Σύγχρονη Βιομηχανική Ρομποτική και πλεονεκτήματα βιομηχανικών ρομπότ

Των Ματθαίου Ισούκη*

Δημήτρη Παυλόπουλου**

1. Η Βιομηχανική Ρομποτική είναι ένας κλάδος της Ρομποτικής που ασχολείται με τις εφαρμογές των ρομπότ στην βιομηχανία και έχει εξελιχθεί πολύ από την δημιουργία του, έχοντας διεισδύσει σε όλους σχεδόν τους βιομηχανικούς τομείς. Για τον λόγο αυτό, έχει διαχωριστεί αρκετά από τον κλάδο της Ρομποτικής και είναι πλέον ένας σχετικά ανεξάρτητος επιστημονικός κλάδος. Υπάρχουν πολλές εταιρίες των οποίων το αντικείμενο είναι αποκλειστικά η ανάπτυξη βιομηχανικών ρομπότ, καθώς και οργανισμοί οι οποίοι έχουν ως αντικείμενο τους την μελέτη και εξέλιξη των βιομηχανικών ρομπότ. Ο πρώτος τέτοιος οργανισμός που δημιουργήθηκε ήταν η Ιαπωνική Ένωση Ρομπότ (Japan Robot Association-JARA). Ιδρύθηκε το 1971 με το όνομα “Industrial Robot Conversazione” και μετονομάστηκε το 1972 σε “JapanIndustrial Robot Association” (JIRA) (Ιαπωνική Ένωση Βιομηχανικών Ρομπότ) και αποτελούνταν από ιαπωνικές εταιρίες που ανέπτυσσαν και κατασκεύαζαν βιομηχανικά ρομπότ. Το 1994 μετονομάστηκε σε JARA έτσι ώστε να επεκτείνει τις δραστηριότητες της και σε ρομπότ που δεν ανήκουν στην κατηγορία των βιομηχανικών ρομπότ. Μέλη της είναι πολλές μεγάλες εταιρίες της Ιαπωνίας, όπως οι Denso, FANUC, Hitachi, KawasakiHeavyIndustries, MitsubishiElectric, PanasonicCorporation, Sony, Toshiba, YamahaMotorCompany, YaskawaElectricCorporation αλλά και εταιρίες εκτός Ιαπωνίας που δραστηριοποιούνται στον κλάδο της Βιομηχανικής Ρομποτικής, όπως οι ABB, KUKA και Stäubli (Ελβετική εταιρία που ιδρύθηκε το 1892 ως “Schelling&Stäubli” και από το 1982 δραστηριοποιείται στον κλάδο της Βιομηχανικής Ρομποτικής, αναπτύσσοντας και κατασκευάζοντας ρομπότ και αυτοματισμούς).

Η JARA είναι, όπως προαναφέρθηκε, ο πρώτος οργανισμός που δημιουργήθηκε με αντικείμενο την μελέτη, εξέλιξη και κατασκευή Βιομηχανικών Ρομπότ.

Τα επόμενα χρόνια δημιουργήθηκαν παρόμοιοι οργανισμοί σε πολλές άλλες χώρες.

•  Ο αντίστοιχος αμερικάνικος οργανισμός είναι ο “Σύνδεσμος ρομποτικών βιομηχανιών” (RoboticIndustriesAssociation-RIA) που ιδρύθηκε το 1974 και έχει την έδρα του στην πόλη AnnArbor της Πολιτείας Michigan και στο Ηνωμένο Βασίλειο, η “Βρετανική Ένωση Αυτοματισμού και Ρομπότ” (BritishAutomationandRobotAssociation-BARA) που ιδρύθηκε το 1979 με έδρα το Λονδίνο(είναι η “εξέλιξη” του οργανισμού BritishRobotAssociation (BRA) που ιδρύθηκε το 1977 με έδρα το Birmingham).
• Στην Ισπανία δημιουργήθηκε ο AER (AsociaciónEspañoladeRobótica) το 1985 που έχει έδρα την Βαρκελώνη και στην Ολλανδία ο CIR (ContactgroepIndustrieleRobots (DutchRoboticAssociation).
• Ο αντίστοιχος οργανισμός της Δανίας είναι ο DIRA (DanishIndustrialRobotAssociation) που ιδρύθηκε το 1982 με έδρα την Odense.
• Στην Ρωσία ο RAR (Russian Association of Robotics) που ιδρύθηκετο 2015. Στην Σουηδία ο SWIRA (Swedish Industrial Robot Association), που ιδρύθηκε το 1980 με έδρα την Στοκχόλμη.
• Στην Γαλλία ο AFRI (Association Francais de RobotiqueIndustrielle) πουιδρύθηκετο 1978 με έδρα το Παρίσι.
• Στην Ιταλία ο SIRI (AssociazioneItaliana di Robotica e Automazione) πουιδρύθηκετο 1975 με έδρα το Μιλάνο.
• Στην Φιλανδία η “Η ρομποτική κοινωνία της Φινλανδίας“ (TheRoboticSocietyofFinland) που ιδρύθηκε το 1983 με έδρα το Ελσίνκι. Στην Γερμανία ο VDMA (VerbandDeutscherMaschinen-undAnlagenbau). Είναι η εξέλιξη του οργανισμού VereindeutscherMaschinenbau-Anstalten (VdMA) που ιδρύθηκε το 1892 με κλάδο απασχόλησης τις μηχανές και την βιομηχανία και το 1980 πήρε το σημερινό του όνομα, αλλάζοντας προσανατολισμό, στρεφόμενος προς την Βιομηχανική Ρομποτική και τους Αυτοματισμούς.
• Το πλήρες όνομα που έχει σήμερα είναι: VDMA R+A (VDMA (VerbandDeutscherMaschinen- undAnlagenbau) Robotics + Automation), που ασχολείται με την Βιομηχανική Ρομποτική από το 1980, με έδρα την Φρανκφούρτη.
• Στο Βέλγιο το BIRA- Robotica (Belgian Institute of Automatic Control) που ιδρύθηκε το 1980 με έδρα την Αμβέρσα (Antwerpen).
• Στην Κίνα ιδρύθηκε ο CRIA (China Robot Industry Alliance) το 2013.
• Στην Ταϊβάν ο TAIROA (Taiwan Automation Intelligence and Robotics Association).
• Τέλος, στην Αυστραλία η “Αυστραλιανή εταιρία ρομπότ“ (AustralianRobotAssociationInc.) που ιδρύθηκε το 1981 και έχει έδρα το Σίδνεϊ.

Όλοι οι παραπάνω οργανισμοί, αλλά και άλλοι οι οποίοι δεν αναφέρθηκαν γιατί μία εξαντλητική αναφορά όλων των οργανισμών παγκοσμίως ξεφεύγει από το πλαίσιο της παρούσας εργασίας, έχουν σαν μέλη τους τις εταιρίες που δραστηριοποιούνται στον κλάδο της Βιομηχανικής Ρομποτικής των χωρών στις οποίες ιδρύθηκαν αλλά εταιρίες άλλων χωρών. Οι περισσότεροι όμως είναι μέλη ενός παγκόσμιου οργανισμού που ιδρύθηκε το 1987 ως μη κερδοσκοπικός οργανισμός, έχει τα κεντρικά του γραφεία στην Φρανκφούρτη της Γερμανίας και έχει περισσότερα από 50 μέλη σε περισσότερες από 20 χώρες. Αυτός ο οργανισμός είναι η ”Διεθνής Ομοσπονδία Ρομποτικής” (InternationalFederationofRobotics-IFR) .

Ως κλάδος που δημιουργήθηκε από την Ρομποτική, θα ισχύουν όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, όπως είναι ο ορισμός ενός ρομπότ και οι νόμοι της ρομποτικής. Όμως, λόγω της διαφοροποίησης που προαναφέρθηκε, τα παραπάνω έχουν κάποιες μικρές ή μεγάλες αλλαγές για την εφαρμογή τους στα βιομηχανικά ρομπότ. Έτσι, τα βασικά μέρη και βασικές δυνατότητες που πρέπει να έχει ένα ρομπότ  θα ισχύουν και για τα Βιομηχανικά Ρομπότ, όπως και οι τρεις (ή τέσσερις αν μετρήσουμε και τον μηδενικό νόμο) νόμοι του Ασίμοφ, στους οποίους όμως προστέθηκαν άλλοι δύο από τον StigMoberg της ABB Robotics(4 και 5 παράκατω )για εφαρμογή στα βιομηχανικά ρομπότ, που είναι :

Οι τρεις νόμοι του Ασίμοφ, ή όπως αναφέρονται στην σύγχρονη εποχή, οι τρεις νόμοι της Ρομποτικής, οι οποίοι εισήχθησαν στην ιστορία του 1942, “Runaround”, είναι :

1. Ένα ρομπότ δεν μπορεί να προκαλέσει βλάβη σε άνθρωπο ή να επιτρέψει, με την αδράνεια του, να προκληθεί βλάβη σε άνθρωπο.
2. Ένα ρομπότ πρέπει να υπακούει στις εντολές κάποιου ανθρώπου, εκτός και αν αυτές έρχονται σε σύγκρουση με τον πρώτο νόμο.
3. Ένα ρομπότ πρέπει να προστατεύει την ύπαρξη του, όσον αυτό δεν έρχεται σε σύγκρουση με τους δύο προηγούμενους νόμους.

Σε μεταγενέστερο διήγημα του, ο Ασίμοφ συμπλήρωσε τους παραπάνω νόμους με τον μηδενικό νόμο, ο οποίος είναι:

• Ένα ρομπότ δεν μπορεί να προκαλέσει βλάβη στην ανθρωπότητα ή να επιτρέψει, με την αδράνεια του, να προκληθεί βλάβη στην ανθρωπότητας

και σύμφωνα με τον νόμο αυτό, ο πρώτος νόμος μετατράπηκε στον:

• Ένα ρομπότ δεν μπορεί να προκαλέσει βλάβη σε άνθρωπο ή να επιτρέψει, με την αδράνεια του, να προκληθεί βλάβη σε άνθρωπο, όσο αυτό δεν έρχεται σε σύγκρουση με τον μηδενικό νόμο.

4. Ένα ρομπότ πρέπει να ακολουθεί την τροχιά που έχει καθοριστεί από τον χειριστή του, όσο αυτό δεν έρχεται σε σύγκρουση με τους πρώτους 3 νόμους.
5. Ένα ρομπότ πρέπει να έχει την ταχύτητα και την επιτάχυνση που έχει καθοριστεί από τον χειριστή του όσο δεν υπάρχει κάτι που να εμποδίζει την κίνηση του και τα παραπάνω δεν έρχονται σε σύγκρουση με τους προηγούμενους νόμους

Μία ακόμα αλλαγή, αναφορικά με τον κλάδο της Ρομποτικής, είναι ο ορισμός των Βιομηχανικών Ρομπότ ο οποίος είναι πιο εξειδικευμένος από τους γενικούς ορισμούς που αναφέρθηκαν σε προηγούμενη παράγραφο, με τον ορισμό του RIA (RobotInstituteofAmerica) να είναι ο πλησιέστερος στους σημερινούς. Όμως, λόγω των πολλών οργανισμών και εταιριών που δραστηριοποιούνται στον χώρο της Βιομηχανικής Ρομποτικής και της ανεξάρτητης ανάπτυξης συστημάτων από κάθε μία, έχουν διατυπωθεί αρκετοί ορισμοί, οι κυριότεροι των οποίων είναι :

• Η JARA, σε συνεργασία με την ιαπωνική επιτροπή βιομηχανικών προτύπων (JapaneseIndustrialStandardsCommittee) ορίζει τα βιομηχανικά ρομπότ σε διάφορα επίπεδα:

1. Χειριστής (manipulator): μία μηχανή που έχει λειτουργίες παρόμοιες με τα ανθρώπινα άνω άκρα και μετακινεί αντικείμενα στο χώρο.
2. Ρομπότ αναπαραγωγής (playbackrobot): ένας χειριστής ο οποίος μπορεί να εκτελέσει μία εργασία ακολουθώντας αποθηκευμένες πληροφορίες για μία ακολουθία λειτουργίας, που έχει αποκτήσει πριν την εκτέλεση της εργασίας.
3. Ευφυές ρομπότ (intelligentrobot): ένα ρομπότ που μπορεί να καθορίσει την συμπεριφορά του και τις ενέργειες που θα εκτελέσει μέσω των λειτουργιών της αίσθησης και της αναγνώρισης που έχει.

• Η BARA ορίζει ένα βιομηχανικό ρομπότ ως “μία επαναπρογραματιζόμενη συσκευή με τουλάχιστον τέσσερις βαθμούς ελευθερίας, σχεδιασμένη να μπορεί να μεταφέρει και να χειρίζεται μέρη, σύνεργα ή ειδικά κατασκευασμένα εργαλεία μέσω ποικίλων προγραμματιζόμενων κινήσεων για την εκτέλεση συγκεκριμένων βιομηχανοποιημένων εργασιών”.
• Η RIA (RoboticIndustriesAssociation) ορίζει ένα βιομηχανικό ρομπότ ως “έναν επαναπρογραμματίσιμο, πολυλειτουργικό χειριστή σχεδιασμένο να μετακινεί υλικά μέσω ποικίλων προγραμματισμένων κινήσεων για την εκτέλεση διαφόρων εργασιών”. Ο ορισμός αυτός είναι πολύ κοντά στον ορισμό του Ινστιτούτου Ρομποτικής (RIA) .
• Τέλος, ο ορισμός του Βιομηχανικού Ρομπότ που υιοθετήθηκε από τον Διεθνή Οργανισμό Τυποποίησης (InternationalOrganizationforStandardization-ISO) και είναι σύμφωνος με τις περισσότερες εταιρίες και οργανισμούς, με σημαντικότερο τον IFR, είναι: “Ένα Βιομηχανικό Ρομπότ είναι ένα αυτόματο, ελεγχόμενο από σερβο-μηχανισμό( Ο όρος “σέρβο” (servo) περιγράφει έναν “αναδραστικό μηχανισμό ελέγχου” και αποτελείται από έναν μικρό μηχανισμό με κατάλληλους αισθητήρες που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο και καθορισμό της θέσης του βιομηχανικού ρομπότ και γενικότερα ρομπότ ή αυτόματων)., ελεύθερα προγραμματιζόμενος, πολυλειτουργικός χειριστής, με αρκετά μέρη, για τον χειρισμό κομματιών εργασία, εργαλείων ή ειδικών συσκευών. Προγράμματα μεταβλητής λειτουργίας καθιστούν εφικτή την εκτέλεση πολλαπλών εργασιών”.

Όπως φαίνεται από τα παραπάνω, οι ορισμοί είναι παραπλήσιοι μεταξύ τους, με μικρές διαφορές. Άλλοι επικεντρώνονται στην εξωτερική περιγραφή, όπως της BARA που αναφέρει τον ελάχιστο αριθμό βαθμών ελευθερίας και άλλοι στην προγραμματιστική όπως της RIA και του ISO. Για τον λόγο αυτό, δεν είναι πλήρως ξεκαθαρισμένος ο ορισμός και είναι πιθανό κάποιος οργανισμός ή εταιρία να θεωρεί κάποιο μηχανισμό ως βιομηχανικό ρομπότ και κάποια άλλη όχι. Όπου θα γίνει αναφορά στους πιο ευρέως διαδεδομένους τρόπους ταξινόμηση των Βιομηχανικών Ρομπότ.

2.Τα Βιομηχανικά Ρομπότ έχουν “αναλάβει” πολλές και ποικίλες εργασίες στον τομέα της βιομηχανίας, και ειδικότερα της βαριάς βιομηχανίας στην οποία πολλές εργασίες σε πολλά από τα στάδια παραγωγής είναι δύσκολο ή επικίνδυνο να εκτελούνται από ανθρώπους. Έτσι, η χρήση ρομπότ σε πολλές τέτοιες εφαρμογές καθίσταται σχεδόν απαραίτητη, ειδικά σε κάποιες εργασίες τις οποίες δεν μπορούν να εκτελέσουν οι άνθρωποι. Τέτοια παραδείγματα είναι οι εργασίες σε πολύ ανθυγιεινό περιβάλλον λόγω διαφόρων ακτινοβολιών ή δηλητηριωδών αερίων που μπορεί να υπάρχουν, όπως παραδείγματος χάριν στις αυτοκινητοβιομηχανίες, όπου τα λάδια, τα ρινίσματα των μετάλλων, τα χρώματα και τα υλικά συγκόλλησης που χρησιμοποιούν, δημιουργούν ένα ανθυγιεινό περιβάλλον εργασίας, και στις μεταλλουργικές βιομηχανίες όπου οι υψηλές θερμοκρασίες που επικρατούν στον χώρο, σε συνδυασμό με τις αναθυμιάσεις των τηκομένων μετάλλων δημιουργούν ένα άκρως βλαβερό περιβάλλον για την ανθρώπινη υγεία. Έτσι, ανάλογα με το είδος της εργασίας, σε πολλές περιπτώσεις η χρήση ρομπότ έχει πολλά πλεονεκτήματα έναντι της εκτέλεσης της από τον άνθρωπο.

Ένα από τα πλεονεκτήματα των ρομπότ έναντι των ανθρώπων είναι, όπως προαναφέρθηκε, ότι μπορούν να λειτουργήσουν σε οποιοδήποτε περιβάλλον. Μπορούν να αναλάβουν εργασίες σε χώρους με ελλειπή ή και καθόλου εξαερισμό, καθιστώντας τα κατάλληλα για εργασίες σε χυτήρια μετάλλων, σε εργοστάσια στα οποία, λόγω των χημικών συστατικών που χρησιμοποιούνται και των αναθυμιάσεων που αυτά έχουν η ατμόσφαιρα είναι δηλητηριώδης για έναν άνθρωπο καθώς και σε περιβάλλοντα στα οποία ο φωτισμός είναι από ανεπαρκής μέχρι σχεδόν ανύπαρκτος. Εκτός του παράγοντα της υγείας, αναφορικά με τις παραπάνω περιπτώσεις αλλά και πολλές άλλες, η χρήση ρομπότ μπορεί να έχει και μεγάλα οφέλη στην εξοικονόμηση ενέργειας. Ένα μεγάλο ποσοστό της κατανάλωσης ενέργειας στα εργοστάσια οφείλεται στις ανάγκες φωτισμού, εξαερισμού και κλιματισμού του χώρου εργασίας, και ειδικά σε πολύ μεγάλες εργοστασιακές μονάδες, η κατανάλωση αυτή μπορεί να είναι πολύ μεγάλη. Έτσι, η χρήση ρομπότ μπορεί να αποφέρει πολλά οφέλη όσον αφορά την εξοικονόμηση ενέργειας.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ένα ρομπότ είναι μία μηχανή η οποία προγραμματίζεται να εκτελεί μία εργασία, την οποία επαναλαμβάνει συνεχώς με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Το χαρακτηριστικό αυτό τα καθιστά ιδανικά για την χρήση σε εργασίες που απαιτούν την συνεχή επανάληψη των ίδιων κινήσεων με μεγάλη ακρίβεια, εργασίες αρκετά “ανιαρές” και “βαρετές” για έναν άνθρωπο. Έτσι, σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να διασπαστεί η προσοχή του ανθρώπινου εργάτη ή και αυτός να κουραστεί, με αποτέλεσμα είτε την υποβάθμιση της ποιότητας του παραγόμενου έργου είτε ακόμα και στην πρόκληση ατυχήματος. Ένα ρομπότ όμως δεν θα έχει τέτοιο κίνδυνο, προσφέροντας σταθερή ποιότητα προϊόντος και ρυθμό παραγωγικότητας, βελτιώνοντας την απόδοση της παραγωγής. Ακόμα, σε πολλές τέτοιες περιπτώσεις πλεονεκτεί ένα ρομπότ έναντι ενός ανθρώπου και ως προς την ταχύτητα και ως προς την ακρίβεια εκτέλεσης τέτοιου είδους εργασιών.

Ένα ακόμα πλεονέκτημα των ρομπότ είναι ότι διαθέτουν μεγαλύτερη ευελιξία και δύναμη, χαρακτηριστικά που τους δίνουν την δυνατότητα να εκτελούν εργασίες που ένας άνθρωπος δεν θα μπορούσε, ή που θα απαιτούνταν περισσότεροι του ενός εργατών για να τις φέρουν εις πέρας. Χαρακτηριστικά τέτοια παραδείγματα υπάρχουν πολλά, ειδικά στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι οι εργασίες βαψίματος στις οποίες τα ρομπότ βαψίματος, λόγω της μεγαλύτερης ευελιξίας και της ικανότητας να κινούνται καλύτερα στον χώρο και να έχουν πρόσβαση σε σημεία που ένας εργάτης δύσκολα θα είχε, είναι πολύ πιο αποδοτικά, τόσο σε ταχύτητα όσο και σε ακρίβεια εκτέλεσης της εργασίας. Ένα ακόμα παράδειγμα είναι οι εργασίες συναρμολόγησης, στις οποίες, σε πολλές περιπτώσεις τα μέρη που πρέπει να συναρμολογηθούν απαιτούν και μεγάλη ακρίβεια κίνησης αλλά και μεγάλη δύναμη λόγω του βάρους τους, απαιτήσεις στις οποίες ένα κατάλληλα σχεδιασμένο ρομπότ μπορεί να ανταπεξέλθει.

Στα παραπάνω, αναφέρθηκαν τα οφέλη της χρήσης ρομπότ για την εκτέλεση πολλών εργασιών στο τομέα της βιομηχανίας και της αντικατάστασης των ανθρώπων, υπάρχουν και περιπτώσεις όπου η χρήση ρομπότ βοήθησε ή και προκάλεσε την εξέλιξη κάποιου κλάδου. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η βιομηχανία των υπολογιστών. Η εξέλιξη της τεχνολογίας των υπολογιστών συμβαδίζει (ή και προκαλείται) από την εξέλιξη των ηλεκτρονικών τεχνολογιών και των διαθέσιμων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Οι πρώτοι υπολογιστές χρησιμοποιούσαν έναν μεγάλο αριθμό από τρίοδες λυχνίες, οι οποίες είχαν διαστάσεις αρκετών εκατοστών, και είχαν πολύ μεγάλες, για τα σύγχρονα δεδομένα, διαστάσεις. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο πρώτος μεγάλης κλίμακας επαναπρογραμματιζόμενος ηλεκτρονικός ψηφιακός υπολογιστής, ο ENIAC, ο οποίος είχε περισσότερες από 18.000 λυχνίες κενού και 1500 ηλεκτρονόμους και καταλάμβανε 163 τετραγωνικά μέτρα χώρο. Με την εξέλιξη όμως των ηλεκτρονικών, και ειδικά με την εφεύρεση του τρανζίστορ, οι διαστάσεις και οι δυνατότητες των υπολογιστικών συστημάτων βελτιώθηκαν πολύ. Στα σύγχρονα υπολογιστικά συστήματα χρησιμοποιούνται τρανζίστορ πολύ μικρών διαστάσεων, λίγων νανόμετρων, των οποίων όμως η κατασκευή, λόγω των μικροσκοπικών διαστάσεων που έχουν και της μεγάλης απαιτούμενης ακρίβειας για την σωστή κατασκευή τους, είναι αδύνατο να γίνει από έναν άνθρωπο. Έτσι, στην περίπτωση αυτή, η συνεχής βελτίωση των τεχνολογιών αυτών οφείλεται στην χρήση ρομπότ τα οποία κατασκευάζονται κατάλληλα ώστε να μπορούν να χειριστούν υλικά στις απαιτούμενες μικροσκοπικές διαστάσεις και με πολύ μεγάλη ακρίβεια.

*Ματθαίος Ισούκης, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός. Απόφοιτος Πανεπιστημίου Sheffield Αγγλίας. Τέως στέλεχος Πολυεθνικής Εταιρείας.

**Δημήτρης Παυλόπουλος, Μηχανολόγος Ηλεκτρολόγος, πρώην Πρόεδρος ΔΚΜ, πρώην Μέλος ΔΣ ΕΛΟΤ