Лекция 10 Применение мехатронных систем в специальных и агресивных средах

Одно из назначений МС и робототехники — выполнение различного рода работ в экстремальных внешних условиях либо опасных и вредных для человека, либо вообще полностью исключающих его присутствие. Соответствующий раздел получил наименование "экстремальная робототехника".

Под экстремальными условиями понимаются как аварийные 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 (радиация, сильные электромагнитные поля, экстремальные значений температуры, давления и т. д.).

Помимо внешних условий экстремальные ситуации характеризуются и определенным перечнем специфических работ, подлежащих выполнению. Эти работы включают сотни различных технологических операций. Их примерный перечень применительно к чрезвычайным наземным ситуациям приведен в табл. 7.1. Как следует из этого списка, основным типом технических систем, требующихся для выполнения перечисленных операций, являются робототехнические системы (РТС), благодаря характерной для них многофункциональности и гибкости позволяющих оперативно выполнять различные технологические операции. Кроме них для выполнения отдельных типовых технологических операций требуются довольно широкая номенклатура специальных технологических систем тем, с которыми РТС должны взаимодействовать.

Примерами таких специальных технических систем могут служить строительные, строительно-дорожные, транспортные, погрузо-разгрузочные машины — экскаваторы, бульдозеры, краны и т.д., но в специальном исполнении, предназначенном 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 технический системами является комбинация дистанционного автоматизированного управления со стороны человека-оператора и местного автоматической управления. Перемещение к месту работы может обеспечиваться специальными транспортными средствами (краны, вертолеты и т. п.) или собственной системой передвижения (мобильные РТС). Энергопитание может быть автономным, кабельным или комбинированным.

Таблица 7.1. Примерный перечень работ и входящих в них технологических операций в экстремальных условиях

№ п.п.	Наименование работ	Наименование операции
1.	Инспекция	Визуальный контроль и определение физического состояния местности, объектов, оборудования (с земли, с воздуха, в воде) Радиационный контроль на местности, в помещениях Определение состава атмосферы, воды, земляного покрытия Визуальный контроль труднодоступных помещений Снятие показаний контрольно-измерительной аппаратуры Определение положения показывающих и исполнительных органов, вентилей, тумблеров Выявление мест утечек в трубопроводах и оборудовании
2.	Погрузочно-разгрузочные и транспортные работы	Доставка различных технических средств к местам чрезвычайных ситуаций Расчистка проходов, устройство транспортных путей (проездов, переправ и т. п.) Разборка завалов, укрепление или обрушение неустойчивых конструкций Транспортировка материалов, инструмента, емкостей и др. объектов Сбор и транспортировка опасных отходов Удаление опасных предметов (взрывных устройств, радиоактивных источников и т. п.) Создание дамб и заградительных полос
3.	Манипуляционные роботы	Монтаж и демонтаж оборудования и конструкций Сборка и разборка соединений Нанесение покрытий, удаление покрытий Бандажирование течей на трубопроводах, замена прокладок в уплотнительных соединениях Работа со взрывчатыми, радиоактивными и другими опасными материалами (кантование, укладка, пересыпание, уплотнение и др.) Сбор и удаление рассыпных материалов Установка и снятие домкратов, опор и растяжек Сварка и резка труб, металлоконструкций Сверление и фрезерование Бурение Резка металлических, бетонных, железобетонных, деревянных конструкций Дробление обломков строительных конструкций Открывание дверей, люков, задвижек
4.	Очистка	Дезактивация местности, строений, помещений, конструкций и оборудования Очистка площадок Откачка воды из затопленных помещений
5.	Строительно-востановительные работы	Организация энергоснабжения Обеспечение средства ми связи Восстановление транспортных путей (шоссейных дорог, железнодорожных путей и аэродромов)
6.	Пожаротушение	Разведка очагов пожара Локализация и тушение пожаров
7.	Спасение людей	Поиск людей в местах их блокировки Эвакуация людей из мест чрезвычайных ситуаций

По характеру выполняемых операций все РТС можно объединить в 2 группы: инспекционные и технологические. Инспекционные системы (разведчики) часто снабжаются 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. Технологические РТС предназначены для выполнения различных технологических операций обычно с помощью сменных рабочих органов, включая укрепленные на шасси бульдозерные отвалы, грейферы, сварочные аппараты и т. п.

Основная тенденция развития рассматриваемой техники — создание автономных и телеуправляемых мобильных РТС с развитой сенсорикой, адаптивным и интеллектуальным управлением. Работы в этой области ведутся крупнейшими машиностроительными фирмами, включая "Дженерал Электрик", "Вестингауз", "Мартин Мариетта", "Кли пиллер", "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:

1. Сложность (экстремальность) внешних условий, зачастую находящихся на пределе возможностей современной техники;

2. Сложность, многообразие, нечеткость (изменчивость) подлежащих выполнению функций, приводящие к большой номенклатуре требующихся технических средств при, как правило, единичном характере потребностей в этой технике;

3. 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 принципы. Первый — функциональная и конструктивная унификация технических средств на основе их модульного построения. Второй принцип — согласованность требований к рассматриваемым техническим средствам и к их техническому окружению, с которым эти средства должны взаимодействовать, из условий максимума общей технико-экономической эффективности.

Для объектов внешней среды второй принцип означает необходимость учета их взаимодействия с рассматриваемыми МС. Такой учет может повысить эффективность разрабатываемых средств в 5—7 раз. Важные дополнительные требования, которые следует 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.

На рис.7.1 показана типовая схема применения на объектах типа АЭС МС, доставляемой к месту работы наземным транспортным средством. Транслятор предусмотрен для управления техническим роботом, находящимся внутри радионепроницаемого здания АЭС.

Управление МС — дистанционное супервизорное и автономное адаптивное, включая автоматический обход и преодоление препятствий, обзор местности, поиск определенных объектов и т. д.

Рис.7.1 Типовая схема применения мехатронной системы:

1- автомобиль-тягач; 2 – пульт управления; 3 – пульт связи - транспортер;

4 – внешний ретлянслятор; 5 - внутренний ретлянслятор; 6 – технологический модуль

Супервизорный способ управления представляет собой последовательность автоматически выполняемых МС заранее занесенных в память типовых операций, в промежутках между которыми оператор дает очередную операцию, обеспечивая, таким образом, выполнение отделенной сложной работы. Директивы оператора включают два вида информации: название (код) типовой операции и ввод численных значений некоторых параметров программы этой операции. Типичным видом последней информации являются необходимые для выполнения операции координаты объектов внешней среды (координаты подлежащих взятию предметов или места, куда требуется вывести рабочий орган манипулятора, и т. п.). Их ввод может осуществляться через систему целеуказаний с помощью, например, задающей рукоятки, световой метки на экране дисплея, светового пера, мыши или средств виртуальной реальности в компьютерном трехмерном пространстве. Сама операция может задаваться через клавиатуру, в том числе виртуальную на экране дисплея, с помощью речевого командного устройства и других средств общения.

Космическая мехатроника — перспективное направление развития космонавтики в том числе для работ в дальнем космосе, на Луне и околоземных орбитах. Возникнув на стыке пилотируемой и беспилотной космонавтики, она быстро сформировалась в самостоятельное направление, во многом определяющее перспективы развития космонавтики в целом.. Робототехника расширяет функциональные возможности беспилотных космических аппаратов, доводя их в пределе до уровня современных пилотируемых аппаратов. В пилотируемой космонавтике роботототехника 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 мехатроника открывает новые горизонты не только для развития традиционных средств космонавтики, но и для создания принципиально новых типов космических аппаратов, совмещающих достоинства пилотируемых и беспилотных.

Космическая мехатроника 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.

Перечислим области применения МС в космосе: