CC BY
49Процессы и машины агроинженерных систем
УДК 656.137 Код ВАК 05.20.03
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТОТЕХНИКИ В ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ И РЕМОНТЕ АВТОМОБИЛЕЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
А.Г. Долганов 1*, Ю.Н. Строганов 1, Л.А. Новопашин 2 , А.Ю. Михеев 1
1 ФГАОУ ВО «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» г. Екатеринбург Россия
2 ФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Екатеринбург, Россия * E-mail: dolganovandrgen@gmail.com
Анотация. На основе анализа современных тенденций развития робототехники, признанной в качестве сквозной технологии совершенствования экономики в мире, в статье рассмотрены возможные направления применения роботов в технологии технического обслуживания и ремонта автомобилей в сельском хозяйстве России. В настоящее время сельское хозяйство страны показывает высокие результаты роста производства и выдающиеся экспортные возможности. Соединение наметившихся положительных тенденций в аграрной области с передовой, динамически развивающейся робототехнической технологией может не только закрепить достигнутые сельскохозяйственные результаты, но и поднять на новый уровень экономического развития эту отрасль. В частности, можно ожидать повышения производительности и качества труда в сложном и трудоёмком процессе технического обслуживания и ремонта автомобилей, учитывая особые условия их эксплуатации в сельском хозяйстве: разброс на больших территориях, удалённость от крупных технических центров, отсутствие в полевых условиях необходимого технологического оборудования, часто неблагоприятные погодные и климатические условия. Определение перспективных направлений применения робототехники позволит в последующих исследованиях более детально рассматривать отдельные вопросы проектирования роботов, в частности в рамках магистерских программ обучения по соответствующим направлениям подготовки будущего кадрового потенциала аграрной отрасли. Для достижения поставленной цели в статье использованы аналитические данные по вопросам рынка робототехники в мире и существующих трендов применения роботов. Актуальность данного исследования определяется тем, что в настоящее время в аналитических исследованиях отмечается высокая динамика распространения робототехнических технологий в экономике многих стран мира, а в сельском хозяйстве России возникли благоприятные факторы внедрения робототехники.
Ключевые слова: роботы, техническое обслуживание, ремонт, сельское хозяйство.
PROSPECTS FOR THE APPLICATION OF ROBOTICS IN MAINTENANCE AND REPAIR OF
VEHICLES IN AGRICULTURE
A.G. Dolganov1*, IU.N. Stroganov 1, L.A. Novopashin1 , A.IU.Micheev1
1 Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin», Ekaterinburg, Russia
2 FSBEI HE Ural SAU, Ekaterinburg, Russia * E-mail: dolganovandrgen@gmail.com
Abstract. Based on the analysis of modern trends in the development of robotics, which is recognized as an end-to-end technology for improving the economy in the world, the article discusses possible areas of application of robots in the technology of maintenance and repair of cars in agriculture in Russia. The country's agriculture is currently showing strong production growth results and outstanding export opportunities. The combination of emerging positive trends in the agricultural sector with advanced, dynamically developing robotic technology can not only consolidate the achieved agricultural results, but also raise this industry to a new level of economic development. In particular, one can expect an increase in productivity and quality of labor in the complex and time-consuming process of maintenance and repair of cars, given the special conditions of their operation in agriculture: spread over large territories, remoteness from large technical centers, lack of the necessary technological equipment in the field, often adverse weather and climatic conditions. Determination of promising areas of application of robotics will allow in subsequent studies to consider in more detail individual issues of designing robots, in particular, within the framework of master's training programs in the relevant areas of training the future human resources of the agricultural industry. To achieve this goal, the article uses analytical data on the robotics market in the world and existing trends in the use of robots. The relevance of this study is determined by the fact that currently in analytical studies there is a high dynamics of the spread of robotic technologies in the economies of many countries of the world, and favorable factors for the introduction of robotics have emerged in Russian agriculture.
Keywords: robots, maintenance, repair, agriculture.
Постановка проблемы (Introduction)
Сельское хозяйство России в настоящее время испытывает экономический подъём. "Россия в полном объеме обеспечивает себя основными продуктами питания, последовательно осваивает глобальные рынки, входит в число ведущих экспортеров по ряду позиций", - констатировал глава государства 20 мая 2020 года на совещании о ситуации в сельском хозяйстве и пищевой промышленности [1]. Транспортная инфраструктура имеет важное значение для аграрного сектора экономики. Автомобильный транспорт осуществляет перевозку грузов и пассажиров наряду с другими видами транспорта. Поддержание транспортных средств в исправном и работоспособном
состоянии является основной функцией системы технического обслуживания (ТО) и ремонта (Р) на базе автотранспортных производств сельского хозяйства.
Национальный проект России "Цифровая экономика" и федеральный проект "Цифровые технологии" предусматривают преобразование приоритетных отраслей экономики страны, в том числе сельской и транспортной отраслей, "...посредством внедрения цифровых технологий и платформенных решений" [2]. Применение современных цифровых технологий позволяет повысить производительность и качество труда, эффективность взаимодействия и конкурентноспособность участников экономического рынка, удовлетворить растущий спрос потребителей. К перечню сквозных цифровых технологий относятся компоненты робототехники и искусственный интеллект [3]. Одним из приоритетных направлений цифровизации является развитие робототехники на основе интеллектуальных систем управления.
Соединение современных технологий робототехники с экспортными возможностями и высоким экономическим потенциалом сельского хозяйства может создать положительный эффект дальнейшего роста экономических показателей аграрной отрасли страны. Учитывая высокую динамику изменений в сельском хозяйстве за последние годы и практически взрывной характер развития цифровых технологий в России и мире, следует признать целесообразным проведение научных исследований по анализу перспектив применения робототехники в сельском хозяйстве, в частности в его автотранспортной инфраструктуре, обеспечивающей в системе ТО и Р исправность и работоспособность автомобилей.
Методология и методы исследования (Methods)
Цель исследования - определение возможных перспективных направлений применения достигнутого в мире результата использования робототехники в ТО и Р автомобилей в сельском хозяйстве.
Материалы, методы и объекты исследования. Для определения направлений применения робототехники в ТО и Р автомобилей аграрного сектора экономики необходимо провести анализ факторов рынка и современных трендов робототехники, степени влияния этих факторов на возможный рост эффективности технологических процессов ТО и Р автомобилей в сельском хозяйстве. Поэтому методом исследования является сравнительный анализ тенденций мировой, включая российской, практики профессиональной сервисной роботизации и особенностей технологических процессов ТО и Р автомобилей в сельском хозяйстве нашей страны. Объект исследования - роботизация системы ТО и Р автомобилей, как основной системы технической эксплуатации автомобилей.
Прежде всего, необходимо остановиться на понятии "робот", которое определено отечественным стандартом как исполнительный механизм, программируемый по двум или более степеням подвижности, обладающий определенной степенью автономности и способный
перемещаться во внешней среде с целью выполнения задач по назначению [4]. Т.е. в отличие от традиционно применяемого в системе ТО и Р технологического оборудования, робот более подвижен и автономен.
Программируемая автономная подвижность робота позволяет: 1) транспортировать его (своим ходом по земле, как наземный транспорт, или по воздуху, как беспилотный летательный аппарат) к автомобилю, который эксплуатируется в полевых условиях, как правило, удалённо от основного производства ТО и Р; 2) использовать его на автомобиле для осуществления моечных, диагностических, обслуживающих и ремонтных работ в труднодоступных местах конструкции автомобиля при минимальном использовании обычного (нероботизированного) технологического оборудования, приспособлений и инструментов. В тоже время, необходимо учитывать положительные результаты не только полной, но и частичной роботизации процессов ТО и Р -ограничение подвижности или автономности робота до класса робототехнического устройства приближает функции последнего к обычному технологическому оборудованию, но удешевляет процесс роботизации.
Роботы (или робототехнические устройства) в ТО и Р автомобилей в сельском хозяйстве могут быть отнесены к классу сервисных, так как область их применения, как правило, не связана с поточными линиями обслуживания или массового ремонта. При капитальном ремонте автомобилей допустимо применение промышленных роботов в целях автоматизации крупного производства с большой производственной программой. В перспективе возможно также появление профессиональных сервисных роботов, например, роботов-механиков-водителей универсальных или специализированных на выполнении каких-либо отдельных, наиболее трудоёмких технологических процессов.
Наиболее востребованы в ТО и Р в сельском хозяйстве мобильные роботы, так как автомобили рассредоточены, как правило, на большой территории и существенно удалены от крупных производственно-технических баз. При этом, наземный мобильный робот может проектироваться как беспилотный специальный автомобиль повышенной проходимости, а воздушный мобильный робот - как беспилотный специальный летательный аппарат.
Наземный мобильный робот в упрощённом (более экономичном) варианте может представлять мобильную платформу с манипуляторами, в более сложном (более дорогом) варианте - робототехнический комплекс, обеспечивающий выполнение роботом (или группой роботов) комплекса работ по ТО и Р без использования традиционного подъёмника автомобиля или канавы, например: 1) мойку автомобиля снизу, замену масла и промывку картера двигателя; 2) диагностику системы охлаждения и замену трубопроводов, термостата и других деталей, узлов, агрегатов; 3) замену рессоры и стремянок рессоры и т.д.
Несмотря на автономность робота, его эксплуатация предполагает в большей или меньшей степени взаимодействие с человеком - оператором и получателем (бенефициарием). Чем больше
взаимодействие робот-человек, тем больше требований к безопасности робота в совместной с человеком работе. Коллаборативные роботы (роботы для совместной работы), имеющие высокие показатели безопасности, могут использоваться как робототехнические устройства (экзоскелеты) при оказании физической помощи механику-водителю в ТО и Р автомобилей в полевых условиях. Для того, чтобы робот был подвижным и автономным, необходимо, чтобы он обладал соответствующей системой управления - системой преобразования информации (о себе, окружающем мире, операторе, получателях, технических и технологических объектах воздействия и взаимодействия - деталях, узлах, агрегатах, автомобилях, эксплуатационных материалах, технологическом оборудовании, приспособлениях, инструментах, производственно-технической базе и пр.) в технические воздействия ТО и Р, обеспечивающие работоспособность и исправность автомобилей. Поэтому робот должен уметь выполнять основные этапы технологии управления: 1) информационное обеспечение процесса принятия решений; 2) процесс принятия решений; 3) реализацию принятых решений.
Для осуществления первого этапа роботу необходимо обладать сенсорной системой (техническим зрением, слухом и т.д.) восприятия сигналов. Для осуществления второго этапа -интеллектуальной системой (нейросетевой, экспертной, гибридной и др.). Для осуществления третьего этапа - исполнительным механизмом (источником энергии, приводом, механической конструкцией, мехатронной системой).
Так как степень подвижности и автономности робота может быть различной, то это необходимо учитывать в технико-экономическом обосновании проекта робота в конкретном автотранспортном производстве сельского хозяйства. Например, степень подвижности и автономности диагностического робота может обеспечить различные варианты реализации роботизации в производстве технической диагностики: 1) самостоятельную постановку роботом диагноза технического состояния автомобиля; 2) взаимодействие робота с оператором на всех трёх этапах технологии управления; 3) только сбор информации, без принятия и реализации решений. При этом, каждый из вариантов будет иметь своё технико-экономическое обоснование. Поэтому внедрение в сельском хозяйстве поэтапной роботизации ТО и Р автомобилей, с учётом стоимости каждого этапа, можно считать наиболее обоснованным экономически в современных условиях.
Существенное влияние на развитие любой отрасли рыночной экономики оказывают внутренние и внешние экономические рынки. Прогнозирование развития бизнеса в сельском хозяйстве должно учитывать внутренние и внешние маркетинговые тенденции роботизации. По аналитическим данным, мировой рынок промышленной робототехники растёт шестой год подряд и прогнозируется дальнейшее увеличение продаж [5]. При этом автомобильная промышленность и производство электроники потребляет почти две трети всех выпускаемых в мире промышленных роботов. Эти означает, что роботизация системы ТО и Р автомобилей может привести, при определённых условиях, к положительному экономическому эффекту, так как объекты
технического воздействия в системе ТО и Р автомобилей и в автомобильной промышленности (частично в электронике) совпадают - это автомобиль, его детали, узлы, агрегаты, электронные системы управления.
Высокую динамику продаж промышленных роботов демонстрирует стратегический партнёр России - Китай [5]. Его опыт показывает, что даже в условиях избытка трудовых ресурсов, применение роботов экономически оправдано. Тем более, следует ожидать положительных экономических результатов в сельском хозяйстве России, где плотность сельского населения низкая и имеет тенденцию к ещё большему снижению в ближайшие годы. Поэтому необходимо признать, что роботизация аграрного сектора экономически обоснована, во многом, демографическими проблемами нашей страны.
Общепризнанным мировым лидером в области роботизации является Япония. Отставание России в области робототехники от Японии, а также США и развитых стран Европы не может считаться приемлемым сценарием будущего развития нашей страны с военно-технической точки зрения, так как технологии робототехники могут рассматриваться как технологии двойного назначения. Например, полевые условия эксплуатации автомобилей в сельском хозяйстве близки к полевым условиям эксплуатации военной автомобильной техники. Поэтому робототехнические технологии в ТО и Р автомобилей в сельском хозяйстве могут проектироваться как технологии двойного назначения для автомобилей специального назначения.
По данным Международной федерации робототехники (IFR), сервисная робототехника в настоящее время существенно опережает по темпам роста промышленную робототехнику. В 2017 году темп роста профессиональной сервисной робототехники составил 85% [6]. Такой взрывной рост сервисной робототехники показывает экономическую обоснованность внедрения роботов и робототехнических устройств в небольшие производства, в частности, в сети производств автосервиса, обслуживающих автотранспорт в сельской местности. Например, речь может идти о разработке робототехники для ТО и Р автомобилей на базе отечественных проектов экзоскелетов и полевых роботов [7, 8]. По оценке экспертов основными движущими факторами этого рынка будут снижение затрат на производство, удешевление продукции, увеличение спроса на роботизированную технику [5].
В тоже время, в ближайшие 5 лет перечисленные факторы окажутся под влиянием новых трендов в робототехнике и смежных с ней областях науки и техники: 1) появлением новых материалов (например, графена в промышленных масштабах для новых типов аккумуляторов) [9]; 2) разработкой новых источников энергии, технологий хранения энергии (например, портативных водородных элементов питания и беспроводных сетей зарядных устройств) [5]; 3) обеспечением эффективного взаимодействия групп роботов и людей (прежде всего, с целью достижения безопасности жизни, здоровья и имущества человека, а также согласованности действий роботов-агентов); 4) исследованием альтернативных способов навигации для экстремальных условий
(например, автономной навигации на неразведанной местности в условиях полного отсутствия связи) [10]; 5) повышения эффективности нейронных сетей в машинном обучении; 6) антропоморфизацией роботов (созданием телесно, эмоционально и интеллектуально подобных человеку роботов для повышения эффективности человеко-машинного взаимодействия) [11].
Результаты (Results)
Учитывая высокие темпы экономического роста аграрной отрасли России, использование робототехники, как сквозной технологии, экономически оправдавшей себя в автомобильной промышленности и производстве электроники, как одного из средств преодоления последствий демографического спада в России и низкой плотности населения в сельской местности, как технологии двойного назначения, а также учитывая современные тренды в робототехнике, к перспективным направлениям применения роботов в ТО и Р автомобилей в сельском хозяйстве целесообразно отнести: 1) транспортирование робота (или робототехнического устройства) к автомобилю в полевых условиях, в удалённости от основного производства, с целью осуществления технологических процессов ТО и Р в труднодоступных местах конструкции автомобиля; 2) применение профессиональных сервисных роботов-механиков, универсальных или специализирующихся на видах работ ТО и Р; 3) применение наземных мобильных роботов как беспилотных специальных автомобилей повышенной проходимости: от мобильной платформы с манипуляторами до робототехнического комплекса. Применение воздушных мобильных роботов -как беспилотных специальных летательных аппаратов; 4) применение коллаборативных роботов и робототехнических устройств (экзоскелетов) при оказании физической помощи в процессе осуществления технических воздействий ТО и Р автомобилей в полевых условиях; 5) применение роботов, в рамках поэтапной роботизации ТО и Р автомобилей, с различной степенью подвижности и автономности системы управления: от осуществления только первого этапа технологии управления (информационного обеспечения процесса принятия решений), до второго (процесса принятия решений) и третьего (реализации принятых решений). Проведённое исследование может быть продолжено в процессе проектирования роботов и робототехнических устройств при подготовке выпускных квалификационных работ в рамках магистерских программ обучения сельскохозяйственного направления.
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
Объём применения робототехники в ТО и Р автомобилей в сельском хозяйстве России будет увеличиваться в ближайшие годы реализации национального проекта "Цифровая экономика" на фоне общемировых позитивных тенденций роботизации и внутренних потребностей экономики нашей страны. Перспективы применения робототехники в ТО и Р автомобилей в сельском хозяйстве связаны, прежде всего, с наиболее трудоёмкими технологическими процессами, проводимыми в полевых условиях.
Библиографический список
1. Путин: Россия полностью обеспечивает себя продуктами питания - URL: https://rg.ru/2020/05/20/putin-rossiia-polnostiu-obespechivaet-sebia-produktami-pitaniia.html
2. Паспорт федерального проекта «Цифровые технологии» - URL: https://digital.ac.gov.ru/poleznaya-informaciya/4106/
3. «Цифровые технологии» - URL: ttps://digital.gov.ru/ru/activity/directions/878/
4. ГОСТ Р 60.0.0.4-2019/ИСО 8373:2012 Роботы и робототехнические устройства. Термины и определения - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200162703
5. Сбербанк. Аналитический обзор мирового рынка робототехники 2019 - URL: http://www.sberbank.ru/common/img/uploaded/pdf/sberbank_robotics_review_2019_17.07.2019_m.pdf
6. International Federation of Robotics - URL: https://ifr.org/worldrobotics/
7. Карфидов Лаб - URL: https://karfidovlab.com
8. Аврора Роботикс - URL: https://avrora-robotics.com/ru/
9. Electronics Weekly - URL: https://www.electronicsweekly.com
10. American Association for the Advancement of Science. - URL:https://sciencemag.org
11. Фонд перспективных исследований - URL: https://fpi.gov.ru/projects/fiziko-tekhnicheskie-issledovaniya/fedor/
References
1. Putin: Rossiia polnostiu obespechivaet sebia produktami pitaniia - URL: https://rg.ru/2020/05/20/putin-rossiia-polnostiu-obespechivaet-sebia-produktami-pitaniia.html
2. Pasport federal'nogo proekta «Cifrovye tekhnologii» - URL: https://digital.ac.gov.ru/poleznaya-informaciya/4106/
3. «Cifrovye tekhnologii» - URL: https://digital.gov.ru/ru/activity/directions/878/
4. GOST R 60.0.0.4-2019/ISO 8373:2012 Roboty i robototekhnicheskie ustrojstva. Terminy i opredeleniya - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200162703
I. Sberbank. Analiticheskij obzor mirovogo rynka robototekhniki 2019- URL: http://www.sberbank.ru/common/img/uploaded/pdf/sberbank_robotics_review_2019_17.07.2019_m.pdf
5. International Federation of Robotics - URL: https://ifr.org/worldrobotics/
6. Karfidov Lab - URL: https://karfidovlab.com
7. Avrora-robotics - URL: https://avrora-robotics.com/ru/
8. Electronics Weekly - URL: https://www.electronicsweekly.com
9. American Association for the Advancement of Science. - URL: https://sciencemag.org
II. Fond perspektivnyh issledovanij - URL: https://fpi.gov.ru/projects/fiziko-tekhnicheskie-issledovaniya/fedor/
