ТЕЛЕДРОИД НТО
реклама
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА «Исследование возможностей использования дистанционно-управляемого антропоморфного робота для операционной поддержки деятельности космонавтов в условиях орбитального полета» Шифр эксперимента: «Теледроид» 1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса Для получения конкурентных преимуществ и сохранения лидирующих позиций в пилотируемой космонавтике необходим ряд инновационных решений, которые помогут снизить стоимость эксплуатации пилотируемых космических аппаратов (ПКА) и преодолеть ограничения, накладываемые человеческим фактором. В числе таких инновационных решений находится применение робототехнических систем. В настоящее время на Международной космической станции (МКС) широко применяются робототехнические манипуляторы классического типа для выполнения погрузочноразгрузочных и транспортных операций. В то же время развертывание и обслуживание перспективной космической инфраструктуры (ПКИ), включая задачи проведения научнотехнических экспериментов на орбитальных станциях нового поколения (ОСНП), обслуживания КА на околоземных, высоких и геостационарных орбитах, а также обслуживание в будущем напланетных (лунных) баз, потребуют от роботов выполнения «тонких» технологических операций. Повышение эффективности обслуживания космических объектов достигается за счёт увеличения точности, скорости и надёжности выполняемых робототехническими системами операций, внедрения технологий дистанционного и автоматического управления, частичного или полного снятия ограничений на длительность операций, увеличения объёмов выполняемых работ и повышения степени их автоматизации. Широкое применение роботов в космической технике позволит сократить объёмы рутинных работ, выполняемых экипажами КА при внекорабельной деятельности и внутри гермоотсеков, повысить безопасность выполняемых операций, а также обеспечить своевременное обнаружение и ликвидацию нештатных и аварийных ситуаций. В ряде технологических операций, когда необходимо обеспечить выполнение 1 точных и надежных манипуляций, движений рук и пальцев приближающихся к моторике естественных человека, целесообразно использовать антропоморфные робототехнические системы с дистанционным управлением копирующего типа с применением задающего устройства в виде экоскелета, надеваемого на человекаоператора. Роботы данного типа будут очень востребованы для выполнения операций обслуживания КА, а также как помощники космонавта при внутрикорабельной и внекорабельной деятельности. С целью отработки технологий телеуправления такими роботами при выполнении вышеперечисленных задач и взаимодействии его с космонавтом, необходимо проведение космического эксперимента (КЭ) на борту РС МКС. Для проведения КЭ предполагается использовать имеющийся технологический задел - российский дистанционно- управляемый копирующий антропоморфный робот SAR-400 разработки ОАО «НПО «Андроидная техника», модернизированный для работы в условиях космического пространства. Прототип данного робота прошел успешные тестовые испытания в ноябре 2011 г. на тренажёрной базе в ЦПК им. Ю.А.Гагарина и показал принципиальную возможность выполнения с помощью антропоморфного робота технологических операций на РС МКС с применением штатного бортового инструментария и использование его в качестве помощника космонавта при осуществлении внутри–и–внекорабельной деятельности [1]. Основными проблемными вопросами, которые невозможно было исследовать при проведении наземных испытаний, являются операции контактного взаимодействия робота с объектами в условиях невесомости и безопорного пространства (например, захват и работа с инструментами), а также влияние невесомости на процессы управления роботом с помощью надетого на человека задающего экзоскелета с обратным силомоментным отображением и тактильным очувствлением. 2 2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС МКС Проведение КЭ в условиях космического пространства на борту РС МКС позволит наиболее полно учесть влияние невесомости и других факторов космического полёта на процессы управления роботом в копирующем режиме с помощью задающего экзоскелета, надетого на оператора, находящегося внутри гермоотсека МКС, а также на выполнение роботом различных технологических операций и взаимодействие его с космонавтом при совместном осуществлении внутри-и-внекорабельной деятельности. 3. Описание КЭ 3.1. Порядок проведения КЭ Космический эксперимент будет проводиться в три этапа: 1-ый этап - отработка каналов телеуправления с использованием наземных прототипов робота и системы управления, а также изготовление аппаратуры робота; 2-ой этап – проведение КЭ на МКС с использованием созданного лётного образца робота, установленного внутри РС МКС; 3-ий этап – проведение КЭ на МКС с использованием созданного летного образца робота, установленного снаружи РС МКС. 3.2. Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ Важнейшим требованием к условиям выполнения КЭ «Теледроид» является применение широкополосного (не менее 4 Мбит/с) радиоканала связи «робот - борт МКС», а также радиоканала «борт МКС - Земля» для осуществления управления роботом в копирующем режиме с передачей видеоинформации оператору управления, находящемуся соответственно на борту МКС или в наземном ЦУПе. Другим важным требованием является величина задержки сигнала в линии связи. Для управления данным роботом она не должна превышать 0,5 сек. 3.3. Технические особенности НА НА представляет собой антропоморфного робота на базе SAR-400 разработки ОАО «НПО «Андроидная техника» с системой органов управления и очувствления в виде специального «управляющего костюма» (экзоскелета) и шлема виртуальной 3 реальности, надеваемых на оператора управления, а также аппаратуры беспроводной связи для передачи команд дистанционного управления, видеосигналов и телеметрии. Управляющий костюм имеет обратное силомоментное очувствление, позволяющее оператору отображение и тактильное ощущать усилия на исполнительных органах (манипуляторах) робота. Шлем виртуальной реальности передаёт оператору управления видеоинформацию и рабочей зоны робота, в том числе в стереорежиме. 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 ОАО «НПО «Андроидная техника». Несколько лет назад, еще до показа американского робота Robonaut -2 , в ОАО «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 РС 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 «Теледроид» заключается в: - разработке и изготовлении первого отечественного антропоморфного робота, 4 предназначенного для эксплуатации в условиях открытого космического пространства; - результатах исследования возможностей и особенностей интерактивного копирующего управления роботом космонавтом-оператором в условиях невесомости при помощи костюма управления (экзоскелета) с силомоментной обратной связью и тактильным очувствлением; разработке - методик дистанционного копирующего управления антропоморфным роботом с борта МКС и с Земли; - результатах исследования возможности выполнения антропоморфным роботом различных операций ВнеКД и ВнуКД с использованием штатного бортового инструментария при копирующем управлении роботом с борта МКС и с Земли; - результатах исследования взаимодействия космонавта с антропоморфным роботом в условиях орбитального полёта при совместном выполнении внутри-ивнекорабельной деятельности; - результатах исследования возможностей и перспектив использования антропоморфного робота андроидного типа для информационной и психологической поддержки экипажей в условиях длительного космического полета. Разработка и внедрение в космической технике антропоморфных робототехнических систем позволит создать инновационную базовою технологию для освоения ближнего и дальнего космоса, отличающуюся многофункциональностью за счет широкого перечня выполняемых использования их как на такими роботами операций и возможности пилотируемых, так и на автоматических КА. Создание антропоморфных роботов, выполняющих функции помощника человека, будет иметь также большой социальный эффект. На основании вышеизложенного, представляется целесообразным и актуальным проведение КЭ, антропоморфных направленного роботов для на исследование обеспечения возможностей поддержки использования внутри-и-внекорабельной деятельности космонавтов на РС МКС, а также определения перспектив использования их в дальнейшем в составе элементов перспективной космической инфраструктуры и напланетных (лунных) баз. 5 5. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование 5.1 В качестве основных результатов КЭ ожидаются следующие: 5.1.1 Определение возможностей и особенностей выполнения роботом различных технологических операций на РС МКС и отработка взаимодействия его с космонавтами при выполнении внутри- и -внекорабельной деятельности как при управлении с борта станции, так и с Земли; 5.1.2 Определение возможностей операторов, находящихся на борту РС МКС, по управлению роботом в условиях невесомости при выполнении различных операций с использованием разработанного интерактивного человеко-машинного интерфейса копирующей системы управления на базе задающего экзоскелета с силомоментной обратной связью, тактильным очувствлением и визуальным отбражением; 5.1.3 Оценка возможностей и перспектив использования антропоморфного робота андроидного типа для информационной и психологической поддержки экипажей в условиях длительного космического полета с помощью интерактивного аудиовизуального взаимодействия робота с человеком. 5.2 Результаты КЭ предполагается использовать: - на предприятиях космической отрасли для создания робототехнических систем космического назначения; - в области экстремальной робототехники для создания роботов специального назначения, а также роботов для работы в зонах чрезвычайных ситуаций, - медицине и социальной сфере; - 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 у наличием у ОАО «НПО «Андроидная техника» достаточного опыта в разработке антропоморфных робота SAR-400 в робототехнических систем, успешными тестовыми испытаниями ЦПК им. Ю.А. Гагарина, а также наличием собственной производственной базы, научным и кадровым потенциалом. ОАО «НПО «Андроидная техника» имеет также лицензию Роскосмоса на космическую деятельность. 7 Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ В эксперименте «Теледроид» оператор управления находится в гермоотсеке МКС или в наземном ЦУПе, поэтому дополнительные риски для экипажа, связанные с данным 6 экспериментом, отсутствуют. Некоторый первоначальный дискомфорт может возникнуть у оператора в связи с использованием шлема виртуальной реальности и управляющего костюма, однако, как показали наземные испытания, он быстро проходит вследствие обычных адаптационных способностей человека. Список литературы 1. “Разработка предложений по исследованию потребностей и возможностей использования антропоморфных роботов для обеспечения поддержки внутри- и внекорабельной деятельности членов экипажа РС МКС. Разработка предложений по составу, предварительным требованиям, техническим характеристикам и проектному облику космической робототехнической системы антропоморфного типа для автоматизации процессов обслуживания пилотируемой космической инфраструктуры, включая выполнение сборочных работ и проведение научных экспериментов». ФГБУ НИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина, НТО по НИР “Андронавт”, 2011 г. 2. ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ АНТРОПОМОРФНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ РАБОТЫ В КОСМОСЕ. А.А.Богданов, И.М. Кутлубаев, В.Б. Сычков, ж. «Пилотируемые полёты в космос», №3, июнь 2012 г. 3. Публикации в электронных СМИ: http://new.tsniimash.ru/main.php?id=3&nid=493 http://www.dailytechinfo.org/space/3414-sar-400-pervyy-rossiyskiy-robot-android-dlya-rabotyv-kosmose.html http://themoscownews.com/business/20120423/189659195.html http://rbth.ru/articles/2012/03/14/russian_android_to_fly_into_space_in_2014_15059.html http://www.nanonewsnet.ru/news/2012/sar-400-pervyi-rossiiskii-robot-android-dlya-raboty-vkosmose 7
