Основные направления развития робототехники

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ РОБОТОТЕХНИКИ Черепанов П. Ю.1, Романов П. А.2

'Черепанов Павел Юрьевич / Cherepanov Pavel Yurevich — аспирант;

2Романов Пётр Алексеевич / Romanov Petr Alexeevich - аспирант, кафедра электрооборудования автомобилей и тракторов, автотракторный факультет, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Южно-Уральский государственный университет Национальный исследовательский университет, г. Челябинск

Аннотация: в статье рассматриваются основные виды роботизированных транспортных систем (РТС). Даны классификации РТС по назначению, в которых представлены основные отрасли, в которых применяется данная техника. Проведены исследования различных по способу передвижения РТС. Представлены отечественные разработчики беспилотных транспортных средств. Рассматривается промышленная версия «Камаз» с элементами искусственного интеллекта. Проведен сравнительный анализ РТС с целью определения наиболее перспективного направления развития данной техники. Проанализированы основные виды роботизированных транспортных тележек с целью определения преимуществ и недостатков каждого из видов. Рассматриваются военные разработки как отечественные, так и зарубежные. Проведены исследования РТС, представленных на рынке. Рассматриваются РТС, которые помогают осуществлять службу государственным учреждениям. Особое внимание уделено роботизированным промышленным тележкам. Подробно рассмотрены роботизированные транспортные системы для транспортировки лёгких грузов. В данной работе также представлены результаты исследований, в которых представлен институт, в котором ведется разработка одного из самых перспективных направлений развития данной техники.

Ключевые слова: робототехника, роботизированные транспортные средства, мобильные робот, промышленные роботы, роботы помощники, космос.

Актуальность темы

Развитие робототехники в наши дни идёт стремительными темпами. Причём затронуты практически все сферы деятельности человека. На рынке представлено огромное количество роботов-помощников: роботы-пылесосы, роботы-чистильщики бассейнов, роботы дистанционного присутствия, роботы-охранники и многие другие. Современные роботы помогают в быту, работают на производстве, защищают границы. Одна из наиболее сложных задач области робототехники — создание искусственного интеллекта для автономного транспортного средства [1, 2].

Действительно, система должна самостоятельно ориентироваться в пространстве, распознавать дорожные знаки, правильно оценивать сложившуюся ситуацию на дороге, принимать верное решение. Для осуществления таких задач создаются сложные алгоритмы, собираются прототипы, пишутся компьютерные программы, а потом в течение длительного времени проверяются данные алгоритмы на практике, и при необходимости вносятся изменения. От идеи до её реализации проходят недели, а иногда и месяцы. Именно по этой причине уже не первый год компания Google тестирует свои машины в Калифорнии, а при возникновении внештатных ситуаций вносятся коррективы [3].

Цель исследований

Целью статьи является обзор основных направлений развития РТС. Сравнительный анализ РТС, определение наиболее перспективного направления развития РТС.

Классификация РТС.

Все РТС можно разделить на две основные группы: коммерческие и некоммерческие. К первой группе можно отнести автоматизированные транспортные средства, которые осуществляют различные перевозки грузов на производстве (Рис. 1) [4], патрулируют участки (Рис. 2) [5], убирают и чистят производственные помещения и офисы (Рис. 3) [6]. Ко второй группе можно отнести РТС, которые помогают осуществлять службу государственным учреждениям. К этой группе относятся военные РТС, которые осуществляют разминирование территорий (Рис. 4) [7], а также доставку различных грузов (Рис. 5) [8]. К этой группе можно отнести РТС министерства здравоохранения, которые осуществляют перевозку больных и инвалидов (Рис. 6) [9], а также РТС, которые работают космосе (Рис. 7) [10].

Рис. 3. Робот-пылесос MC-RS1 Rulo от Panasonic

Рис. 5. Робот-носильщик Big Dog

Рис. 7. Робот-ремонтник НАСА Restore-L

На рис. 8 представлена классификация роботов по способу передвижения. Всех роботов можно разделить на мобильные, биологообразные и роботы манипуляторы. К первой группе относятся все наземные, летательные и подводные РТС. Ко второй группе относятся роботы, которые внешне схожи с представителями животного мира. А к третьей группе относятся все виды роботов манипуляторов [11].

Рис. 8. Классификация РТС по способу передвижения

Одним из перспективных направлений развития РТС является разработка и поиск новых решений в автоматизации перевозки грузов. Говоря об этом классе оборудования, необходимо отметить, что применяется оно, как правило, не как самостоятельная транспортная единица, а в составе так называемых автоматически управляемых систем транспортных средств (Automatic Guided Vehicle Systems, AGVs, AGV-системы) [12].

Автоматически управляемые системы транспортных средств следует отличать от иных автоматизированных транспортных устройств: они работают без участия операторов, предназначены для «внутрипроизводственного» применения и разрабатываются на базе ведомых средств напольного транспорта, основной задачей которого является перевозка материалов, но не людей. AGV-системы используют как внутри зданий, так и снаружи, а состоят они из многочисленных функциональных групп: одной или многих единиц работающего без водителя транспортного оборудования (робокаров), навигационного управления, устройств определения местонахождения и положения, устройств передачи информации, а также инфраструктуры и периферийных устройств. При этом общая производительность и надежность AGV-системы определяется свойствами отдельных систем-компонентов и успешностью их интеграции: какие-либо серьезные усовершенствования достижимы только при комплексном синхронном внедрении нескольких инноваций в единую систему.

Роботизированные тележки довольно разнообразны по конструкции, поскольку их создают для конкретных условий эксплуатации. В целом можно выделить следующие основные виды этих устройств, которые представлены ниже на рис. 9.

Рис. 9. Виды роботизированных тележек

Автоматизированный тягач (Рис. 11) стал первым транспортным средством, на котором применили автоматическое управление, и до настоящего момента остается едва ли не самым популярным типомЛОУ-систем. Буксировщик может тянуть одну или много тележек или прицепов с грузом общей массой от 3,5 до 30 т, причем не только внутри склада, но и для доставки продукции из производственных цехов на склад и обратно, снабжения сборочных линий автомобилестроительных предприятий. Системы поездов вообще применяют там, где изделия необходимо перемещать грузы на большое расстояние, в том числе между зданиями под открытым небом. Поскольку каждый поезд может перемещать до 16 поддонов в строго установленные сроки и к заданным точкам разгрузки, такой способ быстро окупает себя и более предпочтителен по сравнению с вилочными погрузчиками или тягачами, управляемыми людьми.

Рис. 10. Автоматизированный тягач

Автоматические тележки (штабелеры) для перевозки поддонов (Рис. 12) применяют для выполнения функций распределения и их часто выполняют на базе традиционного оборудования. В автоматическом режиме тележка с грузом сама идет по проложенной трассе к

определенному месту хранения, после чего опускает вилы, снимает поддон и автоматически перемещается порожней к новому месту загрузки.

Рис. 11. Автоматическая тележка (штабелер) для перевозки поддонов

Автоматизированный погрузчик (Рис. 12) обслуживает грузы как на уровне пола или конвейера, так и на стеллажах, а в некоторых случаях может сложить грузы в штабель. Применение ЛОУ-систем для автоматизации работы погрузчика - дело относительно новое. Так как эти транспортные средства одни из самых дорогих типов ЛОУ-систем, их использование оправдано только там, где нужна полная автоматизация погрузочно-разгрузочных работ. Чтобы автоматизированные системы для погрузчиков эффективно обслуживали склад, требуется прокладка большего количества сложных навигационных трасс с множеством пересечений и точное позиционирование грузов на полу или стеллажах. Это обычно требует от системы управления большей сложности и точности, чем в случаях других ЛОУ-системах, зато они выгодно отличаются большей гибкостью при необходимости объединения в общую структуру вместе с другими подсистемами.

ЛОУ-системы для перевозки штучных грузов (Рис. 13) обычно применяют для транспортировки грузов, которые постоянно двигаются по индивидуальным трассам. Как правило, они не только сами транспортируют груз, но и оборудованы площадками с вращающимися роликами или цепями, по которым груз может автоматически перемещаться. Площадки помимо этого могут иметь функции подъема-опускания. Обычно такие системы весьма популярны там, где требуется объединить конвейер с другими технологическими этапами производственного процесса

— ч. (

Рис. 12. Автоматизированный погрузчик

или системами хранения. Эти АТС широко применяют для горизонтальной транспортировки объемных грузов на средние расстояния между другими автоматизированными подъемно-транспортными подсистемами, объединенными в единый комплекс.

Рис. 13. ЛОУ-система для перевозки штучных грузов

ЛОУ-системы для перевозки легких грузов (Рис. 14)[13] чаще всего применяют для доставки компонентов из мест компактного хранения к индивидуальным автоматизированным рабочим местам, где операторы осуществляют сборку. Такое оборудование транспортирует грузы массой до 150 кг, например, на подносах или в пластиковых контейнерах, и размеры его небольшие, причем настолько, что оно может идеально маневрировать в помещениях с узкими проездами. Такие ЛОУ-системы эффективны для применения на предприятиях по выпуску электронных изделий, на небольших сборочных производствах - везде, где есть нехватка рабочих площадей в помещениях. Такие РТС на сегодняшний день очень востребованы. Именно по этой причине разработка таких РТС одно из самых перспективных на сегодняшний день направлений.

Рис. 14. AGV-системы для перевозки легких грузов

Тележки-шаттлы (Radioshuttle) (Рис. 15) [14] для транспортировки паллет внутри стеллажей, использование которых позволяет сочетать достоинства технологий набивных (drive-in) и гравитационных стеллажей.

Рис. 15. Тележка-шаттл

Существуют и другие виды ЛОУ-систем, например, для перевозки грузовых контейнеров на открытых терминальных площадках портов (Рис. 16) [15] и т.п.

Рис. 16. AGV-система для перевозки грузовых контейнеров Результаты исследования

Наиболее перспективным направлением развития в области роботизированных транспортных средств является разработка автономных транспортных систем для транспортировки легких грузов. Данное направление сейчас очень востребовано. И это не удивительно, ведь автоматизация перевозки грузов на производстве способна существенно ускорить рабочий процесс, а значит увеличить производительность труда. Также процесс автоматизации способен уменьшить количество рабочих на производственном участке, а значит сохранить средства. И это действительно так, ведь автономной системе не нужен ни водитель, ни оператор, такая система способна доставлять груз без выходных и перерыва на обед 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. Как правило, такие системы необходимо настраивать индивидуально под каждое производство. Чтобы максимально упростить процесс наладки, сейчас активно ведется разработка современной автономной системы для доставки легких грузов в научной лаборатории НИУ ЮУрГУ.

Литература

1. НАУРР. Аналитическое исследование: Мировой рынок робототехники, январь 2016.

2. Professional and Service Robots. [Electronic resource]. URL: http://www.robotshop.com/professional-service-robots.html/ (date of access: 14.12.2016).

3. Google self-driving car project. [Electronic resource]. URL: https://waymo.com/ (date of access: 14.12.2016).

4. TAdviser.ru Центр выбора технологий и ИТ-поставщиков. [Электронный ресурс]. Cognitive Technologies и «Камаз» выпустят промышленную версию автомобиля с элементами ИИ до конца 2017. Режим доступа: http://www.tadviser.ru/index.php?title=Проект: Бешилотный_автомобиль_КамАЗ&cache=no&ptype=pub#ttop.html/ (дата обращения: 14.12.2016).

5. «СМП Сервис» — современные цифровые системы видеонаблюдения. [Электронный ресурс]: Охранный робот «Трал Патруль 4.0», автоматизированное патрулирование и охрана периметра. Режим доступа: http://www.tral.ru/production/ohrannij-robot/tral-patrul-4-0/.html/ (дата обращения: 14.12.2016).

6. Digitaltrends. [Электронный ресурс]: Екатерина Морозова. Новый робот-пылесос Panasonic с необычным дизайном. Режим доступа: https://hi-tech.mail.ru/news/panasonic-mc-rs1-rulo/.html/ (дата обращения: 14.12.2016).

7. «Военное обозрение». [Электронный ресурс]: Робот-сапёр «Уран-6». Режим доступа: https://topwar.ru/62494-robot-saper-uran-6.html/ (дата обращения: 14.12.2016).

8. Boston Dynamics. [Electronic resource]: BigDog - The Most Advanced Rough-Terrain Robot on Earth. URL: http://www.bostondynamics.com/robot_bigdog.html/ (date of access: 14.12.2016).

9. Caterwil. [Electronic resource]: CATERWIL GTS3. URL: http://caterwil.ru/gts3/.html/ (date of access: 14.12.2016).

10. 24space.ru. [Электронный ресурс]: Миссия Restore-L покажет новые технологии обслуживания. Режим доступа: http://24space.ru/1488-missiya-restore-l-pokazhet-novye-tehnologii-obsluzhivaniya.html/ (дата обращения: 14.12.2016).

11. Garcia Elena, Jimenez Maria Antonia, de Santos Pablo Gonzalez, Armada Manuel. "The Evolution of Robotics Research From Industrial Robotics to Field and Service Robotics". IEEE Robotics & Automation Magazine. P. 90-103, 2007.

12. ООО «БТ Техника». [Электронный ресурс]: Роботизированные тележки, штабелеры, AGV-системы. Режим доступа: http://www.btlift.ru/informatsiya/klassifikatsiya_pto/shtabeler/robotizir ovannye_telezhki_shtabelery_agv-sistemy.html/ (дата обращения: 14.12.2016).

13. SEW-EURODRIVE. [Electronic resource]: MAXOLUTION hybrid AGV. URL: https://share.sew-eurodrive.de/media/index.php?module=mediaarchive_view_detail&id=180.html/ (date of access: 14.12.2016).

14. Bt-ukraine.com. [Электронный ресурс]: Роботизированная техника: BT Radioshuttle. Режим доступа: http://www.tral.ru/production/ohrannij-robot/tral-patrul-4-0/.html/ (дата обращения: 14.12.2016).

15. Terex Corporation. [Электронный ресурс]: Автоматизированное транспортное средство для контейнеров. Режим доступа: http://www.terex.com/port-solutions/ru/products/automated-guided-vehicles/index.htm/ (дата обращения: 14.12.2016).