Поиск - новости науки и техники

Космическая миссия. Роботов готовят к службе сервиса на орбите.

В Государственный научный центр РФ “Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики” я шел в надежде узнать о создании роботов, очень похожих на людей из плоти и крови, для освоения бескрайних просторов Галактики. В ЦНИИ РТК мои фантазии приземлили: антропоморфные роботы – дело будущего, а вот робототехнические системы для обслуживания спутников на околоземной орбите, прежде всего для продления срока их деятельности, востребованы уже сегодня.

В самом деле, спутник, отработавший свой ресурс, превращается в балласт, в летающий вокруг Земли космический мусор, которого становится все больше. Около 90 процентов этих “мусорных” объектов вполне жизнеспособны, но выход из строя лишь одного агрегата или исчерпание расходных материалов делает их бесполезными. Странная ситуация, не правда ли? Мы же не выбрасываем автомобиль, если у него спустило колесо или закончился бензин, а в космосе проявляем расточительность, вместо того чтобы починить или дозаправить объект прямо на орбите.
Возникает вопрос: как наладить этот ненавязчивый сервис? Космонавта с запчастями к каждому спутнику не отправишь, и тут открывается широкое поле деятельности для специалистов по космической робототехнике. Еще в 2007 году американцы провели эксперимент Orbital Express для отработки технологий автоматического сближения двух спутников, облета и обследования одним другого, с последующей стыковкой и дозаправкой. Затем с помощью роботизированной руки спутник-сервисер успешно произвел замену резервного компьютера на борту “клиента”. Несмотря на возникшие технические неполадки, возможность таких манипуляций на околоземной орбите была наглядно показана.  
Главная проблема в том, что в космосе, в отличие от Земли, не действуют силы тяготения, поэтому операции в этой среде требуют особой точности и контроля усилий. Любое неосторожное движение аппарата-сервисера может привести к непредсказуемым последствиям. Например, повредить или оттолкнуть объект ремонта – тогда попробуй догони его, никакого топлива не хватит. Чтобы просчитать и контролировать параметры взаимодействия на орбите, применяются  так называемые очувствлённые манипуляторы с обратной связью по усилию, наделенные почти человеческим осязанием.
О них чуть позже, а пока еще одна проблема, скажем так, земного происхождения, о которой мне поведал заместитель главного конструктора ЦНИИ РТК по робототехнике и роботостроению кандидат технических наук Алексей Градовцев. Большинство действующих, да и проектируемых космических аппаратов относится к разряду некооперируемых, не предназначенных для обслуживания на орбите. Разумеется, проще иметь дело с кооперируемыми аппаратами, конструкция которых позволяет сервисеру пристыковаться к ним и осуществить необходимые операции. Поэтому, чтобы продление срока службы рукотворных объектов на орбите стало рутинной процедурой, надо изменить саму концепцию создания космических аппаратов.
Диапазон работ по робототехнике в ЦНИИ РТК всегда был весьма широким –  для целей гражданских и военных, для нужд МЧС и “Росатома”, для наземного и космического применения (к примеру, здесь была создана система бортовых манипуляторов “Аист” для орбитального корабля “Буран”). Во многих работах были и остаются общие требования: стойкость к радиации, контроль представительства заказчика, акцент на импортозамещение (проявившийся задолго до нынешних политических катаклизмов), но у космической робототехники, разумеется, и своя специфика. Когда в институте были разработаны и успешно испытаны первые макетные образцы датчиков силомоментного очувствления (измеряющих компоненты векторов сил и моментов), возникла идея совместить их с классическими манипуляторами как раз применительно к космосу.  
Сегодня реализовать ее помогает участие ЦНИИ РТК в Федеральной целевой программе “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы”. В рамках ФЦП выполняется контракт на “Разработку технического (проектного) облика робототехнической системы с очувствлёнными по усилию манипуляторами в составе сервисного космического аппарата”. Название адекватно сложности задачи, но суть именно в том, чтобы в перспективе обеспечить выверенно точный сервис на орбите.  
Программа позволила ЦНИИ РТК привлечь не только дополнительные субсидии для создания полноценного макета манипуляционной системы с очувствлением (а это шаг к опытно-конструкторской стадии), но и еще одного партнера из ракетно-космической отрасли к работам по робототехнике. К традиционному РКК “Энергия” добавилось петербургское КБ “Арсенал”. Зона его ответственности как индустриального партнера в данном проекте – разработка прообраза той базовой платформы, для которой робототехническая система станет полезной нагрузкой. А именно: проектирование системы управления движением, расчет маневрирования на орбите, определение необходимых запасов топлива и т.д. В свою очередь, робототехники, с учетом характеристик сервисного аппарата, “впишут” в него свои манипуляторы, наделенные даром очувствления.
Начальник сектора проектирования робототехнических систем Игорь Даляев  показал мне, как они выглядят: парочка шарниров с встроенными  датчиками. Непременный компонент такого датчика – спица с наклеенными тензорезисторами, она-то и есть главный орган осязания. Даже при слабом касании спица изгибается, и ровно в этот момент датчики передают информацию о силе контакта в систему управления манипулятора. Классический,  без силомоментного очувствления, манипулятор может “наехать” на спутник и даже не заметить этого.
– В нашем случае это исключено, – говорит Игорь Даляев. –  Программа осуществляет, например, движение манипулятора к нужной точке, вход в разъем и захват с заданным усилием. При наличии непредвиденных обстоятельств датчик будет сигнализировать о препятствии.
– Для наземных испытаний создается не полноразмерный манипулятор, а его уменьшенный макет, – дополняет Алексей Градовцев. – Это позволит нам использовать шарниры с теми же значениями мощности и крутящего момента, что и в космосе, но за счет уменьшенных длин звеньев они смогут передвигать манипулятор и в присутствии силы тяжести. Простейший способ исключить фактор веса – работа на горизонтальной плоскости, где воздействие сил тяготения минимизировано и надо считаться только с силами трения.
Мои собеседники пришли в ЦНИИ РТК из одного вуза, Балтийского государственного технического университета “Военмех” им. Д.Ф.Устинова, и даже с одной кафедры – мехатроники и робототехники, только Градовцев окончил вуз в 2002 году, а Даляев – в 2009-м. Оба вспоминают, что очувствлёнными манипуляторами начали заниматься в инициативном порядке. В 2013 году в отделении робототехники и роботостроения ЦНИИ РТК был сформирован проектный сектор с упором на выполнение различных расчетов (прочности и упругих свойств конструкций, тепловых воздействий, что критично для космоса, и т.д.)  и работу с компьютерными моделями (для расчета, в том числе, датчиков момента). Тем самым удается снизить затраты на изготовление реальных образцов и объем экспериментальных испытаний. Такой подход дал возможность рассчитать параметры столь сложного мехатронного устройства, как датчик силомоментного очувствления.
– Участие в успешно реализуемой Министерством образования и науки РФ Федеральной целевой программе для нас – долгожданный шанс разработать макетный образец, – констатирует Игорь Даляев. – До этого мы и шарниры испытывали, и характеристики датчиков снимали, не имея возможности собрать из частей целое – полноценный очувствлённый манипулятор. Кроме того, на стадии НИР мы можем варьировать облик сервисного космического аппарата, рабочими органами которого будут как три манипулятора – для захвата и обслуживания некооперируемых спутников, так и один – для кооперируемых (сейчас их на орбите нет, но ведь со временем могут появиться).
– Еще несколько лет назад выбор был невелик: либо ты покупаешь все импортное, либо не делаешь роботов вообще, – отмечает Алексей Градовцев. – А сейчас, когда стала возрождаться отечественная электронная промышленность, у нас уже есть образцы, созданные исключительно на отечественной компонентной базе.
ЦНИИ РТК выполняет и другие работы по космической робототехнике, связанные с данным проектом. В частности, по заказу РКК “Энергия” разрабатывается экспериментальная аппаратура для отработки типовых модулей робототехнических систем в космических условиях (эксперимент “Захват-Э”). В ее состав входят шарниры и захватное устройство, также снабженные силомоментными датчиками.
Кроме того, по договору с ЦНИИмаш создается мобильная робототехническая система с двумя манипуляторами, предназначенная для поддержки внекорабельной деятельности космонавтов. Ее предполагается использовать на внешней поверхности орбитальной станции в условиях, агрессивных и опасных для человека, дабы уменьшить риск для его жизни и здоровья. Это может быть как автономная, так и совместная с космонавтом работа (инспектирование, устранение нештатных ситуаций, замена расходных материалов, перенос инструмента, подсветка рабочей области, видео­съемка, перемещение и установка аппаратуры). Минувшей весной Игорь Даляев защитил по этой теме кандидатскую диссертацию.
Но в данном проекте усилия Градовцева, Даляева и их коллег сосредоточены на создании очувствлённого манипулятора для сервисного космического аппарата. Непосредственным результатом станет макетный образец, а отдаленным – летный образец для отправки на орбиту. И пусть на человека он не похож, но предмет, безусловно, умный и не без человеческих чувств!

На фото:

Участники проекта (слева направо):
Николай Заруцкий, Алексей Градовцев, Игорь Даляев;

Модель макета манипулятора, создаваемого в рамках ФЦП;

“Участник” космического эксперимента“Захват-Э”;

Робототехническая транспортно-манипуляционная система

 

Спецвыпуск
подготовили
Аркадий СОСНОВ
и Светлана БЕЛЯЕВА

Фото Светланы Станкевич

ПОЛНОСТЬЮ МАТЕРИАЛ СПЕЦВЫПУСКА ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF

Нет комментариев