В.А. Лопота1, Е.И. Юревич2, А.С. Кондратьев2, В.В. Кириченко2

КОНЦЕПЦИЯ

МЕХАТРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МИКРОРОБОТОСТРОЕНИЕ

1

ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева, г. Королев

2

ГНЦ РФ «ЦНИИ робототехники и технической кибернетики», Санкт-Петербург

[email protected]

Концепция разработана под научно-методическим руководством член-корреспондента РАН Лопоты В.А., при формировании использованы научно-технические материалы, опубликованные в открытой печати ведущих научных школ возглавляемых: академиком РАН Макаровым И.М., академиком РАН Пешехоновым В.Г., академиком РАН Черноусько Ф.Л., член корр. РАН Соломенцевым Ю.М.

Введение.

Разработка микромашин и робототехнических систем – приоритетное направление развития техносферы, основанное на базе современных достижений микроэлектроники, микромеханики, нанотехнологий, оптроники, биотехнологий и ряда других критических технологий. Оно обеспечивает совершенствование технологий производства и создания техники нового поколения в промышленности, энергетике и на транспорте, включая станкостроение, аэрокосмическую и судостроительную отрасли, биомедицинское приборостроение и другие области применения сложных систем, включая новые и эффективные системы вооружений.

Возможность системной реализации указанных разработок базируется на использовании последних достижений технологий мехатроники и создания микросистемной техники, включенных в Перечень критических технологий на период до 2010 г., что подчеркивает актуальность указанной проблематики на федеральном уровне.

Мехатронные технологии – это методы проектирования и построения модулей технической системы, основанные на синергетическом эффекте, возникающем при функциональном интегрировании составляющих технических систем, в том числе, сенсорных, силовых, информационных и энергетических.

Технологический подход позволяет расширить применимость концепции для системного решения исследовательских задач и проблем практических разработок, а также ввести функциональный критерий классификации областей реализации составляющих технической системы. Наличие положительного синергетического эффекта при интеграции функциональных составляющих в отличие от простой их количественной суперпозиции является принципиальным признаком использования мехатронных технологий.

Учитывая классическое разделение подсистем функциональной робототехнической машины на сенсорные, актуаторные, информационные, энергетические и конструктивные, мехатронные технологии охватывают не только процесс проектирования отдельных подсистем, но их интерфейсные взаимосвязи, а также специфику функционального применения машины в целом.

Одновременное применение мехатронной технологии, с одной стороны, и модульного принципа построения робототехнических систем, с другой, требует определения минимального («нижнего» - в смысле модульной иерархии построения) элемента. Создание мехатронного модуля, являющегося таким элементом, предполагает единый системный подход к его разработке и не может происходить без тесного взаимосогласования интерфейсных компонентов.

В настоящее время весьма проектирование мехатронных модулей (прежде всего, сенсорных и актуаторных) развивается интенсивно, и такие модули стали базой для создания технических систем нового поколения. Однако это направление развития мехатроники, несмотря на всю его эффективность, не является единственным или даже основным, реализующим принципы мехатроники. Дело в том, что системы, созданные из мехатронных модулей, подчас не могут называться мехатронными, если в их основе лежит не общесистемная оптимизация, а декомпозиция с локальной оптимизацией отдельных функциональных частей. Также как применение методов искусственного интеллекта в отдельных подсистемах, решающих локальные задачи, не делает всю систему интеллектуальной.

Вместе с тем и синтезированная по общему критерию техническая система, далеко не всегда получается мехатронной, тем более состоящей из мехатронных модулей. Последнее объясняется тем, что построение комплекса из модулей неизбежно связано с определенным увеличением массогабаритных параметров и избыточностью значений ряда других общесистемных параметров, что присуще всем способам унификации. Для того чтобы синтезированная по общим критериям техническая система могла быть отнесена к классу мехатронных, результатом ее оптимизации должно стать конструктивное слияние отдельных функциональных компонентов различной физической природы - механических, электронных, электротехнических, оптических.

В противном случае синтезированная автоматическая система все равно распадается как минимум на конструктивно самостоятельные объект управления и управляющее устройство. Примером таких комплексов являются космические манипуляторы.

Синтезированные на минимум массы они получаются гибкими и не работоспособны без автоматического парирования свободных колебаний.

Классическими примерами мехатронных систем являются созданные В.Г. Каганом в Новосибирском электротехническом институте еще в 70-е годы прошлого столетия электрические приводные системы, включая одностепенные со встроенным в ротор двигателя механизмом преобразования вращения в линейное движение, двухстепенные (плоскостные) и пространственные (гексапод). Эти системы сменили традиционные системы, скомпонованные из обычных одностепенных приводов с отдельными механизмами преобразования движения, и обеспечили существенное улучшение массогабаритных параметров и надежности.

Современным классом мехатронных систем стала микросистемная техника, когда в ходе миниатюризации произошло взаимное проникновение отдельных функциональных компонентов вплоть до объединения их в единые структуры, пронизанные общими информационными и энергетическими потоками. Заметим, что мехатронная система в свою очередь может входить в качестве подсистемы в состав более сложных комплексов, но последние при этом уже не будут относится к мехатронным. Таким образом, возможны два варианта проектирования мехатронной техники: создание отдельных функциональных компонентов технических систем и создание этих систем как единого целого, не разделяемого на конструктивно отдельные компоненты.

Каждый из этих подходов имеет свои области применения. Проектирование технических систем из мехатронных модулей, т.е. из функционально и конструктивно унифицированных компонентов (сенсорных, актуаторных, энергетических и др.) – это способ оптимизации целого класса технических систем близкого назначения.

Мехатронный подход к проектированию целых технических систем на основе общесистемных критериев, соответствующих основным требованиям к системе, перспективен в первую очередь для специальных технических систем, когда не предполагается расширение их функционального назначения и номенклатуры. Системномехатронный подход значительно сложнее модульно-мехатронного в силу большей сложности объекта оптимизации. Даже оставаясь нереализуемым, он служит конечной целью или пределом, к которому следует стремиться. Сложность системно-мехатронного подхода логично объясняет тот факт, что мехатроника началась именно с создания однофункциональных компонентов.

В качестве практического вывода можно сделать следующий. При проектировании управляемых систем, сочетающих механические, электротехнические и электронные элементы, прежде всего, следует определить, на каком иерархическом уровне целесообразно применить мехатронный подход к проектированию - на уровне функциональных компонентов или на общесистемном уровне. Это определит как стратегию проектирования, так и тип создаваемой технической системы.

1. Развитие технических систем Подготовка и проведение перспективных системных мероприятий по разработке и созданию мехатронных модулей, удовлетворяющих потребностям отраслей промышленности, ориентированных на использование технических систем, как законченных изделий, так и составляющих компонентов оборудования и продукции, требует всестороннего анализа тенденций эволюции автоматических машин и их компонентов.

После изобретения машин одним из постоянных направлений человеческой деятельности стала разработка автоматических механизмов, а в дальнейшем и робототехнических систем. На рубеже XXI века в процессе создания сложных машин возникла устойчивая тенденция интеллектуализации алгоритмики управления, сопровождаемая миниатюризацией модулей и компонентов технических средств. Это – тесно взаимосвязанные, как форма и содержание, составляющие общего процесса развития техники.

1.1. Миниатюризация Эта тенденция относится к техническим системам, функциональное назначение которых не требует крупногабаритной реализации по конструктивным соображениям (жесткость, точность, защищенность и т.д.). Причинами миниатюризации технических систем является не только экономические факторы, связанные со снижением затрат на материальные и энергетические ресурсы.

Мотивацией процесса является различие в размерностях (так называемый принцип 3/2) объемных (3) и поверхностных (2) явлений. Учитывая тот факт, что прочность материалов и конструкций определяется поверхностными параметрами, а внутренние нагрузки под действием инерциальных сил – объемными, снижение габаритов элементов увеличивает их стойкость к перегрузкам, расширяет область применения и увеличивает надежность.

Несмотря на уменьшение характерного размера, технические системы в общем случае по-прежнему обладают всеми функциональными подсистемами, присущими «большим»

машинам. Этапы процесса эволюционного развития технических систем завершаются переходом на качественно новые виды техники (Рис. 1). Над S-образными эволюционными кривыми приведены названия этапов, а под ними – примеры соответствующих типов техники. В основе процесса миниатюризации лежит реализация этой тенденции в основных компонентах любой техники – сенсорных, информационно-управляющих, исполнительных (силовых), энергопитания (Рис. 2).

Классические решения в области проектирования и построения технических систем основаны на возможности декомпозиции общих технических требований к системе на этапе проектирования на частные технические задания (ЧТЗ), что широко используется для машин и комплексов на макроуровне. Однако миниатюризация компонентов и их конвергенция ведет к необходимости взаимосогласования и интеграции процессов разработки уже на этапе определения и уточнения технических требований к подсистемам, то есть применения системного проектирования, являющегося одним из ключевых принципов мехатроники (Рис.3, Рис.4).

Примером конвергенции или взаимопроникновения функциональных подсистем являются МЭМС-устройства, в которых на единой микро-платформе размещены сенсорные, информационно-управляющие и исполнительные компоненты. При этом, например, фотодатчики интегрированы с микропроцессорами, а, например, пьезоэлементы одновременно являются исполнительными устройствами.

Ускорение процесса конвергенции диктуется не только потребностями в миниатюризации, но и теми широкими возможностями, которые открываются с каждым новым уровнем взаимопроникновения подсистем. На определенных стадиях интеграции появляются реальные возможности для осуществления процессов самоорганизации и самовоспроизводства (Рис. 5).

Рис. 1. Тенденция развития технических систем Рис. 2. Функциональное взаимодействие составляющих технической системы Рис. 3. Развитие компонентов и элементной базы Рис. 4.Подходы к проектированию и методологии построения сложных технических Рис. 5. Возникновение необходимости перехода к мехатронным технологиям Преимущества мехатронного подхода позволяют реализовать синергетический эффект функционального интегрирования в виде улучшения технических и эксплуатационных параметров устройств, таких как надежность, эффективность, удельное энергопотребление и т.д., а также создавать уникальные компоненты и системы, в целом нереализуемые без использования подобных технологий разработки и изготовления.

Примерами уже стали новейшие комплексные компоненты:

информационно-управляющие - радиационно-стойкие микроаналоги электронных ламп, а также микромеханотроны, в которых холодный катод формируется из углеродных нанотрубок;

энергетические - миниатюрные химические источники тока (ХИТ), в которых полимерные мембраны с нанопористой структурой используются в качестве эффективных наполнителей электролита;

- химические сенсоры на основе транзисторных структур с заранее сформированными хемосорбционными центрами над каналом;

- распределенные тактильные сенсоры, чувствительные элементы которых изготовлены из нанокомпозитных материалов;

- датчики угловых скоростей и линейных ускорений для систем ориентации и навигации, в которых подвижные элементы изготавливаются методами выращивания в процессе создания компонента модуля в целом.

1.2.Интеллектуализация Актуальность интеллектуализации связана, прежде всего, с прогрессирующим усложнением задач решаемых техническими средствами и интенсификацией процессов, в которые они вовлечены (Рис. ). Эти предпосылки неизбежно приводят к соответствующему росту роли «человеческого фактора» в технических системах и к увеличению его ограничивающего влияния на функциональные возможности и надежность систем, особенно наукоемких. Трагическим подтверждением негативной тенденции является непрерывно возрастающее количество аварий по вине персонала, в том числе глобального характера, на отработанных технических объектах и установках.

Указанные обстоятельства требуют кардинального пересмотра самих принципов взаимодействия человека и современных сложных технических систем с тем, чтобы путем их интеллектуализации свести к минимуму непосредственное участие человека в реальновременном функционировании техники вплоть до полного его освобождения от рутинных и низкоуровневых задач управления.

В целом мотивация процесса интеллектуализации может быть обобщена следующим образом:

упомянутая тенденция роста сложности систем и интенсификации процессов вызывает повышение функциональных требований к человеку, все чаще оказывающихся на пределе и даже за пределами его возможностей;

требования к человеку как составляющей системы управления неизмеримо возрастают в нештатных и аварийных ситуациях, как правило, не прогнозируемых;

в силу индивидуальных особенностей и ситуационного поведения человек в технических системах может рассматриваться как компонент низкого уровня надежности;

требования к жизнеобеспечению и безопасности человека существенно обременительны для технических систем с его участием, как с точки зрения сложности технической реализации, так и с точки зрения высоких затрат на создание и поддержание соответствующих подсистем жизнеобеспечения;

вовлечение человека в контур управления технической системой в ряде случаев существенно ограничивает реальные перспективы и сдерживает процесс создания принципиально новой техники.

Интеллектуализация техники заключается в применении технологий искусственного интеллекта для обеспечения ее функционирования. Прежде всего, это относится к следующим функциям: обработка сенсорной информации, оценка внешней ситуации, принятие адекватных решений по постановке задач и выбору поведения, прогнозирование и планирование путей достижения целей, управление движением или манипуляцией.

Ярким примером тенденции интеллектуализации технических устройств может служить прогресс в области создания интегрированных инерциально-спутниковых систем ориентации и навигации, обеспечивших благоприятные условия для построения на их базе как автоматизированных беспилотных платформ, так и подсистем вспомогательного пилотирования.

Интеллектуализация позволяет создавать принципиально новые типы малоразмерных технических объектов и систем, включая малоразмерные автономные летательные и подводные аппараты, мобильные микророботы, адаптивные протезы и многие другие.

Первый качественный прорыв был сделан в информационно-управляющих компонентах на базе 2D-микроэлектронных технологий. До последнего времени подобные компоненты продолжают лидировать в процессе интеллектуализации и практически уже не лимитируют общий прогресс миниатюризации технических систем в целом. Для упомянутого прогресса наиболее важным стала микроминиатюризация сенсорных компонентов на базе ЗD-микросистемных технологий, появление микро-электромеханических систем (МЭМС) и микро-опто-электро-механических систем (МОЭМС).

Основными компонентами, сдерживающими дальнейшую миниатюризацию технических систем, являются исполнительные (силовые) компоненты. Они до настоящего времени базируются в основном на технических идеях двигателей XIX века. Их будущий прогресс связан с созданием микроминиатюрных исполнительных устройств, например, типа искусственных мышц на базе 3D-микросистемных технологий.

1.3. Интеграция Классически техническая система представляет собой ряд составляющих подсистем, функциональное взаимодействие которых представлено на Рис. 6.

Рис. 6.Функциональное взаимодействие составляющих Эти же составляющие сохраняются при миниатюризации технической системы с неуклонным интегрированием не только интерфейсной, но и конструктивной части. Рис.

демонстрирует общую тенденцию сближения и, в перспективе, конструктивного слияния всех компонентов на общей технологической базе микросистемной техники, использующей технологии функционального интегрирования. Из этого следует вывод: приоритетной основой машин и систем будущего должна стать единая система их компонентов в виде функционально, информационно и конструктивно унифицированных мехатронных модулей (овал в правой нижней части).

На диаграмме (Рис. 3) так же показано историческое развитие этого процесса и приведены типовые примеры компонентов и элементной базы для отдельных этапов их развития, демонстрирующие наличие устойчивой тенденции миниатюризации модулей построения для целого класса технических систем требующей отдельного рассмотрения.

1.4. Автоматизация и роботизация Актуальность разработки и производства робототехнических систем определяется формированием нового приоритета потребительских свойств технических устройств, связанного с повышением комфортности жизни человека. Примерами реализации такого подхода являются “интеллектуальные жилища”, бытовая роботизированная техника, беспилотные транспортные средства с использованием технологий глобальных космических навигационных систем и т.п. В целом, технические системы указанного типа классифицируются как роботы - устройства, позволяющие освободить человека от необходимости выполнения рутинных операций, действий, связанных с риском для здоровья, и расширяющие его физические возможности.

Под роботами понимают системы, в той или иной степени замещающие человека, при этом предполагается, что в состав замещаемых функций должны входить механические в виде исполнительных силовых устройств. Употребление термина робототехнические системы подразумевает частичное замещение функций человека в комплексах, содержащих полный набор функциональных подсистем, включая сенсорные, управляющие, актуаторные и энергетические. Тенденция роботизации проявляется в нарастающем увеличении доли замещаемых функций, повышении уровня обучаемости и адаптируемости робототехнических систем.

Робототехника и мехатроника неразрывно связаны. Если прогресс в современной робототехнике определяется преимущественно успехами мехатроники, обеспечивающей миниатюризацию и интеграцию функциональных компонентов, то процесс роботизации технических средств является одним из важнейших стимуляторов и катализаторов развития мехатронных технологий. Роботизация предполагает неуклонное повышение требований в области интеллектуализации и комплексной автоматизации сложных систем, а мехатронные технологии обеспечивают этот процесс путем создания проектно-технологического базиса.

Технологии роботостроения базируются на тех же принципах, что и мехатронные технологии. Кроме интеллектуализации и миниатюризации к ним относится ряд технологий макроуровня: унификация компонентов и их интерфейсной взаимосвязи, интеграция функций и взаимное проникновение (конвергенция) разнородных функциональных подсистем.

Экстраполяция тенденций, базирующихся на упомянутых принципах, приводит к минимизации ассортимента базисных элементов вплоть до полной унификации и появления типоразмерного ряда своеобразных универсальных робототехнических компонентов – мехатронных модулей. Их особенности определяются ключевыми принципами, закладываемыми при создании:

универсальность или многофункциональность;

унифицированность конструктивных, электрических и логических интерфейсов для гармонизации процесса проектирования;

доступность статической и динамической реконфигурации внутримодульных связей вплоть до функциональной перестройки элементов;

интеллектуальность управления энергопитанием, означающая не только возможность подключения различных источников широкого спектра нормированных силовых параметров, не только использование активных систем энергосбережения, но и автоматическое подавление помех и решение вопросов электромагнитной совместимости.

1.5. Принципы построения мехатронных модулей робототехнических систем Функциональный состав модуля и детализация этапов их исторического развития представлены на рис. Сенсорная подсистема представлена датчиками, реализующими функции слуха, осязания, технического зрения, определения ориентации и геометрических параметров объекта управления, его положения в пространстве с целью навигации и пр.

Исполнительная подсистема позволяет осуществлять перемещение платформы (локомоцию), а также функциональные движения – закрепление, захват, сборку, позиционирование и т.п. (манипуляции) за счет применения приводов, механических передач, схватов и других элементов воздействия.

Информационно-управляющая подсистема обеспечивает сбор, обработку и хранение информации, выработку сигналов управления, статическую и динамическую обратную связь, а также взаимодействие с оператором или внешней системой управления более высокого уровня посредством приема-передачи информации средствами связи.

Энергетическая подсистема регулирует подачу и распределение энергии остальным подсистемам, аккумулирование энергии от внешних источников и ее хранение во время функционирования машины. Внутренние энергокомпоненты могут быть представлены химическими, электрическими, ядерными, микровзрывными, пневматическими и другими подобными источниками энергии.

Критическими с точки зрения необходимости принципиально новых подходов к разработке являются исполнительные и энергетические компоненты, что требует в этих областях организации условий для проведения базовых инноваций. Сенсорные и информационно-управляющие компоненты широко освоены, что акцентирует внимание при разработке этих подсистем на улучшающие инновации. Например, развитие современных средств глобальной навигации обеспечило их широкое применение на бытовом уровне, что позволяет прогнозировать оснащение автотранспортных средств навигационным оборудованием как неотъемлемое требование для подобных систем уже в ближайшем будущем.

На основании анализа составляющих компонентов отдельных подсистем (Рис.7) в качестве ключевых параметров, по которым предъявляются базовые технические требования к мехатронным модулям, предлагаются характеристики, представленные на Рис.8.

Приведенный анализ объективной тенденции развития подходов к построению технических систем показывает необходимость масштабных мероприятий по системной разработке и программному внедрению мехатронных технологий для реализации потребностей промышленности в настоящее время и в перспективе на ближайшие 10..20 лет.

Для этого на основе прогноза и системного анализа перспективных потребностей всех отраслей хозяйства страны необходимо на государственном уровне приступить к опережающей разработке указанных выше компонентов в виде системы унифицированных мехатронных модулей, охватывающей весь типоразмерный диапазон изделий машиностроения базируясь на перспективных технологиях производства.

В качестве первых шагов в указанном направлении целесообразно в самое ближайшее время на базе крупных научных центров, обладающих необходимым опытом разработки рассматриваемых систем, развернуть производство микроробототехнических систем нового поколения, построенных с применением мехатронных технологий проектирования, используя современные МЭМС-компоненты как технологический базис.

2. Содержание и актуальность проблемы 2.1. Формулировка проблемы Проблема, рассматриваемая в рамках концепции, - создание нового поколения основных компонентов (мехатронные модули) технических и биотехнических (человекомашинных) систем в виде единой системы функционально и конструктивно унифицированных модулей. Эта проблема носит системный, межотраслевой характер общегосударственного уровня.

Процесс создания функциональных машин (технических систем) представлен на рис. и отражает применение технологий комплексирования и унификации для создания базовых мехатронных модулей на конкретных примерах в области медицины, биотехнологий, технологических и информационных систем.

Так, применение мехатронных модулей микронного типоразмера позволяет говорить о разработке распределенных систем компонентов на основе мультиплексирования, например, в виде ленточных или плоскостных материалов, представляющих собой матрицу датчиков с интегрированными информационно-обеспечивающими функциями на базе микрочипов с высоким уровнем интеллектуализации для повышения достоверности и устойчивости получаемых данных. Подобный подход многократно повышает уровень надежности системы за счет возможности перенесения части функций вышедших из строя компонентов на остальные без существенного снижения технических характеристик во время выполнения критических операций.

Рис. 8. Перечень базовых технических требований к мехатронным модулям Функциональные машины и проекты подобных машин, реализованных с применением мехатронных технологий, приведены на рис. 10 для таких областей применения, как медицина и биотехнологии, разработка и создание малых и сверхмалых космических аппаратов, дистанционно-управляемых и беспилотных аппаратов, технологических прецизионных манипуляторов и пр.

Рис. 9. Процесс создания функциональных микромашин и систем Рис. 10. Примеры функциональных микромашин и систем Комплексный характер подхода к разработке мехатронных модулей требует системной интеграции всех проводимых работ, что подтверждается опытом разработки и создания зарубежных аналогов. Характерный пример – интегрированные компьютеризированные производственные комплексы, производимые из разнородных отечественных и зарубежных систем.

Научно-техническая актуальность рассматриваемой проблемы логически вытекает из преимуществ технической системы, построенной по мехатронному принципу:

интеллектуальность, адаптивность, надежность, миниатюрность.

2.2. Примеры реализации мехатронного подхода в проектировании робототехнических систем Примерами сегодняшней реализации и перспективных разработок в этой области являются (см. также Приложение 1):

интеллектуальные автономные мобильные платформы различной среды применения (малоразмерные беспилотные летательные (MAV) и подводные (UUV) аппараты, нано- и пикоспутники, микромашины и манипуляторы);

мехатронные системы автотранспортных средств для обеспечения безопасности (ABS, Airbag, подшипники с контролем уровня износа и т.п.);

распределенные сенсорные системы, например, самолетное крыло, оснащенное «умной» поверхностью для динамического контроля обтекания и снижения неблагоприятных эффектов;

оптимизация управления инфраструктурными комплексами (в том числе в жилищно-коммунальном хозяйстве) – датчики потерь тепла, сейсмодатчики фундамента и т.п., которые могут быть применены для мониторинга состояния и обеспечения функционирования опасных объектов;

применение микро- и нанороботов в медицине и биотехнологиях – повышение уровня здравоохранения и обеспечения жизнедеятельности;

интеллектуальные системы охраны и наблюдения, в том числе для обеспечения безопасности и противодействия терроризму;

автономные навигационные системы, в том числе интегрированные с GPS, ГЛОНАСС;

одежда/амуниция с автоматическим поддержанием индивидуального микроклимата;

снижение рисков и вредных факторов для системы человек-машина, например, удаленное управление специализированными роботами в потенциально опасных зонах с применением систем технического зрения, сенсор-костюмов и т.п.

2.3. Значение для развития приоритетных направлений Рассматриваемая комплексная проблема относится сразу к нескольким приоритетным направлениям развития науки и техники. Прежде всего, это индустрия наносистем и материалов, живые системы, информационно-телекоммуникационные системы. Особое значение предлагаемый подход имеет при создании и реализации технических средств для обеспечения безопасности и противодействия терроризму.

Как показано выше, решение этой проблемы основано на дальнейшем развитии следующих критических технологий:

технологии мехатроники и создания микросистемной техники;

технологии создания интеллектуальных систем;

биоинформационной технологии;

обработки и защиты информации;

биосенсорные технологии.

3. Научно-технические принципы решения проблемы Из указанных выше общих тенденций развития техники и особенностей мехатроники и робототехники непосредственно следуют основные принципы их развития: системный подход, поэтапная миниатюризация, унификация, интеграция, интеллектуализация и закон степени 3/2. Ниже они изложены последовательно для мехатроники и для микроробототехники с последующим обобщением.

3.1. Принципы мехатроники Первый принцип – системное проектирование, т.е. синтез изделий мехатроники на основе общесистемных критериев без декомпозиции на отдельные функциональные компоненты. Реализация этого принципа стала возможной только на определенном этапе развития науки и на пути его дальнейшего совершенствования стоит еще много проблем прежде всего в части формирования общесистемных критериев и разработки методов синтеза на их основе.

Второй принцип – поэтапная миниатюризация путем последовательного освоения разного порядка размерностей изделий в виде отдельных поколений техники. Каждое такое поколение требует новых соответствующих технологий. При этом для реализации последних необходимо технологическое оборудование, основанное на технике предыдущей размерности. Так, реализация этого принципа в микромехатронике предполагает развитие 3D мехатронных и микросистемных технологий на основе 2D технологий микроэлектроники, созданных на предыдущем этапе развития техники. Создание нанотехнологий в свою очередь предполагает использование микротехники (микроманипуляторов и т.д.).

Третий принцип – унификация функциональных компонентов. В ходе миниатюризации для систем до дециметровой размерности этот принцип реализуется в виде модульного построения систем из типоразмерных рядов конструктивно унифицированных функциональных компонентов – сенсорных, информационно-управляющих, связи, исполнительных (приводных) и энергопитания. По основным требованиям к этим компонентам их можно объединить в две группы: информационные – первые три и силовые – последние два. С уменьшением габаритных размеров до уровня сантиметровой размерности общесистемная оптимизация приводит к взаимному проникновению (конвергенции) этих функциональных компонентов. Это дает снижение массогабаритных параметров, повышение быстродействия и надежности (прежде всего за счет уменьшения межкомпонентных связей).

Первым уже достаточно освоенным этапом этого процесса является распространение методов искусственного интеллекта из информационно-управляющих компонентов на другие функциональные компоненты от сенсорных до исполнительных. Аналогичная тенденция наметилась в энергопитании путем его децентрализации введением вторичных источников энергии в отдельные функциональные компоненты. В основе этих процессов попрежнему лежит общесистемная оптимизация.

Четвертый принцип – это интеграция функций на базе однородных структур. Этот принцип построения систем приходит на смену модульному в конце их типоразмерного ряда при переходе к миллиметровой размерности. Этому предшествует указанное выше постепенное взаимное проникновение функциональных компонентов, которое и завершается этим переходом к качественно новому типу организации.

Этот переход содержит два этапа. Первый этап охватывает информационные компоненты (сенсорные, информационно-управляющие, связи), а второй – силовые (исполнительные, энергопитания). В настоящее время реализуется первый этап на основе, в частности, нейроподобных структур. Каждая функция выполняется отдельными участками таких структур с возможностью их оперативного перераспределения и изменения границ.

Такая организация подобна многоагентной системе в компьютерных сетях. Отдельные компоненты теряют свою конструктивную самостоятельность и превращаются в чисто программный продукт – программные агенты-модули, функционирующие в однородной материальной среде.

Второй, этап освоения однородных структур – это реализация этого принципа в силовых функциональных компонентах. Эта задача требует поиска новых физических принципов и путей их технической реализации. Исследования ведутся по созданию приводов по типу искусственных мышц из сотен элементарных микроактуаторов на основе электроактивных полимеров и по созданию источников энергопитания из нанобатарей и нано-топливных элементов. Помимо улучшения массогабаритных параметров это позволит и кардинально повысить надежность.

Пятый принцип – интеллектуализация как отдельных функциональных компонентов, так и общесистемных функций. Дальнейшим развитием этого принципа будет техническое освоение творческих (креативных) способностей человека.

Применительно к микромехатронным системам изложенное обобщенно представлено в следующей таблице.

10-1 м (дм) типоразмерных рядов функциональных 10 м (см) Шестой принцип – это так называемый закон степени 3/2. Он относится к миниатюризации и заключается в том, что в силу разного порядка размерностей объема (3) и поверхности (2) объектов при их миниатюризации происходит увеличение значимости поверхностных явлений (теплообмен с внешней средой и т.п.) по сравнению с объемными (инерция и т.п.). В результате соответственно подлежат пересмотру принципы построения, методы расчета и проектирования мехатронных систем по мере их миниатюризации.

Таковы наиболее общие принципы построения мехатронных систем, определяемые порядком их размерности, и тенденции их развития. Общей особенностью последних является рост значения бионического подхода. Так, биологическим аналогом системного подхода и унификации компонентов является клеточное строение, а интеграции – нейронные структуры, пронизывающие весь организм живых существ. Все методы искусственного интеллекта, по существу, так же являются результатом копирования опыта живой природы в части вербального мышления.

3.2. Принципы робототехники Все рассмотренные шесть принципов являются общими и для робототехники.

Существенную специфику имеет только принцип унификации. Связано это со следующими особенностями применения робототехники:

широкая и меняющаяся номенклатура;

сложность технических требований к средствам робототехники, которая часто находится на пределе возможностей современной техники;

единичный характер потребностей в отдельных типах робототехнических Первая особенность была отмечена выше. Пример второй – вся экстремальная робототехника, особенно космическая, подводная и военная. К ней же в большой степени относится и последняя особенность, когда достаточно часто требуется создавать уникальные системы, по существу, разового применения.

Эти особенности являются основанием для решения задачи унификации средств робототехники путем их построения из функционально и конструктивно унифицированных компонентов – мехатронных модулей в виде их типоразмерных рядов с модульной же системой программного обеспечения.

Достоинства модульного принципа построения техники заключаются в следующем:

резко (до нескольких месяцев) сокращаются сроки создания, освоения в производстве и в эксплуатации технических систем;

проектирование систем сводится к компоновке из стандартных компонентов, а их производство – к сборке из них, что может быть организовано практически на любом машиностроительном предприятии;

возможность практически неограниченного расширения номенклатуры технических систем, включая оперативную компоновку различных их модификаций для конкретных разовых применений;

сокращается в несколько раз себестоимость систем благодаря удешевлению их частей при переходе к унифицированным серийным модулям и уменьшению структурной и параметрической избыточности;

сокращаются расходы на разработку, эксплуатацию и ремонт технических возрастает их технический уровень, включая прежде всего надежность, за счет применения отработанных стандартных модулей.

Эффективность модульного принципа не исключает применения в робототехнике и других принципов построения техники. (Так, опыт промышленной робототехники показывает, что при проектировании транспортных и погрузо-разгрузочных роботов оптимальным принципом их построения является создание гаммы таких систем на основе предварительно отработанных базовых конструкций. При создании технологических роботов для выполнения таких операций, как сварка, резка, сборка, часто оказывается наиболее эффективным агрегатный принцип проектирования.) Надо так же учитывать, что модульное построение техники имеет и свои недостатки, связанные с неизбежным некоторым завышением массогабаритных характеристик и количества промежуточных механических и электрических соединений.

В дополнение к рассмотренным выше шести общим принципам робототехника имеет еще один специфический более частный принцип – это взаимная согласованность требований к средствам робототехники и к другим техническим системам и объектам внешней среды, с которыми эти средства взаимодействуют. (Часто их незначительные изменения позволяют в несколько раз повысить технико-экономическую эффективность применения средств робототехники.) Общее замечание о развитии бионического подхода в мехатронике для робототехники по самому ее определению является основополагающим, поскольку в нем заключена сама исходная идея робота.

4. Организационные принципы и содержание программы работ 4.1. Организационные принципы Развитие мехатроники и робототехники как комплексного межотраслевого научнотехнического направления требует адекватной государственной организации. Именно так начиналось развитие робототехники. В Японии – признанном лидере в этой области все достижения получены именно благодаря тому, что опережающее развитие робототехники было признано стратегической государственной задачей. Аналогичный подход был реализован и в ряде европейских стран.

В СССР робототехника так же развивалась на основе пятилетних государственных программ и благодаря этому занимала одно из ведущих мест в мире. В последнее время по мере восстановления отдельных отраслей промышленности, начала возрождаться и потребность в средствах робототехники. Однако пока этот процесс развивается разрозненно в отдельных министерствах и ведомствах по своим отраслевым программам. Некоторые министерства, как например МЧС, ориентируются на закупку иностранных роботов, хотя это создает проблемы с их ремонтом, другие (Минобороны и другие силовые структуры) вынуждены заказывать разработки средств робототехники различным отечественным организациям, включая вузовские. Очевидно, что такой подход стратегически бесперспективен даже чисто экономически. Необходимо прежде всего организовать координацию существующих отраслевых программ по робототехнике, затем приступить к унификации основных функциональных компонентов и взаимовыгодному обмену разработками.

С возникновением мехатроники аналогичный государственный подход к ее развитию так же начал проводиться в ряде стран, включая и Японию, где был предложен и сам этот термин. В России существенный уровень координации работ по мехатронике достигнут только в системе высшей школы, однако он, естественно, ограничен задачами подготовки кадров.

Из изложенного следует, что первоочередная задача в организации работ по развитию отечественной мехатроники и робототехники в целом – это разработка соотвтетствующей государственной политики и создание межотраслевого научно-технического органа для координации работ, разработки единой научно-технической концепции развития мехатроники и робототехники, а затем реализующей ее программы работ.

Основные разделы такой программы:

Определение номенклатуры функциональных компонентов и технических требований к ним на основе анализа потребностей в средствах мехатроники и робототехники (с выделением первоочередных потребностей).

Унификация этих компонентов, их разработка и организация промышленного выпуска. (Это позволит в 2-3 раза сократить номенклатуру, соответственно расходы на разработку, повысить серийность производства и тем снизить стоимость и повысить качество).

Разработка на этой основе первоочередных базовых мехатронных и робототехнических систем и комплексов.

Промышленный их выпуск и отработка в эксплуатации.

В программе, в частности, должны быть предусмотрены следующие работы:

создание приоритетных систем мехатроники и робототехники нового организация подготовки и переподготовки кадров, в том числе организаторов и Программа в целом должна быть ориентирована на решение прежде всего первоочередных наиболее важных государственных задач (безопасность, технологическая независимость, техническое обеспечение развития критических технологий и видов техники по приоритетным направлениям развития). В дальнейшем эти решения должны тиражироваться и развиваться для обеспечения других потребностей в средствах мехатроники и робототехники.

При разработке и организации производства соответствующих изделий необходимо руководствоваться следующим:

создание изделий гарантированно конкурентоспособных на мировом рынке;

решение задач импортозамещения и организации производства лучших в мире образцов этой техники, но существенно меньшей стоимости.

4.2. Цели и задачи программы Цели программы Создание класса унифицированных мехатронных модулей для нового поколения машин и робототехнических систем.

Формирование конструкторско-технологического обеспечения инновационного цикла разработки, производства и внедрения робототехнических систем.

Создание базовых модульных технических систем и универсальных платформ воздушного, наземного и космического базирования.

Задачи программы Для достижения указанных целей предстоит последовательно решить следующие задачи:

Разработка технических требований к системе унифицированных мехатронных модулей на основе анализа перспективных потребностей в рассматриваемых технических системах и комплексах.

Разработка унифицированных микросистемных интеллектуальных мехатронных Разработка методики проектирования модульных технических систем.

Освоение производства современных МЭМС устройств для создания национальной базы развития мехатронных технологий Создание базовых модульных мини- и микротехнических систем и комплексов промышленного и специального назначения наземного, водного, воздушного и космического базирования.

Разработка и согласование с заинтересованными министерствами и ведомствами программы организации производства созданной системы модулей.

Модернизация на основе этих модулей действующего поколения важнейшей Основными научно-техническими аспектами перечисленных задач являются:

трехмерные микротехнологии производства мехатронных модулей;

интеллектуальные микроэлектронные (в том числе, нейронные) модульные структуры обработки информации;

микроэлектромеханические приводы типа искусственных мышц;

аппаратно-программное обеспечение для согласования систем компьютеризированных промышленных и специальных комплексов с обеспечением защиты информации;

интеллектуальные интерфейсы для человека-оператора с обеспечением «эффекта присутствия», в том числе в реальном масштабе времени.

5. Технико-экономическая эффективность реализации концепции 5.1. Технические результаты Конечными результатами реализации концепции должно стать преодоление отраслевой разобщенности и параллелизма в разработке основных компонентов робототехнических, автоматических и автоматизированных человеко-машинных систем общепромышленного и специального назначения путем создания системы функционально интегрированных и конструктивно унифицированных интеллектуальных мехатронных модулей, основанных на соответствующих новых критических технологиях, которая послужит научно-технической базой наукоемкой техники нового поколения, в том числе двойного применения, при существенной экономии ресурсов и ускоренных темпах производства и освоения в эксплуатации этой техники.

Результатом реализации концепции должны стать мехатронные модули как основа построения микромашин и робототехнических микросистем дециметрового и сантиметрового размерного ряда различного функционального назначения. Обобщенным критерием классификации подобных машин может быть разделение по среде их применения (рис.11):

Космическое базирование одиночные нано- и пикоспутники, а также их группировки, для решения следующих задач:

дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) высокого разрешения с применением синтезированной апертуры на базе распределенных систем;

обслуживание функционирования больших космических аппаратов (БКА), включая замену узлов вышедших из строя и доставку новых, буксировку с целью коррекции орбиты, снижающая коррекция орбиты с дальнейшей инспектирование БКА, в том числе обитаемых, с целью мониторинга состояния обшивки и внешних элементов, освещение стыковочных и ремонтных работ;

создание энергообеспечивающей группировки на орбите с целью сбора солнечной энергии и дальнейшей передачи БКА;

оперативная связь и управление удаленными действиями, в том числе военными и специальными с использованием систем шифрования с распределенным организация распределенных систем активной охраны важных БКА и организация высокоточной локальной системы позиционирования и навигации;

селективный мониторинг солнечной активности с использованием адаптивных Воздушного применения микролетательные беспилотные аппараты, дистанционно-управляемые и автономные для обеспечения следующих действий:

оперативный мониторинг зон катастроф и очагов загрязнения;

транспортировка и заброска средств для обеспечения высокоточной навигации и организация оперативного противодействия террористическим группам;

создание или восстановление каналов связи и телекоммуникаций в проникновение и информационная поддержка при работе в труднодоступных Наземные мобильные и стационарные микромашины для решения следующих задач:

системы охраны важных объектов, включая технологии мультиракурсного наблюдения и систем технического зрения;

адаптивные мобильные микроплатформы с перестройкой алгоритма локомоции сообразно рельефу и характеристикам поверхности перемещения;

наблюдение в труднодоступных для человека условиях, в том числе на территориях с высоким уровнем вредных факторов (пожары, радиация, химическое и биологическое заражение);

компактные средства мобильного мониторинга, картографирования, прогнозирования опасных факторов, включая химическое, радиационное и биологическое загрязнение;

мобильные микроплатформы целевого активного воздействия для выведения из строя технические средств террористических групп;

доставка медицинских средств в труднодоступные районы и оказание экстренной помощи пострадавшим.

Рис. 11 иллюстрирует необходимость уже на стадии создания проектного облика будущей технической системы вовлечения в анализ ее функционального назначения и среды применения с проработкой всех подсистем, включая сенсорный, актуаторный, энергетический модуль и модуль связи. Ядром обеспечения взаимодействия этих подсистем должен стать распределенный интегрированный вычислительный модуль на базе операционной среды с открытой архитектурой.

Рис. 11. Создание автоматических машин дециметрового и 5.2. Экономические результаты По существу, предлагаемый системный подход к созданию техники будущего, прежде всего в области робототехнических, автоматических и автоматизированных систем и комплексов стратегически не имеет альтернативы в условиях ограниченных ресурсов страны. Государство, которое первым на межотраслевом уровне сможет реализовать такой подход путем разработки и реализации системно-интегрированной программы, получит существенный и долговременный приоритет для стратегических прорывов в этих важнейших направлениях.

К числу таких крайне актуальных проблем, фундаментальным прикладным исследованиям которых за рубежом уделяется самое пристальное внимание - в противоположность России, где необходимые работы практически не ведутся, в настоящее время относятся:

самоорганизующиеся (мехатронно-модульные робототехнические) системы, которые предполагают возможность оперативной модификации собственной структуры (реконфигурирование) с целью изменения функциональных свойств сообразно изменению текущей задачи;

групповое управление роботами различного вида и назначения, декомпозиция задач, распределение целевых функций и организация взаимодействий в коллективе исполнителей, в том числе на основе иерархии подчинения групп и отдельных агентов сетевое информационное взаимодействие автономных робототехнических систем в задачах группового управления;

дистанционное управление автономными роботами на базе сетевых технологий;

самодиагностика, самообучение и обобщение накопленного опыта в интеллектуальных робототехнических системах;

организация развитого человеко-машинного интерфейса, семантическая обработка естественно-языковых командных целеуказаний и планирование целесообразного поведения в интеллектуальных робототехнических системах;

микроробототехника, принципы построения и методы управления системами со сложной и переменной локомоцией;

биороботы, принципы построения систем управления и методология прикладного Использование научно-технических результатов такой программы должно начаться ещё в ее рамках путем создания и применения первоочередных модульных промышленных и специальных систем и комплексов, включая базовые интегрированные компьютеризированные производственные комплексы на основе CALS-технологий, робототехнические системы для экстремальных условий различного базирования, системы охраны и активной защиты, беспилотные воздушные и космические микро-летательные аппараты, тренажерные системы на основе нового типа 3D моделей внешней среды, системы интеллектуального воздушного, наземного и космического мониторинга, а также путем модернизации этого типа действующей техники.

Эти и последующие прикладные разработки должны выполняться по техническим заданиям организаций – потребителей этой техники, в том числе, через заключение хозяйственных договоров.

Исследования этой проблематики и соответствующие разработки ведутся во всем мире со все возрастающей интенсивностью. Однако эти работы, в том числе и в нашей стране, ведутся в рамках отдельных отраслей для покрытия своих частных потребностей с неизбежным параллелизмом и общим перерасходом ресурсов. В то же время в основе всех таких систем лежат одни и те же основные функциональные компоненты – сенсорные, информационно-управляющие, исполнительные (рис. 2).

Так же едины научно-технические тенденции их развития, сводящиеся к миниатюризации на основе микро- и нанотехнологий. Возникнув в микроэлектронике (элементной базе двухмерных информационно-управляющих компонентов), они развились в трехмерные микротехнологии, охватывающие и сенсорные, и исполнительные компоненты.

Следующей рассмотренной выше тенденцией является интеллектуализация перечисленных выше компонентов. В настоящее время это наиболее сложная и фундаментальная в своей основе проблема. Наиболее значительные результаты ее решения с доведением до экспериментальных образцов соответствующих технических систем получены в системе высшей школы применительно к робототехнике и авиационнокосмическим аппаратам (системы управления и принятия решений на основе экспертных, ассоциативных, нейросетевых технологий и нечеткой логики; МГТУ, МИРЭА, СПбГПУ, ТРТУ, ВлГУ, МИЭТ и др.). На основе этого задела предстоит разработать аппаратнопрограммные модули, реализующие концепцию распределенного искусственного интеллекта в рамках рассматриваемой системы унифицированных модулей.

Рассматриваемая проблема в ее широкой трактовке является межотраслевой, охватывая интересы всех машиностроительных и приборостроительных отраслей в качестве и потребителей, и производителей. При решении проблемы нельзя определить отдельную отрасль, которой можно поручить функции головного координатора, в том числе в силу принципиальной научной новизны и комплексного междисциплинарного характера проблемы, подобные функции целесообразно возложить на НТС при Министерстве образования и науки.

Учитывая это и государственную важность проблемы, целесообразно поставить вопрос о стандартизации и унификации указанных выше компонентов с разработкой принципов и методик проектирования технических систем на их основе. Такой подход позволит более чем на порядок сократить расходы и сроки решения этой комплексной проблемы в государственном масштабе при одновременном кардинальном повышении качества ее решения. Это определяется, во-первых, ориентацией на крупносерийное производство названных основных компонентов рассматриваемых типов технических систем для разработчиков различных министерств и ведомств. Во-вторых, выпуск этих компонентов в виде унифицированных модулей создает возможность резко сократить сроки проектирования и освоения производством новых технических систем, повысить их надежность и качество технического обслуживания при эксплуатации.

Все это, в частности, было подтверждено при создании и применении модульных роботов1 во время ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС. В дальнейшем чернобыльский опыт ЦНИИ РТК был использован при анализе потребностей в средствах робототехники для МО и МЧС и разработке концепции по их покрытию на основе системы подобных унифицированных модулей. Было дано технико-экономическое обоснование эффективности данного подхода. В частности, было показано, что вследствие чрезвычайно большой и быстро меняющейся номенклатуры требуемых робототехнических средств предлагаемый подход является единственно возможным и не имеет альтернативы. Тем более малоперспективны и экономически неэффективны попытки решать эту проблему в рамках отдельных отраслей.

В целом, социально-экономическая значимость проведения программы мероприятий по реализации концепции определяется нацеленностью на решение проблем обеспечения технологической и экономической независимости и безопасности государства. Освоение современных технологий обеспечивает не только конкурентоспособность продукции, но и увеличение занятости, повышение уровня заработной платы и благосостояния населения.

Потребность в робототехнических изделиях на базе мехатронных технологий в мире ежегодно возрастает на 10-20% уже на протяжении десятков лет. Только по промышленным роботам она составляет десятки миллиардов долларов в год, а объем продаж технологических робототехнических комплексов (сварка, нанесение покрытий, резка и др.) во много раз больше. В значительной степени это происходит в результате непрерывного расширения сферы применения и соответствующего роста номенклатуры данной техники.

В настоящее время ежегодный объем продаж различных робототехнических платформ для функционирования в экстремальных условиях, в том числе двойного назначения, может составить не менее 100 млн. долларов. Ежегодный объем продаж микророботов для инспекции трубопроводов гражданской и военной техники диаметром менее 5 мм может составить до 20 млн. долларов, а ежегодный объем продаж микророботов на внутривенной и внутрисосудистой хирургии и лечения сосудов - до 30 млн. долларов. Важно при этом, что все подобные технические системы основаны на самых последних достижениях науки и техники и их создание является важным стимулом развития современных технических наук.

На основе опыта ГНЦ РФ ЦНИИ РТК, полученного совместно с ведущими организациями машиностроительных отраслей, ФААЭ, МЧС и РАН, по исследованию потребностей в технике для чрезвычайных (аварийных) экстремальных ситуаций в рамках МЧС и ФААЭ реализация модульного подхода к разработке этих средств позволила сократить их номенклатуру в 1,8-2 раза, а перечень основных компонентов для них в виде унифицированных модулей – в 2,5 раза. При этом достигается сокращение сроков создания новых систем в 3-5 раз и не менее чем вдвое снижается стоимость всего цикла «разработкапроизводство-освоение в эксплуатации». В частности, в области робототехники заявленная потребность в таких модульных робототехнических системах составляет порядка 50 единиц с комплектацией из 10-20 модулей. Такой же упомянутый выше анализ потребностей Вооруженных сил определил их первоочередную потребность в робототехнических системах по номенклатуре в количестве около 80 типов и по общему количеству около 3000 единиц.

Менее определенными являются потребности современной России в промышленных роботах. В мире парк промышленных роботов ежегодно возрастает не менее чем на 20% уже в течение более 25 лет. Одновременно происходит совершенствование адаптивных возможностей роботов за счет интеллектуализации систем управления и программноаппаратной интеграции сенсорного обеспечения при одновременном снижении их стоимости. При этом в промышленно развитых странах количество робототехнических систем по отношению к числу рабочих уже превысило 1%, а в отдельных странах оно При ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС институтом робототехники и технической кибернетики было поставлено 15 модульных роботов различного назначения от легких переносных роботов-разведчиков до тяжелых гусеничных технологических роботов. При этом, благодаря применению ранее отработанных мехатронных модулей от сенсорных до исполнительных (приводных), все эти роботы были спроектированы и изготовлены менее чем за месяц после получения технического задания достигло 10%. Поддерживающими этот процесс технологиями должны стать мехатронные технологии построения и производства широкого типоразмерного ряда МЭМС-устройств (рис. 12) 5.3. Перспективы Наметившееся возрождение отечественной промышленности позволяет надеяться, что в ближайшие годы начнет восстанавливать свои позиции и отечественное роботостроение. И тогда предлагаемый программой модульный принцип построения роботов и соответствующая система таких модулей на базе новейших критических технологий подготовит необходимую основу для такого восстановления. Это определит и прогрессивно растущую потребность в этих модулях, которая, когда этот процесс начнется, будет измеряться многими десятками тысяч единиц.

Предлагаемый системный подход позволит создать основу для усиления импортозамещения компонентной и модульной базы отечественной промышленности, создать перспективные научно-технические заделы, решить вопросы подготовки и трудоустройства квалифицированных специалистов и поднять уровень инновационной привлекательности научно-технической продукции Российской Федерации.

5.4. Оценка рынка Согласно оценке зарубежных экспертов мировой рынок роботостроения в ближайшие годы существенно расширится (рис. 12, а)).

Рост объемов потребления продуктов роботостроения, прежде всего, связывается с появлением и стремительным развитием сегмента персональной робототехники, продукты которой направлены на решение задач бытового характера и могут применяться повсеместно. Билл Гейтс (Bill Gates) основатель фирмы Майкрософт в своей статье «Робот в каждый дом» прогнозирует прорывное развитие рынка персональных роботов по аналогии с тем как бурно развивался рынок персональных компьютеров в конце прошлого века.

Прогноз развития персональных роботов по данным Японской ассоциации робототехники определяет объема этого рынка на 2025г. как величину более 50 млрд. долл. (рис. 12, б) Сегментация рынка изделий робототехники основана на группировке продуктов по категориям потребителей, с учетом особенностей характеристик самих продуктов. Так среди классических потребителей средств робототехники отдельным классом выделены «мобильные платформы», по сути являющиеся базой для построения целого ряда продуктовых групп в различных сегментах. Подобный подход, применяемый в рамках Стратегического Плана Европейской Технологической Платформы Робототехники (Strategic Research Agenda of European Robotics Technology Platform) позволяет сгруппировать мобильные средства робототехники при оценке текущего состояния рынка и прогнозов его развития на основе данных от ключевых производителей продукции, в числе которых многие крупные предприятия позиционируются как поставщики интеллектуальных мобильных платформ для последующего наращивания их целевой нагрузкой под задачи классов потребителей.

По данным японских, американских и европейских экспертов перечень потребительских сегментов средств робототехники включает следующие основные классы:

Промышленные роботы:

По данным российских аналитиков этот сегмент, в свою очередь, подразделяются на три группы по производственно-технологическим признакам: производственные, или технологические, выполняющие основные операции технологических процессов; подъемнотранспортные, или вспомогательные, выполняющие вспомогательные действия типа "взять перенести - положить"; универсальные, выполняющие различные (и основные, и вспомогательные) операции. По специализации промышленные роботы подразделяются на специальные, выполняющие строго определенные технологические операции или обслуживающие конкретные модели технологического оборудования; специализированные, или целевые, предназначенные для выполнения технологических операций одного вида (сварка, сборка, окраска и т.п.) или для обслуживания определенной группы моделей технологического оборудования, объединенных общностью манипуляционных действий;

универсальные, или многоцелевые, предназначенные для выполнения как основных, так и вспомогательных технологических операций различных видов и с различными группами моделей технологического оборудования Сельскохозяйственные роботы:

предназначены для автоматизации трудоемких и монотонных процессов в сельскохозяйственном производстве, традиционно требующем значительных затрат труда.

Помимо операции доения, наиболее автоматизированной в последние годы, становится возможным создание специальных транспортно-технологических средств, например, тракторов, управляемых без водителей и используемых для сева, вспашки, внесения удобрений, опрыскивания посевов, обрезания лишних побегов и т. д.

Роботы специального (военного) назначения:

служат для выполнения различного вида ремонтных, восстановительных и спасательных работ в экстремальных условиях и ситуациях, а также предупреждения аварий, стихийных бедствий и ликвидации их последствий. Разработка таких роботов направлена на решение важных проблем безопасности и сохранности человека и среды его обитания, а поэтому является не только крайне актуальной, но и благородной задачей. Сферы конкретного применения специальных роботов весьма - многообразны - это профилактические, ремонтные и спасательные работы в экстремальных условиях (например, на ядерных реакторах АЭС, надводных и подводных судов, предприятий); обеззараживание помещений, сооружений и местности от радиоактивных, химических, биологических и других выбросов; обезвреживание различных взрывчатых устройств; поиск и спасение людей при авариях и стихийных бедствиях; борьба с пожарами, активный контроль и предупреждение людей о стихийных бедствиях и авариях, ликвидация их последствий;

борьба с терроризмом и организованной преступностью; несение активной патрульной службы и многое другое. К роботам специального назначения можно отнести и класс военных роботов, которые уже в настоящее время широко применяются при решении задач разведки, мониторинга, охраны важных стратегических объектов, обеспечения поддержки в рамках театра военных действий и непосредственно осуществляющих военные операции.

Развитие этого класса роботов связывают, прежде всего, с разработкой беспилотных средств доставки полезной нагрузки наземного, морского, воздушного и космического базирования.

Одной из перспективных технологий повышения эффективности применения военных роботов является создание групповой (мультиагентной) эшелонированной среды состоящей из отдельных мобильных и стационарных робототехнических комплексов, информационно взаимодействующих между собой в процессе решения той или иной задачи.

Бытовые (домашние) роботы:

предназначены для автоматизации различных операций как непосредственно в быту человека, так и в сфере обслуживания. Эти работы призваны реализовать важнейшую социальную задачу общества - высвобождение времени человека для духовной жизни.

Создание бытовых роботов - весьма сложная научная и инженерная задача, так как здесь необходимы гибкие универсальные системы, т.е. очувствленные роботы с элементами интеллекта, способные самостоятельно выполнять различные на первый взгляд простые работы - приготовление пищи, мытье посуды, уборку помещений, шитье и ремонт одежды, уход за детьми, обучение различным навыкам, развлечение людей и пр., но совершенно не поддающиеся жесткой регламентации. Особую роль играют робототехнические и кибернетические системы, обеспечивающие безопасность и контроль состояния жилища (так называемый «Умный дом»).

Исследовательские роботы:

это роботы, предназначенные для поиска, сбора, переработки и передачи информации об исследуемых объектах, Такими объектами могут быть труднодоступные, а также недоступные для человека сферы - космическое пространство, океанские глубины, недра Земли, эктремальные лабораторные условия и т.п. - либо области, где требуются выявление, переработка и анализ огромных количеств информации, например, информационный поиск и разведка, искусство и литература Транспортные роботы (мобильные платформы):

предназначены для автоматизированного транспортирования объектов, а также для управления различными транспортными системами. Исследования и разработки по созданию транспортных роботов интенсивно ведутся во всем мире. При этом выделяются четыре принципиально различных типа - наземные, морские, воздушные и космические.

Практическое развитие получили ныне наземные транспортные роботы, которые могут быть колесными, шагающими и гусеничными.

По данным статистического департамента Международной Федерации Робототехники (IFR Statistical Department) тенденции на рынке потребления РТС имеет перспективы роста, так к 2013г. объемы таких сегментов рынка как мобильные РТС, военные и специальные РТС, сельскохозяйственные и прочие РТС увеличатся на 20-50% (в зависимости от сегмента) по сравнению с периодом до 2009г. («докризисным») и в разы по сравнению с 2009г.

(«кризисным»). Данные по объемам продаж в отдельных сегментах приведены на диаграмме (рис. 13).

Особый интерес вызывает прогнозируемый существенный рост спроса в сегментах бытовых РТС и РТС направленных на развлечения и досуг (рис. 14). Данные сегменты относятся по ряду продуктов к средствам персональной робототехники (Personal Robotics), что в свою очередь подтверждает, упомянутые ранее, прогнозы относительно возможного формирования новых ниш, и даже сегментов рынка индивидуального потребления услуг обеспечиваемых РТС данного класса.

Рис. 13. Динамика потребления продукции робототехники по основным сегментам Рис. 14. Динамика потребления продукции в сегменте персональной робототехники Немаловажным представляется рассмотрение вопроса анализа динамики изменений спроса на РТС в различных мировых регионах и отдельных странах. Так прогнозы реализации продукции робототехники в азиатском регионе показывают тенденцию к расширению рынка к 2013г. на 20%, в то время как европейский и американский рынки РТС демонстрируют стабильный спрос (рис. 15).

Рис. 15. Распределение объема рынка по ключевым странам-производителям Рис. 16. Производство МЭМС – технологический базис роботостроения будущего Заключение 1. Конечная цель концепции – это создание технологической базы и основанный на ней выпуск нового поколения изделий мехатроники, робототехники и других типов автоматических систем на основе унифицированных модулей и однородных микроструктур.

2. Технологии мехатроники, в том числе для создания робототехнических систем нового поколения, охватывают:

мехатронные модули перемещения на базе прецизионной механики и микроэлектроники;

мехатронные модули для решения стоящих перед критическими технологиями задач на микро- и наноуровнях;

комплектацию гибких производственных робототехнических систем, реализующих критические технологии в области машиностроения и приборостроения.

3. К основным областям применения нового поколения мехатронных и робототехнических систем относятся:

обеспечение национальной безопасности и борьба с терроризмом, авиакосмическая и транспортная техника, производство военной техники и вооружения, ядерная энергетика, нефтедобывающая и газовая промышленность, станкостроение, фармацевтическая промышленность, медицина и биотехнологии.

4. Инновационный потенциал отечественной мехатроники и робототехники несмотря на происшедшее значительное отставание от мирового уровня обеспечивается сохранившимся научно-техническим потенциалом и кадрами разработчиков, необходимыми для создания и производства конкурентоспособной на мировом рынке продукции в этой области.

Инновационные конкурентоспособные изделия мехатроники и робототехники с наибольшим потенциальным объемом продаж в период 2005-2015 гг. включают:

промышленные роботы грузоподъемностью 1-100 кг на основе унифицированных мехатронных модулей;

технологические системы для производства нетрадиционными методами деталей ракетных, авиационных и автомобильных двигателей и других машин;

мобильные роботы и микророботы двойного назначения;

системы управления для различного технологического оборудования.

5. Оценка потенциальных объемов рынка Ежегодный объем продаж мобильных роботов для экстремальных условий, в том числе двойного назначения, на внутреннем рынке составляет не менее 200 млн. рублей и столько же в порядке экспорта; роботов общепромышленного применения грузоподъемностью от до 100 кг – до 250 млн. рублей, потенциальный объем их экспорта – до 4 млн. дол.

Ежегодный объем продаж микророботов для инспекции, в том числе трубопроводов гражданской и военной техники диаметром менее 5 мм, может составить на внутреннем рынке до 50 млн. рублей и такой же порядок экспорта. Ежегодный объем продаж микророботов для внутривенной и внутрикапиллярной хирургии и лечения сосудов может составить на внутреннем рынке до 30 млн. рублей; потенциальные объемы экспорта – до 2, млн. дол.

Важнейший показатель эффективности организации предлагаемых работ по развитию отечественной мехатроники и робототехники – это достижение указанных выше результатов не за счет дополнительных инвестиций, а, наоборот, получение только за счет межотраслевой унификации существенной суммарной экономии уже запланированных отдельными отраслями и ведомствами расходов на свои мероприятия и программы.

Принципы и отдельные положения настоящей концепции докладывались, были рассмотрены и одобрены:

на совместном расширенном заседании Научного совета РАН по робототехнике и автоматизации производства и Учебно-методического совещания Министерства Образования по направлению «Мехатроника и робототехника», 13 июня 2002 г.;

на международном конгрессе “Nanotechnology – a Route to the Future Micromashines and Systems”, International Congress “Nano Tech 2003”, 2003, Tokio, Japan.

на совместном заседании бюро Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН и Президиума Санкт-Петербургского Научного Центра на международной конференции International IEE Conference “MECHTRONICS AND ROBOTICS 2004”, Aahen (Germany), 13 сентября 2004 г.;

на международной конференции "Мехатроника в России"(DTI Global Watch Mission Seminar Mechatronics in Russia the story so far), Лондон, Institution of Mechanical Engineers, Англия 21 марта 2007 г.

на международной конференции "Защита Безопасность Инновации: Наука и техника для управления чрезвычайными ситуациями", Квебек, Канада, 25-31 октября 2009 г.

на международном научном семинаре, посвященном проблемам исследования космоса в Университетском колледже Лондона (University College London) и в Маллардовской Лаборатории Космических исследований (Mullard Space Science Laboratory) в графстве Суррей, Англия, 30 июня - 2 июля 2010 г.

При разработке данной концепции использованы научно-методические материалы следующих авторов: Юревич Е.И., Подураев Ю.В., Кулешов В.С., Богачев Ю.П., Петриченко В.Н., Голембиовский С. А.