Даринцева Юлия Олеговна 18 лет
Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет
Уфа, Башкортостан
Руководители: Даринцев О.В., Кильметов Р.А., Шишкина А.Ф.

Как и где работают роботы в авиации?

План

1 Введение
2 История БПЛА
3 История промышленной робототехники
4 Виды роботов в авиации
  4.1 БПЛА
  4.2 Промышленные роботы
5 Разработка робота-дрона
6 Тенденции развития роботов в авиации
7 Заключение
Использованная литература

Цель

Исследовать историю применения роботов в авиации (какие типы роботов, когда и где использовались), показать перспективы и направления дальнейшего развития роботизации отрасли.

Задачи

1. Изучить историю развития промышленных роботов, БПЛА;
2. Рассмотреть классификацию роботов, показать различные варианты их использования в современной авиации;
3. Обосновать перспективы развития робототехники в авиации.
4. Разработать робот-дрон

Актуальность темы

Развитие современного общества напрямую зависит от темпов и объемов автоматизации в различных сферах деятельности человека, а наиболее совершенной формой автоматизации является роботизация. Применение роботов позволяет не только повысить производительность (освободив персонал от монотонной работы), обеспечить безопасность (исключив нахождение человека во вредных и опасных средах), но и реализовать «гибкость» технологий – быструю и эффективную переналадку производства, его быструю адаптацию под изменение условий и учет специфики производства.

Гипотеза

Реализуемые и планируемые на период до 2020-2025 гг. работы в области автоматизации и роботизации, говорят о том, что в ближайшие годы должны появиться новые типы роботов и уникальные технологии их использования в «нетипичных» для нашего времени областях применения, поэтому смело можно предположить - степень автоматизации в авиации и смежных производствах повысится, что будет достигнуто за счет использования не столько промышленных роботов, сколько за счет применения роботов специального назначения.

Введение

Обоснование выбора темы: Выбор обусловлен тем, что в последнее время роботы стали все чаще заменять человека не только на производстве, но и в офисах, поликлиниках, появились «домашние» роботы. А способны ли эти механизмы заменить человека в авиации? Где и как?

Что же такое робот? В наше время этот термин устоялся, не вызывает удивления, но существуют полярные представления о его облике и возможностях. Часть людей представляет роботов в виде механических рук, загружающих детали в обрабатывающие центры, или роботов-сварщиков в производстве автомобилей, а другие – в виде человекоподобных машин, типа «Федора». Но оба представления несколько ошибочно. Робот – это перепрограммируемое устройство, включающее в себя манипулятор и систему управления, частично или полностью заменяющее человека в монотонных, однообразных работах и опасных, вредных и т. п. средах.

История БПЛА

Наиболее часто при упоминании роботов в авиации говорят о беспилотных летательных аппаратах. БПЛА (беспилотный летательный аппарат, БЛА, дрон, беспилотник) – это летательный аппарат, управление которым происходит без экипажа на борту. Считается одним из наиболее перспективных направлений в развитии современной авиации, но в наше время все чаще можно заметить внедрение беспилотников в различные сферы жизни: например, анонсировано использование для доставки почты, с их помощью проводится удаленный мониторинг продуктопроводов, лесных пожаров и т.д. Первые же упоминания о безэкипажных ЛА датируются концом 19 века.

Самыми первыми БПЛА можно считать беспилотные аэростаты Австрийской империи (Рис. 1), оснащенные часовыми механизмами, которые сбрасывали бомбы на Венецию во время революции 1848-1849 годов. В 1897 году британец Эрнест Уилсон запатентовал систему для беспроводного управления дирижаблем.

(Рис. 1) Беспилотные аэростаты, Австрия

Идея дистанционного управления развивалась параллельно с развитием авиации: так значимым событием в истории БПЛА является идея американского изобретателя Чарльза Кеттеринга о небольшом летательном аппарате, который должен был превращаться в бомбу. Позднее появляются более совершенные аппараты, такие как «Fairy Queen» и «Queen Bee» (радиоуправляемый биплан и БПЛА-мишень, Великобритания, 1933г.), radioplane OQ-2 (радиоуправляемая ДПЛА-мишень, США, 1939-1940гг.), «Scout» (разведывательный беспилотник, Израиль, разработка 70-х годов) и другие.

(Рис. 2) БПЛА

Значительный рост количества и качественный скачок БПЛА получили на рубеже 90-х годов, что связано с развитием и широким использованием спутниковых систем навигации (GPS) и цифровой связи. БПЛА стали широко использоваться в боевых действиях (война в Ираке, Афганистане и др.), прежде всего для разведки и наблюдения [1, 2].

В настоящий момент самыми крупными производителями БПЛА являются США, Германия, Франция, Китай, Израиль, Норвегия и Россия. Лидерами считаются США и Израиль [3].

История промышленной робототехники

Незаслуженно забытыми являются роботы, которые производят, ремонтируют и обслуживают ЛА. Авиастроение всегда использовало самые передовые технологии производства, широко внедрялась автоматизация, так только роботы, благодаря быстрой перенастройке, позволили сделать экономически выгодным автоматическое производство мелкосерийных партий деталей ЛА.

История промышленных роботов начинается с изобретения Джорджа Девола в 1959 году (Рис. 3) – это был робот весом 2 тонны, который управлялся программой, записанной на магнитном барабане. После оформления патента Дж. Девол основал компанию Unimation, и в 1961 году его робот был продан за 18 тыс. долларов (при себестоимости около 65 тыс.) и внедрен в производственную линию завода General Motors. С этого времени начинается эра промышленных роботов, первые представители которых использовались для загрузки станков, обслуживания кузнечного и прессового оборудования, т. е простейших и монотонных операций. Несмотря на примитивность систем управления, почти полное отсутствие датчиков роботы стали активно использоваться, так как они, в отличие от человека, не уставали, поэтому качество продукции было стабильно высоким.

(Рис. 3) Первый промышленный робот, США

Позднее в 1969 году, с появлением относительно дешевых ЭВМ и развитием цифровых технологий обработки информации с датчиков, происходит переход на новую ступень развития промышленной робототехники – появляются роботы для автоматизации более сложных операций ‑ точечной сварки, покраски (норвежская корпорация Trallfa) и т.д. Уже на следующий год, 1970 г., компания Hitachi представила интеллектуальное техническое зрение, с помощью которого робот мог определять размеры предметов и их местоположение.

Первые промышленные роботы строились с использованием пневматических и гидравлических приводов, что ограничивало их применение, усложняло обслуживание и увеличивало стоимость эксплуатации, то 1979 год стал революционным моментом в робототехнике: стали широко применяться электроприводы. Широкое применение электропривода значительно сократило состав и размеры систем управления, повысило точность отработки сложных траекторий, позволило получить компактные манипуляторы, что в итоге стало настоящим прорывом в роботизации промышленности.

В настоящий момент крупнейшие заводы по производству промышленных роботов располагаются в Германии, Японии, Дании, США и Китае. KUKA Robotics Corporation, Fanuc, Universal Robots, ABB, Yamaha Robotics, Rethink Robotics – ведущие производители промышленных роботов на данный момент [4].

(Рис. 4) Промышленный робот для сварки

Если говорить об отечественном производстве, то нельзя не упомянуть концерн «АвтоВАЗ» (г. Тольятти), производившего до 2016 года промышленных роботов и закрывшегося при смене руководства из-за низкой рентабельности. В числе его разработок: аналоги пневматических роботов МП-9С и РФ-202 для транспортировки деталей и обслуживания штамповочных прессов, ТУР-150 – многофункциональный робот, который использовался для автоматизации нескольких видов сварки, резки, нанесения клеев и транспортировки грузов. Следует упомянуть компанию «БИТ Роботикс», как единственного в России производителя «дельта роботов».

Виды роботов в авиации

БПЛА

Стоит начать с более известного вида авиационных роботов – БПЛА. На данный момент на вооружении большинства стран мира стоят различные дроны (беспилотные самолеты). Министерство обороны США разделяет БПЛА на 5 групп по таким параметрам, как масса, рабочая высота и скорость. Наиболее показательным является деление БПЛА по их назначению:

• разведывательные;
• ударные (способные самостоятельно вести огонь по противнику).

Также, дроны можно разделить по способу управления и их автономности:

• неуправляемые;
• дистанционно управляемые;
• автоматические.

Яркими представителями современных БПЛА можно назвать такие известные конструкции, как серия RQ для разведки (США) - RQ-5 Hunter, MQ-1 Predator, "Eagle Eye" (БПЛА вертикального взлета и посадки) (Рис. 5), а также российские разведывательные аппараты «Стриж», ДПЛА «Шмель-1», «Колибри» и ударный БПЛА «Скат» и многие другие [5].

(Рис. 5)

В мирных же целях дроны чаще всего используются для коммерческой видеосъемки, инспекции крупных объектов, а так же в сельскохозяйственной сфере и, наиболее развивающееся сейчас, доставка грузов.

(Рис. 6) Квадрокоптер для съемки

Промышленные роботы

Робот – это наиболее передовой метод автоматизации производства, он единственный способен обеспечить гибкость производства, быструю смену технологий и типажа выпускаемой продукции, сократить время перенастройки. Базовой функцией промышленных роботов является замена человека в опасных, ядовитых, труднодоступных и подобных им средах, а также облегчение монотонной работы и повышение продуктивности, точности. Главными преимуществами промышленных роботов являются:

1. Повышение производительности. Робот способен работать 24 часа в сутки в автоматическом режиме, без каких-либо перерывов. Также роботы обладают более высокими скоростью и усилиями по сравнению с человеком;
2. Повышения качества продукции. Человеческий фактор достаточно часто является причиной сбоев: плохое настроение, невнимательность, утомляемость и прочие факторы снижают точность и скорость производства. Исключение человека из технологического процесса приводит к значительному снижению брака;
3. Снижение дополнительных затрат. Несмотря на высокую стоимость роботов, их эксплуатация выгоднее из-за отсутствия накладных расходов, обязательных при использовании персонала: обеспечение безопасных условий труда, страховые выплаты, медицинское обслуживание, оплата больничных и отпусков, социальные льготы и т.д. При анализе таких затрат, оказывается, что обслуживание роботов требует не так уж и много средств.
4. Исключает нахождение человека в опасных средах. При сварочных и покрасочных работах, в литейных производствах, где высокие температуры и токсичность, человек может работать ограниченное время, и, несмотря на средства защиты, оказывается вредное воздействие на здоровье. Поэтому в таких производствах необходимо заменить человека роботами, а специальные конструктивные приемы снижают вероятность поломки или выхода его из строя;
5. Компактность. Так как нет необходимости создавать специальные условия для человека, роботам необходимо более компактное рабочее пространство;
6. Гибкость применения. Быстрое перепрограммирование, адаптация под изменения технологического процесса, универсальность применения – это характерные черты для всех роботов. Недавно появился новый класс роботов – так называемые коллаборативные роботы (помощники человека), способные работать совместно с оператором и не требующие специальной подготовки для его программирования [6,7].

Но наряду с положительными качествами роботизации стоит упомянуть и недостатки, такие как:

1. Энергопотребление. Роботы в большинстве своем зависят от источников питания, что исключает мобильность, а также требуют огромных затрат электроэнергии.
2. Безработица. С внедрением роботов в производство количество рабочих мест резко сократится, что может привести к повышению уровня безработицы.
3. Высокая стоимость ремонта. Поломка роботов происходит достаточно редко, но если же возникает такая ситуация, то деньги на починку приходится искать в срочном порядке, чтобы не приостанавливать производство. Но иногда больничный лист человека при производственной травме может быть значительно дороже, нежели замена какой-либо детали робота.

Перечисленные выше недостатки уже сейчас нивелируются положительными сторонами роботизации, ну а в ближайшем будущем дальнейшее развитие технологий позволит забыть и об этих минусах [8].

Где и как используются роботы в авиации:

• Производство. В современном авиастроении все чаще используются композитные материалы, которые при значительно меньшем весе превосходят алюминиевые сплавы по прочности. Поэтому недавно итальянская компания +LAB разработала роботизированную систему Atropos для 3D-печати такой основы непрерывными волокнами (базальто- и стекловолокно) (Рис. 7) [9]. Также стоит упомянуть робота ISAAC, способного не просто плести волокно, но и быстро переключаться между различными материалами с помощью большого съемного барабана, на котором может быть размещено до 16 катушек с любыми типами углеродного волокна [10]. Т.е. в авиации активно стали использоваться технологии производства, которые не могут быть реализованы человеком в принципе.

(Рис. 7) Робот для печати композита

На новом заводе одной из крупнейших авиастроительных компаний Airbus активно используются роботы, которые выполняют работы по сверлению отверстий, необходимых для стыковки частей фюзеляжа в верхних частях секций самолетов [11]. Ручной труд при выполнении таких работ потребовал бы дополнительных расходов по организации рабочего места, и значительно бы упал темп производства.

На внешнюю поверхность самолетов наносится лакокрасочное покрытие, которое выполняет не только декоративную функцию, поэтому к операциям подготовки основы, нанесения слоев покрытия предъявляются жесткие требования. Если ранее эти операции выполнялись только вручную, то сейчас существуют специальные манипуляторы, которые способны без проблем отшлифовать любую поверхность, при этом обеспечив высокое качество и скорость обработки. Также известны роботы способные в полевых условиях нанести жидкость для удаления грязи и почистить самолет, снять старое покрытие и покрасить самолет даже в самых труднодоступных местах и в кратчайшие сроки. В качестве примера эффективности использования роботов можно привести такой факт: на сборочном заводе Boing Everett 2 РТК обрабатывают трехметровую панель крыла самолета за невероятные 24 минуты с отличным качеством, тогда как вручную этот процесс занимает 4,5 часа с нанесением только первого слоя покрытия [12].

• Обслуживание. В этом году «Газпромнефть» представила на ежегодной конференции Spb Startup Day концепт манипулятора, которого компания планирует использовать для автоматической заправки транспорта, и в первую очередь самолетов. Данный манипулятор будет особо актуален в больших аэропортах, где на заправку время ограничено [13].

Интерес представляет также американская разработка робота-заправщика для вертолетов (Рис. 8), который способен заменить персонал при заправке летательного аппарата, что актуально при ведении боевых операций, где вероятен обстрел аэродрома. Первые испытания этого манипулятора проводились в 2017 году на макете ударного вертолета AH-64 [14].

(Рис. 8) Робот-заправщик

Новозеландская компания Invert Robotics представила робота, оснащенного камерой высокого разрешения, информация с которой передается на компьютер для дальнейшей обработки, что позволяет дистанционно и с высокой точностью проводить визуальное исследование внешней поверхности самолетов. Так как поверхности самолета могут быть произвольно ориентированы в пространстве, поэтому робот способен работать а любом положении, и даже в перевернутом состоянии [15].

• Пилотаж. Компания Aurora Flight Sciences создала систему пилотирования ALIAS, оснащенную камерами, планшетным пользовательским интерфейсом и системой распознавания речи, позволяющие роботу считывать показания с приборной панели в кабине самолета. В качестве эффектора, способного воздействовать на органы управления самолета, был использован промышленный однорукий коллаборативный манипулятор UR3. Во время испытаний в октябре 2016 года ALIAS успешно заменила второго пилота, а в 2017 году смогла совершить полет и самостоятельно приземлиться, но следует отметить, что все испытания проводились на симуляторе Boeing 737 [16].

В корейском институте передовых технологий KAIST ведется разработка робота-гуманоида (Рис. 9), который мог бы управлять самолетом из кресла пилота, и этот вариант более похож на человека нежели ALIAS. Робот также считывает показания приборов встроенными видеокамерами, а воздействие на органы управления осуществляется при помощи двух манипуляторов [17].

(Рис. 9) Робот-пилот

Разработка робота-дрона

Основным недостатком коптера является малое время полета. На данный момент это пытаются исправить с помощью повышения эффективности винтомоторной группы и увеличения емкости аккумулятора. Я предлагаю принципиально новый способ оставаться на некоторой высоте практически неограниченное количество времени.

Данный дрон представляет из себя квадрокоптер, оснащенный системой захвата. Она состоит из крюка с "лапкой", механизированной с помощью сервопривода, которая фиксирует опору дрона. Этот зацеп легко адаптируется под разные летательные аппараты вертикального взлета. Мною была создана 3D-модель и анимация зацепления данного дрона за провод.

С помощью системы захвата дрон способен цепляться за такие опоры, как провода, ветви деревьев, карнизы зданий, фонарные столбы и подобное. Моя разработка может использоваться во многих областях, таких как служба МЧС, мониторинг объектов, военная беспилотная авиация, строительство и др.

В дальнейшем планируется создать мультикоптер с манипулятором для грузоперевозок. 

Тенденции развития роботов в авиации

Авиация во все времена использовала самые современные и передовые технологии и ресурсы, являлась инициатором исследований в различных областях науки и техники. Поэтому нет сомнений, что государственные программы по переходу промышленности на новый технологический уклад («Индустрия 4.0», «цифровая экономика», «интернет роботов» (интернет вещей на новом уровне)) будут обязательно использованы в авиастроении. Основной упор во всех анонсированных программах сделан на робототехнику, как одну из наиболее быстро развивающихся междисциплинарных областей науки и техники, интегрирование которой в различные сферы деятельности человека позволит выйти на новый уровень автоматизации. При этом будет автоматизировано даже то, что в настоящий момент даже не рассматривается как сфера применения роботов.

Анализируя развитие авиации и робототехники можно сделать предположение, что в ближайшем будущем произойдет объединение этих двух областей, результат которого будет виден не только в БПЛА, но и в более глубокой интеграции роботов в производство и обслуживание ЛА. Интеграция роботов в авиацию позволит значительно ускорить процессы производства и обслуживания ЛА, повысить качество, уберечь людей от вредных воздействий, о чем было сказано выше.

Заключение

В завершение исследовательской работы можно сказать, что дальнейшее развитие авиации невозможно представить без роботов и БПЛА. Из всего вышесказанного можно сделать несколько выводов:

• В ближайшем будущем роботы будут более широко применяться не только в производстве деталей, но и при сборке самолетов, в сфере обслуживания аэропортов, диагностике и ремонте ЛА, и ,возможно, даже в качестве «вторых» пилотов;
• Роботы позволят повысить качество и уровень безопасности авиаперевозок, так как они не способны «схалтурить», поэтому техника будет проверена и обслужена в соответствии с технологической картой и регламентами;
• Роботы способны одинаково эффективно работать в любых погодных условиях от Крайнего Севера и до пустынных районов, т.е. при температурах от -50 до +50;
• С внедрением роботов в производство человек освободится от рутинного труда, работы, требующей больше применения физической силы, нежели интеллекта, и оказывающей негативное воздействие на его организм для увеличения количества времени на научную и творческую деятельности для повышения уровня образованности и жизни в целом;
• БПЛА позволяют выполнять манёвры, которые человеку недоступны, летать неограниченное количество времени и не рисковать жизнью пилота;
• В ходе работы разработан робот-дрон, способный решить проблему с временем полета.  

Источники информации:

1. История беспилотных летательных аппаратов https://www.fern-flower.org/ru/articles/istoriya-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov
2. Кто и когда изобрел первый беспилотный летательный аппарат (дрон) https://24smi.org/news/26434-kto-i-kogda-izobrel-pervyj-bespilotnyj-facts.html
3. Российские и зарубежные беспилотники https://militaryarms.ru/voennaya-texnika/aviaciya/bespilotnye-letatelnye-apparaty/#h2_4
4. Эпохальные этапы развития робототехники http://robotforum.ru/novosti-texnogologij/epoxalnyie-etapyi-razvitiya-robototexniki-1959-2013.html
5. Беспилотные летательные аппараты http://www.airwar.ru/bpla.html
6. Производители промышленных роботов http://robotrends.ru/robopedia/proizvoditeli-promyshlennyh-robotov
7. Промышленные роботы в современном производстве https://mirprom.ru/public/promyshlennye-roboty-v-sovremennom-proizvodstve.html
8. Применение роботов в современном мире https://robo-sapiens.ru/stati/primenenie-robotov-v-sovremennom-mire/
9. Робот для 3D-печати базальтоволокном стал победителем JEC Innovation Award 2017 http://basalt.today/ru/2017/02/9321/
10. Airbus начал использовать работу роботов для сборки самолетов в Гамбурге https://www.avianews.com/world/2018/06/14/airbus_robot_assembly_line/
11. Робот ISAAC поможет NASA «плести» современные композитные материалы http://www.robogeek.ru/kosmicheskie-roboty/robot-isaac-pomozhet-nasa-plesti-sovremennye-kompozitnye-materialy
12. Применение роботов в аэрокосмической промышленности https://mirprom.ru/public/primenenie-robotov-v-aerokosmicheskoy-promyshlennosti.html
13. В России создан робот - заправщик самолетов http://www.cnews.ru/news/top/2018-10-08_v_rossii_sozdali_robota_dlya_zapravki_samoletov
14. Американские военные испытали робота-заправщика для вертолетов https://tvzvezda.ru/news/vstrane_i_mire/content/201707200612-pp8y.htm
15. SR Technics ускорит техобслуживание самолетов за счет использования роботов http://www.ato.ru/content/sr-technics-uskorit-tehobsluzhivanie-samoletov-za-schet-ispolzovaniya-robotov
16. Робот посадил Boeing 737 без помощи человека http://robotrends.ru/pub/1720/robot-posadil-boeing-737-bez-pomoshi-cheloveka
17. PIBOT: South Korean Robot Capable of Flying a Plane On a Flight Simulator http://www.industrytap.com/pibot-south-korean-robot-capable-flying-plane-flight-simulator/24048
18. Основы робототехники: учебное пособие. [книга]: - Иванов А.А., 2017 г.
19. Роботы. Большая энциклопедия. [книга]: - изд. "Эксмо", 2017 г.
20. Основы робототехники: учебное пособие. [книга]: - Изд. 2-е, Юревич Е.И., 2005 г.