background image
C
M
Y
K
четверг
k
90, 15 августа 2013 г.
Выпуск 92
ЧЕЛОВЕК И МАШИНА
Космическая робототехническая си
стема нужна при сборке и лтно техни
ческой эксплуатации объектов в откры
том космосе для замены человека или
его сотрудничества с роботом. Такой
симбиоз ставит на повестку дня задачу
эффективного распределения функций
между человеком и РМС. В этой связи
целесообразно рассмотреть историчес
кое и современное содержание поня
тия робототехника.
В искусстве робот
изображается в виде че
ловекообразной струк
туры, имеющей, в пер
вую очередь, ориента
цию на культурно мас
совый, непрофессио
нальный интерес. Ан
тропоморфные роботы
(андроиды), имитирую
щие внешний облик и
движения человека, ис
пользовались преиму
щественно в развлека
тельных, рекламных и
демонстрационных це
лях. Применение андро
идов в промышленном производстве
не выявлено. Существуют роботы ма
нипуляторы, фотороботы, информаци
онные роботы и др.
При создании РМС часто оказывает
ся полезным заимствовать те или иные
концептуальные и схемные решения у
биологических аналогов. Технические
устройства, имеющие вид, сходный с
биологическими объектами, принято
называть биоморфными.
Возможны следующие виды подо
бия: структурное, геометрическое, ки
нематическое и динамическое. Начи
ная от средних веков до современнос
ти образцом моторики служат челове
ческие способности выполнения дви
жений при физической работе. Исто
рически чаще всего воспроизводилось
подобие человеку. При этом стреми
лись придать созданию три или все
четыре вышеупомянутых вида подо
бия.
Роботизация автоматизация про
изводства на основе замещения людей
промышленными роботами в таких тех
нологических процессах, автоматиза
ция которых другими средствами не
возможна или нецелесообразна. В ро
ботизированных технологических ком
плексах РМС осуществляют все про
цессы, за исключением функций уп
равления и контроля, сохраннных за
человеком. При этом следует иметь в
виду, что не каждая автоматическая
линия или автоматизированная систе
ма, снабжнная манипулятором, явля
ется роботом.
Манипулятор исполнительный
механизм в виде многозвенного уст
ройства, имитирующий по функциям
руку человека, с захватным приспо
соблением (рабочим органом) на кон
це, исключающим контакт человека с
предметом труда. Шарнирные соеди
нения звеньев искусственной руки
обеспечивают рабочему органу от 3 до
8 степеней подвижности (линейные и
угловые перемещения, вращение, схва
ты и удержание) (рис. 1).
Перемещение технологического ро
бота может осуществляться с помо
щью транспортных устройств, грузо
вого манипулятора и собственных
средств шаганием по реперным точкам
или магистральным линиям (в случае
существующей орбитальной станции
по поручням). Очевидно, что шагаю
щий робот, который перемещается с
помощью собственных средств, дол
жен стационарно фиксироваться в ра
бочих зонах, используя для этого так
же собственные средства.
При выполнении операций, требую
щих высокой точности рабочих движе
Заменит ли робот космонавта?
Предпосылки и перспективы роботизации внекорабельной деятельности
Компьютеризация и роботизация, повсеместно занимающие позиции, не обойдут в XXI веке и космонавтику.
Интеграция робототехники в технологию внекорабельной деятельности (ВКД), как одно из направлений
развития ВКД, очевидно, неминуема. Достигнутый на сегодня уровень эффективности ВКД вполне обеспе
чивает решение эксплуатационных задач, включая строительство российского сегмента (PC) МКС. Но в
перспективе для дальнейшей интенсификации работ непосредственного участия космонавта как един
ственного исполнителя будет недостаточно. Для повышения эффективности ВКД необходим, в числе
других факторов, качественный скачок в космической робототехнике. Характеристики роботов манипуля
торов должны сравняться с уровнем возможностей человека или даже превзойти его. Создание же
роботоманипуляционной системы (РМС) на современном уровне техники, отвечающей требованиям ВКД,
представляется практически осуществимым.
ний, например подстыковки блочного
электросоединителя или ввинчивания
резьбовой детали, статическое равно
весие и устойчивость робота могут быть
достигнуты использованием трх зах
ватов одного на корпусе робота и
двух на манипуляторах. Исполнитель
ное действие в этом случае может быть
реализовано третьим манипулятором,
если объект инфраструктуры неподви
жен относительно робота. Для стыков
ки двух кабельных электросоедините
лей или двух резьбовых деталей между
собой понадобятся два манипулятора
исполнителя (рис. 2). Такая избыточ
ность рассматривается как излишнее
усложнение механики и особенно сис
темы управления РМС. Избежать тако
го усложнения можно путм конструи
рования объектов инфраструктуры в
сопряжении с функциональными воз
можностями РМС, имеющей не более
трх манипуляторов.
В связи с тождественностью и ана
логичностью целевых и технологиче
ских задач космонавта и робота, дей
ствующих в общем рабочем простран
стве, контактирующих с одними и теми
же объектами инфраструктуры и кон
структивными интерфейсами, целесо
образно рассмотреть, как организова
на и обеспечена работа космонавтов на
внешней поверхности геоорбитальной
станции, каковы функциональные воз
можности и способности космонавта в
скафандре, которого мы собираемся
заменить на РМС, и какое воздействие
его деятельность оказывает на конст
рукцию орбитальной станции.
Что умеет космонавт в открытом кос
мосе:
1) перемещаться и переносить огра
ниченные грузы по специально пре
дусмотренным поручням;
2) закрепляться в определнной точ
ке поверхности с помощью специаль
ных средств фиксации в функциональ
но удобной позе;
3) развивать и прикладывать к объек
там инфраструктуры широкий спектр
усилий, отличающихся по величине,
направлению, форме траектории и дли
тельности;
4) выполнять технологические дей
ствия в локальной рабочей зоне с ис
пользованием адаптированных инстру
ментов и приспособлений.
Поэтому наряду с медико биологи
ческими средствами защиты от вред
ного влияния микротяжести большое
внимание уделяется разработке ин
женерно технических средств, а имен
но совершенствованию компоновки
рабочих мест, оснащению их средства
ми закрепления, то есть фиксации кос
монавта в рабочем положении, пре
дотвращающими бесконтрольный
дрейф в пространстве или отделение
от объекта.
В условиях моделирования микро
тяжести при полте самолта по пара
боле экспериментально измерены ве
личины прилагаемых испытателем уси
лий и нагрузок от них на опорные эле
менты и устройство фиксации ботинок
скафандра. На рис. 3 показана типич
ная осциллограмма для серии экспе
риментов. Видно, что генерируются на
грузки, от которых могут возникать
колебательные явления для многомо
дульного комплекса в целом: нагрузки
до 70 кгс, возникающие при отклоне
нии тела космонавта на максимальный
угол и возвращении в исходное поло
жение; нагрузки до 90 кгс, обусловлен
ные совпадением во времени деятель
ности космонавта и работы исполни
тельных органов системы управления
движением. В каждом случае все сило
вые факторы могут действовать как
одновременно, так и в любой комбина
ции. Система координат, в которой за
даны указанные нагрузки, показана на
рис. 4.
В процессе ВКД возможно непред
намеренное столкновение космонавтов
с оборудованием. Силовая функция
воздействия для этого случая может
быть представлена в виде полуволны
синусоиды с эксплуатационной ампли
тудой 50 кгс при длительности от 0,3 до
1,5 с. Сила может прикладываться по
любому направлению.
Число рабочих органов, которыми
человек может действовать, ограниче
но числом частей его организма. Рука
человека за счт только крупных суста
вов обладает 7 степенями подвижнос
ти. У человека в скафандре число сте
пеней подвижности руки сокращается
до 4. Зато число степеней подвижнос
ти в манипуляторах достигает 78. Сле
довательно, создаваемая РМС сможет
обеспечить объм движений, необхо
димый для выполнения ряда операций
ВКД, реализуемых космонавтом в ска
фандре.
Сборка является наиболее характер
ным и показательным технологичес
ким процессом в рамках ВКД. Поэтому
поведенческие задачи космонавта оп
ределяются структурой и сущностью
элементов сборочной операции.
Характер и объм функциональной
загрузки РМС можно представить на
основе анализа работ, выполненных на
отечественных орбитальных станциях
Салют 4, 6, 7, орбитальном комп
лексе Мир, PC МКС за 19742012
годы в 130 выходах в открытый кос
мос. Всего было выполнено 236 мис
сий. Операции установки/снятия блоч
ного оборудования составили 43%,
стыковки/расстыковки электросоеди
нителей 26%, сборки/разборки резь
бовых соединений 11%, прокладки
кабельных трасс 5,2%, перемеще
ния, монтажа, отталкивания крупных
блоков 4,3%, воздействия на нерас
крывшиеся конструкции 4%, осмот
ра и оценки состояния поверхности и
оборудования 2,6%, резки металли
ческих элементов солнечных батарей
2,6%, резки и установки экранно
вакуумной изоляции 1,3%.
Программа работы за бортом орби
тальной станции, как правило, содер
жит одну или несколько целевых за
дач, которые, в свою очередь, состоят
из комплексов операционно техноло
гических процессов и поведенческих
действий экипажа. При этом отдель
ные акции могут быть доступны для
реализации средствами робототехни
ки, а иные могут быть выполнены толь
ко космонавтом, по крайней мере в
существующей инфраструктуре PC
МКС. В наибольшей степени это можно
отнести к работам, классифицируемым
как ремонтно восстановительные, ре
конструктивные, модернизационные,
аварийные, выходящим за рамки про
екта, в которых реализуется весь спектр
выполнимых в космических условиях
технологий. Примеры таких работ, свя
занных с неопределенными поврежде
ниями и в недетерминированной зоне,
хорошо известны специалистам. На
взгляд авторов, термины
ремонт, ликвидация
нештатных ситуаций
применительно к целепо
лаганию робототехники
нужно использовать
весьма избирательно.
Т е х н и к о э р г о н о м и
ческие характеристики
системы человек ска
фандр (развиваемые
усилия, локомоторика,
опорные реакции, под
вижность, функциональ
ные зоны, поле обзора)
могут служить ориенти
рами для создания тех
нологической роботома
нипуляционной системы.
Каковы организационно технологи
ческие перспективы применения РМС?
Интеграция вновь создаваемой или
существующей РМС в средовую обста
новку находящихся в эксплуатации
объектов (например, модулей PC МКС)
обещает ограниченную отдачу по при
чине априорно недостаточной согла
сованности объектов этой среды с РМС.
Это означает использование РМС в ка
честве исполнителя для мониторинга
состояния внешней поверхности, транс
портировки укладок, позиционирова
ния, фиксации блочного оборудова
ния и, главное, для исполнения функ
ции помощника, ассистента космонав
та в сложных операциях ВКД.
Проекты новых космических стан
ций и кораблей будут, по видимому,
содержать единую систему эксплуата
ционно технического обслуживания,
представляющую собой взаимоадап
тированные с технологическим робо
том объекты инфраструктуры, что и
станет основой эффективного исполь
зования робототехники. При наличии
адекватной инфраструктуры эффек
тивность ВКД будет зависеть от степе
ни совершенства РМС, в том числе на
личия тактильного и силомоментного
очувствления рабочих органов; исполь
зования в системе управления РМС
автономного, супервизорного и ручно
го (в частности, копирующего) режи
мов управления; установления целесо
образного режима управления приме
нительно к возможным техническим
ситуациям и конкретным технологиче
ским операциям; обеспечения ручного
управления РМС космонавтом из ска
фандра; наличия средств ручного воз
действия на шарниры.
Наряду с тем что РМС заменит кос
монавта в моторных функциях, чело
век получит как личность ещ некото
рые преимущества, которые можно
назвать социальными, то есть избавит
ся от рутинных, однообразных, меха
нически выполняемых операций в
пользу более интеллектуальных видов
труда. В их числе: контрольные опера
ции, которые будут иметь более высо
кий удельный вес в общем объме ВКД;
самостоятельное внесение изменений
в программу управления РМС; пред
операционная подготовка по ориенти
рованию РМС в условиях недетерми
нированной среды функционирования;
межоперационные действия; эксплуа
тация и техническое обслуживание
РМС.
Одним из обсуждаемых аспектов
проблемы роботизации ВКД является
выбор концепции робототехнического
устройства: тип андроида или техно
генный механизм. По мнению автора,
система, подменяющая космонавта,
это симулякр человека в его функцио
нальной действенности, которому не
нужны иррациональная усложннность
чисто формальными признаками че
ловека, отягощение лишними функци
ями психологической проекции, при
оритета, престижа.
Человек, сформировавшийся в усло
виях планеты Земля, не приспособлен к
работе в космическом пространстве.
Будучи же облачнным в скафандр, он
тем более не обладает оптимальными
исполнительными способностями, что
бы стать абсолютным эталоном для
формирования концепции РМС косми
ческого назначения. Не биоморфность,
не полное человекоподобие, а техни
ческое решение, обеспечивающее вы
ход робота за пределы человеческих
возможностей или отождествление с
ними при выполнении рабочих опера
ций, является основным критерием в
выборе концепции РМС для ВКД.
Таким образом, представляется воз
можным кратко сформулировать на
значение РМС применительно к ВКД:
роботоманипуляционная система пред
назначена для выполнения операций
ВКД, которые могут быть выполнены
без участия космонавта, а также для
помощи космонавту при выполнении
тех операций, в которых заменить че
ловека невозможно.
Олег ЦЫГАНКОВ,
доктор технических наук,
главный научный сотрудник PKK
Энергия им. С.П. Королва,
профессор МАИ, академик РАКЦ
Рис.1.
Рис.2.
Рис.4.
Рис.3.