Юревич - Основы Робототехники - 5. Наиболее широко контактная точечная сварка с помощью
 Скачать 3.6 Mb.
|
|
ГЛАВА 11. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ РОБОТОТЕХНИКИ В НЕМАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ И В НЕПРОМЫШЛЕННЫХ ОТРАСЛЯХ. 11.1. Робототехника в немашиностроительных отраслях промышленности. Помимо машиностроения и приборостроения средства робототехники все более широкое применение получают в угольной и горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, строительстве, легкой и пищевой промышленности, транспорте. Важность развития робототехники в этих направлениях очевидна уже их того факта, что здесь используется большая часть трудовых ресурсов страны, а степень автоматизации ниже, чем в машиностроении. Сегодня развитие применения средств робототехники в немашиностроительных отраслях происходит прежде всего путем использования опыта машиностроительных отраслей по применению созданных там роботов на тех же или аналогичных операциях — при обслуживании основного технологического оборудования, на погрузо-разгрузочных работах, при выполнении таких основных операций как нанесение покрытий, сварка, сборочно-монтажные работы и т.п. Опыт создания и применения роботов и неавтоматических манипуляторов, специально предназначенных для этих отраслей, пока невелик. Общее количество используемых в немашиностроительных отраслях роботов и манипуляторов на превшает 20 % их общего парка. Анализ основных немашиностроительных отраслей показывает, что только за счет использования роботов общепромышленного применения эта величина может быть увеличена примерно вдвое. Однако для основной части производств в этих отраслях требуются роботы специальных типов. В табл. 11.1 приведены примеры применений средств робототехники в немашиностроительных отраслях. Анализ технических требований к роботам, необходимым для этих отраслей, и условий их эксплуатации показывает, что в отличии от машиностроения здесь значительно меньше возможностей для применения роботов с чисто программным управлением и требуются прежде всего роботы очувствленные с адаптивным управлением. Это объясняется тем, что в немашиностроительных отраслях существуют значительно большая неопределенность и варьируемость как параметров объектов манипулирования, так и внешней среды в целом. Здесь требуется большая доля мобильных роботов (в том числе для передвижения по открытой местности), роботов повышенной грузоподъемности и для работы в экстремальных условиях. В горном деле важной задачей является создание робототехнических комплексов для безлюдной выемки полезных ископаемых. Это 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 руды. 2 Таблица 11.1. Примеры применения средств робототехники в немашиностроительных и непромышленных отраслях хозяйства. Операция Тип средств робототехники Угольная и горнодобывающая промышленность Установка крепи в забое Мобильный робот с техническим зрением и двумя манипуляторами Бурение шурпов Многоманипуляторный мобильный робот с навигационной системой Отделение угля от породы Робот с техническим зрением и другими средствами очувствления. Погрузка горной массы Погрузо-разгрузочные работы в обогатительном производстве Мобильный робот-погрузчик Металлургия Загрузка чушек и металлолома в печь Манипулятор с управлением от оператора Ремонт огнеупорной кладки печей, домен Мобильный робот Пробивка корки шлака и устранение анодного эффекта при электролизе алюминия Извлечение штырей в электролазерах и их перестановка Укладка и обвязка пакетов чушек, их погрузка и доставка 3 Продолжение таблицы 11.1. Операция Тип средств робототехники Лесозаготовительное производство Валочно-пакетирующие работы на лесосеках Манипулятор с управлением от оператора Деревообрабатывающее производство Погрузочные работы Средства робототехники, аналогичные применяемым в машиностроительном производстве Строительная промышленность Укладка кирпичей Робот-каменщик Сортировка кирпича на конвейере Робот с техническим зрением и дальномерной сенсорной системой Загрузка печей кирпичами и выгрузка Облицовочные работы Робот для монтажа облицовочных плиток Монтаж металлоконструкций (зданий, мостов, резервуаров и т.п.) Робот-монтажник-высотник Окрасочные работы Робот-маляр Легкая и пищевая промышленность Обслуживание основного технологического оборудования (прядильных и швейных машин, агрегатов, формирующих синтетические нити, прессов горячей вулканизации, печей для обжига керамических изделий и т.п.) Средства робототехники, аналогичные применяемым в машиностроении и приборостроении 4 Продолжение таблицы 11.1. Операция Тип средств робототехники Внутрицеховые погрузо-разгрузочные и транспортные работы Раскрой кожи и других материалов Укладка в тару конфет, овощей при консервировании и т.п. Погрузо-разгрузочные работы в холодильниках Транспорт Погрузо-разгрузочные работы Регламентное обслуживание железнодорожных путей Средства робототехники аналогичные применяемым в машиностроении Шагающие транспортные машины Агропромышленное производство Уборка овощей и фруктов Прополка и прореживание овощей Робот с техническим зрением для работы в комплексе с прореживателями Обслуживание теплиц Мобильный робот (для выращивания рассады, уборки продукции) Товарная доработка плодоовощной продукции (сортировка и загрузка в контейнеры) Обслуживание свиноводческих комплексов и комплексов для крупного рогатого скота Дойка и санитарная обработка вымени коров Стрижка овец 5 Продолжение таблицы 11.1. Операция Тип средств робототехники Погрузо-разгрузочные работы с сельскохозяйственной продукцией, сеном, силосом, удобрениями и т.п. Вождение тракторов и других сельскохозяйственных машин Робот-тракторист Медицина Хирургия (микрохирургия, дистанционная хирургия, стерильная хирургия) Прецензионные манипуляторы, управляемые оператором Внутриполостная и внутрисосудистая диагностика Мобильные микророботы Протезирование конечностей Реабилитации инвалидов и больных Робот для массажа и физических упражнений. Уход за больными и инвалидами Робот-сиделка Помощь, при передвижении слепых людей Робот-поводырь. Сфера обслуживания Погрузо-разгрузочные работы Охрана помещений Уборка помещений Робот-домохозяйка Мойка окон высотных зданий Уход за детьми Робот-нянька и роботы-игрушки 6 В состав таких комплексов должны входить роботы для установки крепи- опалубки в забое, роботы-бурильщики шурпов, роботы-взрывники, роботы- погрузчики горной породы, роботы по обслуживанию технологических комплексов проведения выработок. Подобные роботы должны быть мобильными, снабжаться, как правило, развитой системой очувствления, включая техническое зрение, несколькими манипуляторами и иметь взрывобезопасное исполнение. На рис.11.1 показан самоходный робототехнический проходческий комбайн, а на рис.11.2 показан робот-бурильщик шурпов. Рис.11.1. Самоходный робототехнический проходческий комбайн. На рис.11.3 представлен робототехнический комплекс для чистки и выбивки футеровки разливочных ковшей в металлургии. Ковш располагается на позиционере, с помощью которого осуществляются перемещение ковша в горизонтальной плоскости и опрокидывание его для сброса выбитой футировки. На рис.11.4 показан пример применения роботов на железнодорожном транспорте для мытья, дезинфекции и окраски вагонов. Гидравлический робот с контурным управлением, снабженный сменными рабочими органами, размещен на подвижном основании. Основание перемещается оператором внутри вагона с помощью пантографической стрелы по мере обработки очередной части вагона в пределах рабочей зоны робота. 7 Рис.11.2. Робот для бурения шурпов (робот бурильщик). Рис.11.3. Робототехнический комплекс для чистки и выбивки футеровки разливочных ковшей: 1 – позиционер; 2 – разливочный ковш; 3 – отбойник; 4 – промышленный робот. 8 Рис.11.4. Робототехнический комплекс для химической обработки железнодорожных вагонов: 1 – тележка с оператором; 2 – подвижное основание; 3 – промышленный робот; 4 – пантографическая стрела. Быстро расширяется применение средств робототехники в легкой и пищевой промышленности. На швейных фабриках роботы осуществляют раскрой тканей и обработку деталей одежды. Роботы используют для укладки в ящики и упаковки сахара-рафинада, хлебобулочных изделий, изделий парфюмерии, для раскладки конфет в коробки и т.д. 11.2. Робототехника в непромышленных отраслях. В нижней части таблицы 11.1 приведены примеры применения робототехники в некоторых непромышленных отраслях. Широкие возможности для комплексной автоматизации и роботизации открывает робототехника в сельском хозяйстве. Основные особенности применения здесь средств робототехники заключаются в большой территориальной протяженности и разобщенности предприятий, сезонности работ, сильной зависимости от погодно- климатических условий, в непосредственном контакте с животными и растительными организмами, имеющими большую разбросанность характеристик и существенные специфические требования к взаимодействию с ними. Одна из важных задач в полеводстве – создание роботов для вождения 9 тракторов, комбайнов и других машинно-тракторных агрегатов с высвобождением работников самой массовой здесь профессии – трактористов. Роботы-трактористы должны быть приспособлены для замены тракториста на его стандартном рабочем месте. Это позволит оперативно использовать такие роботы на серийных машинно-тракторных агрегатах, заменять трактористов при выполнении работ особо опасных (внесения ядохимикатов и т.п.) или утомительных (вождение культиваторов и прореживателей строго по рядкам растений и т.п.), осуществлять групповое вождение тракторов и других машин с роботами-трактористами за трактором-лидером, ведомым трактористом. Замена трактористов роботами позволит повысить производительность агрегатов, сменность, ритмичность и качество работы, снизить расход топлива. Одна из наиболее трудоемких отраслей сельскохозяйственного производства – овощеводство и картофелеводство. Производительность труда на ряде операций здесь ограничена физическими возможностями человека. Например, для укладки рассады в высаживающий аппарат требуются несколько сажальщиц на каждой рассадочной машине, которые должны работать в ритме примерно одна операция в секунду в условиях тряски, пыли, при различной погоде. В теплицах применение мобильных роботов позволяет комплексно автоматизировать большой круг работ по подготовке почвы, высеву семян, опрыскиванию химикатами, сбору готовой продукции (рассады, овощей, фруктов), их сортировка и укладка в тару. На рис.11.5 показан образец робота для сбора огурцов и помидоров. Робот передвигается вдоль теплицы по технологическим трубопроводам и имеет манипулятор со специальным плодоотделителем в качестве рабочего органа. Система обнаружения и распознавания состоит из двух сканирующих зеркал и фотоприемника. Распознавание осуществляется путем сравнения с эталоном. Аналогичные задачи необходимо решать на стационарных пунктах послеуборочной обработки овощей и картофеля, включая их сортировку, отделение примесей и некондиционных экземпляров. На рис. 11.6 представлен образец робототехнического комплекса для погрузки капусты и других Рис.11.5. Робототехнический комплекс для сборки огурцов и помидоров в теплице. 10 Рис.11.6. Робототехнический комплекс для погрузки капусты: 1 – робот-загрузчик, 2,3 – его манипуляторы. 4 – устройство управления, 5 – транспортер для готовой продукции, 6 – подаватель. овощей в контейнеры. Комплекс выполняет следующие операции: - подача пустых контейнеров в зону загрузки; - загрузка капусты в контейнер; - перемещение загруженных контейнеров в зону накопления готовой продукции. Благодаря аккуратному обращению с капустными кочнами полностью исключено их повреждение, которое при других используемых на сегодня способах загрузки достигает 45%. В животноводстве и птицеводстве требуются, в частности, роботы для выполнения следующих работ: - основные технологические операции, как дозированная раздача кормов, пойка телят, разбрасывание подстилки, уборка навоза, дезинфекция помещений, взвешивание животных; - механизированное доение коров; - дефектоскопия и сортировка яиц в неорганизованных потоках с последующей укладкой в тару. Большие перспективы имеет робототехника в медицине, в том числе, в хирургии, протезировании, для реабилитации и обслуживания: больных и 11 инвалидов. На основе достижений робототехники создаются все более совершенные искусственные конечности — протезы рук и ног, имеющие приводы, встроенные микропроцессорные устройства управления и биологические обратные связи. Созданы искусственные скелеты с приводами, так называемые экзоскелетоны (экзо означает «внешний»), для парализованных людей (рис.1.12). В ряде стран (США, Японии) созданы роботы для обслуживания больных и инвалидов. Такие роботы имеют техническое зрение, систему радиоуправления и управления голосом, устройство передвижения. Ведутся разработки роботов для использования в домашнем хозяйстве – для уборки помещений, работы на кухне, прислуживания за столом, охраны квартиры, в том числе противопожарной, для открывания и закрывания входной двери, обслуживания телефона, радио- и телевизионной аппаратуры и т.п. В США создан робот – ночной сторож («Центурион-1»). Он имеет колесный ход, инфракрасную систему обнаружения людей, устройство для лишения нарушителя подвижности с помощью ультразвука, веселящего или парализующего газа, электрических разрядов. В целом робототехника в немашиностроительных и непромышленных отраслях, как уже отмечено, развивается сегодня, прежде всего на базе опыта, накопленного в машиностроении, и в той же последовательности: изучение потребностей и определение технических требований к роботам, создание и отработка типовых роботизированных технологических ячеек, создание на их основе крупных базовых комплексов и, наконец, тиражирование последних в рамках отраслей. ГЛАВА 12. ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА. 12.1. Экстремальная робототехника в промышленности. Одно из назначений робототехники – выполнение различного рода работ в экстремальных внешних условиях либо опасных и вредных для человека, либо вообще полностью исключающих его присутствие. Соответствующий раздел робототехники получил краткое наименование «экстремальная робототехника». Под экстремальными условиями понимаются как аварийные экстремальные ситуации, включая стихийные бедствия, так и штатные экстремальные ситуации, определяемые технологией производства. По мере интенсификации производства удельный вес и тех и других неуклонно растет. Это относится, в частности, к атомной энергетике и промышленности, химической, металлургической, горнодобывающей отраслям промышленности, подводным работам, освоению космоса, военному делу. Экстремальные условия определяются, прежде всего внешними условиями работы. Например, для атомной промышленности типичные внешние условия включают: - радиационное облучение с интенсивностью до 10 рентген в секунду и интегральной дозой до 10 6 рентген; - температура окружающей среды в отдельных случаях до 300 0 С; - влажность 100 %; - взрыво- и пожароопасность; - радиоактивные загрязнения, требующие дезактивации. Космическая и подводная робототехника характеризуется своими специфическими внешними условиями. Помимо внешних условий экстремальные ситуации характеризуются и определенным перечнем специфических работ, подлежащих выполнению. К типовым видам работ в экстремальных ситуациях относятся: - инспекция (разведка, контроль, диагностика); - манипуляционные работы, как правило со сменным рабочим инструментом (для резки, сварки, очистки поверхностей, нанесения покрытий, для слесарных, сборочно-разборочных и монтажно-демонтажных работ); - погрузо-разгрузочные и транспортные работы; - расчистка и очистка помещений и территорий (включая дезактивацию, нейтрализацию и т.п.); - устройство транспортных путей (проездов, переправ и т.п.); - строительно-восстановительные работы; - пожаротушение; - спасательные работы. Эти работы в целом включают сотни укрупненных технологических операций. Их примерный перечень применительно к чрезвычайным наземным сутуациям приведен в таблице 12.1. Как следует из этого перечня, основным типом технических систем, требующихся для выполнения этих операций, являются робо- 2 Таблица 12.1. Примерный перечень работ и входящих в них технологических операций в экстремальных условиях. № п/п Наименование работ Наименование операции 1. Инспекция 1.1. Визуальный контроль, определение физического состояния местности, объектов, оборудования (с земли, с воздуха, в воде) 1.2. Радиационный контроль на местности, в помещениях 1.3. Определение состава атмосферы, воды и земляного покрытия 1.4. Визуальный контроль труднодоступных помещений 1.5. Снятие визуально показаний контрольно- измерительной аппаратуры 1.6. Определение положения показывающих и исполнительных органов, вентилей, тумблеров 1.7. Выявление мест утечек в трубопроводах и оборудовании 2. Погрузо-разгрузочные и транспортные работы 2.1 Доставка технических и других средств к местам чрезвычайных ситуаций 2.2. Расчистка проходов, устройство транспортных путей (проездов, переправ и т.п.) 2.3. Разборка завалов, укрепление или обрушение неустойчивых конструкций 2.4. Транспортировка материалов, инструмента, емкостей и др. объектов 3 Продолжение таблицы 12.1. № п/п Наименование работ Наименование операции 2.5. Сбор, контейнирование и транспортирование опасных отходов 2.6. Удаление опасных предметов (взрывных устройств, боеприпасов и т.п.) 2.7. Создание дамб и заградительных полос 3. Манипуляционные работы 3.1. Монтаж и демонтаж оборудования и конструкций 3.2. Сборка и разборка соединений 3.3. Нанесение покрытий, удаление покрытий 3.4. Бандажирование течей на трубопроводах, замена прокладок в уплотнительных соединениях 3.5. Работа с радиоактивными и др. опасными материалами (кантование, укладка, пересыпание, уплотнение и др.) 3.6. Сбор и удаление рассыпных материалов 3.7. Установка и снятие дополнительных домкратов, опор и растяжек 3.8. Сварка и резка труб, металлоконструкций 3.9. Сверление и фрезерование 3.10. Бурение 3.11. Резка металлических, бетонных, железобетонных, деревянных конструкций 3.12. Дробление обломков строительных конструкций 4 Продолжение таблицы 12.1. № п/п Наименование работ Наименование операции 3.13. Открывание дверей, люков, задвижек 4. Очистка 4.1. Дезактивация местности, строений, помещений, конструкций и оборудования 4.2. Очистка площадок 4.3. Откачка воды из затопленных помещений 5. Строительно- восстановительные работы 5.1. Организация энергоснабжения 5.2. Обеспечение средствами связи 5.3. Восстановление транспортных путей (шоссейных дорог, железнодорожных путей и аэродромов) 6. Пожаротушение 6.1. Разведка очагов пожара 6.2. Локализация и тушение пожаров 7. Спасение людей 7.1. Поиск людей в местах их блокировки 7.2. Эвакуация людей из мест чрезвычайных ситуаций 5 тотехнические системы (РТС), благодаря характерной для них многофункциональности и гибкости, позволяющих оперативно выполнять различные технологические операции. Кроме них для выполнения отдельных типовых технологических операций требуется довольно широкая номенклатура и специальных технологических систем, с которыми РТС должны взаимодействовать. Примеры таких специальных технических систем – это строительные, строительно-дорожные, транспортные, погрузо-разгрузочные машины – экскаваторы, бульдозеры, краны и т.д., но в специальном исполнении для работы в экстремальных внешних условиях. Наиболее важными характеристиками РТС для рассматриваемой области их применения являются способы управления, перемещения и энергопитания. Сегодня основным способом управления этими техническими системами является комбинация дистанционного автоматизированного управления со стороны человека- оператора и местного автоматического управления. Перемещение к месту работы может обеспечиваться специальными транспортными средствами (краны, вертолеты и т.п.) или собственной системой передвижения в случае мобильных РТС. Энергопитание может быть автономным, кабельным или комбинированным. Основным типом легких РТС являются инспекционные системы (разведчики), часто дополняемые манипуляторами и другими исполнительными устройствами. Последние предназначаются для расчистки проходов, взятия проб, поиска и взятия отдельных объектов, выполнения различных операций с органами управления основного технологического и другого оборудования и отдельных технологических операций с помощью сменного инструмента. В отличие от инспекционных систем основное назначение тяжелых РТС – выполнение различных технологических операций с помощью сменных рабочих органов, включая бульдозерные отвалы, грейферы, сварочные аппараты и т.п. Эти системы с учетом ограничений, налагаемых их массо-габаритными характеристиками, проходимостью и устойчивостью к внешним воздействиям, применяются в труднодоступных и стесненных помещениях внутри зданий и на открытой территории. Основная тенденция развития рассматриваемой техники – это создание автономных и телеуправляемых мобильных РТС с требующейся для этого развития сенсорикой, адаптивным и интеллектуальным управлением. Создание таких систем – одно из важнейших направлений развития современной робототехники в целом. Работы в этой области ведутся крупнейшими машиностроительными фирмами, включая Дженерал Электрик, Вестингауз, Мартин Мариетта, Катерпиллер, Дженерал Дайнамикс, Сименс, Мицубиси. Основной формой организации этих работ являются государственные (США, Япония, Франция, Англия) и международные программы и проекты. Решение проблемы создания РТС для экстремальных условий связано со следующими особенностями: - сложность (экстремальность) внешних условий, зачастую находящихся на пределе возможностей современной техники; - сложность, многообразие, нечеткость (изменчивость) подлежащих выполнению функций, что приводит к большой номенклатуре требующихся технических средств, при одновременно, как правило, единичном характере 6 потребления этой техники; - межотраслевой характер проблемы, как с точки зрения потребителей, так и производителей требуемых технических средств. С учетом этих особенностей в основу проектирования средств экстремальной робототехники должны быть положены следующие два принципа. Первый принцип – функциональная и конструктивная унификация технических средств на основе их модульного построения. Второй принцип – это согласованность требований к рассматриваемым техническим средствам и к их техническому окружению, с которым эти средства должны взаимодействовать, из условий максимума общей технико-экономической эффективности. Первый принцип был рассмотрен в главе 7. Что касается второго принципа, то для объектов внешней среды он означает необходимость учета их взаимодействия с рассматриваемыми робототехническими средствами. Такой учет может повысить эффективность этих средств в 5-7 раз. Основные дополнительные требования, которые должны предъявлять к объектам внешней среды для облегчения функционирования технических средств, предназначенных для работы в экстремальных условиях, направлены на обеспечение выполнения этими средствами следующих действий: - передвижение, в том числе при наличии разрушений и препятствий; - выполнение различных манипуляционных операций с органами управления технологическим оборудованием и контроля за ним; - проведение демонтажных и ремонтных работ с этим оборудованием; - расчистка и уборка разрушений, очистка от вредных веществ. В качестве иллюстрации изложенного приведем примеры подобных требований: - дверные проемы должны обеспечивать проход РТС; - несущая способность кровель и межэтажных перекрытий должна позволять использование РТС; - технологическое оборудование, расположение запорно-регулирующей аппаратуры, выключателей и т.п. должны быть доступны для РТС; - на объектах, где возможно использование РТС, должны быть предусмотрены помещения для их ремонта, подзарядки и т.д. На рис.12.1, 12.2 и 12.3 показаны примеры упомянутых в параграфе 7.3 модульных роботов, использованных на работах по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС. На место работы эти роботы доставлялись с помощью вертолетов. На рис.12.4 показана типовая схема применения РТС на роботах на объектах типа АЭС, доставляемой к месту работы наземным транспортным средством. Транслятор предусмотрен для возможности управления технологическим роботом, находящимся внутри радионепроницаемого здания АЭС. На рис.12.5 приведен пример более поздней разработки мобильного робота, предназначенного для работы в экстремальных ситуациях в качестве робота развед- 7 Рис.12.1. Робот-разведчик РР-Г1. Рис.12.2. Радиоуправляемый тяжелый робот ТР-В1 с двигателем внутреннего сгорания для сборки и транспортировки радиоактивных сыпучих материалов. 8 Рис. 12.3. Тяжелый робот ТР-Г2. Сверху – подвижные телевизионные камеры и другие сенсорные устройства. Справа – пульт управления. чика (инспекция), для выполнения различных технологических операций съемным инструментом, ведения охраны и борьбы с террористами. Другие варианты роботов подобного назначения были показаны на рис.3.16, 3.17. Для последнего он комплектуется различными дистанционно управляемыми средствами активной защиты и нападения. Робот снабжен пятистепенным шарнирным манипулятором грузоподъемностью 10 кг и подвижной двухстепенной передающей телекамерой. Энергопитание –комбинированное – автономное от аккумуляторов и по кабелю длиной 300 метров. Кабель размещен на барабане – подборщике с вращающимся токосъемником. Управление дистанционное супервизорное и автономное программное и адаптивное, включая автоматический обход и преодоление препятствий. Рис.12.4. Типовая схема применения робототехнической системы: 1 – автомобиль тягач, 2 – пульт управления, 3 – пульт связи – транспортер, 4 – внешний ретранслятор, 5 – внутренний ретранслятор, 6 – технологический модуль. Рис.12.5. Робот «Малыш» (ЦНИИ РТК). 12.2. Космическая робототехника. Космическая робототехника – новое перспективное направление развития космонавтики в том числе для работ в дальнем космосе, на Луне и на околоземных орбитах. Возникнув на стыке пилотируемой и беспилотной космонавтики она быстро сформировалось в самостоятельное направление, во многом определяющее перспективы развития космонавтики в целом. Робототехника расширяет функциональные возможности беспилотных космических аппаратов, доводя их практически до уровня современных пилотируемых аппаратов. В пилотируемой космонавтике робототехника позволяет в значительной степени освободить космонавтов от тяжелых и опасных работ особенно в открытом космосе и в условиях интенсивных ионизирующих излучений и превратить обитаемые космические аппараты в периодически посещаемые. В целом космическая робототехника открывает новые горизонты не только для развития традиционных средств космонавтики, но и для создания принципиально новых типов космических аппаратов, совмещающих достоинства пилотируемых и беспилотных аппаратов. Космическая робототехника уже сегодня позволяет резко повысить эффективность космических систем, снизить расходы на их эксплуатацию, существенно расширить их функциональные возможности, на порядок увеличить ресурс и надежность, повысить безопасность космонавтов. Роботы в космосе имеют следующие области применения: - работа в открытом космосе (свободно перемещающиеся роботы для сборочных, погрузо-разгрузочных и спасательных работ, захвата и инспекции неизвестных объектов и т.д.); 12 - работа на поверхности планет и других космических тел; - работа внутри и снаружи космических кораблей (их обслуживание, регламентные и ремонтные работы). Соответственно можно выделить три основных типа космических роботов: свободнолетающие роботы, напланетные роботы, роботы космических кораблей (обслуживающие роботы) Космические роботы и управляемые оператором неавтоматические манипуляторы имеют, как правило, электромеханические приводы. При этом в отличие от роботов, применяемых в обычных земных условиях, мощность их приводов на несколько порядков меньше при той же массе объектов манипулирования. Однако при этом неизбежно пропорционально снижается быстродействие робота из-за соответствующего уменьшения ускорений при перемещении объектов, обладающих определенной инерцией. Но этой ценой достигается существенное снижение массы и энергопотребления роботов, что, как известно, особенно важно для космической техники. На рис.3.28 был показан пример свободнолетающего космического робота. На рис.12.5 и 12.6 показана система бортовых манипуляторов многоразового космического корабля «Буран» [2]. Манипуляторы шарнирные с шестью степенями подвижности имеют электрические приводы. Длина манипулятора - около 15,3 м, усилие в захватном устройстве — примерно 5 кгс. Наибольшая масса объекта манипулирования – 3 т. Линейная скорость с грузом – до 0,03 м/с, без груза – 0,6 м/с. Погрешность позиционирования – 5 мм. В исходном положении манипуляторы крепятся вдоль корабля с помощью ложементов. Захватные устройства манипуляторов – сменные. На кисти каждого манипулятора укреплена телевизионная камера. Кроме того, на корпусе корабля размещено несколько телевизионных камер и осветителей, в том числе четыре подвижные камеры находятся по краям грузового отсека, откуда с помощью манипуляторов берутся и куда помещаются транспортируемые кораблем грузы. Устройство управления манипуляторов с пультом управления размещено в кабине корабля. Система управления манипуляторами обеспечивает ручной, полуавтоматический и автоматический режимы управления. Для ручного управления оператор использует две задающие рукоятки, каждая из которых имеет три степени подвижности. Одна (левая) рукоятка служит для управления перемещением рабочего органа манипулятора, а другая (правая) – для его ориентации. В полуавтоматическом режиме осуществляется интерактивное управление, при котором оператор использует готовые управляющие подпрограммы, оперативно выбирая и последовательно вводя их в действие в ходе выполнения конкретного задания. В полностью автоматическом режиме управление производится без участия оператора, за которым, однако, сохраняется функция контроля с возможностью вмешательства в любой момент в ход выполнения программы. 13 Рис.12.6. Размещение системы манипуляторов на многоразовом космическом корабле «Буран»: 1 – манипуляторы; 2 – устройство управления; 3 – подвижные передающие телекамеры; 4 – ложементы; 5 – полезный груз. Основные функции системы манипуляторов космического корабля определяются назначением последнего для транспортировки грузов в своем грузовом отсеке с Земли на околоземную орбиту и обратно. Соответственно, с помощью манипуляторов должны осуществляться следующие операции: - выемка грузов из грузового отсека и перенос их в сторону от корабля; - манипулирование этими грузами с целью их пристыковывания к другим объектам или развертывания (раскрытия) для самостоятельной работы на орбите (ИСЗ, антенные системы, солнечные батареи и т.п.); захват свободнолетающих объектов и укладка их в грузовой отсек; - инспекция космических объектов, находящихся на околоземной орбите; - сборочно-монтажные и ремонтные работы с объектами на околоземной орбите. На рис.3.29 был показан пример космического робота для наружного обслуживания космических кораблей. На рис.3.30, 3.31 и 3.32 представлены конструкции напланетных мобильных роботов. 14 Рис.12.7. Манипулятор космического корабля «Буран» (разработка ЦНИИ РТК): 1-6 – шарниры; 7 – схват; 8 – осветитель; 9 – телевизионная камера 12.3. Подводные роботы. Исследование и освоение глубин океана и морского дна – еще одна важная сфера экстремальной робототехники, перспективность которой, аналогично космосу, связана, прежде всего, с тяжелыми и опасными для человека внешними условиями. Следствием последних является низкая эффективность работы водолазов. Назначение подводных роботов аналогично назначению роботов космических. По способу передвижения подводные роботы делятся на плавающие и передвигающиеся по грунту. В зависимости от характера связи с кораблем различают подводные роботы автономные и привязные (связанные с кораблем тросом-кабелем). В последнем случае такой робот состоит из двух частей — надводной и подводной. При этом по соединяющему эти части троссу-кабелю осуществляется энергопитание подводной части и двусторонняя информационная 15 связь. С целью максимально облегчить подводную часть все функции по оперативной обработке информации, необходимой для деятельности робота, по возможности, поручаются его надводной части (насколько это допускает пропускная способность соединяющего кабеля). Подводные роботы состоят в общем случае из тех же функциональных частей, что и космические роботы: движители, манипуляторы, системы управления ими, навигационная система и система связи. Задача управления движением подводного робота осложняется ограниченными возможностями подводного телевидения, что повышает роль локационных средств (главным образом ультразвуковых). В настоящее время в мире созданы более 100 различного назначения подводных аппаратов, снабженных манипуляторами. В подавляющем большинстве используются манипуляторы с ручным и автоматизированным управлением непосредственно с борта аппарата, если он обитаем, или дистанционно с надводного корабля. В последнем случае для сокращения объема информации, которой обменивается оператор с местным устройством управления манипулятора, основными способами управления являются супервизорный и интерактивный. На рис.1.7 был показан один из первых отечественных исследовательских подводных роботов «Манта». Робот снабжен двумя гидравлическими манипуляторами грузоподъемностью 50 кг с семью степенями подвижности. На рис.12.8 приведена структурная схема системы управления роботов этого типа. В состав схемы входят пульт управления с устройством целеуказания на телеэкране и бортовой вычислитель на базе мини-ЭВМ. Бортовой вычислитель обеспечивает автономное выполнение роботом следующих директив оператора в супервизорном режиме управления: - взять указанный оператором на телеэкране объект; - перенести этот объект ближе к телекамере, положить в бункер или в любую заданную на телеэкране точку пространства; - искать объект вслепую (на ощупь) в заданном квадрате (в случае видимости из-за замутнения воды и других причин). В этом режиме обеспечивается автоматический обход манипулятором встречающихся препятствий. Примером подводных роботов, передвигающихся по дну, являются роботы на гусеничном ходу, используемые для работ по подъему затонувших кораблей. На рис.12.9 показан такой подводный робот РАМ с манипулятором длиной 4 м. Управление роботом и его электропитание осуществляются с корабля-матки по кабелю длиной до 8 км. Подводные роботы применяют также для очистки и окраски подводной части кораблей. Такой робот обычно удерживается на обшивке корабля электро- магнитами. 16 Пульт супервизорного управления Видеоконтрольное устройство Устройство целеуказания Дисплей Телетайп Устройства очувствления Аппарат: Манипулятор: Датчики перемещения (линейные и угловые) Датчики положения звеньев Измеритель рельефа Сенсорные устройства Телекамера Рис. 12.8. Структурная схема системы управления подводного робота типа «Манта». 12.4. Военная робототехника. Важным разделом экстремальной робототехники является робототехника для вооруженных сил. В нее входят следующие по назначению типы средств робототехники: - боевые, - боевого обеспечения, - специально-технического обеспечения, - тылового обеспечения. Оператор ЭВМ Канал связи Бортовая микроЭВМ Движители аппарата Приводы манипуляторов 17 Рис.12.9. Подвижный робот РАМ (США) на гусеничном ходу для передвижения по грунту. Основными специфическими видами средств робототехники для вооруженных сил являются: - мобильные роботы наземного, воздушного и водного базирования, - роботы-водители и пилоты для различных видов боевых и транспортных машин, - роботы и другие средства робототехники для обслуживания вооружений и военной техники. Основными факторами эффективности применения робототехники в вооруженных силах являются: - применяемость в экстремальных условиях, не допускающих участие людского персонала, - повышение быстродействия, точности и стабильности основных характеристик вооружения и военной техники, - исключение ошибок операторов (от усталости, влияния неблагоприятных факторов внешней среды, стрессовых ситуаций, перерывов в тренировках и т.п.), - сокращение численности личного состава и выведения его из зон опасных для жизни и здоровья, - снижение потерь личного состава, - упрощение собственно вооружения и военной техники, - меньшая ее стоимость. Важным условием повышения эффективности военной робототехники является комплексная унификация номенклатуры требуемых средств робототехники и их основных комплектующих систем. 18 Хотя на вооружении армий в мире находятся десятки образцов военных робототехнических систем, широкому применению робототехники в вооруженных силах препятствуют следующие недостатки современной робототехники с точки зрения требований вооруженных сил: 1. Исполнительные системы и прежде всего манипуляционные имеют неудовлетворительные массо-габаритные параметры, во много раз уступающие аналогичным параметрам человека. 2. Неудовлетворительные интеллектуальные возможности информационных и управляющих систем. Развитие интеллектуальной робототехники позволит повысить эффективность вооружений и военной техники не менее чем в 2-3 раза. Сегодня первоочередными направлениями применения робототехники в вооруженных силах являются: - Создание первого поколения мобильных роботов-разведчиков, саперов, охранников и т.п. легких роботов. - Создание стационарных роботов для обслуживание вооружения и военной техники. - Применение средств робототехники для обеспечения безэкипажного функционирования традиционных подвижных средств военной техники. На первом этапе этой работы осуществляется переход к их дистанционному управлению с последующим наращиванием автоматически выполняемых операций. |