НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
«Исследование возможностей использования дистанционно-управляемого антропоморфного робота в перспективных пилотируемых транспортных кораблях нового поколения»
Шифр КЭ: «Испытатель»
1 Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса
Космос – актуальная и перспективная область применения робототехнических систем и комплексов. Именно в космосе сосредоточена наибольшая концентрация опасных для здоровья человека факторов, решение задач в условиях космоса невозможно без специального оборудования, обеспечивающего выживание человека.
Космическая робототехника — направление в робототехнике, разрабатывающее робототехнические комплексы или системы для решения прикладных задач в экстремальных условиях космоса, на поверхности безатмосферных космических тел, в атмосфере планет земного и неземного типа. Космическая робототехника сможет увеличить возможности для создания принципиально новых типов космических аппаратов, работающих
в пилотируемом и беспилотных режимах, что расширит их функциональные возможности, повысит безопасность, надежность и долговечность работы, обеспечить сохранность устройств, уменьшит эксплуатационные расходы.
Области применения робототехнических систем в космосе:
- работа в открытом космосе (в условиях вакуума, жестких ионизирующих излучений) снаружи и внутри космических кораблей (эмоциональная поддержка экипажа, обслуживание, регламентные
и ремонтные работы, сборочные, разгрузочно-погрузочные работы, инспекция, различного рода манипуляции); работа на поверхности планет и других космических тел (исследование, освоение, строительство).
Космическая робототехника расширяет возможности человечества
в изучении и освоении космоса и космических тел (планет, их спутников, астероидов, комет, др.)
Применение робототехнических систем и комплексов позволит повысить эффективность решения задач в экстремальных условиях космоса, снизить расходы на исследовательские программы и эксплуатацию оборудования, существенно расширить возможности человека при освоении космических тел, строительстве в условиях вакуума, на порядок увеличить безопасность космонавтов.
Антропоморфные робототехнические системы (АРТС), могут быть применены на космических станциях, напланетных базах и межпланетных комплексах. На сегодня, наиболее ожидаемо использование РТС на наружной поверхности орбитальных станций околоземных, лунных
и марсианских. Такие РТС могут доставляться к месту выполнения работ грузовыми манипуляторами, за пределами зон досягаемости которых роботы перемещаются самостоятельно. Первоочередными задачами являются инспекция, установка и обслуживание оборудования, помощь космонавтам при вне корабельной деятельности.
В настоящее время актуальность приобретают исследования возможностей использования АРТС на борту РС МКС (КЭ «Теледроид»)
и пилотируемых космических средств нового поколения.
Эффективное использование АРТС возможно лишь при соответствующей его адаптации к выполнению полетных операций. В связи
с этим, необходимо сформировать уточненные требования к значениям кинематических и силовых параметров принятой структуры исполнительной системы демонстрационного образца РТС, разработанного в рамках выполнения проекта «Спасатель». Для успешного выполнения АРТС операций в космосе необходимо доработать технологию создания комбинированной системы управления робототехническими комплексами РТК, разработанную в рамках выполнения проекта «Спасатель»,
в соответствии с задачами, решаемыми космонавтом при выполнении полетных операций.
2 Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе ПТК
Проведение КЭ в условиях космического пространства на борту ПТК позволит наиболее полно учесть влияние перегрузок, невесомости и других факторов космического полёта на процессы управления АРТС, а также на выполнение АРТС различных операций.
3 Описание КЭ
Продолжительность реализации КЭ составляет 1 сутки (предполагается при первом автономном полете ПТК). КЭ проводится в один этап.
Общее количество сеансов за полёт – не менее 3. Продолжительность сеанса 30 – 45 минут.
НА представляет собой доработанную АРТС «Спасатель»
с комбинированной системой управления разработки АО «НПО «Андроидная техника».
4 Новизна, оценка качественного уровня по сравнению
с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
Уже сегодня робототехнические системы (РТС) активно используются на американском сегменте МКС для выполнения операций стыковок, обслуживания астронавтов при внекорабельной деятельности.
В то же время, в дополнение к существующим РТС космического назначения, функционирующим на МКС, таким как Canadarm2, Dextre (SPDM), дистанционный манипулятор (JEMRMS), персональный помощник астронавта PSA, в сентябре 2010 г. на американский сегмент МКС был доставлен антропоморфный манипулятор нового поколения - Robonaut -2.
Параллельно с разработками в США, Европе и Японии исследования по созданию антропоморфных копирующих роботов проводились и в России
в АО «НПО «Андроидная техника».
Несколько лет назад в АО «НПО «Андроидная техника» был разработан и создан действующий экземпляр робота антропоморфного типа с условным обозначением SAR 400. Предварительный анализ и проведённые испытания показали, что такой робот при соответствующей модернизации, обеспечивающей его функционирование в условиях космического пространства, может использоваться и на PC МКС для выполнения сервисных задач, операций технического обслуживания, ремонта, информационного обеспечения, а также в качестве помощника космонавта при внутри-и-внекорабельной деятельности.
Анализ зарубежных материалов показывает, что РТС подобного типа относятся к перспективным системам космического назначения. Планируется использование антропоморфных РТС на борту межпланетных КА и в составе напланетных (лунных) баз.
Научная новизна космического эксперимента «Испытатель» заключается в:
- проверке адекватности, уточнении и верификации математической модели АРТС как многозвенной приводной машины, действующей
в условиях невесомости в ограниченном пространстве; исследовании комплексного влияния факторов космического полёта на системы АРТС (датчиковая аппаратура, в том числе средства силомоментного очувствления и средства технического зрения, элементы точной механики и т. д.); уточнении требований к системе управления манипуляторами
и захватами в режиме тонкой моторики для обеспечения выполнения операций при воздействии факторов космического полета; уточнении требований к характеристикам приводов манипуляторов
и захватов для обеспечения выполнения силовых операций с замками, задвижками, вентилями и т. д., функционирующих как в условиях невесомости, так и нормального значения силы тяжести; моделировании нагрузок на пилота на активном участке полёта (получение информации о нагрузках на экипаж); исследовании режимов собственного тепловыделения АРТС на различных стадиях полёта с учётом решаемых функциональных задач.
Внедрение в космической технике АРТС позволит создать инновационную базовою технологию для освоения ближнего и дальнего космоса, отличающуюся многофункциональностью за счет широкого перечня выполняемых такими роботами операций и возможности использования их как на пилотируемых и на автоматических КА, так
и напланетных базах.
На основании вышеизложенного, представляется целесообразным
и актуальным проведение данного КЭ.
5 Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
Будут получены уточненные требования к оборудованию и системам:
- к системам управления манипуляторами и захватами и к их приводам; к конструктивным элементам АРТС обеспечивающих использование штатного кресла экипажа типа «Чегет».
Будут проведены исследования и испытания:
- режимов собственного тепловыделения АРТС на различных стадиях полёта с учётом решаемых функциональных задач; возможности интеграции АРТС в пилотируемые КА; стойкости АРТС к ВВФ при нахождении в кресле члена экипажа.
Будут разработаны и опробованы методики:
- планирования функциональных действий АРТС, связанных
с внутрикорабельной деятельностью; супервизорного дистанционного управления АРТС с Земли.
Будут решены задачи:
- демонстрации высокого потенциала отечественной науки и техники; проверке адекватности, уточнении и верификации математической модели АРТС как многозвенной приводной машины, действующей
в условиях невесомости в ограниченном пространстве; моделирования и отработки операций с пульта космонавтов и пульта ОВК (в имитационном или макетном режиме без выдачи реальных управляющих воздействий); моделирования нагрузок на пилота на активном участке полёта (получение информации о нагрузках на экипаж);
- расширения объема информации, получаемой в ходе беспилотных испытаний ПТК; моделирования типовых действий членов экипажа ПТК «Федерация», таких как прием и передача голосовых сообщений, работа со средствами ручного управления (пульт космонавтов, пульт ОВК), на всех этапах полета; сбора и передачи в ЦУП телеметрической информации
о работоспособности АРТС и действующих на него нагрузках; отработки голосового канала связи через аппаратуру бортовой радиотехнической системы и системы пеленга; отработки СОТР ПТК (имитация тепловыделения экипажа); дополнительного видеоконтроля объема командного отсека ВА.
Результаты КЭ предполагается использовать:
- на предприятиях космической отрасли для создания робототехнических систем космического назначения; в отчете о летных испытаниях ПТК; в области экстремальной робототехники для создания роботов специального назначения; в образовании для подготовки кадров специалистов по робототехнике.
6 Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками.
Техническая возможность создания НА с заданными характеристиками обусловлена наличием у АО «НПО «Андроидная техника» большого опыта
в разработке антропоморфных робототехнических систем, успешными испытаниями робота FEDOR, разработанного в рамках проекта «Спасатель» по заказу ФПИ, а также наличием собственной производственной базы, научным и кадровым потенциалом. АО «НПО «Андроидная техника» имеет также лицензию Роскосмоса на космическую деятельность.
7 Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных
с КЭ
Проведение КЭ предполагается при автономном полете ПТК, т. е. при отсутствии экипажа.
