Многофункциональная транспортно-манипуляционная робототехническая система для работы на внешней поверхности космических летательных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат наук Даляев, Игорь Юрьевич

• Даляев, Игорь Юрьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Даляев, Игорь Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОЙ КОСМИЧЕСКОЙ РОБОТОТЕХНИКИ

1.1. РТС орбитального назначения

1.1.1. Бортовые манипуляторы Canadarm и Canadarm2

1.1.2. Dextre

1.1.3. Система бортовых манипуляторов «Аист»

1.1.4. Робот-манипулятор ERA (EuropeanRoboticArm)

1.1.5. Манипулятор японского экспериментального модуля «Кибо»

1.1.6. Космический манипулятор DORES

1.1.7. Робот Eurobot

1.1.8. Робот Robonaut

1.1.9. Персональный помощник астронавта PSA

1.1.10. Манипулятор DLR

1.1.11. Манипулятор DLR-HIT-Hand

1.1.12. Платформа DLR-Justin

1.1.13. Манипулятор Barrett-Hand

1.1.14. Мапниулятор Shadow-Hand

1.2. Задачи развития космических РТС

1.2.1. Кинематические схемы

1.2.2. Мобильность

1.2.3. Приводы

1.2.4. Антропоморфные механизмы

1.2.5. Программное обеспечение и система управления

1.2.6. Технологии разработки

1.3. Обоснование задачи и методы ее решения

1.4. Выводы

ГЛАВА 2.РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ТРАНСПОРТНО-

МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ (ТМС)

2.1. Обоснование назначения и функциональных требований к

создаваемой ТМС

2.2. Технический облик ТМС

2.2.1. Узлы и компоненты ТМС

2.2.1.1. Кинематическая схема ТМС

2.2.1.2. Типовые шарниры

2.2.1.3. Захватные устройства

2.2.1.4. Интерфейсные устройства

2.2.1.5. Управление и связь

2.2.1.6. Моделирующее программное обеспечение

2.2.1.7. Прогнозные характеристики ТМС

2.2.2. Построение системы очувствления

2.2.3. Построение системы управления (СУ)

2.3. Реконфигурация ТМС

2.3.1. РТС с одним манипулятором

2.3.2. РТС с двумя манипуляторами

2.3.3. РТС с 3-мя манипуляторами

2.3.4. РТС с 4-мя манипуляторами

2.3.5. Оценка эффективности схем построения РТС

2.4. Выводы

ГЛАВА 3.КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТМС

3.1. Кинематическое и динамическое моделирование ТМС

3.1.1. Кинематическое моделирование

3.1.2. Динамические усилия на опорных такелажных элементах

3.1.1. Статические усилия при выполнении технологических операций

65

3.2. Расчет температурных режимов

3.3. Исследование сенсорной системы ТМС

3.3.1. Формирование состава сенсорной системы

3.3.2. Размещение элементов сенсорной системы на ТМС

3.3.3. Датчик выходного момента шарнира

3.3.4. Шестикомпонентный датчик сил и моментов

3.4. Исследование функциональных модулей ТМС

3.4.1. Модель ЗУ для крепления на элементах конструкций техногенного ландшафта

3.4.2. Модель ЗУ для работы со сменным инструментом

3.4.3. Модель стыковочного устройства

3.5. Выводы

ГЛАВА 4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ

ТМС

4.1. Испытания функциональных модулей и сенсорной системы ТМС

4.1.1. Датчик момента

4.1.2. Шестикомпонентный датчик сил и моментов

4.1.3. Захватные устройства ТМС

4.2. Испытания элементов ТМС в термовакуумной камере

4.3. Работы по реализации космического эксперимента

4.4. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многофункциональная транспортно-манипуляционная робототехническая система для работы на внешней поверхности космических летательных аппаратов»

ВВЕДЕНИЕ

Мировой опыт создания и применения робототехнических систем (РТС) космического назначения показывает, что они являются мощным инструментом в решении задач изучения космического пространства, создания космических аппаратов (КА) и их эксплуатации. Очевидно, что роль космической робототехники будет непрерывно возрастать в связи с необходимостью разработки и обслуживания глобальных систем связи, навигации и наблюдения, постоянно действующих пилотируемых и посещаемых орбитальных станций, а также баз на Луне и планетах Солнечной системы [1 -4].

Современная космическая робототехника представляет собой перспективное научно-техническое направление, комплексно охватывающее проектирование, разработку, производство и эксплуатацию РТС космического назначения. Такие системы сегодня активно разрабатываются и используются в международных космических проектах США, Канады, Японии, стран Европейского Союза и России.

В частности, на американском сегменте МКС работает космический манипулятор SSRMS (Canadarm2), разработанный корпорацией MDA Space Missions по заказу Канадского космического агентства [5]. На российском сегменте МКС используется механический манипулятор «Стрела» [6]. Для транспортировки полезных грузов и обслуживания шлюзовой камеры предполагается использование манипулятора ERA, разработанного Европейским космическим агентством [7]. Завершены эксперименты по отработке элементов немецкого манипулятора ROKVISS [8].

Япония разрабатывает план массового производства и запуска в космос РТС для технического обслуживания КА, а также обслуживания ядерных энергоустановок, разрабатываемых для американской базы на Луне. В качестве японских РТС космического назначения можно назвать JEMRMS

(манипуляционная система для японского модуля МКС) и ETS-VII (беспилотный космический аппарат, обслуживаемый манипулятором).

Европейское космическое агентство проводит работы по созданию шагающего робота Eurobot для передвижения по наружной поверхности МКС [9].

NASA планирует создать РТС, которые должны обеспечить завершение строительства МКС, принять участие в полётах на другие планеты, вести работы по созданию межпланетных станций и баз на Луне и Марсе. Например, ведется разработка робота Robonaut гуманоидного типа [10]. Для облёта и съёмки МКС и космических объектов разрабатывается летающий робот MiniAERemote. По заданию NASA для транспортировки астронавтов и грузов по поверхности Луны и планет создаётся шестиногий транспортный робот SpiderNant, а также шестиколёсный транспортный робот.

Работы по космической тематике ведутся в ЦНИИ РТК. В период с 1999 по 2002 гг. был выполнен проект DORES (Development of Robotoc Elements) -космический робот для выполнения технологических операций по обслуживанию полезных грузов и аппаратуры внутри и вне гермоотсеков (помощь в сборке и ремонте наружных узлов обитаемых орбитальных модулей) [11]. Ранее был разработан шагающий адаптивный робот «Циркуль», предназначенный для выполнения инспекций и других манипуляционных операций . в труднодоступных технологических зонах (обслуживание и сборка космических станций, осмотр и ремонт трубопроводов и другого оборудования) [12]. В 1985 г. была разработана система бортовых манипуляторов «Аист» для космического корабля «Буран» [13]. Также в ЦНИИ РТК была разработана массожесткостная модель космического манипулятора ERA. Проводится отработка системы удаленного управления через публичную сеть Internet космического манипулятора ROKVISS.

Таким образом, в настоящее время существуют манипуляционные системы космического назначения, которые предназначены для выполнения строго ограниченного перечня технологических операций. Ограниченность перечня операций связана с неподвижным креплением манипуляционных систем на наружной поверхности КА, со сложностью управления ими при осуществлении ВКД (необходимость обхода различных препятствий, таких как солнечные батареи, такелажные элементы и пр.), с необходимостью использовать сменные насадки (манипуляторы), подходящие только для захвата объектов с закрепленными на них ответными частями. Использование сменных насадок предполагает предварительную подготовку объекта: перед началом работы на него необходимо установить ответную часть манипулятора, что является дополнительным трудоемким процессом.

Опыт эксплуатации таких систем на МКС показывает, что их возможностей недостаточно для осуществления всего спектра необходимых работ. Во многих случаях космонавтам приходится выходить в открытый космос и проводить ряд сложных операций вручную. Учитывая повышенный риск выполнения таких работ в космосе, их трудоемкость и стоимость подготовки выхода космонавтов в открытый космос, исчисляемую сотнями миллионов рублей, роботизация этих работ является крайне актуальной задачей. Последнее требует существенного расширения функциональных возможностей соответствующих РТС по сравнению с описанными существующими космическими РТС.

Исследования путей решения этой задачи и создание соответствующей транспортно-манипуляционной системы (ТМС) нового типа - предмет настоящей работы.

Эта тема была сформулирована после того, как в ЦНИИ РТК в рамках исследований по экстремальной робототехнике был предложен принцип решения подобных задач на основе РТС переменной структуры в виде реконфигурируемых модульных систем.

Конкретным космическим объектом, на который ориентируется настоящая работа, является МКС. Однако все ее результаты полностью применимы и для любых других типов КА.

Целью работы является техническое и расчетно-экспериментальное обоснование возможности создания ТМС, разработка ее технического облика, разработка и изготовление основных узлов и элементов ТМС. ТМС предназначена для оказания космонавтам технической поддержки при осуществлении внекорабельной деятельности и для решения большинства других перспективных работ на внешней поверхности КА.

Для выполнения поставленной цели решаются следующие задачи:

- исследование систем и изделий космической робототехники с момента возникновения и по настоящее время, анализ мировых тенденций развития и перспектив;

- формирование базового технического облика ТМС и принципов его построения;

- разработка и изготовление основных узлов и элементов ТМС;

- разработка математических моделей ТМС и ее составных частей для компьютерного моделирования и исследований;

- проведение кинематических и динамических расчетов;

- моделирование функциональных возможностей ТМС;

- проведение температурных расчетов и экспериментальные исследования узлов и элементов ТМС.

Разрабатываемые в ходе выполнения работы решения нацелены на создание многофункциональной РТС нового уровня. Сфера применения такой системы не ограничивается вспомогательными операциями по поддержке деятельности космонавтов: они также могут использоваться при осуществлении международных космических научных программ и прочих проектов в космосе. Проведенный информационный поиск показал, что на

сегодняшний день не разработано систем, обладающих требуемыми для разрабатываемой системы функциональными характеристиками.

Важно отметить, что полученные в ходе исследования результаты могут быть использованы не только в космической области. Современные производственные технологические процессы (например, в автомобильной промышленности, в приборостроении, на предприятиях химической и атомной промышленности и т.д.) требуют внедрения более совершенных робототехнических средств, с большими функциональными возможностями. Например, на предприятиях по переработке радиоактивных отходов усовершенствование используемого технологического оборудования и дальнейшая автоматизации процессов переработки радиоактивных объектов повысит безопасность проводимых операций (за счет отсутствия ручных операций), а также их точность и скорость.

Работа проводится с применением следующих методов исследования:

- метод информационного поиска и систематизации данных;

- метод аналитического расчёта;

- методы теории автоматического управления;

- методы компьютерного моделирования.

На основе проведенного диссертационного исследования и с учетом его результатов на защиту выносятся:

- базовый технический (проектный) облик ТМС и принципы его построения;

- математические модели ТМС и ее составные части для компьютерного моделирования и исследований;

- конструкция ТМС и ее узлов;

- моделирование функциональных возможностей ТМС;

- расчеты и экспериментальные исследования наиболее критичных узлов ТМС.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 41 наименование. Диссертация содержит 135 страниц текста, 92 рисунка, 14 таблиц и 2 приложения.

Во введении обоснованы актуальность темы, цель и задачи работы. Описана ее структура и дан краткий обзор содержания диссертации по главам.

В первой главе - «Анализ современной космической робототехники», проведен обзор ключевых работ по созданию космических роботов и узлов роботов, сделаны выводы о тенденциях развития робототехники космического назначения, а также поставлена и обоснована задача разработки транспортно-манипуляционной системы.

Во второй главе - «Разработка структуры транспортно-манипуляционной системы (ТМС)», сформулированы требования к РТС обслуживания космических аппаратов, предложена структура (технический облик) и описан и обоснован состав ТМС, а также обоснована целесообразность потенциальной реконфигурации ТМС и ее варианты.

В третьей главе - «Компьютерное исследование ТМС», даются пояснения по проведенным, в ходе разработки узлов ТМС, расчетам, описано кинематическое и динамическое моделирование системы, обоснована кинематическая структура робота и сформулированы ТТХ ТМС. Описан состав сенсорной системы ТМС и приведены расчеты датчиков момента, относящихся к сенсорной системе, также приведен расчет температурных режимов.

В четвертой главе - «Экспериментальные исследования элементов ТМС», говорится о проведенных экспериментальных исследованиях и испытаниях узлов ТМС, приводятся результаты испытаний и перспективные направления продолжения работ.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Глава 1. Анализ современной космической робототехники

1.1. РТС орбитального назначения

1.1.1. Бортовые манипуляторы Canadarm и Canadarm2

Бортовой манипулятор Canadarm [1, 14, 15] кораблей многоразового использования системы "Space shuttle" предназначен для выполнения операций на орбите с различными многотонными грузами (рис. 1.1). В их числе: выгрузка доставленного груза, размещение доставленных объектов на околоземной орбите или помещение их в состав орбитальной станции, захват свободно летящих космических объектов и погрузка их в корабль, перемещение астронавтов для работы в открытом космосе. Разработан специалистами канадской компании Mac Donald Dettwilerand Associates (MDA) по заказу NASA. Манипулятор представляет собой многозвенный механизм с электромеханическими приводами. Эксплуатируется с 1991 года.

J*

Ж ^ шёш ' «РЖ: ш.

Рис. 1.1. Бортовой манипулятор Canadarm

Система может перемещаться по рельсам, расположенным на ферменных конструкциях с помощью тележки мобильного транспортёра.

1.1.2. Эех^е

Оех1ге (БРОМ) (рис. 1.2) [1, 17] — двурукий робот. Руки длиной примерно 3 метра и имеют семь степеней подвижности. Корпус робота оборудован захватными устройствами, за который его может захватить Сапаёагш2 чтобы перенести в нужное место МКС, где робот может закрепиться и выполнять различные манипуляционные операции с помощью сменных инструментов.

На корпусе Эех^е находится пара телекамер цветного изображения с подсветкой и кобура для инструментов.

Рис. 1.2. Канадский робот Оех1хе

1.1.3. Система бортовых манипуляторов «Аист»

Система бортовых манипуляторов (СБМ) "Аист" разработана в ЦНИИ РТК для использования на МТКК "Буран" (рисунок 1.3) [15, 16].

В состав СБМ входят два манипулятора с электромеханическими приводами, системой управления с бортовой ЭВМ и программным управлением, подсистемы телевидения, освещения, телеметрии.

Для проведения испытаний, отработки и сдачи манипуляторов СБМ были созданы два стенда, имитирующие условия невесомости - плоскостной на воздушных подушках и объемный, в котором испытываемый манипулятор подвешивается на тросе.

Рис. 1.3. Манипулятор СБМ «Аист» на испытаниях на стенде (ЦНИИ РТК, Россия)

Манипулятор имеет кинематическую схему, сходную с манипулятором Canadarm2. Кроме шести вращательных степеней подвижности он имеет одну транспортную степень (для начальной установки в грузовом отсеке корабля при закрытых створках грузового отсека).

1.1.4. Робот-манипулятор ERA (EuropeanRoboticArm)

Европейский манипулятор ERA (European Robotic Arm) — дистанционно управляемый космический манипулятор, созданный ЕКА для сборочных работ и обслуживания российского сегмента МКС (рисунок 1.4) [1, 15, 18]. Одной из наиболее интересных его функций является способность перемещаться между заранее определёнными базовыми креплениями, установленными на станции, используя собственную систему управления. Это даёт возможность расширить зону полезной работы манипулятора, при этом не загружая оператора, и достигается благодаря универсальной конструкции двух концевых эффекторов, которые могут действовать как рабочие органы или присоединяться к креплениям, размещённым на обшивке станции — базовым точкам. Так как главный манипулятор МКС Canadarm2

не может работать на российском сегменте из-за ряда конструктивных ограничений, ERA будет служить основным манипулятором российского сегмента МКС и выполнять следующие задачи:

- обследование внешней поверхности станции;

- обслдуживание оборудования размещённого на внешней поверхности МКС;

- поддержка космонавтов при работе в отрытом космосе;

- перемещение грузов массой до 8000 кг с точностью позиционирования до 5 мм.

Манипулятор имеет длину 11 метров и семь степеней подвижности.

Любой вид полезной нагрузки, перемещаемой манипулятором ERA, должен иметь специальные такелажные элементы, для надёжного захвата их концевым эффектором.

В памяти компьютера манипулятора содержаться данные о пространственном положении элементов станции, которые необходимы для выполнения заданых операций. Эти данные передаются с наземного пункта управления ERA, вычислительная система которого производит предварительное моделирование всех выполняемых манипулятором операций.

Рис. 1.4. Робот-манипулятор ERA

1.1.5. Манипулятор японского экспериментального модуля «Кибо»

Японский экспериментальный модуль «Кибо» (рисунок 1.5) [1, 15, 20] — это модуль МКС и научно-исследовательская лаборатория японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA). Международная аббревиатура модуля: JEM (Japanese Experiment Module). Модуль «Кибо» состоит из следующих компонентов:

- Герметичный отсек (РМ, Pressurized Module) — основной компонент цилиндрической формы длиной 11.2 метра и диаметром 4.4 метра. В нём содержатся десять международных научных стоек.

- Внешняя экспериментальная платформа, или Блок для изучения внешних воздействий (EF, Exposed Facility), также известный как «Терраса», — негерметичный компонент, расположенный сразу за Герметичным отсеком, с которым он соединён воздухонепроницаемым люком. Применяется для проведения экспериментов непосредственно под воздействием космической среды.

- Дистанционно-управляемый манипулятор (RMS, Remote Manipulator System), вмонтированный в носовую часть герметичного отсека. Он предназначен для перемещения оборудования между экспериментальным грузовым отсеком и внешней экспериментальной платформой.

- Экспериментальный грузовой отсек (ELM, Experiment Logistics Module), состоящий из двух секций:

■ Герметичная секция (PS, PressurizedSection) — будет служить в качестве дополнения к Герметичному отсеку. Сначала секция будет присоединена к модулю «Гармония». В процессе сборки модуля несколько раз поменяет своё местоположение и в итоге будет зафиксирована с верхним узлом Герметичного отсека. и Внешняя негерметичная секция (ES, Exposed Unpressurized Section) — часть экспериментального грузового отсека, но в то же время неразделимая составляющая внешней экспериментальной платформы. Выполняет функции хранения и транспортировки.

ЛАБОРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ (РМ)

ВНЕШНЯЯ НЕГЕРМЕТИЧНАЯ ПЛАТФОРМА (EF)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ГРУЗОВОЙ МОДУЛЬ (ELM-ES)

(НЕГЕРМЕТИЧНАЯ ЧАСТЬ)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ГРУЗОВОЙ МОДУЛЬ (ELM-PS)

(ГЕРМЕТИЧНАЯ ЧАСТЬ)

ЛЮК

ДИСТАНЦИОННЫЙ МАНИПУЛЯТОР (JEMRMS)

Рис. 1.5. Экспериментальный модуль «Кибо»

Дистанционный манипулятор RMS закреплен на торцевой части герметичного отсека научной лаборатории и предназначен для перемещения оборудования между экспериментальным грузовым модулем и внешней негерметичной платформой. RMS предназначен для поддержки экспериментов, которые будут проводиться на «Кибо» или для обслуживания самого модуля.

RMS составлен из двух манипуляторов: главной Руки (Main Arm, MA) и вспомогательной Руки (Small Fine Arm, SFA). Обе руки имеют шесть степеней подвижности. Установленные на руках телевизионные камеры передают изображения на телевизионный монитор пульта в герметичном отсеке.

1.1.6. Космический манипулятор DORES

Космический манипулятор DORES (рисунок 1.6) разработан ЦНИИ РТК для европейского космического агенства и предназначен для проведения отработки сборочных, ремонтных и прочих операций, необходимых при

18

строительстве и функционировании орбитальных космических станций

[11,15].

Рис. 1.6. Космический манипулятор DORES

Достоинства манипулятора: модульное построение, иерархическая структура системы управления, открытая структура программного обеспечения, оперативное планирование выполнения операций, включая:

- элементарные операции сопряжения (захват универсальным схватом, соединение разъемов, закручивание винтов и т. п.);

- сборочные работы (смена блоков, узлов, осмотр рабочей зоны);

- ремонт и обслуживание различного оборудования.

1.1.7. Робот Eurobot

Eurobot разработан Европейским космическим агенством (рисунок 1.7) [1, 9]. Одним из возможных его применений будет оказание помощи

астронавтам в космосе. Робот также может найти применение в экспедициях на Луну или Марс.

Робот может выполнять инспекцию и различные операции дистанционно контролируемые оператором, например внутри МКС.

Текущая версия ЕигоЬо! отработана в бассейне, где имитировались условия микрогравитации в космосе.

Рис. 1.7. ЕигоЬо1

1.1.8. Робот КоЬопаШ

ЯоЬопаЩ — это телеуправляемый робот-кентавр, представляющий собой новое поколение роботов для работы в открытом космосе по оказанию помощи астронавтам при работе в открытом космосе (рисунок 1.8) [1, 10].

У

Рис. 1.8. Robonaut

Разработка его ведется совместно NASA и Управлением перспективных проектов Министерства обороны США (DARPA).

Мапнипуляторы робота подобны руке человека и имеют в общей сложности четырнадцать степеней подвижности.

Рис. 1.9. Руки робота Robonaut

1.1.9. Персональный помощник астронавта PSA

Персональный помощник астронавта (PSA) предназначен для работы на МКС и может самостоятельно летать внутри станции за счёт миниатюрных реактивных движителей. PSA оснащён датчиками атмосферы, измеряющими её химические и физические параметры. Робот также может служить для прямой связи астронавтов с наземным центром управления. Он снабжен видеокамерой, микрофоном, динамиками и дисплеем.

Робот может действовать самостоятельно, по командам экипажа или по управлению с Земли. Он может облетать инспекционно станцию, следить за лабораторными животными в контейнерах, осматривать труднодоступные места внутри станции. С помощью PSA операторы на Земле могут получать видеоинформацию со станции без помощи экипажа.

Рис. 1.10.1 Персональный помощник астронавта PSA

Микрореактивиые двигатели

А Солнечна

/ батарея

Беспроводная

Определитель дистанции

Индикатор режима

Панель датчик атмосферы

Датчик двимеммв

О о

Сканер инструментов

Рис. 1.11. Внешний вид PSA

Робот должен помогать экипажу, например, в поисках инструмента с помощью встроенного сканера радиочипов-идентификаторов, подавать сигналы тревоги при чрезвычайных событиях на станции.

В настоящий момент робот находится на стадии экспериментальной отработки.

1.1.10. Манипулятор DLR

В Институте робототехники и мехатроники Немецкого центра аэронавтики и космонавтики (DLR) разработаны три поколения

23

роботехнических искусственных рук-манипуляторов DLR Light Weight Robot Arm. Последняя версия, как и все предшествующие, имеют очень хорошее отношение собственного веса к массе полезной нагрузки: 13,5 кг к 15 кг.

Рис. 1.12. Манипулятор DLR Light Weight Robot Arm

Манипулятор имеет волновые редукторы и двигатели DLR-RoboDrive Электроника и датчики полностью интегрированы в сам манипулятор, включая силовые преобразователи. Усовершенствованные алгоритмы контроля вибраций обеспечивают хорошую динамику движения. Каждый сустав оснащен датчиками положения и момента.

1.1.11. Манипулятор DLR-HIT-Hand

В Институте DLR совместно с Харбинским технологическим институтом (HIT) был разработан новый манипулятор (рисунок 1.13). DLRHIT-Hand, в отличие от предыдущих конструкций, состоит из пяти модульных пальцев с четырьмя суставами и тремя степенями подвижности. В общей сложности 15 электроприводов встроены в пальцы и запястье. В качестве приводов использованы плоские бесщеточные двигатели постоянного тока с цифровыми датчиками Холла. Каждый сустав снабжён абсолютным датчиком угла и тензометрическим датчиком момента.

Рис. 1.13. DLR-HIT-Hand

1.1.12. Платформа DLR-Justin

Гуманоидная верхняя часть тела Justin (рисунок 1.14) создана как универсальная платформа для исследования двуручных манипуляций. Эта система состоит из двух четырехпальцевых кистей рук DLR-Hand-II и двух рук с 7 степенями подвижности, установленных на подвижном туловище с тремя степенями подвижности. Все 41 степени подвижности снабжены датчиками момента в дополнение к общим датчикам позиционирования.

Рис. 1.14. DLR-Justin

1.1.13. Манипулятор Barrett-Hand

Манипулятор Barrett-Hand [22] является программируемым мультипальцевым манипулятором со способностью к манипуляции целевых

объектов разных размеров, форм и ориентаций (рисунок 1.15). Манипулятор обладает малым весом весом в 1,18 кг и компактной формой с полной интеграцией всех собственных составляющих частей. Стандартный промышленный интерфейс позволяет интегрировать его с другими несущими индустриальными платформами. Barrett-Hand включает в свою конструкцию процессор, программное обеспечение, систему интерфейса, электронику, серво-контроллеры и 4 бесщеточных двигателя. Из трех пальцев два обладают дополнительной степенью подвижности, обеспечивающей их латеральное движение в пределах 180 градусов, позволяющее исполнение различных типов захватов. Манипуляторы имеют запатентованный механизм привода пальцев.

Рис. 1.15. Barrett-Hand

1.1.14. Мапниулятор Shadow-Hand

Shadow-Hand [23] — это робототехническая кисть руки, разработанная фирмой Shadow (рисунок 1.16). Она способна выполнять 24 различных движения для как можно более точного воспроизведения степеней свободы человеческой руки. Она была разработана для воспроизведения сопоставимых с человеческой рукой захватной контактной силы и чувствительности её движения. В модели используется система электрических приводов фирмы Shadow, состоящая из 20 электромоторов,

установленных в запястье. Каждый электромотор связан с суставом через пару тяговых тросов. Манипулятор включает также электронику, систему редукторов, датчики контактных сил и систему интерфейса с другими устройствами. Кисть-манипулятор Shadow-Hand, обладая высокой степенью интеграции компонентной базы, предназначена для проведения научных исследований и построена в учебных целях.

Рис. 1.16. Shadow-Hand

1.2. Задачи развития космических РТС

На основании выполненных патентного и информационного поиска можно сформулировать основные задачи развития современных РТС космического назначения.

1.2.1. Кинематические схемы

Все разработанные ранее и функционирующие сегодня в космосе РТС являются манипуляторами с фиксированной точкой крепления (Canadarm, Canadarm2, Dexter, СБМ «Аист», JEMRMS, DORES), в то время как

перспективные разработки чаще всего представляют собой мобильные конструкции (ERA, Eurobot, Robonaut). Основной принцип построения РТС в том, что полная кинематическая достаточность достигается 6-ю степенями подвижности в классической конфигурации. Уменьшение количества степеней подвижности (кинематически недостаточная система) или его увеличение (кинематически избыточная система) возможно за счет ограничения манипуляционных возможностей (например, для снижения габаритов и массы) или их повышения (например, для обхода препятствий в рабочей зоне). В каждом конкретном случае решение в пользу той или иной кинематической схемы принимается исходя из задач РТС.

1.2.2. Мобильность

В то время как традиционные манипуляционные системы неподвижно закреплены в месте своего функционирования (Canadarm, Dexter, СБМ "Аист", JEMRMS, DORES), все большее значение придается возможности их перемещения по наружной поверхности КА. Манипулятор Canadarm2, хоть и представляет собой неподвижный манипулятор, способен перемещаться по предопределенному маршруту по рельсам, проложенным на американском сегменте МКС, путем закрепления его на специальной мобильной платформе. Мобильный манипулятор ERA способен шагать по базовым точкам, расположенным на PC МКС, удерживаясь на них попеременно двумя своими захватными устройствами. В более современные системы Eurobot и Robonaut закладывается возможность перемещения по разнообразным элементам конструкции - поручням и устройствам фиксации, используемым космонавтами для удержания на наружной поверхности МКС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Даляев, Игорь Юрьевич, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. SpringerHandbookofRobotics, editedbyBrunoSiciliano, OussamaKhatib, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-23957-4

2. Лопота B.A., Минаков Е.П., Юревич Е.И. Современное состояние и перспективы развития отечественной космической робототехники. Актуальные проблемы защиты и безопасности // Труды 11 -ой научно-практической конференции. Том 5, изд. Астерион, 2008. - 113 с.

3. Юревич Е.И.. Роботы в ЦНИИ РТК по космонавтике // Наука и техника: вопросы истории и техники. СПб, ИИЕТ РАН, 2007

4. Градовцев А.А., Кондратьев А.С., Тимофеев А.Н. Средства робототехнического обеспечения функций перспективной космической инфраструктуры. Экстремальная робототехника // Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции. - С-Пб: «Политехника-сервис», 2012. - 514 с.

5. Canadarm2 and the Mobile Servicing System [Электронный ресурс]. URL: http://www.nasa.gov/mission pages/station/structure/elements/mss.html (дата обращения: 02.10.2014)

6. Early Results from the Euromir 95 Experiment Programme [Электронный ресурс]. URL: http://www.esa.int/esapub/bulletin/bullet88/steve88.htm (дата обращения: 02.10.2014)

7. Digital Library for Physics and Astronomy [Электронный ресурс]. URL: http://adsabs.harvard.edu/abs/1999ESASP.438..! 11B (дата обращения: 01.08.2012)

8. Kayser-Threde GmbH [Электронный ресурс]. URL: http://www.kayser-threde.de/de/press/news détail.php?id= 134 (дата обращения: 01.08.2012)

9. Eurobot makes a splash [Электронный ресурс]. URL: http://www.esa.int/esaCP/SEMA6RNSP3F index_0.html (дата обращения: 02.10.2014)

10. Robonaut homepage, http://robonaut.isc.nasa.gov (дата обращения: 02.10.2014)

11. DORES (Development of Robotoc Elements) [Электронный ресурс]. URL: http://www.rte.ru/robotics/dores.shtml (дата обращения: 01.08.2012)

12. Шагающий адаптивный робот «Циркуль» [Электронный ресурс]. URL: http ://•www, rte .ru/robotics/cirkul. shtml (дата обращения: 01.08.2012)

13. Система бортовых манипуляторов «Аист» [Электронный ресурс]. URL: http://www.rtc.ru/robotics/kis.shtml (дата обращения: 01.08.2012)

14. Космический манипулятор Canadarm-2 [Электронный ресурс]. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/KaHaflapM2 (дата обращения: 02.10.2014)

15. А.Железняков. Космическая робототехника // Наука и промышленность [Электронный ресурс]. URL: http://www.ci.ru/inform06_08/p_06.htm (дата обращения: 02.10.2014)

16. Космическийкорабль«Буран» [Электронный ресурс]. URL: http://www.buran.ru/htm/bighand.htm (дата обращения: 02.10.2014)

17. Dexter [Электронный ресурс]. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/JeKCTp (дата обращения: 02.10.2014)

18. Европейский манипулятор ERA [Электронный ресурс]. URL: http://m.wikipedia.org/wiki/EBponeñcKHñ_MaHHmaraTop ERA (дата обращения: 02.10.2014)

19. Центр Управления Полетами [Электронный ресурс]. URL: http://www.mcc.rsa.ru (дата обращения: 02.10.2014)

20. Модуль «Кибо» [Электронный ресурс]. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/KH6o (дата обращения: 02.10.2014)

21. MEMBRANA: Люди. Идеи. Технологии [Электронный ресурс]. URL: http://www.membrana.ru/print.html71086881100 (дата обращения: 02.10.2014)

22. Barrett-Hand, http://www.barrett.com/robot/products-hand.htm (дата обращения: 02.10.2014)

23. Shadow-Hand [Электронный ресурс]. URL: http://www.shadowrobot.com/hand (дата обращения: 02.10.2014)

24. Градовцев A.A., Кондратьев A.C., Тимофеев А.Н. Робототехническое обеспечение для объектов перспективной космической инфраструктуры. Экстремальная робототехника // Сборник докладов международной научно-технической конференции. - С-Пб: «Политехника-сервис», 2011. - 454 с.

25. Лопота A.B., Юревич Е.И. Этапы и перспективы развития модульного принципа построения робототехники. Экстремальная робототехника // Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции. -С-Пб: «Политехника-сервис», 2012. - 514 с.

26. Юревич Е.И., Цариченко С.Г. Опыт и перспективы развития модульных робототехнических систем экстремальной робототехники. Экстремальная робототехника // Труды XXI Международной научно-технической конференции. - С-Пб: «Политехника-сервис», 2010. - 494 с.

27. Даляев И.Ю., Титов В.В. Кинематика движения транспортно-манипуляционной робототехнической системы по внешней поверхности космических летательных аппаратов // Материалы молодежной школы-семинара в рамках Международной научно-технической мультиконференции "Актуальные проблемы информационно-компьютерных технологий, мехатроники и робототехники (ИКТМР-2009)". - Таганрог: Издательство ТТИ ЮФУ, 2009.

28. Каргов А.И., Градовцев A.A., Чижевский P.A., Даляев И.Ю. Дизайн многофункциональной манипуляционной системы для работы на международной космической станции // Экстремальная робототехника: Труды XXI международной научно-технической конференции (18-20 мая 2010 г., Москва). - СПб.: Политехника-сервис, 2010. — 494 с. -

С.97-103. - ISBN 978-5-904031-71-8.

29. «Разработка предложений по составу и предварительным техническим характеристикам робототехнических систем для выполнения технологических операций развёртывания и обслуживания орбитальной станции нового поколения и перспективной пилотируемой транспортной системы», отчет о НИР, ЦНИИ РТК, 2011.

30. Лопота В.А., Потапов A.M., Градовцев A.A., Каргов А.И., Даляев И.Ю. Транспортно-манипуляционная система для обслуживания

^ Международной космической станции и поддержки внекорабельной

деятельности космонавтов // Мехатроника, автоматизация, управление. — Москва: Изд-во «Новые технологии», 2011. — №2. — С. 6 - 16. — ISSN 1684-6427.

31. Даляев И.Ю. Температурный расчет элементов робототехнических систем космического назначения // Экстремальная робототехника: Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции. -Санкт-Петербург: Изд-во «Политехника-сервис», 2012. - 510с.

32. Даляев И.Ю. Датчик выходного момента шарнира // Экстремальная робототехника: Труды международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». СПб.: Политехник-сервис. 2011 г..

33. Даляев И.Ю. Транспортно-манипуляционная робототехническая система для обслуживания внешней поверхности российского сегмента МКС // XIX научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 50-летию первого полета человека в космос. — Москва, 2011.

34. Даляев И.Ю. Транспортно-манипуляционная система для обслуживания российского сегмента МКС // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. — Москва, 2011.

35. Заруцкий Н.В., Кузнецов В.А. Шестикомпонентный датчик сил и моментов // Экстремальная робототехника: Труды международной

научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». СПб.: Политехник-сервис. 2011 г..

36. Dr.ing. Adriana Sandu, Dr.ing. M. Sandu, Dr.ing. С. Atanasiu, Low-Profile Sensor for Six Force/Torque Components, University «Politehnica» of Bucharest Splaiul Independent nr. 313, sect. 6, 77206, BUCURE§TI, ROMANIA.

37. Gab-Soon Kim, Development of a Six-Axis Force/Moment Sensor with Rectangular Taper Beams for an Intelligent Robot, International Journal of Control, Automation, and Systems, vol. 5, no. 4, pp. 419 - 428, August 2007.

38. Canadija, M. & Avramovic, N., Optimization of 6-Axis Force Transducer, Advanced Engineering 2(2008)2, ISSN 1846-5900.

39. Титов B.B., Шардыко И.В., Даляев И.Ю. Реализация силомоментного управления для двухстепенного манипулятора // Экстремальная робототехника: Труды 7-го международного симпозиума (2-3 октября 2013 г., Санкт-Петербург). СПб.: Политехника-сервис, 2013. 555с., — С. 368 - 376. (0.25 п.л.) — ISBN 978-5-906078-94-0

40. Титов В.В., Шардыко И.В., Даляев И.Ю. Опыт разработки системы силомоментного управления на примере двухстепенной манипуляционной системы // Вестник национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт». Серия Машиностроения. №2 (68). Киев, 2013. — С. 148 - 157.(0.30 п.л.) — ISSN 2305-9001

41. Титов В.В., Шардыко И.В., Даляев И.Ю. Методика обработки сигнала однокомпонентного датчика момента для применения в силомоментном управлении электромеханическим шарниром // СПИСОК 2013: Материалы всероссийской научной конференции по проблемам информатики. 23-26 апреля 2013 г., Санкт-Петербург — СПб.: Издательство ВВМ, 2013. — 792с., — С. 451456. (0.15 п.л.) —ISBN 978-5-9651-0779-7.