История развития космической робототехники

14:45 15/11/2017
Комментарии 0 👁 2 143

Манипулятор

1.1 Манипулятор «Canadarm»

В качестве примера успешного решения орбитальных задач с применением отрабо-
танных средств космической робототехники следует в первую очередь назвать использование манипулятора «Canadarm»

«Canadarm» в значительной степени олицетворяет уровень развития космической
робототехники в 1980-х – 1990-х годах и считается одним из наиболее эффективных и надежных устройств из эксплуатировавшихся в составе транспортных кораблей многоразового использования «Space Shuttle».
Впервые «Canadarm» был успешно испытан в космосе в ходе второй миссии «Space
Shuttle» (STS-2) в ноябре 1981 года. Последний полет состоялся в июле 2011 года (миссия STS-135). Таким образом, манипулятор успешно эксплуатировался в течение 30 лет.. Манипулятор «Canadarm» предназначен для перемещения полезного груза из грузового отсека в некоторую точку рабочей зоны с требуемой ориентацией, например, при выведении спутника на орбиту.

Предусмотрено и непосредственное наблюдение за процессом манипулирования через иллюминаторы (Window View). В составе манипулятора (Shuttle Robotic Arm) выделены теплозащитное покрытие (Thermal Protection Kit) и
специальное захватное устройство – концевой эффектор (Standard End Effector), обеспечивающее захват и удержание оборудованного соответствующим интерфейсом захвата полезного груза (Payload).

Манипулятор способен захватить свободнолетящий объект, разместить и зафиксировать его в грузовом отсеке.

При помощи манипулятора «Canadarm» осуществляется поддержка работающих в
открытом космическом пространстве астронавтов, в том числе их перемещение. Достаточно часто используется совместная работа астронавтов, один из которых закреплен на манипуляторе, а второй имеет возможность свободно перемещаться в зоне проведения работ.

После разрушения шаттла «Columbia» (миссия STS-107), в ходе каждой из после-
дующих миссий «Canadarm» совместно с системой Orbiter Boom Sensor System (OBSS),содержащей размещаемые на удлинителе манипулятора инструменты , использовался для тщательного обследования внешней поверхности челнока с целью обнаружения возможных повреждений теплозащитного покрытия.

Манипулятор защищается многослойным покрытием, обеспечивающим пассивную теплоизоляцию. Кроме того, существует активная система подогрева функционально важных узлов конструкции (механических и электронных).

Длина манипулятора «Canadarm» составляет около 15 м, диаметр звеньев немногом более 30 см. Масса манипулятора чуть больше 400 кг. В изначальной конфигурации «Canadarm» был способен манипулировать грузами массой около 30 т. Всего было изготовлено пять манипуляторов «Canadarm».
Манипулятор «Canadarm» активно использовался для осуществления сервисного обслуживания телескопа «Hubble» в ходе следующих миссий: STS-61 (1993), STS-82 (1997),STS-103 (1999), STS-109 (2002), STS-125 (2009).

Характерным примером использования RMS может служить успешно осуществлен-
ная в мае 2009 года миссия шаттла «Atlantis» STS-125 по обслуживанию телескопа «Hubble». Движущийся по орбите телескоп был захвачен манипулятором и размещен в грузовом отсеке на специальной вращающейся платформе, обеспечивающей удобство доступа к нему астронавтов при проведении сервисных работ. По их окончании телескоп был извлечен при помощи манипулятора из транспортного отсека и снова выведен на орбиту.

Для отработки навыков управления манипулятором используется специальный тре-
нажер .

Также манипулятор «Canadarm» использовался в нештатных ситуациях. Например, в ходе миссии STS-41D (1984) при помощи манипулятора было удалено нежелательное ледяное образование на внешней поверхности шаттла, во избежание возможных проблем при возвращении на Землю.

Еще один пример – оснащение манипулятора специальным гибким устройством для
активации спутника Leasat-3.

1.2 Мобильная система обслуживания (Mobile Servicing System)Международной космической станции

Эволюционным развитием манипулятора «Canadarm» является манипулятор
«Canadarm-2» (SSRMS – Space Station Remote Manipulator System), также разработанный и изготовленный в Канаде. «Canadarm-2», в отличие от
«Canadarm», возвращаемого на Землю по окончании каждой из миссий шаттла, предназначен для постоянного функционирования в космосе и допускает возможность ремонта на орбите. Кинематическая схема «Canadarm-2» отличается от кинематической схемы «Canadarm» наличием еще одной (7-й) вращательной степени подвижности. Таким образом, у манипулятора «Canadarm-2» семь шарниров: крена плеча (shoulder roll), рыскания плеча (shoulder yaw), тангажа плеча (shoulder pitch), тангажа локтя (elbow pitch), тангажа
кисти (wrist pitch), рыскания кисти (wrist yaw) и крена кисти (wrist roll).

SSRMS может перемещаться в пределах станции, последовательно фиксируясь на различных узлах PDFG, в отличие от RMS, положение основания которого относительно шаттла неизменно. Длина манипулятора «Canadarm-2» около 17,6 м, масса – более тонны. Предназначен для манипулирования грузами массой более 100 т. Скорость выполнения операций манипулятором «Canadarm-2» зависит от типа и массы переносимого груза, а также от характера операции. Без груза схват манипулятора может передвигаться со скоростью до 38 см/с (у шатт-
ла – около 60 см/с). Если же перемещаются грузы массой более 100 т, то скорость будет составлять менее 1,2 см/с. На шаттле скорость перемещения манипулятором груза массой 30 т – 5 см/с. Дистанция, требуемая для полной остановки манипулятора при его движении – 0,6 м. Важным отличием SSRMS от RMS является наличие датчиков сил и моментов.

Манипулятор «Canadarm-2» рассчитан на постоянное пребывание в космосе в течение не менее 15 лет и с 2001 года успешно эксплуатируется на МКС, являясь основным элементом мобильной системы обслуживания MSS (Mobile Servicing System), состоящей из пяти основных частей :
1. Манипулятор SSRMS.
2. Манипулятор для специальных целей SPDM (Special Purpose Dexterous
Manipulator) или «Dextre».
3. Мобильный транспортер MT (Mobile Transporter), который перемещается по рель-
сам, проложенным вдоль основной фермы МКС.
4. Мобильная базовая система MBS (Mobile Base System), устанавливае-мая на мо-
бильный транспортер MT для передвижения манипуляторов SSRMS и SPDM. На MBS
расположены четыре узла PDGF.
5. Автоматизированное рабочее место RWS (Robotic Workstation).

Автоматизированное рабочее место RWS, предназначенное для управления мобиль-
ной системой обслуживания MSS, оборудовано компьютером, мониторами, органами
управления и интерфейсами, обеспечивающими управление всеми элементами MSS одним оператором.

Одно из летных рабочих мест RWS установлено в Куполе — специальном модуле
МКС, который позволяет экипажу станции улучшить обзор места работы, для чего используются не только видеомониторы, но и большие иллюминаторы.
Состав доработок SSRMS по сравнению с RMS определялся в первую очередь по-
требностями автоматизации операций орбитального монтажа МКС.
Можно выделить следующие этапы монтажа МКС, характерные с точки зрения осо-
бенностей проведения сборочных операций :

1. Выведение на орбиту и объединение посредством стыковки первых герметичных
модулей станции, послуживших основой наращиваемой и видоизменяемой структуры
взаимосвязанных модулей.
2. Формирование и последовательное наращивание негерметичной ферменной
структуры – Integrated Truss Structure (ITS).
Процесс создания ITS с точки зрения перспектив крупногабаритных космических
объектов можно рассматривать как первый масштабный опыт орбитального монтажа протяженных негерметичных ферменных структур, а саму ITS — как прообраз космических конструкций будущего.

ITS представляет собой протяженную (длиной более 100 м) ферменную основу, предназначенную для размещения на ней различного оборудования, в первую
очередь — крупногабаритных панелей солнечных батарей. Кроме солнечных батарей, на ITS размещены антенны и аппаратура связи, различное электронное оборудование, гироскопы, оборудование активной системы температурного контроля, панели радиаторов для отвода тепла от электронного оборудования. Внутри ITS размещены силовые и коммуникационные кабели, трубопроводы системы терморегулирования. Кроме того, вдоль ITS проложен рельсовый путь для перемещения мобильного транспортера. По этому же рельсовому пути вдоль ITS могут передвигаться мобильные тележки для перемещения грузов и астронавтов SPDM, в 2008 году введенный в эксплуатацию на МКС, предназначен для выполне-
ния сверхточных операций, включая монтаж и удаление малых полезных нагрузок типа буферных батарей, источников питания и компьютеров. Этот робот может также манипулировать инструментами типа специализированных гаечных ключей и отверток.

SPDM оборудован светильниками, видеокамерами, платформой и держателями для инструмента.Важной особенностью SPDM является наличие силовых и моментных датчиков, благодаря которым на органы управления могут передаваться ответные реакции и оператор манипулятора имеет возможность чувствовать прикосновение SPDM к объектам. Использование телеуправления с наземной станции операцией замены ORU блока, осуществленной при помощи манипуляторов SSRMS и SPDM ,особо выделяется в качестве достижения, позволившего не привлекать членов экипажа к управлению манипулятором .

В августе 2011 года при помощи одного из манипуляторов управляемого с Земли робота «Dextre», закрепленного на манипуляторе «Canadarm–2», вышедший из строя блок RPCM (Remote Power Control Module) был извлечен из разъема на негерметичной ферменной структуре (Integrated Truss Structure – ITS), после чего исправный блок, предварительно извлеченный из специального контейнера и удерживаемый вторым манипулятором, был размещен на место вышедшего из строя и зафиксирован при помощи штатного крепления. Неисправный блок был перемещен в контейнер. Усилия в конструкции, обусловленные необходимостью преодоления трения в разъеме при извлечении блока, весьма ощутимо превысили расчетные, что потребовало проведения дополнительного моделирования и разработки специальной методики извлечения блока.

Кроме того, значительные усилия в конструкции манипулятора «Canadarm–2» послужили, вследствие некоторой ее деформации, причиной возникновения сигналов датчиков углового перемещения шарниров, интерпретируемых системой вычисления положения манипулятора как перемещение схвата, отсутствующее на самом деле – «фантомное движение», что потребовало проведения корректирующих вычислений.

1.3 Манипуляторы JEMRMS, ERA, «Аист»Japanese Experiment Module Remote Manipulator System (JEMRMS), которая состоит из «главной руки» (Main Arm) длиной немногим менее 10 м и «малой точной руки» (Small Fine Arm).

ERA (European Robotic Arm), предназначенный для перемещения полезной нагрузки и выполнения сервисных задач, представляет собой манипулятор длиной чуть более 11 м с 7-ю степенями свободы с перемещаемой базой.

Манипулятор для космического корабля «Буран» разработан в Госу-
дарственном научном центре – Центральном научно-исследовательском и опытно-
конструкторском институте робототехники и технической кибернетики (ГНЦ ЦНИИ РТК РФ) (Санкт-Петербург) . Манипулятор имеет кинематическую схему, сходную с манипулятором Space Shuttle (RMS). Кроме шести вращательных степеней подвижности, он имеет одну транспортную степень (для начальной установки в грузовом отсеке корабля при закрытых створках грузового отсека).

Предусмотрены режим ручного управление,
режим автоматического управления, режим целеуказания и резервный режим пошарнирного управления. Важной особенностью, отличающей манипулятор «Бурана» от RMS, является возможность телеуправления оператором, находящимся на Земле.

2. Перспективные задачи космической робототехники
В ряду перспективных задач, подлежащих автоматизации робототехническими средствами, следует прежде всего выделить проблему орбитального монтажа космических объектов, подразумевающую как транспортировку к месту сборки фрагментов монтируемых конструкций, так и автоматизацию собственно сборочных операций, а также проблему орбитального сервисного обслуживания, объединяющую задачи инспекции технического состояния обслуживаемых космических объектов, роботизированной поддержки деятельности человека в космическом пространстве, замены функциональных блоков КА,дозаправки КА на орбите, перемещения КА в пределах орбиты и между орбитами, уборки
космического мусора. Разнородность перечисленных задач подразумевает использование различных конструкций роботизированных устройств.

С учетом накопленного опыта, ремонтопригодности бортовых систем и возможности проведения ремонтновосстановительных и профилактических работ на борту станции экипажами основных экспедиций удалось продлить срок активной эксплуатации станции «Салют-6» до 4 лет и 10 месяцев и станции «Салют-7» до 4 лет и 4 месяцев.

Отработанные конструктивно-технологические решения и накопленный опыт позво-
лили существенно увеличить время эксплуатации орбитальной станции «Мир» –
с минимального установленного на стадии проектирования срока эксплуатации 3 года до 15 лет реально обеспеченного.

Международная космическая станция имеет расчетный срок эксплуатации многомо-
дульной конструкции 15 лет.

Модульный принцип построения сложился еще на ранних этапах развития ракетно-
космической техники, явившись естественным следствием целесообразности, а в ряде случаев и необходимости, выделения составных частей изделия,разнородных с конструктивной, технологической и функциональной точек зрения. Следует отметить, что идея сборки на орбите, в том числе автоматизированная с применением средств робототехники, также зародилась на заре развития практической космонавтики . Таким образом,концепцию стыковки в космосе можно считать естественным логическим следствием модульного принципа построения космических объектов, а саму технологию стыковки – основой для развития перспективных роботизированных технологий орбитальной сборки.

Проекты орбитальных станций «Фридом» и «Мир-2» предполагали наличие значительного количества ферменных элементов. Наличие негерметичной ферменной структуры является одним их важных отличий МКС от станции «Мир». При непосредственной стыковке с помощью стыковочного устройства средствами
систем управления поступательным движением и ориентацией стыкуемых объектов на момент касания должны быть обеспечены требуемые начальные условия стыковки (взаимное положение и относительные линейная и угловая скорости). После касания стыковочное устройство последовательно обеспечивает амортизацию, компенсацию начального промаха, сцепку (образование первичной связи), выравнивание, стягивание, совмещение стыка с окончательным выравниванием, жесткое соединение. При этом требования к стыку могут предъявляться по точности, жесткости, прочности, герметичности .

В отличие от непосредственной стыковки, при стыковке с помощью установленного на одном из объектов манипулятора, захват второго объекта, являющийся аналогом сцепки стыковочным механизмом, может быть осуществлен при взаимной неподвижности стыкуемых объектов.

К достоинствам данного способа стыковки можно отнести:
– уменьшение ударных воздействий на стыкуемые объекты;
– снижение требований к управлению движением и ориентацией захватываемого
объекта, неподвижность которого кроме режима «автономного зависания» может быть, в частности, обеспечена закреплением на некоторой базовой платформе;
– уменьшение риска повреждения стыкуемых объектов в случае промаха;
– отсутствие ограничений, накладываемых конечным временем взаимного сближе-
ния.Необходимо отметить наличие в составе модулей орбитальной станции
«Мир» специального манипулятора для перестыковки (В последнее время следует отметить активный ввод в эксплуатацию транспортных кораблей,пристыковываемых к МКС при помощи манипулятора.

3. Тенденции развития средств космической робототехники
Стремление к расширению возможностей робототехнической космической системы
ведет к ее усложнению и удорожанию, а ограничение функциональности, обусловленное требованиями надежности, не всегда желательно с точки зрения космических условий применения. Могут быть названы следующие тенденции развития средств космической робототехники, выделенные в :

1) Совершенствование отработанных прототипов в направлении расширения функ-
циональных возможностей системы без принципиальных изменений конструкции. Примером может служить разработка манипулятора «Canadarm–2» (Space Station Remote Manipulator System – SSRMS) на базе манипулятора «Canadarm» (Shuttle Remote Manipulator System – SRMS).

2) Разработка для решения широкого круга разнородных задач взаимосвязанной совокупности средств космической робототехники, предполагающих модульность и реконфигурируемость. Иллюстрацией данного подхода может служить использование совместно с «Canadarm» специально разработанного удлинителя Ispection Boom and Laser Camera System для инспекции состояния теплозащитного покрытия шаттлов. Необходимо также выделить концепцию построения на МКС мобильной системы обслуживания (Mobile Servicing System – MSS).

3) Согласованное проектирование обслуживаемых космических объектов и обслу-
живающих робототехнических средств. В качестве одного из примеров можно назвать оснащение космических объектов манипуляторами, имеющими фиксированное расположение и предназначенными для обслуживания некоторой рабочей зоны (оснащение шаттлов манипуляторами «Canadarm», японского модуля МКС Kibo системой манипуляторов JEMRMS) Примерами специально созданной для обеспечения робототехнического обслуживания космических объектов инфраструктуры могут быть упомянутый рельсовый путь для перемещения в пределах МКС мобильного транспортера; расположенные в различных точках станции узлы PDRF (Power Data Grappe Fixture), обеспечивающие интерфейсы электропитания, управления и передачи видеоинформации, которые могут исполь-
зоваться для крепления основания как манипулятора «Canadarm–2», так и манипулятора «Dextre»; концепция On-orbit Replaceable Unit (ORU), предполагающая оснащение заменяемых функциональных блоков соответствующими специализированными интерфейсами.

4) Дальнейшее развитие «антропоморфного подхода», предполагающего увеличение
кинематического подобия робототехнических средств организму человека для обеспечения сходной функциональности и облегчения воспроизведения роботом физиологически естественных для человека движений («Robonaut»).

В случае невозможности согласованного проектирования весьма вероятна потреб-
ность в специфических устройствах космической робототехники.

В частности:

– необходима разработка универсальных захватных устройств для не оснащенных
захватными интерфейсами объектов;
– необходимо расширение диапазона начальных условий стыковки для объектов,
движущихся произвольно.

Развитие проектов, реализующих концепцию системы обслуживания КА, выработавших рабочее тело, но остающихся работоспособными с точки зрения
основных функций, в соответствии с которой сервисные КА после сближения и стыковки с обслуживаемым КА либо осуществляют его дозаправку, либо функционируют в дальнейшем совместно с ним в качестве маневрового двигателя для удержания на рабочей орбите.

Отработка операций подобного рода проводилась, например, в ходе экспериментов ETS-VII и Orbital Express.

Успех упомянутых экспериментов, а также эксплуатации робототехнических уст-
ройств МКС, послужил основой для разработки дальнейших проектов.
В частности, в концепция системы Front-end Robotics Enabling Nearterm
Demonstration, находящейся в стадии наземной отработки. Назначение системы – автономное сервисное обслуживание некооперированных спутников.

Проекта системы Hubble Robotic Servicing and De-Orbit Mission (HRSDM), введение в эксплуатацию которой после гибели «Колумбии»
рассматривалось как альтернатива миссии STS-125 (2009).

Система The Ranger Dexterous Servicing System (Ranger) , предназначена
для автоматизированного сервисного обслуживания недорогих некооперированных спутников.

Также рассматриваются перспективы развития успешно эксплуатируемых на
МКС систем Robonaut и Dextre.
Рассматриваются задачи осуществления пилотируемых полетов к другим пла-
нетам, при которых потребуется использование робототехники и прочей автоматики для обеспечения безопасности и работоспособности экипажа, когда движения и способности восприятия человеком в скафандре сильно ограничены. При этом важно создать класс роботов для сопровождения человека при выполнении работы за бортом космического аппарата, например, перенос инструментов, проведение видеосъемок, сбор проб и т. п.

В 1999 г. НАСА проведен ряд рабочих испытаний системы ASRO, в которой использовался телеуправляемый мобильный робот Marsokhod, управляемый на расстоянии -проект применения роботов в космосе под названием ЕРА.
Этот проект в настоящее время имеет прочную и гибкую основу для создания крупных разнообразных распределенных групп интеллектуальных агентов, построенных согласно стандарту CORBA.

Программы по космической робототехнике, которые разрабатываются Европейским космическим агенством. Эти программы включают: исследование микрогравитации на низкоземной орбите и разработка робототехнической системы EUROBOT для Международной космической станции; геостационарное обслуживание
и исследование планет. Описывается мобильный робот, выполненный по программе
EUROBOT. Робот имеет несколько многофункциональных рук, которые при необходимости могут использоваться в качестве ног.

Фирма JAXA (Япония) проводит изучение концепций космических солнечных систем электропитания (SSPS) уже в течение многих лет. Рассматриваются два вида выполняемых роботами задач, необходимых для построения систем SSPS
на орбите: задача передвижения и задача осуществления сборки. Задача передвижения определяется как движение робота по конструкции малой массы, а задача сборки состоит в захвате и соединении вибрирующих структур с целью сборки после саморазвертывания.

Проводятся эксперименты с использованием наземного испытательного стендадля
сборки системы SSPS на орбите этой системы, разработанной фирмой JAXA.
Разработана архитектура программного обеспечения для групп роботов и людей, совместно выполняющих правильно скоординированные задачи,например, задачи по сборке конструкций на орбите или на поверхности других планет.
Хотя прогнозируется автономное выполнение таких работ роботами в будущем, роботы располагают в настоящее время недостаточными возможностями для манипулирования всеми возможными объектами. Предлагаемая архитектура предусматривает использование принципиально новой методологии для участия человека в оптимизации как эффективности выполнения задачи, так и робастности при сочетании возможностей робота с интуицией человека. Предлагается называть такую смешанную стратегию управления
“скользящей автономностью”. Роботы выполняют автономно максимально возможное
число задач, а человек-оператор контролирует исполнение функций, которые сложно автоматизировать, а также предпринимает меры в случае отказа робота.

Разработка методов обучения выполнению сборочных операций повысила характеристики системы CellSat и позволяет выполнять задачи презиционной сборки в космосе с помощью космических роботов.
Руководители агентства НАСА высказываются за продолжение присутствия человека в космосе и за разработку крупногабаритных орбитальных конструкций.

Лаборатория JPL разрабатывает ряд технических средств, необходимых для сборки и обслуживания, и выявляет возможные проблемы и требуемые функции роботов.

Отмечается, что после эксперимента ROTEX (телеуправляемый космический
робот на борту корабля шаттл, Колумбия) Rokviss представляет собой второй космический робот, разработанный Германским Институтом робототехники и мехатроники с участием Российского федерального космического агентства Роскосмос и предприятия Энергия. Проект был начат разработкой в 2002 году, аппаратура Rokviss была смонтирована на поверхности Российского обслуживающего модуля на Международной космической станции (МКС) в январе 2005 года. Обслуживание робота велось с наземной станции обслуживания в Москве. Приведено описание двухступенчатого термоконтролируемого ро-
бота, установленного на специальной плате на поверхности модуля, а также контроллера,стереокамеры, системы освещения, датчиков, установленных на роботе, устройств, осуществлявших нагрузку робота.
се год и вероятно в течение более длительных сроков. Предлагается разработать более сложный робот (например 7-осный) и провести его испытания в реальных условиях, с учетом уже накопленного опыта.

Чтобы избежать влияния космической среды на кабели и их сигналы,
все кабели должны быть проведены через центральное отверстие модульного сочленения.Модульное сочленение обладает высокой жесткостью, высокой точностью управления.
Исследуется возможность использования автономных роботов для уничтоже-
ния искусственных спутников Земли, движущихся по заданным орбитам вокруг Земли.

Робот работает по командам, передаваемым по радиоканалу с Земли или из космоса. Отмечается, что одной из причин, которые вызывают создание подобных робототехнических манипуляторов, является то, что на орбите могут возникнуть условия, при которых искусственный спутник оказывается ненужным, устаревшим или с аварийной аппаратурой,иногда вредным для решения каких-либо задач. Это подтверждается примерами. В Канаде, в лаборатории Департамента Национальной Обороны были проведены исследования для оценки характеристик и возможностей подобного прибора. Был разработан первый эскизный автономный роботманипулятор, способный выполнять работы по уничтожению ненужных или вредных искусственных спутников. Он был назван MDMS (модульная раз-
рушающая манипуляторная система).

Первый макетный прибор состоял только из трех различных модулей. Отмечается, что в тех случаях, когда конструируется система-разрушитель, она должна иметь возможность маневра около разрушаемого спутника Земли. Это предъявляет особые требования к двигателю разрушителя, его оборудованию. Сообщается о некоторых модельных работах, сопровождавших исследования, об их результатах.

Описываются разработанные в ЦНИИ РТК варианты средств робототехнического обеспечения (СРТО) на основе одного манипулятора СРТО-1 и на основе трех ма-
нипуляторов СРТО-3

4. Концепция монтажно-сервисных свободнолетающих роботизированных космических модулей.

Устройства, называемые «свободнолетающие космические манипуляционные роботы», либо «свободнолетающие космические роботизированные модули», относятся к новому классу маломерных объектов космической техники,
предназначенных для выполнения различных работ в открытом космосе, в том числе длясборки больших космических конструкций различного назначения, а также для технического обслуживания внешних устройств пилотируемых орбитальных станций и других функционирующих на орбите объектов. Основные идеи и принципы проектирования свободнолетающих манипуляционных роботов были сравнительно давно сформулированы,теоретически развиты и частично реализованы. Вместе с тем отмечается многофункциональность и многорежимность подобных роботизированных модулей, отсутствие на сегодняшний день успешно эксплуатируемых прототипов, и как следствие, большое число не-
достаточно изученных задач.

Наиболее общие элементы конструктивного облика монтажно-
сервисных автономных роботизированных модулей:- наличие подвижного основания – обладающего достаточно высокой степенью автономности космического модуля, способного самостоятельно перемещаться в космическом пространстве и приспособленного для контактного взаимодействия с другими космическими объектами, например, базовыми станциями, или монтируемыми (обслуживае-
мыми) объектами;
– наличие установленных на основании одного или нескольких манипуляторов,
обеспечивающих возможность управляемого перемещения захваченного груза, в общем случае достаточно массивного, относительно основания.

Таким образом, рассматриваемый класс технических объектов может быть обоб-
щенно идеализирован механической расчетной схемой вида «подвижное основание – манипулятор – груз». При этом масса манипулятора может быть существенно меньше массы основания (и груза, если груз достаточно массивен); приводы степеней подвижности в силу очевидных условий обладают ограниченной мощностью; возможны упругие деформации конструкции манипулятора (звеньев и сочленений), требующие учета при моделировании динамики и синтезе управления.

Обусловленная спецификой космического применения подвижность основания, по-
рождает ряд характерных особенностей как при эксплуатации таких систем (например,ограничений на массо-инерционные характеристики переносимого манипулятором груза,или требований к системе активной стабилизации положения основания), так и при моделировании динамики управляемого движения. Особо подчеркнем практическую актуальность режимов, для которых возможно пренебречь всеми силами и моментами, действующими на систему, кроме управляющих усилий, создаваемых приводами степеней подвижности (по используемой терминологии – режим «free-floating»), для которых при оп-
ределенных условиях возможно выделение независимой подсистемы уравнений динамики системы в шарнирных координатах в форме, аналогичной форме уравнений динамики для случая неподвижного основания. Следует также отметить важные качественные отличия случаев нулевого и ненулевого начального кинетического момента системы (сохраняющегося постоянным вследствие принятых предположений).

Многорежимность, как было отмечено выше, выделяется в качестве одного из важных характерных признаков рассматриваемого класса робототехнических систем – монтажно-сервисных автономных роботизированных космических модулей.

Рассмотрим в качестве примера возможные способы причаливания такого модуля к некоторому объекту (монтируемой конструкции, обслуживаемому аппарату, базовой станции), учитывая опыт эксплуатации орбитальной станции «Мир» и Международной космической станции (МКС).

1. Непосредственная стыковка при помощи стыковочного устройства (системы
«штырь – конус», или андрогинного стыковочного узла). Манипулятор не задействуется.Предполагается взаимное движение массивных стыкуемых объектов и наличие ненулевых относительных скоростей на момент касания.
2. Стыковка путем захвата манипулятором модуля базового узла объекта (подобного, например, используемым на МКС узлам PDRF), к которому осуществляется пристыковка. Предполагается нулевая относительная скорость (линейная и угловая) массивных стыкуемых объектов. Взаимное положение стыкуемых объектов после завершения захвата манипулятором базового узла может рассматриваться как окончательное (объекты связаны посредством управляемого промежуточного механизма), либо как промежуточное,
предполагающее дальнейшее взаимное позиционирование при помощи манипулятора.
3. Стыковка соединенных по схеме предыдущего пункта объектов при помощи ма-
нипулятора. В данном случае, в отличие от непосредственной стыковки, взаимное движение стыкуемых масс обеспечивается не системой управления движением и ориентацией активного объекта (в рассматриваемом случае роботизированного модуля), а управляемым взаимным позиционированием при помощи промежуточного механизма. Примером данной схемы стыковки может служить стыковка объектов к узлам CBM при помощи манипулятора на МКС.
В зависимости от функциональных возможностей конкретных автономных роботи-
зированных космических модулей и комбинирования перечисленных выше способов стыковки могут быть сформированы различные стратегии осуществления монтажно-
сервисных операций.

Предположим наличие следующих этапов роботизированного монтажа некоторой
крупногабаритной космической конструкции из пассивных фрагментов:
1. Доставка фрагментов в некоторое промежуточное положение на орбите. Возможно предположить доставку к специализированной базовой станции.
2. Приведение фрагментов в состояние готовности к монтажу – извлечение из транспортного отсека (с возможным изменением конфигурации).
3. Захват фрагментов автономным роботизированным космическим модулем.
4. Транспортировка фрагментов автономным роботизированным космическим моду-
лем к месту сборки.
5. Присоединение доставленных фрагментов к монтируемой конструкции.
При этом ключевую роль играет степень оснащенности фрагментов захватными ин-
терфейсами и стыковочными узлами.
Тогда могут быть выделены весьма различающиеся с точки зрения особенностей динамики управляемого движения режимы функционирования автономного роботизированного космического модуля, например:
– управляемое движение модуля без груза («порожний полет»);
– стыковка модуля к базовой станции или монтируемой конструкции без использования манипулятора;
– стыковка модуля к базовой станции или монтируемой конструкции с использованием манипулятора («захват» базовой станции манипулятором с возможной последующей пристыковкой модуля);
– захват манипулятором закрепленного относительно базовой станции модуля груза,также закрепленного относительно базовой станции;
– захват манипулятором свободного в инерциальном пространстве груза;
– управляемое движение модуля с грузом в схвате манипулятора;
– управляемое перемещение при помощи манипулятора груза относительно основа-
ния с последующим закреплением груза относительно основания («транспортная фиксация»);
– управляемое движение модуля с грузом, закрепленным на основании;
– пристыковка модуля с грузом к монтируемой конструкции с последующим отсо-
единением при помощи манипулятора груза от основания и установкой на штатное место;
– пристыковка груза в режиме, когда система «подвижное основание манипулятор
– груз» свободно перемещается относительно монтируемой конструкции (под действием усилий, прикладываемых со стороны системы управления движением и положением основания, или под действием усилий приводов степеней подвижности манипулятора) таким образом, чтобы в момент контакта фрагмента с конструкцией были обеспечены требуемые начальные условия стыковки.

Следует подчеркнуть, что перечисленное многообразие режимов функционирования
выделено в рамках процедуры орбитального монтажа. Реализация еще более разнообразных сервисных задач, очевидно, потребует дополнительного рассмотрения характерных режимов, в том числе нештатных. Можно выделить, например, процедуру спасения груза,предполагающую, в общем случае произвольное движение захватываемого объекта, не оснащенного специализированными интерфейсами.

Несмотря на опыт, накопленный в области космической робототехники, потенци-
альная многорежимность таких модулей определяет необходимость проведения дополнительных исследований при их разработке, создании и эксплуатации.

Подготовлено по материалам статьи: Белоножко П.П. Космическая робототехника. Современное состояние, перспективные задачи, тенденции развития. Аналитический обзор. // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 12. С. 110 153. DOI: 10.7463/1216.0853919


Источник

Добавить комментарий