CC BY
193
УДК 637.112
НЕОБХОДИМОСТЬ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ
РОБОТОТЕХНИКИ
Е.А. Скворцов, старший преподаватель Е.Г. Скворцова, аспирант
Уральский государственный аграрный университет
E-mail: easkvortcov@mail.ru
A.A. Орешкин, заместитель директора
Уральский федеральный университет
E-mail: u invitations-noreply@linkedin.co
Аннотация. Проводится связь между техническим перевооружением сельского хозяйства России на основе внедрения роботов с решением кадровых проблем отрасли и повышением эффективности производства. Дано определение понятия сельскохозяйственного робота, описана его элементная база. Обоснована необходимость роботизации как меры по снижению кадровых рисков в сельском хозяйстве России, повышению производительности труда, обновлению техники в связи с моральным устареванием имеющегося парка машин и оборудования, повышению качества выполняемых работ. Проанализированы области применения сельскохозяйственных роботов. В настоящее время разрабатываются или уже существуют роботы по транспортировке рассады, уходу за виноградом, механической прополке посевов, сбору фруктов. Компания Vision Robotic Corporation (США) разработала робот-сборщик апельсинов, компаниями Kongkilde Industries A/S и Conpleks Innovation разработана модель робота Vibro Crop Robotti для прополки сорняков механическим способом. Представлен анализ рынка доильных роботов, определены основные игроки, при этом отмечено отсутствие отечественных производителей, лидирует голландская марка Lely, занимая 56% рынка. Сформулирован вывод о необходимости импортозамещения производства роботов. Представлен примерный план по научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам в области сельскохозяйственной робототехники. Сформулированы основные требования к сельскохозяйственным роботам: надежность, материалоемкость, энергопотребление, производительность, скорость, необходимая точность. Среди задач по созданию отечественной робототехники для сельского хозяйства выделяю задачи в области механики роботов, в области управления роботами и в области программного обеспечения. Сделан вывод о том, что роботизация сельского хозяйства способствует: созданию высокопроизводительных рабочих мест по программе 2020, улучшению целевых показателей по программе «инновационная Россия -2020».
Ключевые слова: сельскохозяйственный робот, доильный робот, импортозамещение.
Введение. В современных условиях обострившихся противоречий с западными партнерами российскому аграрному производству и науке нужна сверхзадача для поддержания работоспособности отрасли, подготовки новых молодых кадров, которые будут набираться опыта в решении новых для них задач, а также поддержки и развития сопутствующих отраслей промышленности. Инновационное развитие сельского хозяйства, решение кадровых проблем, совершенствование воспроизводственных процессов в целом сегодня невозможно представить без применения робототехники.
Результаты исследования. У понятия «робототехника» нет однозначного определения. Так, согласно стандарту ISO 8373:2012 под роботом понимается «программируемый механизм, способный перемещаться с двумя и более степенями свободы, обладающий определенной степенью автономности и осуществляющий движение для выполнения определенных задач» [1]. Необходимо уточнение понятия робота в целях дальнейшего определения объемов и границ рынка. Под роботом понимается автоматическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде одного или
нескольких манипуляторов и устройства программного управления их движением. Манипулятором называется управляемое и оснащенное рабочим органом устройство, предназначенное для воспроизведения действий руки человека при перемещении объектов. Рабочим органом манипулятора, как правило, служит схват, имитирующий действия пальцев руки [2]. Сельскохозяйственные роботы или сельскохозяйственная робототехника — роботы, используемые в сельскохозяйственных целях [3].
Причины, которые обусловливают необходимость применения робототехники в сельском хозяйстве, вытекают из факторов применения роботов в других областях народного хозяйства и включают в себя следующие актуальные направления:
1) Необходимость подъема производительности труда в сельском хозяйстве. Рост производительности труда обеспечивается, с одной стороны, увеличением объема производства, а с другой - сокращением численности производственных рабочих. Рост объема производства продукции происходит вследствие улучшения использования оборудования, повышения его производительности и снижения брака. При этом улучшение использования оборудования достигается как за счет экстенсивного, так и за счет интенсивного характера. Факторы интенсивного характера предусматривают улучшение использования оборудования в единицу времени вследствие сокращения трудоемкости вспомогательных операций (к примеру загрузки ящиков с рассадой, транспортировки готовой продукции или кормов и т.п.). Повышение экстенсивного использования оборудования обусловлено увеличением времени его работы. В условиях роботизации сельского хозяйства это обеспечивается сокращением различного рода потерь рабочего времени и повышением сменности оборудования. Как известно, низкая сменность работы в сельском хозяйстве обусловлена, прежде всего, недостатком рабочей силы (к примеру, на уборке внутрисменные простои могут составлять 50%). Наибольшие результаты в плане увеличения производительности
труда получили доильные роботы. В исследовании Иванова Ю.Г. и Лапкина А.Г выявлено, что «при роботизированном доении затраты труда снижаются в 6 раз, что является одним из важнейших преимуществ доильных роботов» [4]
2) Оборудование и техника, применяемые в сельском хозяйстве, безнадежно устарели, и более 50% их находится за пределами сроков амортизации, что обусловливает необходимость обновления типов машин и оборудования. При этом имеющаяся техника относится к морально устаревшим образцам и предыдущим технологическим укладам, что не отвечает требованиям современного конкурентоспособного сельскохозяйственного производства. В отрасли имеется только 4% технологического оборудования, которое отвечает современным требованиям [5]. Необходимым условием обновления техники должно быть внедрение роботов, поскольку нет смысла ликвидировать уже наметившееся отставание за счет морально устаревшей техники старого образца. В этом смысле актуально ориентироваться на технику пятого технологического уклада, к которому и относится робототехника в сельском хозяйстве. Пятый технологический уклад опирается на достижения в области микроэлектроники, информатики, новых видов энергии, материалов. Преимущество этого технологического уклада по сравнению с предыдущим заключается в индивидуализации производства и потребления, в повышении гибкости производства.
3) В настоящее время кадровые риски в сельском хозяйстве являются основными ограничителями для роста производительности труда в сельском хозяйстве. Они влияют на качество продукции и даже могут оказаться решающим фактором при принятии решения о реализации того или иного инвестиционного проекта в отрасли. Снижение брака продукции и выполняемых операций в сельском хозяйстве есть следствие устранения влияния индивидуальных и субъективных факторов, таких как квалификация, опыт работы, утомляемость рабочего, его состояние, абсентеизм и невыходы на работу.
4) Роботы отвечают строгим правилам гигиены и безопасности, способны работать 24 часа в сутки и тем самым облегчить или избавить полностью работников от физически сложных задач. В случае правильно выбранного применения роботизированной системы производительность по сравнению с ручным производством возрастает в разы или даже на порядок.
5) Роботизация сельского хозяйства создаст мультипликативный эффект для машиностроения, электроники, научной сферы и приведет к созданию дополнительных рабочих мест.
Область применения сельскохозяйственных роботов довольно разнообразна. В настоящее время крупнейшей нишей сельскохозяйственных роботов являются доильные аппараты. Растущий спрос наблюдается в сегменте БПЛА для мониторинга и обработки посевных площадей. Кроме того, в будущем будут востребованы роботы для замещения человека в операциях, которые требуют ручного труда: выборочная обработка посевов, сбор и сортировка плодов и т.д. Примером интеллектуальной робототехники могут служить роботы в животноводстве в целях доения, уборки навоза, стрижки овец и т.д. [6].
Рассмотрим несколько примеров существующих роботов в сельском хозяйстве.
Компания Vision Robotic Corporation (США) разработала робот-сборщик апельсинов, который может собирать только зрелые апельсины. Используя стереоскопические камеры, робот обнаруживает и идентифицирует апельсины на деревьях. По сути, он создает трехмерное изображение всего дерева. Далее эта информация обрабатывается, и восемь мягких захватов робота осторожно снимают каждый апельсин.
Робот состоит из двух модулей: один - с системой видения, другой - с захватами для сбора апельсинов и емкостью для их складирования. Разумеется, робот уступает пока в производительности человеку, но система совершенствуется, и в перспективе, возможно, превзойдет «создателя». На инженерном факультете Университета Южной Дании
совместно со специалистами компаний Kongkilde Industries A/S и Conpleks Innovation разработана модель робота Vibro Crop Robotti для прополки сорняков механическим способом. Робот установлен на автономной платформе компании Kongkilde Industries A/S, управляемой системой спутниковой навигации. Прополка рядковым способом междурядий гряд с овощами или поля, засеянного кукурузой либо сорго, осуществляется механическими инструментами. Заправки платформы, развивающей скорость от 5 до 10 км/ч, хватает на 2,5 ч работы. При наличии системы сканирования и независимых приводов каждый рыхлитель внедряется в землю только при обнаружении перед ним сорняка, что сокращает энергоемкость прополки [3].
Список основных производителей сельскохозяйственных роботов достаточно внушительный, разработками в настоящее время занимаются такие гиганты, как Google, FANUC, IBM и многие другие - сейчас повышенное внимание к этой теме. В Токио (Япония) состоялась очередная Международная выставка робототехники International Robot Exhibition 2013. Свои новейшие разработки и перспективные проекты представили почти 340 компаний и организаций со всего мира - и ни одного российского производителя [7].
Самым распространенным на сегодня ро-бототехническим продуктом можно назвать доильный робот. В декабре 2002 года в мире насчитывалось 1754 доильных робота, а спустя 5 лет их было 8190, в 2010 году - более 16 тысяч. При этом в Германии и Франции в 2010 году 30% всего доильного оборудования составляли роботы, в Дании - 50%, Нидерландах - 51% [В].
Поэтому наиболее актуальная задача сейчас - создание отечественного доильного робота, поскольку, говоря о импортозамеще-нии, мы фактически не можем представлять какую-либо конкуренцию западным аналогам. Отечественный доильный робот должен включать следующие составляющие:
1. рука, способная совершать трехмерные движения,
2. система очистки вымени,
3. контрольные и сенсорные приборы для позиционирования доильных стаканов,
4. компьютер и программное обеспечение,
5. система контроля качества,
6. система идентификации животных.
Проведем краткий обзор доильных роботов, представленных на мировом рынке.
«ДеЛаваль» - дочерняя компания шведской группы «ТетраЛаваль». На мировом рынке оборудования для молочного скотоводства занимает первое место, контролируя около 50% рынка. Даже по приблизительным экспертным подсчетам считается бесспорным лидером российского рынка.
«ВестфалияСерж» принадлежит концерну «ГЕА Груп». Разработала и выпускает многобоксовый робот Titan. На мировом рынке оборудования для молочного скотоводства занимает второе место. В России до сих пор продает продукцию в весьма ограниченных количествах.
«Боуматик» - американская компания, которая поставляет полный комплект доильного оборудования для всех известных доильных и холодильных установок. Под наименованием Proflex компания «Боуматик» выпустила на рынок доильного робота, который в единичных количествах представлен в России.
«Лели» - голландская компания, также один из лидеров мирового рынка. В России появилась сравнительно недавно с моделью Lely Astronaut. И хотя ее продажи также единичны, многие эксперты отмечают, что модель многообещающая.
«Импульса АГ» выпускает доильную технику более 50 лет. Продукция компании широко представлена во всей Восточной Европе [3].
В целом пятерка лидеров российского рынка доильных роботов выглядит следующим образом (таблица). По сути, все перечисленные производители используют единую концепцию при разработке доильных роботов. Отличаются лишь детали и компоновка, в связи с чем наиболее важным аспектом, которым руководствуется потребитель
при выборе такого рода продукции, является цена.
Таблица. Доля рынка доильных роботов
Компания Доля рынка, % Приблизительное количество ферм, оснащенных роботами в РФ
«ДеЛаваль» 56 212
«ВестфалияСерж» 6 22
«Боуматик» 5 20
«Лели» 5 19
«Импульса АГ» 4 16
Остальные
производители 24 91
Создание сельскохозяйственных роботов, в т.ч. доильных, сопряжено с рядом задач:
1. В области механики роботов требования следующие:
a) выбор рациональных кинематических схем
b) аналитические и численные методы исследования динамики роботов,
c) оптимизация точностных характеристик,
ё) разработка методов гашения упругих колебаний,
е) создание облегченных конструкций манипуляторов.
2. В области управления роботами (при создании приводов) особое внимание уделяется улучшению их динамических точностных и энергетических характеристик, производству высокомоментных низкоскоростных и малогабаритных приводов. Такая работа ведется в Уральском федеральном университете.
3. В области программного обеспечения -на это направление недостаточно обращается внимания, не учитывается значительная трудоемкость создания программного обеспечения, как правило, превосходящая трудоемкость создания аппаратных средств [9].
План научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области сельскохозяйственной робототехники может включать в себя следующие составляющие:
- разработку комплекса научно-методической документации, регламентирующей создание, ведомственную приемку и эксплу-
атацию роботов сельскохозяйственного назначения;
- методы автоматизации технологических процессов в АПК с применением средств робототехники;
- разработку базы данных о новейших достижениях в области роботов в сельском хозяйстве;
- математическое и полунатурное моделирование роботизированных комплексов;
- создание исполнительных устройств, модулей и рабочих органов;
- создание приводов и систем управления;
- создание вспомогательных систем и систем очувствления;
- создание методов и средств контроля и диагностирования роботов.
Описанные выше задачи определяют междисциплинарность процессов создания сельскохозяйственной робототехники и требуют не просто сочетания науки (в том числе аграрной) и промышленности, а активного вовлечения специалистов из различных областей знания в реализацию совместных проектов. Наиболее эффективным инструментом реализации такой кооперации являются технологические кластеры - районы географической концентрации большого числа компаний и научных организаций различного профиля. Подобные экосистемы возникли в США за счет развития исследовательских лабораторий, финансируемых из правительственных грантов, а также множества частных инженерных компаний, привлекающих заказы от Министерства обороны США. В Европе такая работа ведется в основном на базе университетов, получающих финансирование в рамках европейских программ. В Азии разработки осуществляются на базе университетов при участии крупных финансово-промышленных групп.
Особую актуальность применение роботов для России приобретает в условиях обострившихся кадровых проблем в сельском хозяйстве, увеличения социальных ожиданий работников и увеличения доли заработной платы в структуре себестоимости производимой продукции [10].
Выводы:
1. Инновационное развитие на основе роботизации сельского хозяйства способствует:
- созданию высокопроизводительных рабочих мест по программе 2020;
- созданию динамичного эффективного сектора исследований и разработок, коммерциализации результатов научно-исследовательской работы;
- улучшению целевых показателей по программе «инновационная Россия-2020».
2. Объем российского рынка робототехники для сельского хозяйства незначителен, однако растет высокими темпами. Нет ни одного отечественного производителя роботов для сельского хозяйства.
3. Силами только отраслевой науки задачи создания отечественной робототехники для сельского хозяйства решить достаточно трудно, поэтому необходимо создание межотраслевого научно-технического органа по координации работ, разработке соответствующей научно-технической концепции и реализующей ее программы работ. Одной из первоочередных целей такой программы должно стать создание технологической и производственной базы для обеспечения потребностей в новом поколении робототехни-ческих систем, прежде всего на основе унифицированных компонентов.
4. Необходима подготовка кадров для разработки соответствующей техники, которыми предстоит реализовывать эту программу. В условиях разработки и массового применения робототехники сельскому хозяйству понадобятся качественно другие специалисты в отличие от имеющихся сейчас: мастера наладчиков роботов и систем числового программного управления, техники, инженеры-электромеханики, программисты роботов и систем ЧПУ, специалисты по проектированию, наладке, техническому обслуживанию и ремонту, эксплуатации систем и средств автоматики и робототехники. Кроме того, эксперты указывают на необходимость подготовки специалистов по промышленному дизайну, чтобы создать не просто роботы, а продукт, конкурентоспособный на рынке.
5. Необходима государственная поддержка создания отечественной робототехники для сельского хозяйства на всех этапах: от проектирования и дизайна до изготовления опытного образца и коммерциализации продукта. Для этих целей необходима специальная государственная программа.
Литература:
1. Роботы и роботизированные устройства. URL: http://www.gostinfo.ru/catalog/Details/?id=4684700
2. Прядеин Д.В., Скворцов Е.А. Актуальность применения робототехники в сельском хозяйстве // Научное сопровождение АПК: сб. тр. Казань, 2015. С. 308.
3. Скворцов Е.А. С.-х. роботы в системе воспроизводственных процессов // Аграрный вестник Урала. 2015. №3. С. 89.
4. Иванов Ю.Г., Лапкин А.Г. Сравнительная оценка энерго, трудо и эксплуатационных затрат при переводе коров с доения в молокопровод на робот «lely astronaut» // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №3. С. 188-190.
5. Морозов Н.М. Система машин и машинных технологий для производства продукции животноводства на период до 2020 г. // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №1.
6. Иванов Ю.А. Направления научных исследований по созданию инновационной техники с интеллектуальными системами для животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2014. №3. С. 4-16.
7. Irex - international robot exhibition 2015 - japan.
8. Кормановский Л.П., Иванов Ю.А., Текучев И.К. Тенденции применения доильных роботов // Техника и оборудование для села. 2008. №8(134). С. 36-38.
9. Юревич Е.И. Основы робототехники. URL: http: /dl.unilib.neva.ru/dl/325.pdf
10. Skvortsov Y. Reproduction of staff in the conditions of use of robotics in agriculture of Russia // Fundamental and Applied Studies in the Modern World. Oxford, 2015.
Literatura:
1. Roboty i robotizirovannye ustrojstva. URL: http:// www.gostinfo.ru/catalog/Details/?id=4684700
2. Pryadein D.V., Skvorcov E.A. Aktual'nost' primene-niya robototekhniki v sel'skom hozyajstve // Nauchnoe soprovozhdenie APK: sb. tr. Kazan', 2015. S. 308.
3. Skvorcov E.A. S.-h. roboty v sisteme vosproizvodstven-nyh processov // Agrarnyj vestnik Urala. 2015. №3. S. 89.
4. Ivanov YU.G., Lapkin A.G. Sravnitel'naya ocenka ehnergo, trudo i ehkspluatacionnyh zatrat pri perevode korov s doeniya v molokoprovod na robot «lely astronaut» // Vestnik VNIIMZH. 2013. №3. S. 188-190.
5. Morozov N.M. Sistema mashin i mashinnyh tekhnolo-gij dlya proizvodstva produkcii zhivotnovodstva na period do 2020 g. // Vestnik VNIIMZH. 2013. №1.
6. Ivanov YU.A. Napravleniya nauchnyh issledovanij po sozdaniyu innovacionnoj tekhniki s intellektual'nymi sis-temami dlya zhivotnovodstva // Vestnik VNIIMZH. 2014. №3. S. 4-16.
7. Irex - international robot exhibition 2015 - japan.
8. Kormanovskij L.P., Ivanov YU.A., Tekuchev I.K. Ten-dencii primeneniya doil'nyh robotov // Tekhnika i oboru-dovanie dlya sela. 2008. №8(134). S. 36-38.
9. YUrevich E.I. Osnovy robototekhniki. URL: http: /dl. unilib.neva.ru/dl/325.pdf
10. Skvortsov Y. Reproduction of staff in the conditions of use of robotics in agriculture of Russia // Fundamental and Applied Studies in the Modern World. Oxford, 2015.
THE NEED OF AGRICULTURE INNOVATIVE DEVELOPMENT ON THE ROBOTICS USE BASE E.A. Skvortsov, senior lecturer E.G. Skvortsova, post-graduate student Ural State Agrarian University A.A. Oreshkin, Deputy director Ural Federal University
Abstract. The link between the technical reequipment of Russian agriculture on the introducing robots basis with the personnel problems of this sector decision and production efficiency increase. The agricultural robot definition is given, its elemental base is described. The necessity of robotics as measure to reduce personnel risks in Russian agriculture, to increase productivity, to upgrade equipment due to obsolescence of the existing park of machinery and equipment, to improve the quality of work performed is justified. The fields of agricultural robots application are analyzed. Currently are being developing or already exist robots for seedlings transporting, grapes caring, crops mechanical weeding, fruit picking. The Robotic Vision Corporation (USA) Company has developed a robot-collector of oranges, Kongkilde Industries A/S and Conpleks Innovation Companies has developed a model of the Vibro Crop Robotti robot for by mechanical weeding. The analysis of the milking robots' market is done, the main players are defined, by the way the lack of domestic producers is marked, the Dutch brand Lely Company is a leader, occupying 56% of the market. The conclusion about the robots producing's import substitution necessity is formulated. The agricultural robotics' scientific research and experimental development's rough plan is presented. The main requirements for agricultural robots: reliability, materials and power consumption, performance, speed, required accuracy are formulated. Among the tasks of domestic robotics creating for agriculture there tasks in the field of mechanics robots, in robot control and robot software are allocated. The conclusion about agriculture robotization contributes to: high-performance program of workplaces by 2020 creating, targets under the "innovative Russia-2020" program improving, is done. Keywords: agricultural robot, milking robot, import substitution.
