Промышленный робот: История инноваций

Производство середины двадцатого века гудело от непрерывной деятельности, однако его основа, человеческий труд, часто был опасным и монотонным. Рабочие трудились в условиях, отмеченных тяжелым машинным оборудованием, токсичными испарениями и повторяющимися нагрузками, что приводило к частым травмам и низкому моральному духу. Потребность в более безопасном и эффективном подходе была неоспорима, и это видение начало формироваться в сознании одного провидца. «Как однажды написал Чарльз Диккенс, «Это было лучшее из времен, это было худшее из времен», и для многих фабричных рабочих их повседневная реальность часто ощущалась как последнее», — размышлял Джордж Девол, вдумчивый американский изобретатель. «Нам нужен был радикальный сдвиг». Он представил себе машину, которая могла бы воспроизводить человеческие действия с неутомимой точностью, особенно для опасных или отупляющих задач, запатентовав свое устройство «Программируемый перенос предметов» в тысяча девятьсот пятьдесят четвертом году.

Требования промышленного производства намного превосходили человеческую выносливость. Такие задачи, как манипулирование расплавленным металлом при литье под давлением, нанесение равномерных сварных швов в горячих, стесненных условиях или распыление токсичных химикатов, требовали непоколебимой концентрации и выносливости. Такая работа подвергала людей воздействию экстремальных температур, опасных материалов и кумулятивных травматических расстройств, влияя как на здоровье, так и на качество продукции. Решение должно было преодолеть эти присущие биологические ограничения. «Инженер, вытирая пот со лба, жестикулирует в сторону большой, сложной машины. «Нам нужна машина, которая сможет выполнять эти действия с непоколебимой точностью, изо дня в день. Речь идет не только о скорости; речь идет об абсолютной надежности», — решительно заявляет Джордж Девол. «Люди просто не могут поддерживать это постоянное, точное движение в течение длительных периодов без усталости или ошибок». Он понимал критическую потребность в новом классе автоматизации, который мог бы предложить повторяемое, программируемое управление».

Ранняя концепция Девола, запатентованная в тысяча девятьсот пятьдесят четвертом году, была не просто автоматизированной машиной, а устройством «программируемой передачи предметов». Она была разработана, чтобы «обучать» машину последовательности движений, записывать их, а затем воспроизводить их многократно. Основная проблема заключалась в точном захвате сложных многоосных движений и последующем преобразовании их в надежные механические действия, что сильно отличалось от простой фиксированной автоматизации. Ранние прототипы испытывали трудности с точностью и адаптивностью, но фундаментальный принцип «памяти движения» формировался. «Ранний инженер, сгорбившись над загроможденным верстаком, указывает на серию сложных механических чертежей. «Основная идея, как мог бы заметить Леонардо да Винчи, зарисовывая свои автоматы, состоит в том, чтобы дать машине память движения», — объясняет он коллеге. «Но точное воспроизведение переменной скорости, силы и сложных пространственных траекторий с помощью механических звеньев — наша настоящая задача». Они обсуждают грубые попытки создания системы «воспроизведения».»

Инновационная концепция Джорджа Девола нуждалась в лидеоне с коммерческой хваткой и инженерным руководством. В тысяча девятьсот пятьдесят шестом году он встретил Джозефа Энгельбергера, инженера и предпринимателя, который сразу же осознал огромный потенциал «программируемого манипулятора» Девола. Их сотрудничество стало ключевым, приведя к образованию в тысяча девятьсот шестьдесят первом году компании «Юнимейшн Инк.», первой в мире робототехнической компании. Энгельбергер обеспечил критически важное финансирование и применил систематический подход к превращению видения Девола в рыночный продукт, сосредоточившись на гидравлической мощности и памяти на магнитном барабане для надежных, повторяющихся операций. «Джозеф Энгельбергер, оживленный и полный энтузиазма, жестикулирует, указывая на подробную схему на чертежном столе. «Джордж, ваше видение программируемого манипулятора согласуется с тем, что Альберт Эйнштейн понимал под изобретательностью: «Логика приведет вас из пункта А в пункт Б. Воображение приведет вас куда угодно». Нам нужно это воображение в сочетании с надежной инженерией, чтобы воплотить это в реальность для промышленности!» Он взволнованно обрисовывает путь вперед для их нового предприятия, «Юнимейшн».»

Под руководством Девола и Энгельбергера, Unimation разработала Unimate, первого в мире промышленного робота. Его конструкция была революционной: тяжелая, многосуставная рука, способная двигаться по шести осям, приводимая в действие гидравликой и управляемая магнитной барабанной памятью. Эта система «обучения-воспроизведения» позволяла оператору вручную направлять руку по желаемой последовательности движений, которые робот затем тщательно записывал и повторял. Этот прорыв обеспечил точность, мощность и повторяемость, которых не хватало традиционной фиксированной автоматизации, обещая новую эру в эффективности и безопасности производства. «Наблюдая за первым успешным, плавным движением Unimate, Джордж Девол с видом тихого удовлетворения поворачивается к Энгельбергеру. «Эта машина воплощает то, что Мария Кюри могла бы назвать «настойчивостью». Путь научного и инженерного прогресса никогда не бывает легким, но ее безупречное, повторяемое движение доказывает концепцию. Мы воплотили в жизнь неутомимого, точного работника». Рука робота без усилий поднимает тяжелый компонент».

Гениальность Unimate заключалась в его системе «обучения и воспроизведения». Вместо сложных языков программирования, оператор-человек физически брал руку робота и направлял ее, выполняя точные движения, необходимые для выполнения задачи. Пока оператор двигал руку, система управления робота — память на магнитном барабане — записывала точные координаты и углы суставов в каждой точке. После «обучения» робот мог воспроизводить эти сохраненные инструкции, повторяя сложную последовательность движений с невероятной точностью и скоростью, революционизируя то, как машины могли учиться и выполнять задачи. Инженер Unimation, женщина в практичной рабочей одежде и очках, жестикулирует в сторону руки Unimate, демонстрируя его программирование любопытному менеджеру завода. «Прелесть этой системы, — объясняет она, — в ее интуитивной простоте обучения. Как учил Конфуций: «Дай человеку рыбу, и ты накормишь его на день; научи человека ловить рыбу, и ты накормишь его на всю жизнь». Мы учим машину «ловить» точные, повторяемые движения, давая ей возможность решать сложные задачи».

В основе надежной работы Unimate лежала его гидравлическая система привода. Гидравлическая жидкость, нагнетаемая внутренним насосом, направлялась через точные клапаны в цилиндры, расположенные в каждом сочленении руки робота. Эта жидкость под высоким давлением давила на поршни внутри цилиндров, генерируя огромную силу для перемещения тяжелых сегментов руки. Контролируемый поток жидкости обеспечивал плавные, мощные и высокоточные движения, позволяя Unimate обрабатывать тяжелые грузы и выдерживать суровые условия промышленных сред, что было критическим преимуществом перед менее мощными электрическими или пневматическими системами той эпохи. Инженер, указывая на прозрачную схему руки Unimate в разрезе, объясняет механизм. «Эта сложная гидравлическая система, подобно замысловатой точности древнегреческого механизма, позволяет развивать огромную силу при тонком, контролируемом движении», — заявляет он, его палец прослеживает линию жидкости. «Это сочетание мускульной силы и тонкой моторики, делающее робота как мощным, так и деликатным, когда это необходимо, намного превосходящим любую чисто механическую систему».

В тысяча девятьсот шестьдесят первом году наступил переломный момент, когда General Motors внедрила Unimate на своем заводе в Трентоне, штат Нью-Джерси. Роботы были задействованы для выполнения опасных задач по литью под давлением, где они извлекали горячие металлические детали из машин и выполняли точечную сварку кузовов автомобилей — работы, ранее чреватые серьезными травмами. Последовательное, повторяющееся движение Unimate оказалось бесценным, не только сократив количество несчастных случаев на производстве, но и улучшив качество и скорость производства. Это ознаменовало неоспоримое появление промышленного робота, преобразив заводские цеха и продемонстрировав огромный потенциал автоматизации. «Менеджер завода General Motors, явно впечатленный, наблюдает, как робот Unimate точно управляет тяжелым сварочным пистолетом на шасси автомобиля. «Это действительно преобразует производство», — замечает он, размышляя о тяжелой работе, которую заменяет робот. — «Он воплощает то, что понимал Томас Эдисон: «Есть способ сделать это лучше — найди его». Unimate, безусловно, нашел для нас лучший, более безопасный и эффективный способ на сборочной линии».»

Успех в General Motors катализировал быстрое внедрение и развитие промышленных роботов. Другие производители быстро осознали преимущества, и технология начала распространяться по всему миру, особенно в Японии и Германии, где процветали инновации в области автоматизации. Появились новые конструкции роботов, специализирующиеся на таких задачах, как распылительная окраска, обработка материалов и сложная сборка. Переход от гидравлических к электрическим серводвигателям в более поздних конструкциях обеспечил большую скорость и гибкость, что позволило промышленным роботам проникнуть в различные секторы и фундаментально изменить глобальные производственные ландшафты. Джозеф Энгельбергер, теперь уже почтенный пожилой человек, осматривает шумный, модернизированный заводской цех, заполненный разнообразными роботами. «От маленькой идеи до глобальной революции», — размышляет он с гордой улыбкой на лице. «Как сказал Исаак Ньютон: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». Мы строили на гигантах автоматизации и инженерии, и, в свою очередь, появились новые гиганты».

Наследие промышленного робота глубоко: он значительно повысил эффективность производства, улучшил качество продукции и, что крайне важно, создал более безопасные условия труда. Его эволюция продолжается: от ранних, жёстких систем до сложных, управляемых искусственным интеллектом коллаборативных роботов (коботов), которые бесшовно работают рядом с людьми. Это изобретение не только переопределило труд, но и продвинуло человечество в эпоху передовой автоматизации, обещая будущие применения в таких областях, как медицина и освоение космоса, до персонализированного производства, постоянно бросая вызов нашим представлениям о работе и взаимодействии человека и машины. «Современный инженер, молодая женщина в изящной, оригинальной дизайнерской униформе с умным выражением лица, стоит рядом с коллаборативным роботом, который мягко ей помогает. «Будущее автоматизации — это не просто замена, — заявляет она, глядя прямо на зрителя, — а дополнение, как понимала Хелен Келлер, когда говорила: «В одиночку мы можем сделать так мало; вместе мы можем сделать так много». Люди и роботы, работая бок о бок, раскрывают беспрецедентный потенциал».