Проблемы применения роботов в сельскохозяйственном производстве

Проблемы применения роботов в сельскохозяйственном производстве

Проблемы применения роботов в сельскохозяйственном производстве
29 Июля 2015
В промышленно развитых странах мира достигнутый уровень развития материально-технической базы сельского хозяйства позволяет перейти от наращивания энергетических мощностей и насыщения техникой к качественно новому этапу — совершенствованию структуры материально-технической базы, повышению ее технического уровня, созданию комплекса машин не только для отдельных технологий, но и для определенных типов хозяйств.

Причины, которые обусловливают необходимость роботизации сельскохозяйственного производства, вытекают из факторов применения роботов в других областях народного хозяйства и заключаются в необходимости подъема продуктивности сельского хозяйства, поставки более дешевой и удобной для человека техники, обновления типов машин и оборудования, поскольку курс на повышение мощности и на гигантизм уступает место более разумной потребности в средствах автоматизации и роботизации.

До середины восьмидесятых годов развитие робототехники основывалось на концепции, согласно которой роботизация и гибкая автоматизация вызваны ростом стоимости труда и направлены на его сдерживание. Но темпы высвобождения человека от тяжелого и монотонного труда оказались гораздо ниже ожидаемых. Поэтому в настоящее время комплексная автоматизация понимается как качественно новая форма организации и освоения производства, направленная главным образом на резкую интенсификацию производства и повышение его технологической и организационной гибкости, надежности и качества.

Применение роботов позволяет исключить потери рабочего времени, связанные с невыходом персонала на работу, болезнями, опозданиями и т. д. В результате внедрения роботов увеличивается годовой фонд рабочего времени, что ведет к дополнительному производству продукции.

Использование роботов считается рентабельным при условии высвобождения двух работающих и его полной амортизации за период до трех лет. Экономический эффект от внедрения робота для выполнения только одной технологической операции значительно ниже, чем эффект от проведения комплексной программы автоматизации всего технологического процесса. Наибольших удельных затрат требует установка одного робота.

Повышение производительности и интенсификации труда в сельскохозяйственном производстве с помощью робототехники может быть достигнуто только на основе автоматизации рутинных и алгоритмизуемых операций в интеллектуальной и производственной деятельности человека при комплексной автоматизации гибких производственных систем.

Существующие модели промышленных роботов (ПР) не могут быть непосредственно применены для выполнения технологических процессов, связанных с необходимостью манипулировать потоком объектов, погрузкой, выгрузкой и транспортировкой сельскохозяйственной продукции. Необходимо разрабатывать специальные захватные устройства, алгоритмы управления, исполнительные устройства в пыле- и влагозащитном исполнении. Оснащение отдельных узлов исполнительных устройств сельскохозяйственных автоматических манипуляторов узлами ПР дает возможность применения микропроцессорных систем, разработанных в промышленности.

Однако специфика технологических процессов в сельском хозяйстве, учитывающая взаимодействие с растительными и животными объектами, приводит к необходимости изменения структуры существующих микропроцессорных систем управления, разработки и использования специальных сенсорных устройств.

Тем не менее необходимо отметить, что в настоящее время ни один из разработанных прототипов аграрных роботов, созданных в различных странах, еще не функционирует на полях и фермах. Все модели пока являются опытными или в лучшем случае мелкосерийными образцами. Однако в будущем агророботы найдут широкое применение для сбора фруктов, доения коров, посадки растений, дренирования и орошения, вспашки и уборки урожая, ухода за лесными посадками и других работ. Согласно прогнозу потребности в таких роботах составляют: уборка овощей и фруктов — 400 шт., в год; роботизированная дойка — 1000; ирригация-дренирование — 750; очистка лесов — 15 шт.

Наиболее важное требование к сельскохозяйственной робототехнике — их надежность. Применение робота эффективно, если коэффициент его технического использования не ниже 0,95. Уже в начале 80-х годов зарубежные роботы имели наработку на отказ в среднем 400 ч, что соответствует потерям сменного времени около 2 %. Компания «Unimathion» разрабатывает роботы с временем наработки на отказ не менее 500 ч. При этом принимается во внимание как оценка надежности компонентов, так и его конструкция в целом. Наработка на отказ отечественных роботов составляет от 2 до 100 ч.

Одна из основных причин повышенного внимания к надежности роботов в сельскохозяйственном производстве связана с трудностью организации технического обслуживания и ремонта, отсутствием технических средств и специалистов.

Способность роботов выполнять требуемые функции характеризуется состоянием его кинематических и динамических параметров, показателей точности, производительности и др. При их изменениях, превышающих допустимые пределы, происходит переход системы в неработоспособное состояние. Контроль и диагностика состояния роботов на протяжении всего их жизненного цикла — современное направление развития робототехники. Только при этом может быть обеспечена надежная работа робота в условиях неорганизованности внешней среды.

Проблема повышения надежности не может быть решена только за счет ужесточения технологической дисциплины производителей. Необходима глубокая научная проработка подходов к вопросам конструирования роботов и диагностики их технического состояния, позволяющая выявить наиболее слабые элементы конструкции и прогнозировать наступление параметрических отказов.

Известно, что производство систем контроля и диагностирования роботов требует больших дополнительных затрат, поэтому важно на этапе проектирования систем провести научные исследования, которые позволили бы, используя минимальное количество аппаратных средств, получать достаточный объем информации о работоспособности объекта.

Такие исследования были проведены в ВИЭСХе. В результате разработана автоматизированная система контроля и диагностирования работы робототехнических систем и вспомогательного оборудования. На первом этапе работы создана методика определения параметрических отказов роботов, связанных с потерей точности, на основании имитационной модели функционирования роботов. На втором этапе система диагностики расширена за счет использования кинематических характеристик в качестве диагностических параметров.
Отставание отечественной робототехники от мирового уровня наблюдается не только по показателям надежности, но и по материалоемкости, энергопотреблению, производительности, скорости, точности. Очень низко отношение веса переносимых деталей к массе робота. Оборудование отличается громоздкостью, неудобствами в эксплуатации, большими дополнительными затратами для пользователей.

Особенно заметно отставание в элементной базе устройств управления, приводах, в системах обучения. Но даже среди этих компонентов многие из них ориентированы на специальное применение и недоступны для предприятий, проектирующих и выпускающих робототехнику сельскохозяйственного назначения.
Существенное отставание наметилось в области программного обеспечения. На это направление недостаточно обращается внимания, не учитывается значительная трудоемкость создания программного обеспечения, как правило, превосходящая трудоемкость создания аппаратных средств.

Проблема создания робототехнических систем — проблема комплексная, требующая объединений специалистов различного профиля. Мировой опыт создания таких систем ориентируется на комплексную проработку их одной организацией, начиная от проекта, создания и организации производства необходимой элеметной базы и кончая созданием всего комплекса, ориентированного на конкретного пользователя.

Для эффективного использования роботов необходима строгая и объективная оценка экономической целесообразности создания и применения средств робототехники в данных технологических процессах. Но в настоящее время объективные методы оценки экономической эффективности отсутствуют. Только наличие этих методов позволит предприятиям выступить инициаторами в создании и использовании эффективных средств робототехники.

Существенные недостатки имеются в организации и проведении научных исследований. В институтах и высшей школе отсутствует необходимая экспериментальная база, позволяющая доводить фундаментальные исследования до промышленных образцов. Выход из этого положения может быть только на пути перехода научных исследований на коммерческий принцип при условии государственного финансирования фундаментальных работ.

В области механики роботов основные исследования необходимо сосредоточить на выборе рациональных кинематических схем, аналитических и численных методов исследования динамики роботов, оптимизации точностных характеристик, разработке методов гашения упругих колебаний, создании облегченных конструкций манипуляторов. В области управления роботами на первый план выходят задачи анализа и синтеза систем управления описываемыми логико-алгебраическо-дифференциальными соотношениями, распространения теории логического управления для решения задач проектирования управляющих систем. При создании приводов особое внимание уделяется улучшению их динамических точностных и энергетических характеристик, производству высокомоментных низкоскоростных и малогабаритных приводов.

Проведение этих исследований позволит поднять уровень отечественной робототехники, заложить технические предпосылки создания систем, пригодных для применения в сельскохозяйственном производстве.
Разработанный в ВАСХНИЛ план научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области робототехники имеет следующие основные разделы:

- разработка комплекса научно-методической документации, регламентирующей создание, ведомственную приемку и эксплуатацию роботов сельскохозяйственного назначения;

- методы автоматизации технологических процессов в АПК с применением средств робототехники;

- разработка базы данных о новейших достижениях в области робототехники;

- математическое и полунатурное моделирование роботизированных комплексов;

- исполнительные устройства, модули и рабочие органы;

- приводы и системы управления;

- вспомогательные системы и системы очувствления;

- методы и средства контроля и диагностирования роботов;

- транспортные робототехнические системы;

- роботы для экстремальных условий.

Оценивая перспективу использования роботов в сельском хозяйстве, не следует ожидать экономически оправданного применения их в ближайшие годы. Научные исследования в этой области должны продолжаться, так как нет альтернативы в применении роботов для высвобождения человека от монотонного, физически тяжелого труда.

А.Н. Ананьев, канд. техн. наук, ВАСХНИЛ
© 2015 ГБУ ЦСК РБ | All rights reserved Яндекс.Метрика