогда и, соответственно, потребности в российской системе управления роботами тоже не существовало, мы делали всякие управляющие комплексы для специальных решений, для специальных роботов, используя импортную аппаратную базу. Единичные экземпляры. Наша команда делала системы управления, когда мы были в «Станкине», тот же проект по серии ТУР. Но опять же на импортной комплектации. А сейчас мы завершаем разработку своей комплектации для роботов: системы управления модельного ряда сервоприводов и модельного ряда синхронных бесколлекторных электродвигателей. Все это находится в высокой степени готовности, учитывая значительный научно-технический задел, который был у нашей команды, когда мы в 2019 году образовали компанию НПК АМС.

Наши разработки отличаются самым высоким уровнем импортозамещения: мы отказались от любых лицензируемых зарубежных программных систем, используем отечественную электронную компонентную базу. Никаких чужих «черных ящиков». Даже от иностранных процессоров отказались.

magnifier.png Наши разработки отличаются самым высоким уровнем импортозамещения: мы отказались от любых лицензируемых зарубежных программных систем, используем отечественную электронную компонентную базу. Никаких чужих «черных ящиков». Даже от иностранных процессоров отказались

— То есть процессоры у вас тоже российского производства?

— У нас разработаны собственные топологии микроконтроллеров на базе открытых ядер RISC-V*, которые мы дополнили собственным тригонометрическим сопроцессором и средствами работы с 64-разрядными числами. Мы смакетировали микроконтроллеры на ПЛИС**, сделали полнофункциональные процессорные платы, которые уже работают, и системы управления на их основе по быстродействию уже не уступают лучшим иностранным аналогам. Когда перейдем на собственные СБИС***, будем еще быстрее. Но мы еще не имеем производства микроконтроллеров, а только находимся в стадии договоренности с российскими производителями.

— С «Микроном»?

— Нет, это не «Микрон». Пока я вам не могу назвать компанию. Но она из числа известных. У нас их не так много. И всем, в общем-то, кто в этой области работает, известно, какие компании у нас имеют производственные возможности для производства микропроцессоров по технологии 130 нанометров. Хотелось бы, конечно, 90 и меньше, но и 130 нам, в принципе, хватает, потому что мы свое системное программное обеспечение изначально панировали под маломощные процессоры, даже от операционной системы отказались.

В недавнем прошлом на восьмибитных процессорах системы ЧПУ работали и выполняли примерно то же самое, что сегодняшние. Но чтобы математику написать, приходилось потрудиться. Математику и нам приходится вылизывать под «железо». Но это реально. Наша маломощная процессорная плата даже семикоординатным роботом управлять позволяет.

* RISC-V — открытая и свободная система команд и процессорная архитектура для микропроцессоров и микроконтроллеров.

** Программируемая логическая интегральная схема. В отличие от обычных цифровых микросхем логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задается посредством программирования.

*** Сверхбольшая интегральная схема.


7осей робот.jpg
Модель 7-осевого робота

Для чего нужна седьмая координата

— А что это за седьмая координата, все роботы ведь имеют шесть координат?

— Инструмент робота — это некое твердое тело, положение и ориентация которого в пространстве определяется, как известно, шестью величинами. Это, как правило, три декартовы координаты и три угловые координаты. Но представьте себе, что робот подъехал к столу и захватом схватился за него, то есть зафиксировал инструмент. Это значит, что больше он двигаться никуда не может: шесть координат инструмента, шесть осей у робота, лишних нет. А у руки человека есть еще одна степень подвижности — уклонение локтя, можете попробовать. То есть у руки человека не шесть, а семь базовых координат.

Кинематика руки робота недаром срисована с руки человека. На ранних этапах развития робототехники были попытки делать другие кинематики, не подобные руке человека. Но все равно пришли к одной компоновочной схеме, по которой теперь делаются все универсальные роботы. И это математически обосновано. Эволюция не случайно сделала нам такую руку, а не другую. Нельзя человеческую руку улучшить, кроме как для каких-то узкоспециальных задач. И вот это уклонение локтя — чрезвычайно важное свойство. Поэтому не побоюсь, даю вам прогноз: в ближайшее десятилетие роботы в большинстве своем станут иметь семь степеней, а не шесть. Но есть одна проблема. Попробуйте управлять таким роботом. Потому что когда у вас есть шесть величин, то у вас при преобразовании координат есть система шести уравнений с шестью неизвестными. Понятно, что не всегда она решается, но для классической кинематики робота она решается. А если у вас будет шесть уравнений с семью неизвестными, то у вас получается бесконечное множество решений. И как управлять?

— Но вы у себя в компании научились, как я понимаю?

— Научились. И мы сейчас уже запланировали проект именно семиосевого сварочного робота, потому что там это дает преимущества. Мы дадим потребителю расширенные возможности по применению такого робота. Понятно, что это не везде нужно. Кстати, и не всегда роботы используют все шесть степеней подвижности. То же самое паллетирование, когда вам нужно на европаллету коробки поставить. Или вам нужно наставить пробирки в какую-нибудь кассету, или какие-то цилиндры в кассету, или шоколадные конфеты в коробки разложить и все такое. Это типичная операция паллетирования. Там шесть координат не нужны. Но доказательством эффективности семиосевого решения как универсального служит наша рука. Мы видим определенные перспективы применения нашей системы управления с таким расширенным функционалом. Как она пойдет в коммерческой реализации, время покажет. Это от многих очень факторов зависит.

— А вы роботы тоже сами конструируете?

— Конечно. Например, в МГТУ «Станкин» стоит наш опытный образец, грузоподъемностью 20 килограммов. Мы его уже испытали вдоль и поперек, апробировали в лаборатории сварки ФГУП «ЦНИИчермет имени И. П. Бардина», он там год варил высокопрочные стали. Сейчас мы уже имеем варианты с существенно облегченной конструкцией, чуть ли не в два раза. И собираемся новые роботы конструировать. Надеюсь, нам удастся привлечь на это ресурсы.

magnifier.png Кинематика руки робота недаром срисована с руки человека. На ранних этапах развития робототехники были попытки делать другие кинематики, не подобные руке человека. Но все равно пришли к одной компоновочной схеме, по которой теперь делаются все универсальные роботы. И это математически обосновано. Эволюция не случайно сделала нам такую руку, а не другую

— Прямо скажем, у вашей компании удивительный замах — и роботы сами разрабатываете, и двигатели, и процессоры. Но вы рассказали, какая серьезная конкуренция на мировом рынке среди производителей роботов. Тут и западные выдающиеся компании, и развивающиеся китайские. Как найти место на рынке для небольшой российской компании, которая к тому же все делает сама, а не рассчитывает на покупную комплектацию?

— Пока у нас единственная возможность — использовать те меры протекционизма, которые принимаются в силу нашей сегодняшней государственной промышленной политики. Все наши компании, производящие роботы и системы управления, вытеснены в те сектора рынка, где импортозамещающей наукоемкой продукции российского производства предоставлены некоторые специальные преимущества. И будут там оставаться, пока не достигнут себестоимости, сопоставимой с иностранными конкурентами, имеющими высокую серийность и доступ к дешевой комплектации.

Вся наша концепция — полный отказ от технических решений глобального рынка — работает только при условии, что российские производители имеют на российском рынке долгосрочные преференции, предоставленные государством для обеспечения технологического суверенитета нашей страны. Под эти условия наша концепция и была сформирована.

— А возможность сотрудничества с производителями роботов из дружественных стран, например из Китая?

— Мы по этому пути не пойдем. Хотя не возьмусь утверждать, что этот путь принципиально неправильный, особенно с учетом поставленной на уровне руководства государством задачи как можно быстрее ликвидировать наше отставание по уровню роботизации производства. Но нужно понимать, что договоренности с китайскими производителями роботов и локализация их решений в России — по принципу сначала крупноузловой сборки китайских роботов по китайской документации — кроме очевидного плюса, быстрого освоения производства роботов в России, связаны и с проблемами, которые могут быть неочевидны для неспециалистов.

Я не случайно вспомнил историю с автовазовскими роботами. Главное для меня в этой истории то, что, как я уже сказал, за двадцать пять лет производства лицензионных роботов на АвтоВАЗе так и не была замещена система управления. Она всегда поставлялась из Германии.

Проблема в том, что, даже если вы владеете документацией, в данном случае робота, но внутри документации, в ведомости покупных изделий есть «черный ящик», который определяет функционал конечного изделия, вы никогда не сможете улучшить своими силами это устройство. Вы можете произвести только по сути такое же. К примеру, если мы научимся делать китайские роботы, но серийность у китайцев будет в сто раз больше, чем у нас, себестоимость нашего робота, собранного из китайской комплектации, будет сильно больше. Ясно, что за пределами тех секторов рынка, которые прикрыты мерами государственного протекционизма, такие «российские» роботы не будут востребованы. И у нас, и тем более в других странах. А поскольку, как я уверен, китайцы системой управления с нами не поделятся, как когда-то немцы с АвтоВАЗом, то, как только вы захотите выйти за пределы базового функционала, вам нужно будет идти на поклон к производителю систем управления. А он на свое усмотрение может сказать: это вам мы поставлять не будем, потому что это у нас китайские производители берут и мы не хотим вам предоставлять сопоставимые условия со своими. Как это, опять же, делала KUKA в случае АвтоВАЗа. Пока вы делаете робота для обычной дуговой сварки, все нормально. Как только пойдет речь о лазерной сварке с адаптацией, со всякими интересными алгоритмами управления, которые не входят в базовую комплектацию, наступают ограничения. И вы не можете без того, кто разработал систему управления, самостоятельно это сделать. То есть за китайскими партнерами всегда будет сразу два конкурентных преимущества — цена и владение ключевым компонентом.


СЕРВОДВИГАТЕЛИ.jpg
Модельный ряд трехфазных синхронных бесколлекторных электродвигателей (сервоэлектродвигателей) 0,75-6,3 кВт, разрабатанных ООО НПК АМС

Не забыть о технике безопасности

— Так сложно сделать свою систему управления роботом?

— Вообще-то очень сложно. Что и показал опыт АвтоВАЗа. Что касается базового программно-математического обеспечения для управления промышленным роботом, то оно известно и даже доступно. Например, LinuxCNC*, которое можно скачать в интернете и установить на персональный компьютер — и дальше дело техники, чтобы у тебя заработала система ЧПУ или система управления роботом.

Но если бы все было так просто и это все бы работало так, как надо, тогда уже давно все перешли бы на системы управления с открытым кодом и разработчики специализированных систем управления роботами стали бы не нужны. Такие решения студенческого уровня для настоящего промышленного робота не годятся. Что делать со всеми коррекциями, калибровкой, управлением по расширенной математической модели — для снижения абсолютной погрешности робота? Что делать с адаптивным управлением? Что делать с обеспечением безопасности человека-оператора?

Вот тут я хотел бы более подробно затронуть тему безопасности работы человека с роботами. У нас, в силу того что пока мал опыт широкого применения роботов, к ним часто относятся как к совершенно безопасным игрушкам. Это хорошо видно на регулярно проходящих выставках «Металлообработка», где демонстрируется множество разных роботов. Я вам скажу, что ее устроители чудом избегают чрезвычайных происшествий. Потому что люди ходят внутри рабочих зон роботов, приближаются к роботам спокойно совершенно. Причем к тяжелым роботам, которые при неконтролируемом движении просто убьют. Понятно, что надежность систем управления и всей электроники роботов сегодня высокая. И вероятность сбоя крайне низкая. Но она не равна нулю. Не случайно в мире приняты специальные стандарты безопасности при применении роботов. Одно из важнейших требований — если робот работает в автоматическом режиме, то нахождение человека в рабочей зоне робота запрещено. Если человеку необходимо зайти в рабочую зону робота, за защитное ограждение, то применяется специальный тестовый режим, описанный в стандартах безопасности. Скорость робота при этом снижается. И он не имеет права, так сказать, разогнаться до рабочих скоростей. Человек заходит за ограждение с пультом ручного управления, на котором есть трехпозиционный выключатель согласования. Человек держит его нажатым. И робот должен немедленно остановить работу и затормозиться, если человек отпустил или от испуга сильно нажал кнопку. И в том, и в другом случае робот должен перейти в режим динамического торможения, причем в автоматическом режиме. Сегодня к этому отношение пока наплевательское у нас в России.

Если я имею дело с серийными KUKA или FANUC и я с пультом и соблюдаю все правила техники безопасности, я все-таки уверен в их безопасности. Насчет китайцев пока не уверен. Потому что я не знаю, при том количестве недавно появившихся производителей китайских роботов, насколько у них реализованы все функции безопасности.

magnifier.png Надежность систем управления и всей электроники роботов сегодня высокая. И вероятность сбоя крайне низкая. Но она не равна нулю. Не случайно в мире приняты специальные стандарты безопасности при применении роботов. Одно из важнейших требований — если робот работает в автоматическом режиме, то нахождение человека в рабочей зоне робота запрещено

Например, на АвтоВАЗе за всю историю роботизации было несколько несчастных случаев, даже со смертельным исходом. Потому что если случается какой-то сбой в системе управления, то робот совершает неконтролируемые перемещения — возможно, с существенно большей скоростью, чем контролируемые. Скажем, номинальная частота вращения электродвигателя, оси плеча — порядка трех тысяч оборотов в минуту, передаточное отношение редуктора оси примерно сто. Три тысячи разделите на сто, у вас получится 30 оборотов в минуту, или пол-оборота в секунду. То есть робот может нечаянно махнуть рукой на 180 градусов за одну секунду. Если человек по неосторожности находится в зоне движения руки робота, несчастный случай неминуем. Мне рассказывали специалисты с АвтоВАЗа, как при сбоях люди буквально бегали по стенкам ограждения ячеек, как обезьяны, спасаясь от робота, неконтролируемо размахивающего тяжелой рукой с большой скоростью, да еще с грузом.

Или у нас сейчас стали очень модными так называемые коллаборативные роботы. Коллаборативные — это роботы, которые допускают нахождение человека в рабочей зоне робота при его автоматической работе. И они не требуют установки ограждений. Это специальный вид роботов. Они прямо так и называются — коботы, сокращение от коллаборативных роботов. Кобот — это очень удобно, потому что, если вы хотите автоматизировать загрузку станка при помощи настоящего промышленного робота, вам нужно обеспечить ограждение. А кобот просто поставили. А захотели — взяли, отодвинули его, пока не нужен.


ГАММА РОБОТОВ.jpg
Перспективная гамма роботов, разрабатываемая ООО НПК АМС

Но российских стандартов безопасности по применению коботов пока нет. И люди очень свободно и вольно трактуют, что такое кобот. Традиционные коллаборативные роботы имеют грузоподъемность меньше 10 килограммов, и они с замедленными движениями, плюс они оснащены всяким очувствлением, то есть если кобот наткнулся на что-то, он должен остановиться — вдруг это человек. А у нас сегодня объявляют, что будем делать кобота с грузоподъемностью 30 килограммов, например. Мне, как робототехнику, совершенно непонятно, как можно на роботе, который имеет такую грузоподъемность, обеспечить безопасность человека в рабочей зоне. Потому что, если он разогнал груз в 30 килограммов, он его все равно из-за инерции не может мгновенно остановить. Но раз нормативных требований безопасности нет, то и спроса нет.

Вообще, учитывая малое число роботов, которое у нас применяется, и высокую надежность современных технических решений, вероятность несчастных случаев небольшая. Но увеличение парка роботов и продолжительности их применения при таком наплевательском подходе рано или поздно приведет к неприятным последствиям.

И возвращаясь к системе управления роботом. Сделать безопасный робот с системой управления на персональном компьютере при помощи программного обеспечения, скачанного из интернета, нельзя. Можно сделать макет, который будет шевелиться и даже будет похож на настоящего робота. Но это решение в промышленность нельзя пускать. Это оборудование, связанное с повышенной опасностью, здесь шутки в сторону.

* LinuxCNC — бесплатная программная система Linux с открытым исходным кодом, которая реализует возможности числового управления с использованием компьютеров общего назначения для управления станками с ЧПУ.

Фотографии из личного архива Александра Андреева





Темы: Инновации

Еще по теме:
19.07.2024
В Южно-Уральском университете создали инновационный протез-трансформер. Протез нижних конечностей можно легко приспособи...
05.07.2024
В начале XIX века во Франции появилась революционная промышленная технология — полуавтоматизированный станок для точного...
04.07.2024
Российские ученые разработали инновационный способ тушить пожары. Исследователи Томского политехнического университета &...
03.07.2024
Отказ в венчурном финансировании — один из главных страхов начинающего предпринимателя. Каковы могут быть причины для от...
Наверх