Roboty przemysłowe

1206 Powstaje pierwszy prymitywny robot, przypominający wyglądem człowieka. A dokładnie - czterech automatycznych muzyków umieszczonych w mechanicznej łodzi, pływającej po wodzie. Wynalazek ten, stworzony przez arabskiego naukowca, Al-Jazariego, miał zabawiać gości podczas przyjęć królewskich.

1753 Pojawia się pierwszy w cywilizacji zachodniej prawdziwy automat do pisania tekstu, zbudowany przez Friedricha Knausa. Nie mniej ważne od funkcjonalności maszyny były wykonane na niej zdobienia, charakterystyczne dla tamtych czasów.

1. Krosno Josepha Jacquarda

1784 Powszechnie uważa się, że pierwszym urządzeniem samoczynnej regulacji, które znalazło szerokie zastosowanie w przemyśle, był regulator prędkości obrotowej maszyny parowej, wynaleziony przez Szkota Jamesa Watta. Konstrukcja stanowiła zalążek koncepcji rozwijanych później w automatyce i robotyce przemysłowej.

1792 Edmund Cartwright buduje urządzenie czeszące wełnę podawaną do mechanicznych urządzeń przędzalniczych.

1805 Joseph Jacquard buduje automatyczne krosno (1), kontrolowane przez kartę dziurkowaną (perforowaną). Karty tego typu będą później stosowane jako metoda sterowania pierwszych komputerów w XX wieku.

1868 James Clerk Maxwell opracowuje matematyczną teorię regulacji maszyny parowej. Wykorzystanie równania różniczkowego opisującego właściwości urządzenia regulacyjnego pozwoliło wyjaśnić przyczyny niepoprawnego (w niektórych przypadkach) działania maszyn, stanowiąc kolejną podstawę teoretyczną do rozwoju systemów automatycznych, a potem robotycznych.

2. Prezentacja zdalnie sterowanej maszyny Tesli

1890-1898 Nikola Tesla buduje pierwsze maszyny sterowane zdalnie, a osiem lat później demonstruje w Madison Square Garden zdalnie sterowaną robo-łódź (2). Amerykański patent nr 613809, zgłoszony przez Teslę, opisuje pierwsze na świecie urządzenie sterowane drogą bezprzewodową.

Łódź, zasilana poprzez wewnętrzne baterie, reagowała na sygnały radiowe. Tesla swoją metodę sterowania przeniósł także do pojazdów wszelakiego rodzaju oraz mechanizmów mobilnych. Chciał, aby możliwe było sterowanie dziesiątkami maszyn poprzez jednego lub kilku operatorów wykorzystujących odpowiednio dostrojone radionadajniki i radioodbiorniki. Łódź Tesli uznaje się za prawdziwy moment narodzin robotyki.

1913 Henry Ford demonstruje pierwszą linię montażową do produkcji zautomatyzowanej (zobacz także: Inżynier utrzymania ruchu...Mistrz i jego maszyny).

1921 Czeski pisarz Karel Čapek po raz pierwszy używa słowa "robot" - czyni to w swojej sztuce "R.U.R" (Rossum’s Universal Robots). Słowo "robot" po czesku znaczy "robota", czyli ciężka, żmudna i przymusowa praca.

1938 Powstaje pierwszy programowalny mechanizm malowania sprayem, opracowany przez dwóch Amerykanów - Willarda Pollarda i Harolda Rosenlunda.

1946 George Devol zgłasza patent na urządzenie odtwarzające zapisany sygnał do sterowania maszyn.

1947 Zostaje opracowany pierwszy prototyp teleoperatora z serwonapędem elektrycznym.

1948 Pojawia się konstrukcja teleoperatora ze sprzężeniem zwrotnym od siły.

1949 W Massachusetts Institute of Technology (MIT) rozpoczynają się badania nad obrabiarkami sterowanymi numerycznie (3), prowadzone na potrzeby lotnictwa wojskowego Stanów Zjednoczonych. Na podstawie funkcji matematycznych opisujących kształt przedmiotu opracowano sterowanie przetwarzające sformułowane binarnie i impulsowo wartości wejściowe połączeń oraz schematów na ruch elementów frezarki.

3. Współczesna tokarka sterowana numerycznie

1954 George Devol projektuje programowalny manipulator, opatentowany w roku 1956 (do zastosowań w przemyśle).

4. Robot cylindryczny Versatran

1954 Pojawiają się mobilne roboty przemysłowe. Pierwszy na świecie wózek elektryczny bez kierowcy, wyprodukowany przez Barrett Electronics Corporation, rozpoczął przenoszenie ładunków w magazynie sklepu spożywczego w Południowej Karolinie.

1959 Prezentacja w Laboratorium Serwomechanizmów (MIT) procesu produkcyjnego wspomaganego przez komputery.

1960 Firma American Machine and Foundry (AMF Corp.) tworzy pierwszego na świecie robota cylindrycznego, nazwanego Versatran (4). Został zaprojektowany przez Harry’ego Johnsona i Veljko Milenkovica. Na rynku pojawia się dwa lata później.

1961-62 Powstaje pierwsze ramię robota przemysłowego - Unimate (5) (zobacz także: Egzoszkielety - skromniej znaczy skuteczniej). Zbudowała je firma Unimation, założona przez George’a Devola i Josepha Engelbergera. Ten przemysłowy manipulator zaprojektowano do wykonywania powtarzalnych i niebezpiecznych zadań na linii produkcyjnej General Motors w Trenton (USA). Ważący 1,8 ton robot od 1961 r. pracował przy obsłudze wysokociśnieniowej maszyny odlewniczej. Umieszczał ważące kilkanaście kilogramów odlane aluminiowe części samochodowe w pojemnikach, w których się chłodziły. Wykonując powtarzalne i niebezpieczne zadania, zastąpił ludzi pracujących do tej pory trzyzmianowo. Powtarzane przez robota komendy robota zapisane były w pamięci bębnowej.

5. Unimate - pierwszy robot przemysłowy

1963 Zespół specjalistów z Uniwersytetu Kalifornijskiego opracowuje pierwszy system wizyjny dla robota.

6. Ramię robotyczne Orm

1963 Powstaje jedno z pierwszych sztucznych ramion robotycznych sterowanych komputerowo. Rancho Arm służyło jako narzędzie pomocnicze dla ludzi upośledzonych. Miało sześć stopni swobody, dzięki czemu charakteryzowało się elastycznością typową dla ludzkiego ramienia.

1964 Pierwszy robot malarski, Tralfa, rozpoczyna pracę w fabryce w Norwegii.

1965 Victor Scheinman i Larry Leifer budują ramię robota nazwane Orm (6), co po norwesku znaczy "wąż". Napędzane było sprężonym powietrzem.

1969 Scheinman, wówczas student inżynierii mechanicznej pracujący w Laboratorium Sztucznej Inteligencji Uniwersytetu Stanford (Stanford Artifi cial Intelligence Lab), buduje ramię robotyczne Stanford Arm (7) - sześcioosiowego robota przegubowego, którego wszystkie osie były napędzane elektrycznie. Rozwiązanie staje się standardem i do dzisiejszych czasów ma wpływ na projekty tego typu ramion robotów.

7. Oryginalne ramię Stanford Arm

1970 General Motors zostaje pierwszą firmą wykorzystującą systemy wizyjne w zastosowaniach przemysłowych. W kanadyjskim zakładzie firmy w Saint Catharines zainstalowano wówczas system o nazwie Consight.

1972 Na Uniwersytecie w Nottingham w Anglii powstaje SIRCH, układ zdolny do rozpoznawania dowolnie zorientowanych dwuwymiarowych części.

8. Robot FAMULUS

1973 Firma KUKA buduje robota FAMULUS (8), który jest pierwszym modelem przegubowym, wyposażonym w sześć osi napędzanych elektromechanicznie.

1973 Na Uniwersytecie Stanforda zostaje opracowany pierwszy język przeznaczony specjalnie do programowania robotów (WAVE).

1973 Firma Cincinnati Milacron Corporation wprowadza do sprzedaży T3 (the Tomorrow Tool) - pierwszego ogólnodostępnego, komercyjnego robota przemysłowego (zaprojektowanego przez Richarda Hohna) sterowanego za pomocą minikomputera.

1973 Brytyjscy naukowcy prezentują w Edynburgu robota Freddy II - potrafi on automatycznie składać obiekty, posługując się wymieszanymi częściami leżącymi w stosie.

1974 Firma Hitachi prezentuje robota Hi-T-Hand, używającego czujników dotykowych i siłowych pozwalających na wkładanie do otworów sworzni.

1976 Shigeo Hirose na Tokijskim Instytucie Technologicznym (Tokyo Institute of Technology) projektuje chwytak Soft Gripper. Potrafi on objąć manipulowany obiekt w sposób podobny do tego, w jaki wąż opasuje przedmioty.

1979 Wprowadzenie w Japonii robotów SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm).

Lata 80. Powstają roboty drugiej generacji - potrafią wykonywać precyzyjne ruchy, przy pięciu do sześciu stopniach swobody. Znajdują zastosowanie w branży spawania przemysłowego i malowania sprejem.

1981 Pierwsza oficjalna ofiara śmiertelna spowodowana przez robota. W zakładach Kawasaki ginie Japoński robotnik Kenji Urada. Podczas pracy nad niesprawnym robotem nie wyłącza go z zasilania i zostaje zepchnięty ramieniem hydraulicznym pod szlifierkę.

1981 Takeo Kanade buduje robotyczne ramię z napędem bezpośrednim. Powstaje pierwsze na świecie mechaniczne ramię z silnikami zamontowanymi bezpośrednio w złączach. Dzięki temu rozwiązaniu mechanizm staje się znacznie dokładniejszy i szybszy niż poprzednie ramiona robotów.

1982 Do usunięcia skażonego materiału po wycieku paliwa radioaktywnego z elektrowni nuklearnej zostaje użyty robot Pedesco.

2005 Badacze z Uniwersytetu Cornell ogłaszają, że zbudowali pierwszego samopowielającego się robota. Powstał z czterech sześcianów ustawionych jeden na drugim. Każda z kostek może obracać się względem swojej przekątnej, co pozwala robotowi złożonemu z kilku elementów na manipulowanie innymi kostkami - np. robot "wieża" może zgiąć się i podnieść kolejną kostkę, dołączając ją do swojej struktury. Wielokrotnie powtarzając analogiczne operacje, proste roboty są w stanie składać własne kopie.

2007 Firma Adept Technology rejestruje w Amerykańskim Urzędzie Patentowym system Smart Camera. Obejmuje on inteligentne kamery sprzężone z robotami lub innymi ruchomymi mechanizmami. Unikalność rozwiązania polega na tym, że obraz jest przetwarzany już przez samą kamerę. System taki pozwala znacząco obniżyć koszty wykorzystywania systemów wizyjnych w produkcji.

2007 Naukowcy z Uniwersytetu stanu Waszyngton konstruują robota, który może poruszać się wzdłuż kabli wysokiego napięcia, sprawdzając ich stan, by uniknąć ewentualnych poważnych awarii sieci elektrycznej.

2008 Inżynierowie z Carnegie Mellon University oraz firmy Caterpillar rozpoczynają prace nad zrobotyzowaniem 700-tonowej ciężarówki służącej do wywożenia z kopalni 240 ton urobku.

2008 Brytyjskie Soil Machine Dynamics buduje dla CTC Marine Projects największego na świecie, 55-tonowego robota podwodnego, służącego do zakopywania rurociągów i magistrali kablowych na dnie morza. Może on pracować na głębokości do 1,5 km.

2009 Japońska firma Fuji Heavy Industries zaprezentowała konstrukcję pierwszego na świecie autonomicznego robota rolniczego. Potrafi on samodzielnie uprawiać warzywa i owoce, a pracować może nawet w szklarniach. Do lokalizacji wykorzystuje nawigację laserową.

2014 W sortowniach Amazona w Stanach Zjednoczonych wprowadza się transportowe roboty (9), wyprodukowane przez firmę Kiva Systems. Przypominają bezprzewodowe odkurzacze. Nawigują po magazynie dzięki naklejonym na podłogę znacznikom orientacyjnym. Poruszają się zgodnie z poleceniami z centralnego komputera sterującego ich ruchem. Dzięki skanowaniu kodów paskowych rozpoznają właściwe regały - wślizgują się pod paletę i zabierają wskazany stos pakunków. Są w stanie udźwignąć prawie 400 kg. Ponieważ zabierają stosy, podnosząc je pionowo, regały mogą być upakowane bliżej, co oszczędza powierzchnię magazynową.

9. Roboty Kiva pracujące w magazynie

2015 Firma Tesla prezentuje prototyp wężowatego robota, który służyć ma do ładowania energią elektryczną samochodu Model S. Urządzenie samodzielnie znajduje gniazdko ładowania w elektrycznym aucie i uzupełnia jego akumulatory.

Klasyfikacja robotów

Roboty dzieli się obecnie na szereg grup, w zależności od ich przeznaczenia, przynależności do poszczególnych generacji, a także różnorodnych parametrów charakteryzujących sposób i techniczne możliwości ich działania. Podajemy kilka możliwych i wybranych klasyfikacji, które oczywiście nie wyczerpują tematu - roboty daje się bowiem dzielić jeszcze na wiele innych sposobów.

I. Podział zgodnie z zastosowaniem przemysłowym:

• roboty spawalnicze, malarskie, montażowe;
• do przenoszenia materiałów i załadunku;
• do utylizacji i zabezpieczania odpadów itd.

II. Rodzaj zastosowanych przegubów:

• rotacyjne - obrotowe,
• translacyjne - przesuwane,
• mieszane.

III. Poziom inteligencji (wg Japan Robot Association):

• urządzenia sterowane ręcznie,
• roboty o stałej/zmiennej sekwencji ruchów,
• roboty odtwarzające,
• roboty sterowane numerycznie,
• roboty inteligentne.

IV. Własności geometryczne:

• konfiguracja kartezjańska (PPP) - mówimy o niej wtedy, gdy trzy pierwsze przeguby robotycznego manipulatora są pryzmatyczne. Zastosowanie: montaż na blacie stołu, transport materiałów;
• konfiguracja cylindryczna (OPP) - pierwszy przegub robota jest obrotowy i obraca się względem podstawy, natomiast kolejne przeguby są pryzmatyczne;
• konfiguracja antropomorficzna (OOO) - manipulatory składają się z trzech przegubów obrotowych;
• konfiguracja sferyczna (OOP) - powstaje w wyniku zastąpienia przegubu obrotowego przegubem pryzmatycznym;
• konfiguracja SCARA (OOP) - różni się od sferycznej wyglądem i obszarem zastosowań (montaż, sortowanie elementów);
• manipulatory równoległe o zamkniętym łańcuchu kinematycznym: powstają zgodnie z ideą odpowiednio zaprojektowanych trzech ramion i platformy.

V. Napęd:

• pneumatyczne - nośnikiem energii jest sprężone powietrze;
• hydrauliczne - nośnikiem energii staje się płyn hydrauliczny;
• elektryczne - poruszanie członów następuje przy pomocy silników elektrycznych.

VI. Przynależność do generacji robotów
Badacze przeanalizowali rozwój robotyki, oznaczając postęp w tej dziedzinie numerem generacji. Tak samo postępowano wcześniej z komputerami, procedura wydała się więc czymś oczywistym również w tym przypadku. Jednym z pierwszych inżynierów, który przeprowadził formalną analizę zjawiska, był Japończyk Eiji Nakano. Oto zaproponowany podział na generacje:

• generacja pierwsza - tworzą ją roboty odtwarzające, które realizują zadane programy ruchowe; są zdolne do samodzielnego wykonywania i powtarzania prostych czynności;
• druga - znajdziemy tu roboty wyposażone w system sensoryczny, czyli mające "zmysły", umożliwiające im reakcję na dotyk i sygnały dźwiękowe, a także zapewniające zdolność rozróżniania kolorów i kształtów;
• trzecia - roboty tej grupy wyposażono w system wizyjny, który pozwala na obserwację zmian środowiska, a słuch umożliwia komunikację głosową. Maszyny te mają już także wmontowany techniczny układ sztucznej inteligencji;
• czwarta - roboty o sterowaniu adaptacyjnym;
• piąta - roboty inteligentne.

M.U.