ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ФАКТОР

Промышленный робот

Промышленный робот представляет собой автоматическую ма­шину, сконструированную (а во многих случаях и запрограм­мированную) специально для выполнения ряда задач манипу­лирования, позиционирования и обработки материалов с помо­щью устанавливаемых на нем инструментов. Промышленные роботы можно характеризовать и классифицировать по их фи­зической структуре, способам управления движением и интел­лектуальным возможностям.

К характеристикам физической структуры относятся: чис­ло конечностей и их расположение, число степеней подвижно­сти, физические размеры самого робота и его рабочего про­странства, а также его грузоподъемность. Так, например, су­ществуют модели роботов, которые могут совершать пере­мещения только вперед и назад, но не приспособлены к верти­кальным и угловым перемещениям. В то же время имеются модели, приспособленные к перемещениям во всех направле­ниях. В последних моделях роботов запястье может осущест­вить поворот на 360°, тогда как в первых роботах его вообще не существовало. Некоторые роботы имеют высоту несколько метров, другие — лишь несколько сантиметров.

Управление движением роботов характеризуется возмож­ностями программирования последовательности движений, си-

" Bullinger H.-J., Korndorfer V., Institute for Industrial Engineering, Stuttgart, West Germany; Salvendy G., School of Industrial Engineering, Pur­due uniyersity.

Стемами координат, скоростью и точностью позиционирования. Так, например, одни роботы могут выполнять только фиксиро­ванную последовательность движений, а в других ее легко можно изменить. Как и в станках с числовым программным управлением, одни модели выполняют перемещение от точки к точке, а другие могут отслеживать непрерывную траекторию.

Интеллектуальные характеристики представляют собой бо­гатейшее поле деятельности для будущих разработок, так как определяют степень сложности задач, которые могут решать роботы. Сюда входят методы обучения робота и общения с ним, развитие его органов чувств и способности принимать ре­шения, его способность к самообучению и адаптации. Так, в приложениях, связанных с контролем качества, роботы без зрения имеют лишь ограниченное применение, и в то же вре­мя для выполнения детерминированных, повторяющихся задач такие неочувствленные роботы вполне подходят. '

Основополагающим в анализе заданий и операций роботи- зированнного производства является тот факт, что существует возможность построить роботы с заданным набором характе­ристик. В конструктивные характеристики можно включать только нужные способности, а другие, ненужные, исключать. Если от робота требуются характеристики, которые невозмож­но реализовать посредством превалирующей в данный момент технологии, это может стимулировать новые исследования с целью продвижения технологии построения роботов в нужном направлении. В то же время в производстве, ориентированном на человека, анализ заданий и операций обеспечивает гораздо меньший контроль над характеристиками оператора, чем в ро­ботизированном. Результаты анализа могут указывать на не­обходимость индивидуального отбора персонала и специализи­рованного обучения, однако следует иметь в виду, что люди в отличие от роботов обычно располагают «стандартным», зара­нее заданным набором конечностей, характеристик и способ­ностей.

Мощный рывок в интенсивности использования роботов в промышленности в сочетании с людьми обусловливает необхо­димость выработки конкретных принципов учета поведенческого фактора для получения оптимального уровня производитель­ности труда.

В табл. 7.1 приведены данные по мировой численности ро­ботов к концу 1982 г. Для каждой страны — производителя ро­ботов указаны число роботов и их доля в мировом парке этих машин. Абсолютным лидером является Япония (51%), за ней идут США (18%). Согласно прогнозам, в 1990 г. (табл. 7.2) в Японии будет эксплуатироваться примерно 60 тыс. роботов. В других странах число роботов также существенно увели-

Таблица 71. Мировая численность роботов к концу 1982 г. [30|

Число роботов Доля, %')

TOC o "1-3" h z Япония 18 000 51

США 6200 18 Западная Европа:

ФРГ 2800 8

Швеция 1600 5

Великобритания 800 2

Франция 700 2

Италия 500 1

Норвегия 400 1

Другие страньЕ 400 1

Всего 7200[3]' 20

Бывшии ССС(Р 3000 9

Восточная Европа 600 2

Общая мировая численность 35 000 100

') 7200 — общая численность роботов в Западной Европе 2) Доля указана по отношению к мировой численности роботов.

Т а б л и ц а 7 3. Достоинства и недостатки роботов разного типа {16]

Достоинства

Без сервоуправле - Ния

С сервоуправле - иием

С позиционным управлением

С контурной си­стемой управления

Высокая надежность (все типы)

Программируемое^ (все типы)

Повторяемость (до 0,25 мм) Относительно высокая ско­рость

Перемещаются и останавли­ваются в любой точке рабо­чей области

Ускоряются и тормозятся по любой оси

Большой объем памяти Высокая точность Реализуемы плавные движе­ния

Могут выполнять более од­ной программы Обеспечивают более высо­кую гибкость

Могут транспортировать тя­желые объекты Имеют широкий рабочий диапазон

Плавные непрерывные дви­жения

Большой объем памяти Скорость работы манипуля­тора может изменяться Малые габариты и масса

Необходимость мер безопас­ности (все типы) Ограниченность движений Могут останавливаться в концевых точках

Дороже роботов без серво - управления

Менее надежны, чем роботы без сервоуправления

Могут выполнять только за­дания типа «запись — вос­произведение»

Различные элементы конту­ра, по которому перемеща­ется манипулятор, не про­граммируются

Могут быть сложны в про­граммировании

Таблица 7.4. Достоинства и недостатки человека-оператора и его поведения [16]

Достоинства

Способен принимать решения Способен видеть и определять (с по­мощью органов осязания) истин­ную обстановку Способен реагировать на аварийные ситуации

Способен изменять вид деятельности

Без перепрограммирования Может делать что угодно, не огра­ничен заданиями одного типа В случае неполадок может управлять всеми машинами (в пределах своих возможностей) Не требует технического обслужи­вания

Рабочие характеристики обычно

Ухудшаются ие сразу, а постепенно Требует лишь незначительных капи­тальных вложений Имеется в наличии почти всегда

Ненадежен

Высокие затраты на обучение и за­работную плату Стремится жить в свое удовольствие

И т. д. Утомляется

Не способен оперировать тяжелыми

Объектами Не может работать с опасными хи­мическими веществами и т. д. Имеет ограниченные умственные и

Физические возможности Испытывает неудовлетворение от мо­нотонной работы/ Рабочие характеристики обычно ухуд­шаются не сразу, а постепенно Не всегда имеется в наличии

Характеристм

Сравнение физических возможностей и характеристик человека и робота

1. Манипуляции

А. Корпус

Б. Рука

А) Четыре типа:

Одно- илн многопризма­тический

Одно- или многоцилинд­рический

Комбинированный цилин-

Дропризматический

Мобильный

Б) Типичный максимальный размах движений и ско­ростные возможности:

В поперечном направле­Нии 5—18 м при ско­рости 500—1200 мм/с; в продольном направле­нии 3—15 м при скоро­сти 500—1200 мм/с

А) Четыре типа: прямоугольная, цилинд­рическая, сферическая, сложная

Б) Одна или несколько рук, причем с добавлением каждой следующей руки утилитарная ценность робота увеличивается

В) Типичный максимальный размах движений и ско­ростные возможности:

В продольном направле­нии 300—3000 мм при скорости 100—4500 мм/с; в поперечном направле­нии 100—6Q00 мм при скорости 100—1500 мм/с; в вертикальном направ­лении 50—4800 мм при скорости 50—5000 мм/с; поворот в поперечном направлении 50—380°2> при скорости 5—240°/с; поворот в вертикальном направлении 25—330° при скорости 10—170°/с

А) Мобильное транспортное средство (ноги) в соче­тании с тремя степеня­ми подвижности корпуса в талии (поворот, на­клон, крен)

Б) Примеры1' движения кор­пуса в талии: поворот «180°, наклон «150°, крен «90е

А) Сложная рука, состоя­щая из плечевого и лок­тевого поворотных со­членений

Б) Две руки, ие могут ра­ботать независимо (по крайней мере не во всех задачах)

В) Примеры типичного раз­маха движений и ско­ростных параметров: максимальная скорость линейного перемещения 1500 мм/с;

Средний размах попереч­ных движений стоя 625 мм;

Диапазон поперечных движений 432—876 им; диапазон вертикальных Движений 1016—1828 мм; Диапазон поворота в по­Перечном направлении (с горизонтально вытя­Нутой рукой) 165—225°; Средний диапазон пово­рота в вертикальном на­правлении 249°

Характеристика Робот Человек

В. Запястье а) Три типа: призматиче - а) Имеет три вращательных ское, цилиндрическое, степени свободы: вра - комбинированное цилин - щение, наклон, крен дро-призматическое Обычно запястье имеет 1—3 вращательных сте­пени свободы (поворот, наклон, крен), однако есть примеры запястий, совершающих попереч­ные и вертикальные дви­жения

Б) Типичный максимальный б) Примеры возможностей размах движений и ско - по размаху: поворот ростные возможности: « 180 , наклон « 180%

Поворот: 100—575° 3>, крен «90е,

35—600°/с

Наклон: 40—360°, 30— 320°/с

Крен: 100—530°, 30— 3007с

Перемещение в попереч­ном направлении (не всегда): 1000 мм, 4800 мм/с

Перемещение в продоль­ном направлении (не всегда): 150 мм, 400 мм/с Г. Рабочий ор - а) Робот снабжен либо ру - а) Обладает 4 степенями гаи кой, либо инструментом свободы в сочлененной

На конце запястья. Рабо - конфигурации. Кисть Чий орган может быть имеет 5 пальцев, каждый достаточно сложным, так из которых имеет 3 вра - что его можно рассмат - щающихся сочленения, ривать как небольшой работающих на наклон, манипулятор и одно, работающее на

Крен

Б) Может иметь самые раз - б) Типичные размеры кис - ные размеры Ти: длина 163—208 мм;

Ширина 68—97 мм (у большого пальца); глу­бина 20—33 мм (у пяст­ной кости)

2. Размеры тела а) Главный корпус: высота а) Главный корпус: высота 0,1—2,0 м; длина руки 1,5—1,9 мм; длина руки 0,2—2,0 м; ширина 0,1— 754—947 мм; ширина 1,5 м; масса 5—8000 кг 478—579 мм; масса 45—

100 кг

Б) Требуемая площадь: от б) Обычно рабочая область нулевой для моделей с ~1 м' креплением к потолку до нескольких м2 для больших моделей

Характеристика

3. Полезная на­грузка и мощ­Ность

4. Работоспособ­ность

5. Рабочие харак­теристики в ус­ловиях пере­грузки и недо­грузки

А) Полезная нагрузка 0,1— 1000 кг при работе с нормальной скоростью; уменьшается с увеличе­нием скорости

Б) Потребляемая мощность велика по отношению к полезной нагрузке

Абсолютно работоспособен, если полностью исправен

А) Характеристики неизмен­ны до конструктивного предела, затем резко ухудшаются

Б) Недогрузка на рабочие характеристики ие влия­ет

А) Температура окружаю­щей среды от —10 до 60 °С

Б) Относительная влаж­ность до 90%

В) Может быть приспособ­лен к вредным условиям окружающей среды

А) Максимальная нагрузка на руку <30 кг; сильно варьирует с изменением типа движения, направ­лением приложения на­грузки и т. д.

Б) Развиваемая мощиостьг 2 л. с. в течение 10 с; 0,5 л. с. — 120 с; 0,2 л. с.— непрерывно при затратах. 5 ккал/мин; зависит от степени усталости; для' статических и динамиче­ских условий может раз­личаться

А) Работоспособность низ­кая

Б) Может улучшаться с опытом и накоплением избыточных знаний о ре­зультатах

В) Зависит от степени фи­зиологической и психоло­гической усталости

Г) Может оказаться необхо­димым самоконтроль

А) При отказе характери­стики ухудшаются плав­но

Б) Важное значение имеет - ощущение монотонности

А) Температура окружаю­щей среды от 15 до 30 °С

Б) Влияние влажности не­значительное

В) Чувствителен к вредным воздействиям, токсичным веществам, высоте над уровнем моря и воздуш­ным потокам

Сравнение интеллектуальных и коммуникационных возможностей робота

И человека

Характеристика

Б) Смысл и сочетание сиг­налов не влияют на вы­числительные способно­сти

В) Если оценка качества ин­формации не предусмот­рена в программе, она не производится

Г) Возможность обнаруже­ния ошибок определяет­ся программой

Д) Очень хорошие вычисли­тельные и алгоритмиче­ские возможности

Е) Пренебрежимо малое временное запаздывание

Ж) Высокая способность к восприятию информации, ограниченная только про­пускной способностью канала

З) Хорошие возможности выбора и реализации от­ветных реакций

И) Никаких ограничений по

Совместимости к) Если робот программи­руемый, то перепрограм­мировать его не пред­ставляет проблемы л) Может быть предусмот­рен произвольный выбор программ

Б) Смысл и сочетание сиг­налов оказывают влия­ние на вычислительные способности

В) Оценивает надежность Информации

Г) Обнаружение и коррек­ция ошибок выполняют­ся за счет избыточности

Д) Обладает скорее эври­стическими возможностя­ми, нежели алгоритмиче­скими

Е) Временное запаздывание составляет 1—3 с

Ж) Ограниченная возмож­ность воспринимать ин­формацию (10—20 бит/с)

З) Ограниченные возможно­сти (с-[4]) реагирования; реакции могут упорядо­чиваться с накоплением опыта

И) Могут возникать пробле­мы совместимости

К) Труден для программи­рования

Характеристика

3. Интеллект

4. Мышление

5. Обработка сиг­налов

6. Сочетание воз­можных, гей моз­га V мускуль­ной ^71-ЮЙ

А) Может забывать инфор­мацию полностью, ио только по команде г) Приемы могут быть за­даны в программах

А) Не умеет принимать ре­шения по непредвиден­ным событиям

Б) Принятие решений огра­ничено заложенной про­граммой

А) Значительные дедуктив­ные, ио слабые индук­тивные возможности

Б) Ограничено возможно­стями, предоставляемы­ми человеку языками программирования

А) До 24 каналов ввода — вывода (или более), воз­можен многозадачный ре­жим

Б) Ограничена рефрактор­ным периодом (временем возврата из прерывания по сигналу)

А) Могут быть реализова­ны различные сочетания сильных, средних и сла­бых «мускулов» с па­мятью разного объема, управлением скоростью, а также контурным или компьютерным управле­нием

А) Необходима подготовка посредством обучения и программирования опыт­ным инструктором

Б) Обучение не обязательно должно быть индивиду­альным

В) Возможности целена­правленного забывания очень ограниченны

Г) Память хранит основные приемы, пришедшие с опытом

Д) Малая скорость доступа к памяти и выборки и» нее

Е) Сильно ограниченная ем­кость рабочего регистра (на 5 элементов)

А) Умеет принимать реше­ния по непредвиденным проблемам

Б) Может предвидеть появ­ление проблем

А) Способность к индукции

Б) К человеку это ограни­чение не относится

А) Один канал, но возмож­но переключение с одной1 задачи на другую

Б) Рефракторный период, до 0,3 с

А) Фиксированное сочета­ние

А) Требуется инструктор' или материал, подготов­ленный специалистами

Б) Наилучшие результаты» дает индивидуальное- обучение

6. Социальные и Психологические потребности

"9. Восприятие

В) Переподготовка не тре­буется, если программа хотя бы раз была реали­зована правильно

Г) Может быть предусмот­рено немедленное освое­ние навыков («с нуля»)

А) Отсутствуют

А) Ограниченный интервал восприятия можно опти­мизировать для конкрет­ных иужд

Б) Может быть сделано от­носительно постоянным в нужном диапазоне

В) Набор воспринимаемых характеристик можно за­давать; основными вида­ми восприятия являются зрительное и тактильное (касание)

Г) Интерференция сигналов («шум») может созда­вать проблемы

Д) Очень хорошие возмож­ности абсолютной класси­фикации

Е) Возможности сравнитель­ной классификации огра­ничены программой

А) Может быть обеспечена очень эффективная меж­машинная связь

В) Переподготовка требу­ется часто вследствие за­бывания

Г) Освоение навыков «с ну­ля» обычно невозможно

А) Проявляется эмоциональ­ная чувствительность к структуре выполняемой задачи в зависимости от того, упрощенная она или усложненная, целост­ная или разбита на час­ти

Б) Важны эффекты соци­альной значимости

А) Очень широкий рабочий диапазон (1012 элемен­тов)

Б) Логарифмическое: Зрение-. 1) порог углово­го разрешения 0,7 мии; 2) порог яркости 4,1х ХЮ~1! лм; 3) время от­клика на последователь­ные стимулы 0,1 с

Слух: 1) порог слышимо­сти 0,002 дин/мг Осязание: 1) порог 3 г/мм2

В) Воспринимается ограни­ченное число характе­ристик

Г) Хорошая устойчивость к шуму (встроенные фильт­ры)

Д) Очень плохие возможно­сти абсолютной класси­фикации (5—10 элемен­тов)

Е) Очень хорошие возмож­ности сравнительной классификации

А) Связано с множеством проблем; например, воз­можно неправильное по­нимание

Характеристика Робот Человек

11. Время реакции а) Величина задержки меж - а) Время реакции 'Д—7з с

Ду получением сигнала и началом действия — от большой до пренебрежи­мо малой

12. Самодиагно- Могут быть предусмотрены Средства самодиагностики Етика средства самодиагностики позволяют установить сни-

Для настройки и качествен- жеиие эффективности Ного технического обслужи­вания

13. Индивидуаль- Возможны только в том Можно ожидать различий ные различия случае, если предусмотрены на 100—150%

При конструировании

Сравнение энергетических характеристик работа и человека

1. Требования к Источник питания: 220/440 В, Источником питания (энер - источнику пита- трехфазный, 50/60 Гц, 0,5— гии) является пища

Ння 30 КВА, транспортабель­

Ность ограниченна

2. Вспомогатель- Гидравлическая линия с Воздух; потребление кисло - ное питание давлением 30—200 кг/см2, рода 2—9 л/мин

Сжатый воздух давлением 4—6 кг/см»

3. Усталость, уело - а) В период между сеанса - а) В пределах энергетиче - вяя работы мн технического обслу - ских возможностей на­живания усталость от - блюдается главным об - сутствует разом умственная уста­лость (падение продук­тивности на 20% в пер­вые два часа; кривая ло­гарифмическая)

Б) Требуется периодическое б) Необходим ежедневный профилактическое обслу - отдых и регулярный от - живание пуск

В) Ожидаемая продолжи - в) Необходимы перерывы в тельность непрерывной работе

Работы 40 000 ч

(~ 20 лет односменной работы)

Г) Личные потребности от - г) Имеет всевозможные лич - сутствуют ные проблемы (прогулы,

Травмы, болезни)

4. Энергетическая а) Относительно высокая, а) Относительно низкая, эффективность например (120—135 кг)/ 10—25%

(2,5—30 КВА)

Б) Относительно постоян - б) Увеличивается с увеличе­на независимо от полез - нием долн распределен­ной нагрузки----------------- ной работы по отноше­нию к концентрирован - ной

') Для представления минимальных и максимальных значений там, где это возможно, даны значения 5- и 95%-ного квантилей из работы Вудсона [35]. В остальных случаях приведены значения генерального среднего. *) Непрерывный поворот справа налево. ') Непрерывное вращение.

* Nof Sh, Robot Ergonomics- Optimizing Robot Work, Handbook of Industrial Robo­Tics New York, Wiley. 1985 {Воспроизводится с разрешения ) Сравниваются по действиям и манипуляциям, интеллекту и управлению, энерговооруженности и полезной нагрузке, интер>- фейсу и другим факторам.

Эта таблица имеет два принципиальных отличия от тради­ционных таблиц сравнения человека с машиной. Во-первых, для роботов и людей здесь гораздо более детально представ­лены сведения об умственных способностях человека и возмож­ностях систем управления, так как среди характеристик робо­та способность к принятию решений становится все более важной, а различия в этой способности между людьми и ро­ботами не всегда очевидны. Во-вторых, часть таблицы, отно­сящаяся к роботам, содержит существенно больше специфи­ческих деталей по сравнению с материалом, посвященным человеку. Это обусловлено принципиальным различием между* анализом роботизированного производства и анализом произ­водства, ориентированного на людей, а именно тем, что при анализе роботизированного производства необходимо рас­сматривать целую гамму возможных конфигураций роботов.

К факторам, которые могут влиять на распределение функ­ций между человеком и роботом, относятся помимо приведен­ных в табл. 7.5 следующие:

1) является ли система власти в организации централизо­ванной или децентрализованной;

2) является ли распределение обязанностей постоянным (жестким) или зависящим от потребностей (гибким);

3) сосредоточено ли внимание на качестве персонала или на его количестве;

4) что представляют собой задачи и процессы, которые предполагается автоматизировать;

5) какая ответственность лежит на персонале;

6) насколько оборудование или процесс чувствительны к отказам.

На практике при распределении задач между людьми и ро­ботами обычно следуют правилам (их легко сформулировать, внимательно рассмотрев таблицу 7.5), приведенным ниже.

1. Чем больше похожи друг на друга два задания, тем про­ще переключить робота или человека с одного из них на дру­гое. Для человека такой переход осуществляется почти полно­стью только за счет обучения или переподготовки. Для робо­тов же по мере уменьшения сходства заданий становится необ­ходимым изменение конфигурации робота и его перепрограм­мирование (переобучение), чтобы переход с задания на зада­ние был экономически эффективным.

2. Люди обладают совокупностью навыков и опытом, при­обретенными в течение ряда лет, поэтому для описания их ра­боты требуется меньшее число деталей. Роботы же обучаются решению каждой новой задачи как бы с нуля и поэтому не­обходима большая детализация каждого микродвижения или микродействия.

3. В рамках определенной модели роботы не имеют суще­ственных индивидуальных различий между собой. Поэтому оп­тимизированный способ решения задачи имеет более высокую степень общности для исполнителей-роботов, чем для исполни­телей-людей.

4. Возможности «органов чувств» роботов, их способность манипуляции и умение принимать решения могут быть подо­Гнаны под данную задачу в гораздо большей степени по срав­нению с возможностями человека. Может, конечно, оказаться, что такая модификация будет достигнута ценой уменьшения способности к переключению с одной задачи на другую.

5. Роботы не подвержены влиянию каких-либо социальных или психологических эффектов (например, скуки), что при раз­работке задач для исполнителя-человека во многих случаях накладывает дополнительные ограничения.

Суммируя эти правила, приходим к заключению, что

1) задание должен выполнять исполнитель-человек, если юно слишком сложно для любого существующего робота;

2) Задание должен выполнять робот, если существенны соображения безопасности, пространственные ограничения или Предъявляются особые требования к точности;

3) робот в состоянии заменить человека в выполнении су­ществующего задания, причем замена человека роботом может лривести к повышению работоспособности, улучшению качест­ва и повышению производительности труда, а в отдельных ви­дах работ — к сокращению персонала.