Будущее имеет свойство приходить неожиданно, и чаще всего гораздо раньше, чем его ожидают. Наглядный пример этому – цифровизация всех сфер нашей жизни. Роботы и робототехнические системы сегодня не только успешно заменяют человека, но и способны делать то, что людям не под силу.

Робот заменит человека

Прежде всего, разберемся с терминами. Робот – это автоматическое устройство, способное выполнять заданные физические и умственные задачи на основе специальной встроенной программы. Устройство, внешне обладающее признаками робота, но управляемое человеком, принято считать робототехническим устройством (РУ) или манипулятором. Если же манипулятор оснащен программой для выполнения функционального назначения, тогда мы имеем дело с роботом-манипулятором.

Использование роботов и РУ решает ряд важнейших задач. Роботы способны выполнять работу в опасных для жизни человека условиях, что позволяет до минимума снизить риск производственного травматизма. При этом качество работ, как правило, повышается, а расходы по ряду позиций (заработная плата, выплата пособий, страховок и т.д.) – снижаются. Кроме того, на производстве нередко применяются коллаборативные роботы, которые могут выполнять задачи в общем пространстве с человеком без вреда для последних.

Робот – горный инженер

В горной промышленности роботы незаменимы. По мере истощения залежей полезных ископаемых начинается разработка месторождений с более глубоким залеганием и в значительно более сложных горно-геологических условиях. На практике это означает рост трудоемкости и затратности разработок, а также повышение вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций.

В последние годы на горнодобывающих предприятиях России участились аварии, которые приводят не только к значительным разрушениям, но и человеческим жертвам. Радикальное средство исправления ситуации – полное исключение присутствия людей под землей. Достигнуть этого можно только за счет техники и технологии безлюдной выемки ископаемого с использованием роботов и/или робототехнических систем. Например, на предприятиях уже применяются роботы для бурения скважин, самоходные роботы для подземных работ и т.д.

На кафедре технической механики УГГУ была сформулирована концепция телеуправляемого роботизированного комплекса для подземной разработки месторождений, в соответствии с которой управляемая с поверхности система горно-шахтного оборудования позволит освободить горнорабочих от труда под землей. Технология предполагает объединение внутришахтного оборудования и стационарных установок в единый комплекс под управлением операторов, находящихся на земной поверхности. В соответствии с концепцией технологический роботизированный комплекс трансформируется в мехатронную систему подземного горно-шахтного оборудования. Особое внимание уделяется автоматизированной системе телеуправления комплексом, построенной на принципах телемеханики с использованием новейших средств получения, преобразования и передачи информации. Интерфейс системы должен обеспечивать максимально производительную и безошибочную работу оператора в течение всей рабочей смены. Реализация концепции телеуправляемого роботизированного комплекса в горнодобывающей отрасли позволит не только избежать трагических последствий аварий в шахтах, но и поднять технику и технологию отечественного горного дела на мировой уровень.

Скрытая угроза

Но так ли всё однозначно? Главная опасность для человека в будущем заключается в появлении определенной зависимости от РУ. Человек уже столкнулся с этой проблемой: с появлением и интенсивным внедрением электронно-вычислительных машин (ЭВМ) в жизнь человека обнаружилось, что с увеличением скорости вычислений, повысился уровень и некомпетентности пользователя ЭВМ. Это означает, что перекладывая те или иные задачи на ЭВМ, используя определенные алгоритмы и не зная при этом сущности решаемой проблемы, пользователь в итоге может получить абсурдный результат. Поэтому первостепенная задача человека – повысить свою компетентность в использовании и создании мехатронных и роботизированных устройств.

Применительно к горнодобывающей промышленности мехатронный подход становится всё более необходимым, так как позволяет:

изготавливать отдельные виды и автоматизированные системы высокопроизводительного добывающего и обогатительного оборудования;
создавать мехатронные и робототехнические системы безлюдной добычи ископаемых;
оснастить действующие горные предприятия системами мониторинга экологической обстановки как внутри предприятия, так и на территории его расположения;
разрабатывать обучающие системы для персонала горных предприятий.

Современная горная машина с высокими функционально-параметрическими характеристиками представляет собой совокупность тесно взаимосвязанных механических, гидравлических, электронных, электротехнических и информационных (компьютерных) компонентов. Перед конструктором стоит задача объединения в одной системе подсистем различной физической природы, основанных на разных принципах функционирования и проектирования, зачастую конфликтующих между собой в части реализации своих потенциальных возможностей. Проектирование современного горно-шахтного оборудования с использованием традиционных подходов без учета этого обстоятельства может стать причиной ряд ошибок, не позволяющих получить сбалансированную машину с полной реализацией заложенного в ней потенциала.

Соответственно возрастает потребность в кадрах, владеющих мехатронными технологиями. Решить эти задачи под силу только специалистам, получившим профильное образование.

Незаменимые кадры

В 2022 году на кафедре технической механики Уральского государственного горного университета стартовал набор на новую образовательную программу специальности «Горное дело» – специализацию «Мехатроника и робототехника промышленных комплексов». Выпускники программы занимаются проектированием и исследованием автоматических машин и автоматизированных систем, которые используются на различных промышленных и производственных предприятиях, в том числе горного профиля.

Наряду с дисциплинами, связанными непосредственно с мехатроникой и робототехникой, такими как «Детали мехатронных модулей», «Мехатронные системы управления», «Теория автоматического управления», «Международный инжиниринг», «Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике», «Конструирование мехатронных модулей», «Промышленные мехатронные системы» и др. изучаются дисциплины блока специализации по горному делу: «Электрификация горных предприятий», «Основы переработки полезных ископаемых», «Аэрология шахт», «Маркшейдерское дело», «Горнопромышленная экология», «Физика горных пород», «Горные машины и оборудование». Данный симбиоз дисциплин позволяет выпускать высококвалифицированных специалистов, которые смогут успешно обеспечивать технологичность мехатронных и робототехнических систем, их подсистем, отдельных модулей, а также техническое оснащение рабочих мест мехатронным и робототехническим оборудованием на предприятиях горной промышленности.

Во время изучения дисциплин, связанных непосредственно с мехатроникой и робототехникой, возникает потребность в формировании у будущих специалистов практических навыков работы с робототехническим оборудованием и исследовательских умений. Предоставить им такую возможность в наиболее удобной и понятной форме – одна из задач, которую призвана решить лаборатория мехатроники и робототехники кафедры технической механики УГГУ, оснащенная современным высокотехнологичным оборудованием.
По оценкам экспертов, создание мехатронных комплексов для безлюдной выемки полезных ископаемых позволит высвободить сотни тысяч горняков от работы в тяжелых и опасных подземных условиях, повысить в 4-10 раз производительность труда, существенно снизить себестоимость добычи и свести к минимуму потери ископаемого. А безопасность человека – это в конечном итоге главная задача, которую на протяжении многих лет совместными усилиями решают технологи и конструкторы.

Андрей Котельников, кандидат технических наук, доцент кафедры технической механики УГГУ.