Průmyslová robotika – jak to začalo

Historie robotů v Československu není v současném Česku dostatečně známá, a to ani mezi odborníky z oboru. Nedostatečnou znalost se částečně pokusí odstranit tento článek.

Je-li řeč o československých robotech, pamětníkům se asi jako první vybaví průmyslový robot PR 32.

Méně už si budou pamatovat, že roboty PR 32 byly původně vyvinuty jako PRAM 03 v koncernu ZSE (VÚSE, VÚSTE, VÚES, MEZ) a teprve poté při delimitaci na počátku 80. let minulého století předány na Slovensko do Výzkumného ústavu VÚKOV v Prešově, kde je přejmenovali na PR 32-E. Pod tímto názvem byly pak vyráběny a dodávány do československého průmyslu celá 90. léta.

V rámci řady PRAM však byly ještě dříve vyvinuty roboty PRAM 01 s asynchronními motory a narážkovým1) řízením, které byly využívány pro montáž statorových plechů v MEZ Mohelnice.

Zhruba ve stejné době jako roboty PR 32-E se objevily první svařovací roboty KUKA v národním podniku Škoda v Mladé Boleslavi.

V současné době se v ČR průmyslové roboty už nevyrábějí. Ve světě jsou známé mobilní roboty z VUT v Brně. Tým prof. Luďka Žaluda v brněnském CEITEC VUT pracuje na vývoji robotů, které dokážou zachraňovat lidské životy v nepřístupných podmínkách. Další roboty vznikají i na jiných technických vysokých školách, ale ani v jednom případě nemají ambice vstoupit na trh jako průmyslové roboty.

O robotizaci českého průmyslu se tak v současné době starají roboty zahraničních firem. Z nich některé mají v Česku aktivní technické kanceláře a vývojová střediska. Například ABB v Česku vyvíjí robotické buňky pro celou Evropu. Naopak ve světě jsou známé české inženýrské firmy, které realizují projekty robotických pracovišť.

Ve svém profesním inženýrském životě jsem se prvních sedm let, v letech 1974 až 1981, zabýval vývojem, konstrukcí a optimálním řízením průmyslových manipulátorů a robotů ve Výzkumném ústavu silnoproudé elektrotechniky (VÚSE) v Běchovicích.

Mým tutorem a garantem na ČVUT FSI byl prof. Pavel Zítek a jedním z mých nástupců u prof. Zítka byl současný děkan – prof. Michael Valášek, tedy „professional background and succession“ jak se patří.

Z uvedených důvodů jsem byl v roce 2018 pozván Fakultou aplikované informatiky Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně jako „expert-pamětník- pedagog“ do nově vznikajícího studijního oboru „roboty, programování a jejich aplikace“. Na konci svého profesního života tedy přednáším o historii, současnosti a budoucnosti robotů, a to pod vedením prof. Vladimíra Vaška (odborně spolupracujícího s redakcí časopisu Automa) a garanta nového studijního oboru doc. Lubomíra Vaška.

O robotice se v některých současných médiích mluví latentně jako o zcela novém fenoménu spojeném s novými trendy v průmyslu (průmysl 4.0) a s digitalizací, ale to neodpovídá skutečnosti, protože roboty jsou tu již dlouho. O robotice se v médiích hovoří v souvislosti s jejich nadřazeným inteligentním řízením a jejich propojováním do „robotických a průmyslových cloudů“.

Nemluví se o tom, že robot (popř. manipulátor) je výsostně strojařský výrobek, který bez vyspělého strojírenského a elektrotechnického průmyslu nemůže být vůbec vyroben, natož v potřebné technické úrovni a kvalitě.

Kinematické, dynamické a konstrukční základy robotů

S kolektivem spolupracovníků z VÚSE jsem se zabýval následujícími oblastmi průmyslové robotiky (v přímé či nepřímé spolupráci se známými tuzemskými i zahraničními univerzitními pedagogy a odborníky z praxe, což je indikováno literaturou [7], [8], [9]):

  • optimální řízení robotů s kritérii minimální spotřeby energie, maximální rychlosti apod. [1], [2],
  • automatické zpětnovazební řízení robotů [3],
  • zpětnovazební řízení složitých dynamických systémů [4],
  • aplikace umělé inteligence pro řízení robotů [5], [6],
  • optimální řízení pohybu robotů „z bodu A – do bodu B“ [7], [8].

Mezi využití umělé inteligence v robotice lze zařadit i kognitivní roboty, které poprvé v české literatuře [12] specifikoval Dr. Ivan M. Havel, bratr našeho prvního porevolučního prezidenta Václava Havla2).

Československo, konkrétně ústavy VÚSTE Praha a VÚSE Běchovice, bylo v druhé polovině minulého století jednoznačně na špičce vývoje a výroby manipulátorů a robotů, včetně jejich řízení, v socialistických zemích.

Plány SKVTIR na rozvoj robotů a robotizace v Československu


Sedmdesátá léta

Podle schválených plánů rozvoje Státní komise pro vědeckotechnický a investiční rozvoj (SKVTIR) měly počty průmyslových robotů a manipulátorů narůstat po desítkách tisíc ročně. Konkrétní průmyslové manipulátory a roboty se stejnosměrnými elektrickými pohony byly vyvíjeny, projektovány, vyráběny a provozně ověřovány těmito podniky:

  • VÚSE Běchovice (řídicí systém a algoritmy; pracoval jsem zde v letech 1974 až 1981; dalším z členů týmu byl Vojtěch Konopa, později profesor, děkan Fakulty mechatroniky a rektor Technické univerzity v Liberci),
  • VÚSTE Praha (strojní část, konstrukce a výroba),
  • VÚES Brno (vývoj a výroba elektrických pohonů),
  • MEZ Brno z koncernu ZSE – Závody silnoproudé elektrotechniky (provoz robotů v průmyslové výrobě).

První manipulátor PRAM 01 s asynchronními střídavými motory s přepínáním pólů podle signálů z narážek („kontráves“) s kartézskými souřadnicemi od roku 1976 skládal statorové plechy na lince pro výrobu elektrických motorů v podniku MEZ Mohelnice.

Další PRAM 03 byl typ se sférickými souřadnicemi, podle vzoru firmy ASEA – viz obr. 1c) (spojením švédské firmy ASEA, Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget, a švýcarské firmy BBC, Brown, Boveri & Cie., vznikla současná firma ABB). K pohonu os PRAM 03 byly použity stejnosměrné regulované pohony Mezomatik.

Osmdesátá léta

Další vývoj a výroba byly podle rozhodnutí SKVTIR, státních orgánů a vlády „delimitovány“ (moje první delimitace ze tří, které jsem v životě zažil na vlastní, tehdy mladou kůži) v plném rozsahu na Slovensko [10].

Na vývoj a výrobu prototypů byla vybrána jako zodpovědný podnik firma VÚKOV Prešov (nejznámější byl robot PR 32, tj. přeznačený robot PRAM 03, vyvinutý ve VÚSE a VÚSTE Praha).

Stručný výčet mých prací

Kromě konstrukčních, výrobních a provozních výsledků zpracoval kolektiv VÚSE Běchovice i několik průmyslových vzorů, vynálezů a patentů. Jako příklad lze uvést autorské osvědčení č. 202756 Zapojení pro programové řízení pohybu manipulátorů a robotů, přihlášené 17. 7. 1978, zveřejněné 30. 5. 1980, vydané 1. 6. 1983. Vynález jsem zpracoval se svými spolupracovníky z VÚSE pod vedením doc. Slavomíra Sůvy. Tento vynález byl využit na průmyslovém manipulátoru PRAM 01, který byl opakovaně vystavován na MSV v Brně (obr. 5) a provozně využit v podniku MEZ Mohelnice na montáži elektrických motorů, konkrétně při skládání a spojování statorových plechů.

Na obr. 3 je schéma řízení robotu se třemi pohony v jednotlivých kloubech. V té době jsme pro vývoj měli málo výkonné osmibitové počítače typu SM. Vzhledem k požadavku řízení celého robotu v reálném čase jsme proto řídili každý kloub samostatně jednotlivým mikroprocesorovým počítačem SM. Později při komunikaci se zahraničními řešiteli z nesocialistických zemí bylo naše řešení hodnoceno jako „inovativní, zajímavé a oceňované“.

Oni v té době již měli k dispozici výkonné řídicí počítače, např. šestnáctibitové typu PDP, proto mohli pohyby celého robotu řešit jedním počítačem a byli schopni dosáhnout výpočtu v reálném čase. Matematický popis řešili maticovými rovnicemi v nejobecnějším, nijak nezjednodušeném tvaru.

Je v tom určitý paradox: někdy nedostatek výkonné techniky vede k vývoji a použití řešení, které zdánlivě vypadá jako moderní a progresivní.

Průmyslový robot ASEA (obr. 9) používal jako pohony malé rychlootáčkové elektromotory se specifickými převodovkami Harmonic Drive – DBP. Technický princip harmonické převodovky je podobný jako u planetové převodovky, ale bez oběhového ozubeného kola, jež je nahrazeno elipsovitým vnitřním ozubeným kolem3).

Československý průmyslový robot PR 32-E používal stejnosměrné pohony Mezomatic z koncernu Závody silnoproudé elektrotechniky (ZSE), konkrétně ze státního podniku MEZ Brno (od roku 1996 společnost EM Brno, s. r. o.). Stejnosměrné pohony Mezomatic byly osazeny tyristorovými měniči a stejnosměrnými motory s buzením feritovými permanentními magnety. Pohony Mezomatic byly určeny pro posuvy číslicově řízených obráběcích strojů se spojitým polohovým řízením, pro nastavování souřadnic posuvů tvářecích strojů a rovněž pro průmyslové roboty a manipulátory.

Výsledkem použití pohonů Mezomatic (bez harmonických převodovek, které nebyly k dispozici) byly vzhledově dlouhé „kanóny“ – viz obr. 10, funkčností a přesností robotu jsme však za koncernem ASEA nezaostávali. V té době jsme v Československu měli nakročeno k tomu, stát se lídrem v oblasti číslicově řízených robotů a manipulátorů.

Průmyslový robot PR 32-E měl rotační osy, vertikální nebo horizontální ruku a zápěstí se 2° volnosti. Byl určen zejména pro svařování. Řídicí systém RS-3 byl na bázi univerzálního mikropočítačového systému SM 50/40-1. Později na Slovensku vznikl řídicí systém RS-1C s rozšířenou sestavou až 216 vstupních a 216 výstupních signálů [11]. Řídicí systém umožňoval provoz v těchto režimech:

  • ruční,
  • automatický (program uložený v EPROM),
  • programovací,
  • ladicí.

Závěr

S jistotou lze konstatovat, že mnoho pamětníků již nežije, a protože „(technická) historie je nejlepší učitelkou mladých (techniků)“, je velká škoda, že se o historii českého průmyslu a automatizace ve vzdělávacím procesu nemluví více.

Literatura:

[1] NEUMAN, Petr. Application of Optimal and Adaptive Algorithm Control to the system Robot-Manipulator in US Cosmic Space Shuttle. In: Proceedings of the XXVIII IAF Congress. Praha, 1977.

[2] VALÁŠEK, Michael. Energeticky suboptimální a programové řízení průmyslových robotů v reálném čase. Automatizace. Praha, 1983, (12). ISSN 0005-125X.

[3] VÍTEČEK, Antonín. Optimální řízení robotů. In: Achievements in the Mechanical and Material Engineering. Gliwice: Silesian Technical University, 1993, s. 257–264.

[4] VÍTEČEK, Antonín, Miluše VÍTEČKOVÁ a Radim FARANA. Dobór nastaw analogowych i cyfrowych regulatorów PI oraz PID. Postępy Automatyki i Robotyki. Kielce: Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, 2011, s. 594–600. ISBN 978-83-88906-49-7.

[5] VÍTEČEK, Antonín, Leszek CEDRO a Radim FARANA. Modelowanie matematyczne. Podstawy: Podręczniki akademickie Politechniki Świętokrzyskiej. 2. vyd. Kielce: Wydawnictwo Politechniki Świetokrzyskiej, 2010. ISBN 978-83-88906-28-2.

[6] SARNOVSKÝ, Ján, Ladislav MADARÁSZ, Juraj BÍZIK a Július CSONTÓ. Riadenie zložitých systémov. Bratislava: Alfa, 1992. ISBN 978-8005009457.

[7] MARINOV, P. a P. KIRIAZOV. A Direct Method for Optimal Control Synthesis of Manipulator Point-to-Point Motion. In: IFAC Proceedings Volumes. 1984, s. 453–456. ISSN 14746670. Dostupné z: doi:10.1016/S1474-6670(17)61012-7.

[8] VÍTEČEK, Antonín a Miluše VÍTEČKOVÁ. Využití metody agregace pro řízení robotů. In: Zborník vedeckých prác z medzinárodnej konferencie Nové výrobné technológie. Prešov: TU Košice, 1997, s. 25–28. ISSN 80-7099-293-X.

[9] VÍTEČEK, Antonín a Miluše VÍTEČKOVÁ. Robustní řízení nelineárních podsystémů. In: Zborník referátov Automátizacia – Robotika v teórii a praxi ROBTEP ’99. Košice: FS TU, 1999, s. 367–379. ISBN 80-7099-453-3.

[10] BUDA, Ján a Milan KOVÁČ. Priemyselné roboty. Bratislava: Alfa, 1976. Edícia strojárskej literatúry (Alfa).

[11] Technická dokumentace VÚKOV Prešov. Rok vydání neuveden.

[12] HAVEL, Ivan M. Robotika: úvod do teorie kognitivních robotů. Praha: SNTL, 1980. Teoretická knižnice inženýra.

 

Petr Neuman, sdružení NEUREG

 

Obr. 1. Základní kinematická schémata historických průmyslových robotů: a) Versatran, b) Unimate, c) ASEA, d) IBM

Obr. 2. Blokové schéma robotu s elektrickými pohony

Obr. 3. Příklady kinematické struktury robotu

Obr. 4. Prospekt prvního československého robotu PRAM 01

Obr. 5. Stánek VUSE Praha ve společné expozici ZSE Praha v pavilonu Z, XXII. MSV Brno, 10. až 18. září 1980 – robot PRAM 01 a v pozadí ve světlém obleku a s vousy já

Obr. 6. Rozměry PRAM 01

Obr. 7. Prospektové parametry PRAM 01

Obr. 8. Další vývojová generace – průmyslový robot PR 32-E

Obr. 9. Robot PR 32-E byl vyvinut podle ideového vzoru švédského robotu od firmy ASEA

Obr. 10. Průmyslový robot PR 32-E v provozu výroby a montáže silnoproudých zařízení

 

Tab. 1. Specifikace rozvoje robotů podle Státní komise pro vědeckotechnický a investiční rozvoj v Československu (formulována jako shrnutí po dvou třetinách rozvoje průmyslových robotů a manipulátorů v Československu v letech 1973 až 1989)

 

1)Pozn. red.: Narážkové řízení patří mezi systémy tvrdé automatizace s prostorovou vazbou: k vybavení signálu dochází při najetí charakteristické části stroje do určité polohy, v níž je umístěna narážka (např. mikrospínač). Často se používalo u obráběcích strojů.

2)Pozn. red.: Kognitivní robot není kooperativní robot: v současné době velmi propagované kooperativní roboty spolupracující s lidskou obsluhou nejsou totožné s kognitivními roboty, které dokážou na základě zjištěných informací a vestavěného modelu prostředí samostatně vykonávat zadané činnosti. Proto považujeme uvádění zkratky kobot (nebo anglicky cobot) za zavádějící a nevhodné.

3)Pozn. red.: Princip harmonické převodovky nejlépe osvětlí animace. Na adrese https://youtu.be/YHVdzKTvdIo zájemci najdou video od firmy Denso, která tyto převodovky vyrábí.