Шаронов Н.Г., Робототехника

Проект «Будущие лидеры технологий XXII века»
_________________________________________

Лекция «Робототехника» *
Шаронов Николай Геннадьевич, к.т.н.

Робототехника – это слово сегодня часто встречается в новостях, обзорах технологических новинок, в нашей ежедневной реальности.

Еще вчера это был далекий от непосредственно каждого из нас синоним производства без человека и замены человека.

Сегодня робототехника всё чаще используется людьми и в среде людей, создавая не только новые производства, но и меняя повседневную жизнь.

Что мы понимаем под словом «робот»? Есть много определений для этого понятия.

В нашей жизни слово роботы встречаются достаточно часто: роботы окружают в реальности, про роботов мы слышим из фантастических фильмов и новостных каналов. По определению российского государственного стандарта «Робот - программируемый исполнительный механизм с определенным уровнем автономности для выполнения перемещения, манипулирования или позиционирования».

Слово «робот» произошло от чешского robot от «robota» — "барщина, подневольный труд". От этого же слова берёт этимологическое начало древнерусское слово «рабство» и старославянское «работа». Впервые слово robot было напечатано в 1920 году в пьесе Карела Чапека «R.U.R», а придумал его брат писателя – Йозеф.

Истоки современной робототехники следует искать в двух местах. Во-первых, их можно найти в общей автоматизации: конвейерные автоматы, выполняющие повторяющиеся работы на большой скорости и с высокой точностью. Во-вторых, в исследованиях искусственного интеллекта.

Промышленный робот – это автоматическое устройство, состоящее из манипулятора и перепрограммируемого устройства управления, применяется для перемещения предметов производства и выполнения различных технологических операций.

Манипулятор состоит из шарниров (кинематических пар) и звеньев. Шарниры обеспечивают относительное движение звеньев, звенья – это твёрдые тела, соединяемые шарнирами. Различные типы шарниров: линейный и поворотный.  На практике используются только пары 5 класса (одна степень свободы).

Робот-манипулятор состоит из двух секций: тело и рука для перемещения объекта в рабочем пространстве. Запястье – для ориентации объекта.

Основные типы манипуляторов:

- шарнирный манипулятор - робот с поворотными шарнирами;

- SCARA - манипулятор обычно используется для сборки или сортировки, имеет цилиндрическое рабочее пространство;

- ортогональный робот, имеет три линейных привода, работающих в ортогональной системе координат, три призматических сочленения позволяют осуществлять прямолинейное движение вдоль каждой оси, популярно применение этой кинематической схемы в станках с числовым программным управлением;

- дельта робот - один из типов параллельных роботов. Состоит из трёх «рук», присоединённых к одному основанию одним концом и связанных универсальным шарниром на другом конце. Благодаря высокой точности и быстродействию такие роботы преимущественно применяются в пищевой промышленности, фармацевтике и электронике.

- параллельные и гибридные манипуляторы (параллельными называются звенья, образующие замкнутые кинематические цепи, двигатели могут быть расположены ближе к основанию: больше мощность, больше точность, проще подвод энергии, при этом обычно меньше рабочее пространство, сложнее кинематика).

Захватные устройства и инструменты промышленных роботов позволяют выполнять специфические задачи и предназначены для:

–захвата и манипулирования объектами в процессе рабочего цикла, например: механические, пневматические, магнитные, электростатические и др.

–выполнения технологических задач, например: дуговая сварка, точечная сварка, покраска и др.

Мировые производители промышленных роботов – крупные компания, такие как Fanuc Robotics, Yaskawa, Kuka, ABB. Области применения промышленных роботов – сварка, сборка, нанесение покрытий, механическая обработка и резка.

Преимущества промышленных роботов:

- увеличивают производительность, безопасность, эффективность производства, качество и стабильность продукции.

- могут работать в опасных условиях, не подвергая людей риску.

-  не нуждаются в комфортных условиях.

- работают непрерывно, не делая ошибок из-за усталости и утомления.

- способны работать с одинаковой точностью длительное время.

- превосходят человека в чувствительности и работают точнее, чем люди.

- не создают социальных и экономических проблем.

- могут обрабатывать многочисленные данные и выполнять несколько процессов одновременно.

Недостатки промышленных роботов:

- не способны реагировать на непредвиденные обстоятельства.

- ограничены в подвижности, манёвренности, возможностях получения внешней информации и работы в реальном времени.

- обходятся дорого из-за стоимости оборудования и периферии, стоимости установки, обучения и программирования.

Мобильный робот – это автоматический механизм, который может самостоятельно передвигаться и перемещаться в пространстве. Мобильные роботы классифицируются по трем основным характеристикам: по среде, в которой передвигаются; по устройству передвижения; по способам навигации.

Существует три больших класса машин: наземные, воздушные и подводные

Наземные: колесные, гусеничные, шагающие. Самые интересные из них — шагающие. В число колесных входят автоматические аппараты для освоения планет (луноходы и марсоходы) беспилотные автомобили, транспортные роботы-погрузчики, бытовые приборы типа робота-пылесоса.

Воздушные – прежде всего компактные дроны и самолеты, управляемые автопилотом.

Морские: подводные - автономные мобильные роботы, используемые в исследовательских или военных целях; надводные — катера с автономным или радиоуправлением.

Мобильные робототехнические системы могут иметь различные движители: колёсные (с разным количеством колес) и гусеничные, отличающиеся высокой проходимостью, шагающие и прыгающие, отличающиеся числом конечностей, на воздушной или электромагнитной подушке, с приводами на вакуумных присосках или липучках, а также гибридные локомоционные системы, комбинирующие два или несколько способов передвижения.

Область использования современных мобильных роботов практически безгранична. Наиболее перспективные отрасли - производственная логистика (транспортные роботы выполняют функцию погрузки, перемещения и доставки сырья, материалов и готовой продукции на промышленных предприятиях), военная техника (роботы способны достичь труднодоступных мест, особенно при выполнении миссий, опасных для людей: разминирование, разведка в зонах обстрела, боевые операции), научные исследования (в том числе на других планетах), сервис в урбанизированной среде (работы, связанные с уборкой дома и уходом за дворовой территорией; роботизированные игрушки; промоботы в сфере услуг и торговли), автомобильных транспорт (беспилотный транспорт внедряется в транспортную инфраструктуру).

В Волгоградском государственном техническом университете разработы оригинальные мобильные роботы с движителями, дискретно взаимодействующими с опорной поверхностью - многоопорные шагающие машины с цикловыми и ортогонально-поворотными движителями, а также мобильные роботы с тросовыми движителями.

Ортогональные роботизированные системы являются наиболее распространенным приводом 3D-принтеров. Аддитивные технологии появились чуть более 30 лет назад и с тех пор значительно развились, и получили массовое применение, продолжают они развиваться и находить всё новые сферы использования и по сей день. Области применения 3D печати - прототипирование, промышленный дизайн, частное производство, литейные формы, образование, ювелирное дело, макетирование, протезирование. Использование 3D принтера позволяет легко создавать наглядные макеты и модели для уроков, что сильно повышает интерес к учебе. Самостоятельная сборка 3D­ принтеров – довольно популярное занятие, требующее знаний в таких отраслях, как физика и математика, программирование и моделирование.

Востребованность специалистов в области автоматизации и робототехники очень высока во всем мире. В России также уделяется огромное значение роботизации и автоматизации. Цифровизация промышленности (актуальное название автоматизации) является одним из основных, приоритетных направлений развития России.

В Волгоградском государственном техническом университете, на факультет автоматизированных систем, транспорта и вооружений (ФАСТиВ) кафедра «Автоматизация производственных процессов» приглашает будущих студентов для обучения в бакалавриате (4 года) по направлениям:

- 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», профиль «Автоматизация технологических процессов и производств»;

- 27.03.04 «Управление в технических системах», профиль «Автоматизированные системы управления в цифровом производстве»;

- 27.03.04 «Управление в технических системах», профиль «Проектирование, эксплуатация и управление мехатронными и робототехническими системами»

- 27.03.04 «Управление в технических системах», профиль «Управление проектами и качеством продукции» (план содержит экономический и метрологический блок, выпускники будут ориентироваться в сторону управления предприятием и контроля качества продукции).

В Волгоградском государственном техническом университете обучают:

- управлять различными автоматизированными системами (промышленными роботами, станками с числовым программным управлением, системами типа «умный дом», транспортными системами).

- создавать новые автоматические системы (специализированных роботов, станки (в том числе и 3D принтеры), технику с высокой степенью автоматизации, производственные автоматизированные системы).

- программировать, в том числе нейросети и базы данных.

- разрабатывать электронику (электронные платы).

- проектировать в 3D, пользоваться различными современными компьютерными программами.

Обучение в Волгоградском государственном техническом университете:

1 уровень – 4 года – бакалавр техники и технологии, высшее образование (автоматизация производственных процессов, управление техническими системами)

2 уровень – 2 года – магистратура

(цифровое производство, автоматизация, управление проектами, мобильные роботы)

3 уровень – 4 года – аспирантура

«Роботы, мехатроника и робототехнические системы»

Количество мест для обучения в 2021 году:

– по направлению 15.03.04 – 20 бюджетных мест + места для студентов, поступающих на контрактной основе; – по направлению 27.03.04 – 50 бюджетных мест + места для студентов, поступающих на контрактной основе). Срок обучения – 4 года по программе бакалавриата + 2 года по программе магистратуры. В дальнейшем можно продолжить образование в аспирантуре.

Вступительные испытания (по приоритету) для направлений подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» и 27.03.04 «Управление в технических системах»:

1. По выбору поступающего: физика, информатика и ИКТ; иностранный язык
2. Математика (проф.)
3. Русский язык.

По всем возникающим вопросам можно обращаться на кафедру «Автоматизация производственных процессов» (заведующий кафедрой Макаров Алексей Михайлович), электронная почта app@vstu.ru, тел. 8 (8442) 24-84-43. 

Мы приглашаем Вас учиться вместе создавать будущее, используя наши общие знания математики, механики, электроники для создания робототехнических и автоматизированных систем. 

Полезные ссылки

1. ГОСТ Р 60.0.0.4-2019 Роботы и робототехнические устройства
2. Волгоградский государственный технический университет- http://www.vstu.ru
3. Национальная Ассоциация Участников Рынка Робототехники - robotunion.ru
4. Центр технологий компонентов робототехники и мехатроники robotics.innopolis.university
5. Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики - rtc.ru
6. Научно-исследовательский институт робототехники и процессов управления - rirpc.ru
7. Ведущие ВУЗы РФ по робототехнике stankin.ru, mirea.ru, sfedu.ru, dvfu.ru
8. Видео о 3D печати и новой технологии 5D печати, разработанной кафедрой «Автоматизация производственных процессов» ВолгГТУ https://cloud.mail.ru/public/3H7D/41vDgaw9C
9. Видеоролик профессора кафедры Кристаля М. Г. со словом абитуриентам о направлениях подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств», «Управление в технических системах» ВолгГТУ https://www.youtube.com/watch?v=ihPcJQW4GWs
10. Youtube-канал кафедры «Автоматизация производственных процессов» ВолгГТУ https://www.youtube.com/channel/UCjDeokP_PkZZFBKsOkOLuBQ

_______________

*Лекция разработана по заказу АНО «Волгоградский центр международного гуманитарного сотрудничества» в рамках реализации проекта «Будущие лидеры технологий XXII века», реализованного с использованием гранта Президента Российской Федерации, предоставленного Фондом президентских грантов. Автор: Шаронов Николай Геннадьевич, к.т.н., доцент кафедр «Автоматизация производственных процессов» и «Теоретическая механика» Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ). г. Волгоград, 2021 г.