НТО Робонавт_2

Научно-техническое обоснование
космического эксперимента
«Робонавт»
1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние
вопроса
Реализация
предполагает
долгосрочных
существенное
целей
пилотируемой
усложнение
космонавтики
деятельности
экипажей
существующих и перспективных пилотируемых космических комплексов, а
также увеличение объемов работ, связанных с техническим обслуживанием,
выполнением трудоемких монтажно-восстановительных работ, рутинных и
опасных
операций.
В
этой
связи
особый
интерес
представляет
использование антропоморфных робототехнических систем космического
назначения (АРТС КН) для поддержки деятельности экипажей, как
при
внутрикорабельной деятельности (ВнуКД), так и в процессе внекорабельной
деятельности (ВнеКД), а в перспективе – и при напланетной деятельности.
Способность человекоподобных роботов пользоваться любыми ручными
инструментами, подавать и придерживать предметы, а также выполнять
множество полетных операций, изначально спроектированных для человека,
открывает широкие перспективы их использования как помощников
космонавтов.
Это
должно
разгрузить
исследователей
Вселенной
от
некоторых рутинных операций, связанных с техобслуживанием станции.
Кроме того, мобильные роботы-андроиды могут использоваться для
выполнения
особо
опасных
операций
внекорабельной
деятельности,
инспекции аварийных или опасных объектов, ремонтно-восстановительных
работ и др.
В целях создания опережающего научно-технического задела для
разработки и эффективного
помощников
космонавтов
применения антропоморфных роботовв
перспективных
космических
миссиях
актуальность приобретают космические исследования на МКС действующих
макетов АРТС для поддержки деятельности экипажей. В результате этих
исследований должны быть сформированы требования к характеристикам
перспективной эргатической системы «космонавт - антропоморфный робот профессиональная среда деятельности».
За рубежом разработки АРТС ведутся в основном в США, Европе и
Японии. Работы НАСА по созданию АРТС космического назначения
начались в 1997 году. Целью было создание системы, способной работать в
открытом
космосе
в
качестве
помощника
оператора
ВнеКД,
либо
самостоятельной системы, способной работать в экстремальных условиях, в
которых
присутствие
человека
не
желательно.
Результатом
стал
человекоподобный прототип, названный Robonaut 1 (R1), который мог бы
выполнять поставленные задачи.
Для робота R1 было сконструировано
несколько вариантов нижней части корпуса. Инженеры построили его
версию с подвижной ногой и научили робота лазать по поручням,
предназначенным для человеческих рук. До 2006 года прототип испытывался
в различных лабораторных условиях, что подтвердило его возможности.
Однако, в силу ряда причин Robonaut 1 в космосе испытан не был.
Работы над проектом по созданию робота нового поколения Robonaut
2 (R2) помощника астронавта при ВнеКД (в том числе при напланетной
деятельности) NASA ведет с 2007 года. В 2011 году R2 был доставлен на
МКС для проведения серии испытаний в рамках КЭ «Робонавт».
Данная модель создавалась из стальных и алюминиевых деталей, и в
нее встроено более 350 сенсоров. Робот отличается сорока двумя степенями
подвижности. Руки R2 сконструированы по образу и подобию рук человека.
Каждая его рука в длину составляет 80 см и может поднять 9 кг веса (в
наземных условиях). Каждая кисть обладает двенадцатью степенями
подвижности: четырьмя степенями подвижности большого пальца, тремя
степенями подвижности в указательном и среднем пальцах и по одной
степени в безымянном и мизинце.
Робот снабжен пятью видеокамерами, расположенными в голове. Две
из них обеспечивают стереоизображение для самого робота и оператора,
управляющего
роботом
дистанционно.
Две
камеры
работают
как
вспомогательные. Пятая, инфракрасная камера, расположена в области рта и
служит для восприятия глубины пространства. Голова робота имеет 3
степени свободы относительно шеи, благодаря чему она способна «смотреть»
вправо-влево, вверх-вниз.
Поскольку вся голова робота заполнена камерами, управляющие
процессоры помещены в торс. Высота торса чуть больше метра, вес робота
около 150 кг. R2 умеет писать, захватывать и складывать предметы, держать
тяжелые вещи, включать коммутационных устройств, производить операции
по очистке воздушных фильтров, обеспечивать помощь астронавтам в работе
с инструментами.
R2 предстоит пройти серию испытаний, в ходе которых необходимо
проверить его работу в условиях микрогравитации, радиационного и
электромагнитного воздействия, а также в условиях открытого космоса.
На первом этапе испытаний R2 был стационарным. Тело робота
монтировалось на специальной крепежной подставке внутри американского
сегмента МКС.
В ходе первого этапа испытаний R2, как следует из опубликованных
источников
НАСА,
исследовались
его
возможности
выполнять
внутрикорабельную деятельность на МКС. Была проведена серия тестов R2
по оценке функционирования сенсоров, выдаче команд со специальных
пультов (task panel),
манипулирование специальным боксом для грузов,
оценивались возможности телеоператорного управления роботом и условия
обеспечения безопасности экипажа при совместной работе с роботом.
Следующим шагом исследований НАСА стало добавление роботу R2
ног для перемещения как внутри, так и снаружи станции (начало 2014 г.). На
этом этапе проводятся тесты перемещения робота по специальному поручню
(handrail), установленному в гермоотсеке американского сегмента.
На этом этапе уже получена дополнительная информация о рисках
внутрикорабельного использования АРТС, приобретен опыт для выполнения
отдельных операций ВнеКД, операционной поддержки астронавтов при
выполнении таких операций ВнуКД как очистка фильтров, инспекция
внутренних полостей стоек (rack), инвентаризация оборудования и др. По
полученной в ходе исследований информации специалисты NASA намерены
внести изменения и дополнительные усовершенствования в модель R2 для
испытаний в открытом космическом пространстве. Ожидается, что в 2015
году исследования будут продолжены с участием российских космонавтов.
В России работы по созданию АРТС КН ведутся с 2011 г. В качестве
прототипа АРТС КН для исследований использовался действующий макет
робота
SAR
400
разработки
ОАО
«НПО
«Андроидная
техника».
Экспериментальные исследования действующего макета робота SAR 400 на
тренажерной базе ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», ряд научноисследовательских работ, выполненных по теме «Андронавт» [1-4],
позволили обосновать технический облик АРТС, решаемые ею задачи для
ВнуКД и ВнеКД, способы её использования в интересах повышения
эффективности
эксплуатации
существующих
и
перспективных
пилотируемых космических комплексов.
На стадии подготовки к реализации на РС МКС находится российский
КЭ «Теледроид», по своей сущности близкий с американским КЭ
«Робонавт».
В настоящее время выполняется эскизный проект по созданию АРТС
для поддержки экипажа при внутрикорабельной деятельности. В результате
этого этапа работы в 2015 году должен быть разработан действующий макет
стационарного
антропоморфного робота. В дальнейшем планируется
усовершенствование этого робота в направлении придания ему мобильности
и искусственного интеллекта.
Поэтому для российской стороны представляет интерес участие в
американском КЭ «Робонавт-2» с целью
получения
имеющейся
у
американской стороны информации об используемых технических решениях
при создании АРТС, о результатах тестирования R2 и приобретения опыта
проведения собственных аналогичных КЭ.
Выводы.
1.
Анализ отечественного и зарубежного опыта создания АРТС КН
показывает обоснованность и перспективность использования современных
отечественных и зарубежных разработок такого вида РТС в космической
деятельности.
2.
Исследования показали, что при формировании концепции
создания, облика и отработки взаимодействия будущей АРТС с оператором
(космонавтом) необходимо проведение цикла испытаний с имитацией
реальных условий, в которых ей предстоит работать (микрогравитация,
вакуум, тепловое, радиационное и электромагнитное воздействия).
3.
Ожидается, что использование опыта НАСА по разработке,
усовершенствованию
и
испытанию
Robonaut
2
позволит
сократить
временные и финансовые затраты на создание отечественной перспективной
АРТС КН.
2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического
пространства
Необходимо проверить работу АРТС КН в условиях микрогравитации,
радиационного и электромагнитного воздействия (для ВнуКД), а также
дополнительно в условиях глубокого вакуума и экстремальных температур
(для ВнеКД).
3. Описание КЭ
3.1 Порядок проведения КЭ
Порядок проведения КЭ определяется американской стороной. R2
функционирует в автоматическом режиме, исходные данные для него
задаются из ЦУП-Х. НАСА организует бортовую тренировку для российских
космонавтов, участвующих в КЭ.
Ожидается, что российские космонавты в ходе КЭ будут выполнять
следующие задачи:
- работы по распаковке и запуску оборудования;
- оказание содействия ЦУП-Х в деятельности по безопасности и
проверке систем;
- демонтаж и укладка оборудования на хранение:
- оказание помощи ЦУП-Х, которая может потребоваться при
взаимодействии человека с роботом, с использованием панели
управления задачами (task board) эксперимента «Робонавт-2» или
инструментов для внутрикорабельной деятельности.
3.2. Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ
Требования к условиям выполнения КЭ задаются американской
стороной.
3.3. Технические особенности научной аппаратуры
Для
проведения
эксперимента
используется
американская
НА,
находящаяся на американском сегменте МКС.
4. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с
аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
КЭ «Робонавт-2» является новым, исследования антропоморфного
робота в условиях космического полета проводятся впервые. Проведение КЭ
с участием российских космонавтов позволит увеличить объем получаемых
экспериментальных[ данных, а российской стороне получить информацию об
используемых технических решениях при создании АРТС, о результатах
тестирования R2 и приобрести опыт проведения аналогичных исследований.
5. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
5.1. Основным результатом участия российских космонавтов и
специалистов в КЭ «Робонавт-2» будет получение от американской стороны
информации о результатах тестирования R2:
- данные по запланированной траектории движения (шарниров) R2
и фактические кинематические данные по функционированию R2
(для тестов с участием российских космонавтов);
- видеоматериалы общего
характера,
касающиеся
работ
по
эксперименту «Робонавт-2», проводимых на борту российскими
космонавтами.
5.2.
Результаты
предполагается
использовать
в
следующих
направлениях:
5.2.1. Создание российских АРТС КН.
5.2.3 Подготовка и проведение российских КЭ с АРТС, в частности КЭ
«Теледроид».
6.
Обоснование
технической
возможности
создания
НА
с
заданными характеристиками
НА уже создана и функционирует на американском сегменте МКС.
7. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных
с КЭ
Дискомфорт для экипажа при проведении КЭ отсутствует. Управление
рисками для космонавтов, связанными с взаимодействием с R2, обеспечивает
американская сторона.
Список цитируемой литературы
1. Отчёт о НИР по теме:
техническим
«Разработка предложений по составу и
характеристикам
робототехнической
системы
антропоморфного типа для поддержания деятельности членов экипажа
РС МКС». Шифр «Андронавт». ОАО «НПО «Андроидная техника»,
Москва, 2011.
2. Отчёт о НИР по теме:
осуществляемых
«Обоснование выбора полётных операций,
экипажами
РС
МКС,
выполнение
которых
целесообразно с помощью АРТС космического назначения. Анализ
используемого бортового инструмента и оценка возможностей его
адаптации для выполнения выбранных полётных операций с помощью
АРТС». Шифр «Андронавт-2». ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина»,
Звёздный городок, 2013.
3. Отчёт
о
СЧ
возможности
НИР
по
теме:
выполнения
«Экспериментальные
бортовых
исследования
полётных
операций
с
использованием разработанного программно-аппаратного интерфейса,
3D-модели и физического прототипа АРТС». Шифр «Андронавт-3».
ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», Звёздный городок, 2013.
4. Отчёт о СЧ НИР по теме: «Исследования по обоснованию требований к
характеристикам эргатической системы
робот
деятельности»,
уточнению
функциональности антропоморфной робототехнической
системы и
-
профессиональная
«космонавт - антропоморфный
среда
способов её использования в интересах повышения эффективности
эксплуатации
существующих
и
перспективных
пилотируемых
космических комплексов». Шифр «Магистраль» (Облик-ПК-Андронавт-4
ЦПК-2014). ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», Звёздный городок,
2014.