Robotul - Clasificarea robotilor - Stadiul actual al robotilor industriali

Robotica

Robotul este un sistem mecatronic mobil, destinat automatizarii interactiunii omului cu mediul in care opereaza. Sistemul mecatronic este alcatuit din componente mecanice, electronice si de calcul automat.

Functiile robotului sunt:

cresterea productivitatii muncii in procesele de fabricatie;

adecvarea omului la mediul in care el opereaza.

Cresterea productivitatii muncii rezulta din cresterea vitezei si preciziei de executie a robotului fata de performantele omului. De asemenea robotul va executa in acelasi ritm pe durata intregii perioade de lucru activitati repetitive, monotone si plictisitoare.

Adecvarea omului la mediul sau de lucru conduce la cresterea eficientei interactiunii sale cu mediul. Influenta nociva sau ostilitatea mediului asupra omului se datoreaza:

solicitarilor de ordin fizic la care este supus omul in realizarea interactiunii cu mediul;

solicitarilor de ordin psihic ale omul in realizarea unor activitati repetitive;

perturbatiilor la care este supus omul din partea mediului (caldura /frig, zgomot /vibratii, lumina /intuneric etc.).

desfasurarii activitatii in medii inaccesibile omului (radioactiv, extraterestru, subacvatic, agresiv chimic etc.).

De asemenea robotul adecveaza omul deficient cu mediul normal.

Sub denumirea de robot se reunesc mai multe echipamente cum ar fii: manipulatore, instalatii de teleoperare, proteze /orteze, manipulatoare medicale, exoschelete amplificatoare, robocare, masini pasitoare, masini taratoare etc.

In cadrul proceselor de fabricatie exista operatii continue si operatii discontinue.

Operatiile de prelucrare prin aschiere se incadreaza in categoria operatiilor continue, deoarece se desfasoara in anumite conditii impuse. Automatizarea acestora a fost adoptata prioritar intru-cat prin reducerea timpilor de masina aveau un impact direct asupra cresterii productivitatii muncii.

Operatiile de sudare si vopsire au intarziat in cadrul procesului de automatizare deoarece aceste operatii se desfasoara prin actiunea directa a unui operator uman.

Operatiile de manipulare (transfer scurt) se incadreaza in categoria operatiilor discontinue. Astfel operatorul uman prinde obiectul de manipulat cu mana, il deplaseaza in situarea dorita prin actiunea bratului sau, sub supravegherea ochilor sai si prin coordonarea intregii actiuni de catre creierul sau.

Automatizarea operatiilor de manipulare s-a realizat odata cu aparitia robotilor [ENG 89a], [ENG 89b] [WAR 90], [NOF 92].

Robotul utilizat in domeniul industrial poarta denumirea de robot industrial, iar cel utilizat in domeniul prestari de servicii, robot pentru prestari de servicii.

Robotica este domeniul de stiinta care se ocupa, in sens larg, de cercetarea si realizarea automatizarii interactiunii omului cu mediul sau. La constituirea roboticii concura numeroase alte domenii de stiinta: mecanica, electronica, informatica, stiinta calculatoarelor, teoria mecanismelor, fizica, automatica, tehnologie, medicina, inginerie industriala etc.

Clasificarea robotilor

Federatia Internationala de Robotica (IFR), in conformitate cu ISO 8373 [WIR 98], a stabilit in anul 1997 clasificarea dupa structura constructiva a robotilor pe urmatoarele 5 categorii de roboti:

Roboti cartezieni si roboti portali (figura 1.5 a), sunt robotii al caror mecanism generator de traiectorie are 3 cuple motoare de translatie, avand directia de miscare paralela cu cea a axelor sistemului cartezian de referinta;

Roboti cilindrici, (figura 1.5 b), sunt robotii al caror mecanism generator de traiectorie are doua cuple motoare de translatie si una de rotatie si a caror axe formeaza un sistem de coordonate cilindric.

Roboti sferici (figura 1.5 c), sunt robotii al caror mecanism generator de traiectorie are doua cuple motoare de rotatie si una de translatie si a caror axe formeaza un sistem de coordonate sferic.

Roboti tip SCARA (Selector Complains Arm for Robotics Assemble) (figura 1.5 d), sunt robotii al caror mecanism generator de traiectorie are 2 cuple motoare de rotatie cu axele paralele in plan vertical, iar a treia cupla motoare este de translatie pe o directie paralela cu cea a axele cuplelor motoare de rotatie.

Roboti articulati (antropomorfi) (figura 1.5 e), sunt robotii al caror mecanism generator de traiectorie este compus din 3 cuple motoare de rotatie, doua avand axele paralele in plan orizontal, iar a treia axa fiind perpendiculara pe directia primelor doua.

Roboti paraleli (figura 1.5 f), sunt robotii care au dispozitivul de ghidare format din 3-6 cuple motoare de translatie sau de rotatie a caror axe sunt concurente intr-un punct.

Fata de structurile mecanice cunoscute se evidentiaza o noua structura mecanica, specifica unei noi categorii de roboti, cunoscuti sub denumirea de roboti paraleli [STE 65], [MER 90].

Figura 1.5 Structuri    mecanice de roboti: a - robot cartezian; b - robot cilindric; c robot sferic; d - robot tip SCARA; e - robot articulat; f - robot paralel;

Stadiul actual al robotilor industriali

Vanzarile de roboti industriali pe plan mondial au atins un varf in anul 1990, cand au depasit cifra de 80.000 de unitati [WOR 03]. Intre anii 1991 - 1993 a urmat o perioada de recesiune, cand vanzarile au coborat la 53.000 de unitati in anul 1993. In urmatorii ani a urmat o perioada de crestere a vanzarilor, in anul 1997 atingandu-se un nou record de 82.000 de unitati (figura 1.6)

In anul urmator insa vanzarile au coborat cu 15% atingand 69.000 de unitati. Anul 1999 a consemnat din nou o crestere ajungandu-se la 80.000 de unitati. Anul 2000 a atins un record de vanzari de 99.000 de unitati, in crestere cu 24% fata de anul anterior. In anii 2001 si 2002 s-au inregistrat scaderi de 21%, respectiv 12%, ajungandu-se la 68.600 de unitati.

In anul 2003 se inregistreaza o crestere semnificativa, de 17 % fata de anul 2002, ajungandu-se din nou la cifra de 80.000 de unitati. Numarul robotilor industriali vanduti pe plan mondial a atins un maxim in anul 2005, de 126.000 de unitati, cu 30% mai mult ca in anul 2004 [WOR 06].

Figura 1.6 Estimari privind numarul de roboti industriali in functiune

in perioada 1997-2006 [WOR 07]

In anii 90 implementarea robotilor industriali in Europa si SUA se situa la numai 20%, respectiv 7%, din numarul robotilor instalati in Japonia. De asemenea se constata ca pentru prima oara in anul 2001 numarul robotilor industriali instalati in Europa si SUA a depasit numarul robotilor instalati in Japonia. Astfel numarul robotilor operationali din Europa a crescut de la 23% (fata de Japonia) in anul 1990, la 67% in anul 2002, iar in SUA cresterea a fost de la 12% la 30% [WOR 03]

Dupa recordul stabilit in anul 2005 (figura 1.6), vanzarile de roboti industrial din anul 2006 au scazut cu 11% si anume la 112.000 unitati. Cu toate acestea, 2006 a fost anul in care s-a inregistrat al doilea record de vanzare a robotilor industriali. Desi in industria de automobile si in industria de echipamente electrice /electronice sau redus investitiile cu 17%, respectiv 34%, in toate celelalte sectoare industriale a avut loc o crestere cu 25% a numarul de roboti industriali cumparati.

Urmarind datele oficiale furnizate de The International Federation of Robotics -IFR [WOR 07] se constata o variatie semnificativa pe cele 3 zone geografice principale: Asia /Australia, Europa si America (figura 1.6).

Exploziei de vanzari de roboti industriali din anul 2005 din Asia si America de Nord, i-a urmat o scadere a investitiilor in anul 2006. Pe de alta parte in Europa s-a inregistrat o crestere a implementarilor de roboti industriali, dupa performanta mai slaba stabilita in anul 2005.

In Europa reducerea investitiilor in roboti industriali, din industria automobilelor si a furnizorilor sai continua si in anul 2006: scaderea a fost de 14%, dupa ce in anul 2005 a fost de 30%. Cu toate acestea numarul de roboti industriali furnizati in anul 2006 a crescut cu 11%, adica la 31.536 de unitati (tabelul 1.1).

Aceasta crestere s-a datorat dezvoltarilor din industria prelucratoare de metale, cauciuc sau mase plastice, precum si din industria alimentara. In Germania, cea mai mare piata a robotilor industriali din Europa, cresterea vanzarilor a fost de 13%, ajungandu-se la 11.425 de unitati. In Italia, a doua piata semnificativa din Europa, s-au implementat cu 15% mai multi roboti industriali (6.259 de unitati). In Franta s-a inregistrat o stagnare, in timp ce in Spania si Marea Britanie a avut loc a scadere cu 11% a investitiilor in roboti industriali. Europa Centrala si de Est inregistreaza cresteri modeste ale robotilor industriali implementati in productie.

Dupa investitiile masive din anul 2005, care s-au datorat in principal fabricantilor japonezi, industria automobilelor din America a inregistrat un regres de 42% in anul 2006. Pentru a ramane competitive pe piata automobilelor, firmele americane, care si-au redus considerabil capacitatile de productie, vor trebui sa investeasca masiv in modernizarea productiei, anul 2007 marcand deja o crestere a vanzarilor de roboti industriali in acest domeniu. Industria electronica, in special partea producatoare de semiconductori, si-a dublat numarul de roboti industriali operationali in America de Nord.

In Asia numarul de roboti industriali vanduti in 2006 a scazut cu 19%, la 61.748 unitati (tabelul 1.1). Aceasta scadere s-a inregistrat pe intreaga piata a Asiei, cu exceptia Chinei, Indiei, Malayesiei si Taiwanului.

In Japonia, pe cea mai mare piata de roboti din lume, vanzarile au scazut cu 26% in anul 2006, la 37.393 de unitati. Cum era de asteptat, dupa investitiile masive din 2005, industria automobilelor si industria echipamentelor electrice /electronice si-au redus puternic investitiile. In Republica Korea, a doua piata ca marime din Asia, vanzarile de roboti industriali au inregistrat o scadere cu 17% in anul 2006, la 10.756 de unitati. In China, acum a treia piata ca marime din Asia, s-a inregistrat o crestere accentuata a investitiilor, cu 5.770 de roboti industriali implementati in 2006, adica cu 29% mai mult ca in anul anterior. In India, numarul robotilor industriali implementati in anul 2006 aproape ca s-a dublat atingand 836 de unitati. Desi numarul de roboti amintiti mai sus sunt mici, rata de crestere inregistrata in ultimii doi ani in China si India indica dinamica in domeniul roboticii din aceste tari.

Tabelul 1.1

Conform statisticilor furnizate de IFR [WOR 07] numarul de roboti industriali operationali pe plan mondial a atins 950.974 de unitati in anul 2006. Aproape 50% din acestia sunt in Asia, 33% in Europa si 16 % in America de Nord., in timp ce Australasia si Africa ating impreuna 1% din total.

Conform acelorasi statistici in anul 2007 s-a inregistrat o crestere de 10% a robotilor industriali vanduti in intreaga lume. In Europa aceasta crestere s-a datorat investitiilor in robotizarea industriei, in principal a acelei de automobile, din Europa Centrala si de Est, Germania si Italia. In acelasi sector s-a inregistrat o crestere a implementarilor de roboti industriali si in America de Nord. In anul 2007 vanzarile de roboti industriali au crescut si in Japonia, India, China si America de Sud, inregistrandu-se o stagnare in Republica Korea.

Pentru urmatorii trei ani, 2008 - 2010, se anticipeaza o crestere anuala in jur de 4%, astfel ca la finele anului 2010 numarul de roboti industriali operationali pe plan mondial va atinge cca. 1.200.00 de unitati [WOR 07].

In perioada 2001-2003 angajarile au stagnat in timp ce numarul de roboti industriali a continuat sa creasca rezultand in viitor o crestere a densitatii robotilor industriali [WOR 04]. La finele anului 2005, Japonia si Republica Korea prezenta cea mai mare densitate de roboti industriali la 10.000 de angajati din industrie: 352 de roboti in Japonia si 173 de roboti in Republica Korea.

Cu 171 roboti pe 10.000 de angajati din industrie, Germania este tara cu cea mai mare densitate de roboti industriali din Europa, urmata de Italia cu 130 si Suedia cu 117. In Finlanda densitatea se reduce la 99, urmata de SUA cu 90 si Spania cu 89, iar Franta cu 84 de roboti pe 10.000 de angajati din industrie. O densitate variind intre 67 si 44 exista in urmatoarele tari: Austria, Benelux, Danemarca, Elvetia si Marea Britanie. In Norvegia densitatea se reduce la 29, iar in Portugalia la 17. Tarile din Europa Centrala si de Est, cu exceptia Republicii Cehe au o densitate scazuta de roboti industriali implementati in industrie. In ciuda faptului ca in tarile europene mentionate este o distributie mare a densitatii robotilor industriali, este interesant de mentionat ca densitatea de roboti industriali din Germania este cu cca. 90% mai mare ca cea din SUA [WOR 06].

Figura 1.7 Numarul de roboti raportati la 10.000 de angajati in industria automobilelor

La nivel mondial industria automobilelor prezinta cea mai mare densitate de roboti industriali, si anume 1 robot la 10 angajati. La nivelul anului 2006 Japonia si Italia conduc cu 1.710 roboti, respectiv 1.600 de roboti la 10.000 de angajati. Sunt urmate de Germania cu 1.180, Franta cu 1.120, Spania cu 950, SUA cu 770, Marea Britanie cu 640 si Suedia cu 630 (figura 1.7) [WOR 06].

Pretul robotilor industriali in raport cu costurile de productie, a scazut brusc in perioada 1990 - 2000 (figura 1.8). Dupa anul 2000 aceasta scadere s-a redus considerabil. Desi pretul robotilor cu luarea in considerarea a cresterii performantelor, raportat la pretul robotilor fara luarea in considerarea a acesteia, va continua sa scada, aceasta scadere nu va mai fi atat de accentuata. Aceasta scadere se datoreaza in principal extinderea aplicatiilor robotilor industriali in domenii ne-industriale, altele decat cele din industrie in general si din industria automobilelor in special [WOR 06]

Pretul robotilor exprimat dolari SUA la nivelul anului 1990, a scazut in perioada 1990 - 2005, de la un procent de 100% la 54%, fara a lua in considerare faptul ca robotii instalati in anul 2005 au performante mult superioare celor instalati in anul 1990. Daca se ia in considerare si cresterea performantelor robotilor in aceeasi perioada, se poate estima o scadere a preturilor la un nivel de 22% (figura 1.8). In aceeasi perioada (1990 - 2005), indicele de crestere a salariilor in sectorul industrial din SUA, a inregistrat o crestere de la 100% la 179%. Aceasta implica ca pretul robotilor, fara luarea in considerarea a cresterii performantelor, a scazut de la 100% in anul 1990 la 23% in anul 2005, si la 10 % cu luarea in considerarea a cresterii performantelor.

Alte tari care utilizeaza un numar mare de roboti in industrie, inregistreaza evolutii similare ale pretului robotilor industriali.

Figura 1.8 Evolutia preturilor robotilor industriali (index 100% in anul 1990 - dolari USA), cu (rosu) sau fara (albastru) luarea in considerare a cresterii performantelor [WOR 06]

Stadiul actual al robotilor pentru prestari servicii

Curand dupa introducere robotilor industriali in industrie, eforturile de cercetare-dezvoltare sau indreptat spre utilizarea tehnologiei robotizate in aplicatii unde operatorul uman executa manual sarcini periculoase, monotone, sau plictisitoare.

O alta categorie o reprezinta activitatile din medii radioactive, agresive chimic, subacvatice, extraterestre, detectarea minelor, inspectia conductelor etc. unde operatorul uman nici nu poate interveni, fiind preconizat ca aceste sarcini sa fie preluate de roboti mobili [SCH 94], [SCH 96], [SCH 98].

Automatizarea acestor operatii progreseaza de la tele-operatii, la implementarea de roboti autonomi, capabili sa navigheze si sa opereze in conditiile unui mediu natural.

In perioada 1980 - 1990 datorita progresele inregistrate in domeniul senzorilor, a actionarii si a conducerii robotilor sau dezvoltat mai mult de 200 de prototipuri de roboti in aplicatii ne-industriale in domenii ca: medicina, constructii, inspectii sau domeniul casnic etc. Evolutia robotilor in domeniul prestarilor de servicii este prezentata in figura 1.9.

Figura 1.9 Evolutia robotilor pentru prestari servicii [WOR 05]

In anul 2002 s-a infiintat sub auspiciile IFR, Grupul Service Robot deschis oricarei companii care produce roboti pentru prestari servicii. In tabelul 1.2a si tabelul 1.2b se prezinta vanzarile de roboti pentru prestari de servicii pe diverse domenii de aplicatii ne-industriale. Din analiza acestor date rezulta ca domeniul medical si cel al inspectiei sau lucrului in mediul subacvatic constituie domeniile in care s-au implementat cei multi roboti.

Roboti pentru prestari de servicii, pe diverse aplicatii in diferite domenii ne-industriale, in functiune la finele anului 2004 (tabelul 1.2a si figura 1.10).

Cei 5.320 de roboti subacvatici reprezenta 21% din numarul total de roboti pentru prestari de servicii instalati la finele anului 2004. Urmeaza robotii de intretinerea curateniei si robotii din laboratoare cu 14% fiecare si robotii folositi in constructii cu 13%. Robotii medicali si platformele mobile de uz general sunt cotate cu 11% fiecare.

Robotii din domeniul agriculturii, zootehniei si silviculturii acopera 9% din totalul robotilor pentru prestari de servicii instalati la finele anului 2004, iar cei din domeniul sigurantei si pazei acopera doar 5%. Un numar redus de aplicatii se regasesc in domeniul logisticii (270 de unitati), inspectiei (235 de unitati) si relatiilor cu publicul (20 de unitati).La cealalta extrema se situeaza robotii pentru relatiile cu publicul cu numai 5 unitati.

In perioada 2005-2008 se estimeaza ca vanzarile de roboti subacvatici sa fie de 2.190 de unitati, a robotilor din domeniul sigurantei si pazei sa creasca la 5.625 de unitati, numarul robotilor de intretinerea curateniei sa fie de 2.000 de unitati, iar cel al platformelor mobile de uz general sa creasca la 5.760 de unitati. Numarul cumulat al robotilor medicali se asteapta sa fie de 2000 de unitati.

Prognoza pentru perioada 2005-2008 (tabelul 1.2a) indica o crestere a robotilor pentru prestari de servicii in diferite domenii ne-industriale cu 49.550 de unitati. Robotii humanoizi prezinta cea mai mare crestere de 24.000 de unitati de la un numar nesemnificativ pana in anul 2004 [WOR 05].

Astfel la finele anului 2006 (figura 1.10) in jur de 40.000 de roboti pentru prestari servicii operau deja in diferite aplicatii ne-industriale din intreaga lume. Cei mai multi roboti de prestari servicii operationali la finele anului 2006, au fost inregistrati in industria de aparare, siguranta, paza si protectie, cu peste 9.000 de roboti Urmeaza robotii de muls vaci, robotii subacvatici, robotii pentru curatarea piscinelor, sistemele robotizate de demolare utilizate in constructii, roboti asistenti la operatii chirurgicale precum si platforme mobile de uz general.

Prognoza pentru perioada 2007-2010 anunta o crestere cu 35.500 de unitati a numarului robotilor de prestari servicii, cu aplicatii in domeniul militar, agricultura, intretinerea curateniei, medicina si platforme mobile de uz general [WOR 07].

Tabelul 1.2a

Figura 1.10 Roboti pentru prestari de servicii pe domenii de activitate [WOR 07]

Roboti pentru prestari de servicii personali sau domestici, in functiune la finele anului 2004 (tabelului 1.2b si figura 1.11). Pana in prezent roboti personali sau domestici sunt utilizati in principal in domeniul casnic aspiratoare de praf autonome sau roboti de tuns iarba autonomi) si distractie sau petrecerea timpului liber (robotii jucarie, distractii, hobby si educatie).

Robotii pentru asistarea persoanelor cu handicap sunt in numar redus, dar se astepta o dublare a numarului lor pana in anul 2009.

Aspiratoarele de praf autonome au aparut pe piata in anul 2001 si sau extins in anii 2002 si 2003 ajungand ca la finele anului 2004 sa existe 1.106.000 de unitati. Tot la finele anului 2004 existau 46.000 de roboti de tuns iarba autonomi. In total la finele anului 2004 s-a estimat un numar de 1.152.000 de roboti domestici.

In domeniul distractiei si petrecerii timpului liber s-a estimat la finele anului 2004, mai mult de 900.000 de roboti. Cumulativ robotii jucarie vanduti in 2004 s-au cifrat la 810.000 de unitati, 2.700 de roboti au avut ca destinatie hobby si 16.800 pentru educatie. La finele anului 2004, existau 325 de scaune inteligente pentru persoanele cu handicap si 390 de roboti pentru transportul persoanelor.

Prognoza pentru perioada 2005-2008 [WOR 06] indica in cazul aspiratoarelor de praf autonome o crestere la 3.870.000 de unitati pana la finele anului 2008, iar referitor la roboti de tuns iarba autonomi o crestere la cca. 200.000 de unitati. Si in alte aplicatii din domeniul casnic sunt asteptate cresteri in perioada 2005-2008 si anume: 300.000 de roboti pentru curatirea piscinelor si 100.000 de roboti pentru spalarea geamurilor.

Tabelul 1.2b

In total robotii pentru aplicatii domestice (aspiratoarelor de praf autonome roboti de tuns iarba autonomi, roboti pentru curatirea piscinelor, roboti pentru spalarea geamurilor etc.) vor ajunge la 4,7 milioane de unitati in perioada 2005-2008 (tabelului 1.2b si figura 1.11), iar robotii pentru distratii si petrecerea timpului liber la 2,5 milioane de unitati in aceeasi perioada, cu precizarea ca foarte multi dintre acestia se vand la un pret foarte scazut. Aproximativ 4.300 de sisteme hobby vor fi vandute in perioada 2005-2008, ca si 17.500 de roboti pentru educatie.

Cumulat numarul de roboti distratii si petrecerea timpului liber vor atinge 2,5 milioane de unitati la nivelul anului 2008.

In anul 2006 [WOR 07] vanzarile de roboti personali sau domestici au atins cca. 3.500.000 de unitati, cu aplicatii in gospodarii casnice: aspiratoare de praf autonome si roboti de tuns iarba autonomi, distractii si petrecerea timpului liber, antrenamente, roboti jucarie, hobby si educatie.

Figura 1.11     Roboti pentru prestari de servicii in domeniul casnic si pentru utilizari personale, hobby si distractie [WOR 07]