Лекция 11 Применение мехатронных систем в специальных и агресивных средах(4 часа) (Лекции 9, 10, 11 по применению мехатронных устройств), страница 2

- работа в открытом космосе (свободно летающие роботы для сборочных, погрузо-разгрузочных и спасательных работ, инспекции неизвестных объектов и т. д.);

- работа на поверхности планет и других космических тел;

- работа снаружи и внутри космических кораблей (их обслуживание, регламентные и ремонтные работы).

Соответственно можно выделить 3 основных типа космических МС: свободноплавающие, напланетные и МС космических кораблей (обслуживающие).

Космические роботы и управляемые оператором неавтоматические манипуляторы имеют, как правило, электромеханические приводы. При этом в отличие от МС, применяемых в обычных земных условиях, мощность приводов космических на несколько порядков меньше при той же массе объектов манипулирования. При этом неизбежно пропорционально снижается быстродействие МС из-за соответствующего уменьшения ускорений при перемещении объектов, обладающих определенной инерцией. Но этой ценой достигается существенное снижение массы и энергопотребления МС, что, как известно, особенно важно для космической техники.

На рис. 7.2 и 7.3 показана система бортовых манипуляторов многоразового космического корабля "Буран". Манипуляторы шарнирные с шестью степенями подвижности имеют электрические приводы. Длина манипулятора — 15,3 м, усилие в захватном устройстве — 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 4 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 2 задающие рукоятки, каждая из которых имеет 3 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 ведется без участия оператора, за которым, однако, сохраняется функция контроля с возможностью вмешательства в любой момент в ход выполняемой программы.

Основные функции системы манипуляторов космического корабля определяются его назначением по транспортировке 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 корабле

- манипулирование этими грузами с целью их пристыковывания к другим объектам или развертывания (раскрытия) для самостоятельней работы на орбите, антенные системы, солнечные батареи и т. п.); 1

- захват свободно летающих объектов и помещение их в грузовой отсек;

- инспекция объектов, находящихся на околоземной орбите;

- сборочно-монтажные и ремонтные работы с объектами на околоземной орбите.

Рис. 7.1. Размещение системы манипуляторов на многоразовом космическом корабле "Буран": 1 — манипуляторы; 2 — устройство управления; 3 — подвижная передающая телекамера; 4 — ложементы; 5 — полезный груз

Рис. 7.2. Манипулятор космического корабля "Буран" (ЦНИИ РТК):

1—6 — шарниры; 7 — схват; 8 — осветитель; 9 — телевизионная камера

На рис. 7.3 в качестве примера показана схема управления двумя бортовыми манипуляторами многоразового космического корабля «Буран», которая реализует следующие режимы управления:

- автоматическое программное управление типовыми технологическими операциями (взятие полезного груза в грузовом отсеке корабля; с орбиты, перемещение груза или рабочего органа ненагруженного манипулятора в заданную точку окружающего пространства, выполнение какой-либо запланированной технологической операции);

- автоматизированное управление с помощью телевизионной системы целеуказания;

- ручное командное управление отдельными приводами манипуляторов с подвижными передающими телевизионными камерами и светильниками; расположенными на бортах корабля.

Оба манипулятора идентичны. Они имеют шарнирную кинематику с 6 степенями подвижности на электроприводах.

Алгоритмы автоматического управления включают решение задачи планирования путем построения программных траекторий с учетом препятствий. Последние моделируются простыми телами: параллелепипедом, цилиндром, шаром, а траектория — кубическим сплайном. В описании динамики манипулятора учитываются его гибкость и нелинейности, включая сухое и вязкое трения.

Рис. 7.3. Состав устройства управления бортовых манипуляторов космического корабля "Буран"

В системе управления с помощью задающих рукояток применены две трехстепенные рукоятки: одна для управления переносными, а другая — ориентирующими степенями подвижности рабочего органа. Алгоритм управления основан на решении обратной задачи кинематики для скорости. При этом для того, чтобы оператор мог осуществлять управление манипулятором по одним и тем же правилам вне зависимости от места расположения используемых передающих телекамер, а также при наблюдении через иллюминатор кабины, используется специальный алгоритм интерпретации задающих рукояток, при котором наблюдаемая оператором картина не зависит от используемого визуального канала.

На рис. 7.4 показан свободно летающий космический робот. Он имеет двигательную установку с системой двигателей, создающих усилие по отдельным степеням подвижности робота, систему питания двигателей с топливными баками, два манипулятора, навигационную систему, систему ориентации робота, систему радиосвязи, телевизионную систему, включающую две неподвижные и одну подвижную передающие телевизионные камеры, а также осветители. Поперечный размер робота 1 м, масса около 200 кг.

Рис. 7.4. Свободнолетающий космический робот:

1 — манипуляторы; 2 — неподвижная телекамера; 3 — двигатели ориентации; 4 — осветители; 5 — подвижная телекамера; 6 — двигатели движения вперед-назад; 7— радиоантенна; 8 — радиолокатор

На рис. 7.5 представлен шагающий робот для наружного обслуживания орбитальных космических станций. Он представляет собой манипулятор, оба конца которого являются рабочими органами в виде стыковочного устройства. С их помощью манипулятор шагает по расположенным на поверхности обслуживаемого объекта такелажным элементам, через которые он получает электроэнергию и осуществляет связь с пультом управления.

Рис. 7.5. Космический шагающий робот "Циркуль" для наружного обслуживания орбитальных станций (ЦНИИ РТК): 1 — модуль управления шарниром; 2 — вращающийся токосъемник; 3 — телевизионная камера; 4 — стыковочное устройство; 5 — такелажный элемент; 6 — привод (бесколлекторный двигатель; тормоз; инкрементный датчик); 7 — переносный пульт управления

Исследование и освоение глубин океана и морского дна — еще одна важная сфера применения МС и 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 МС аналогично назначению космических МС.

В настоящее время в мире создано около тысячи подводных роботов от микророботов с массой менее 1 кг до больших — более 1000 кг. По назначению их можно разделить на следующие группы:

1 - информационные роботы для исследования океана, мониторинга, поиска затонувших судов и других объектов;

2 - технологические роботы для выполнения различных технологических силовых операций – обслуживание подводных сооружений (Буровых скважин, трубопроводов, кабелей), строительно-монтажные работы, бурильные работы, очистка и окраска подводной части кораблей;

3 - спасательные работы;

4 - военные и военно-технические роботы (минирование и разминирование, поиск и извлечение неразорвавшихся торпед, бомб, боевое охранение акваторий, вооруженная борьба с объектами противника и т. д.).

Подводные МС делятся на свободно плавающие, привязные и донные. Они могут быть обитаемыми и без операторов на борту. Привязные МС соединены кабель-тросом с кораблем. Через кабель осуществляется энергопитание и двусторонняя связь. Один из первых отечественных роботов-геологов этого типа, был робот "Манта". Робот снабжен двумя гидравлическими манипуляторами грузоподъемностью 50 кг с 7 степенями подвижности. На рис. 7.4 приведена структурная схема системы управления МС этого типа.

В состав схемы входят пульт управления с устройством целеуказания на телеэкране и бортовой вычислитель на базе ЭВМ. Бортовой вычислитель обеспечивает автономное выполнение роботом следующих директив оператора в супервизорном режиме управления:

- взять объект, указанный оператором на телеэкране;

- перенести этот объект ближе к телекамере и положить в бункер или в любую заданную на телеэкране точку пространства;

- искать объект вслепую (на ощупь) в заданном квадрате (в случае плохой видимости из-за замутнения воды и других причин).

Рис.7.4. Структурная схема системы управления подводного робота типа «Манта»

В этом режиме обеспечивается автоматический обход манипулятором встречающихся препятствий.

Донные роботы — это наиболее тяжелые подводные роботы. Нахождение на дне позволяет им более точно позиционироваться в пространстве при выполнении силовых операций. Однако непрерывный контакт с грунтом вызывает постоянное замутнение воды и ухудшение видимости.