CC BY
47
Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования -►
бами, можно сделать вывод, что установки дистанционного зондирования ветрового потока позволяют дополнять, а в некоторых случаях заменять ветромониторинг при помощи анемометров, получать более точные и достоверные данные по ветру одновременно на нескольких заданных высотах, снижать затраты на проведение ветромониторинга, уменьшать технические
риски, связанные с реализацией проектов строительства ВЭС.
Статья подготовлена в рамках реализации ФЦП «Научные и начно-педагогические кадры инновационной России» (ГК № 02.740.11.0750) и ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК № 16.516.11.6107).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Климатические факторы возобновляемых источников энергии [Текст] / Под ред. В.В. Елистрато-ва, Н.В. Кобышевой, Г.И. Сидоренко.— СПб.: Наука. 2010.— 235 с.
2. Николаев, В.Г. Национальный кадастр ветроэнергетических ресурсов России и методические основы их определения [Текст] / В.Г. Николаев, С.В. Ганага, Ю.И. Кудряшов / Под ред. В.Г. Николаева.— М.: Атмограф, 2008.— 584 с.
3. Long Island, MA: SODAR-Based Wind Resource Assessment [Электронный ресурс]: University of Massachusetts Amherst, RERL, 2006. Режим доступа: http:// www.umass.edu/windenergy/publications/resource/ Long_Island/Report/Long_Island_Wind_Resource_As-
sessment_Report.pdf, свободный — Загл. с экрана — Яз. англ.— Дата обращения: 13.03.2012.
4. Pierce, N. What Is Sodar? A Snapshot of Wind Development Applications[Электронныйресурс] / Naomi Pierce. — SECONDWIND: WindlQ Knowledge Center-Электрон. дан.— Режим доступа: http://info.sec-ondwind.com/knowledge-center/bid/5958 9/ What-Is-Sodar-A-Snapshot-of-Wind-Development-Ap-plications, свободный— Загл. с экрана— Яз. англ.— Дата обращения: 14.03.2012.
5. Technical specs WINDCUBEv2 [Электронный ресурс]: Leosphere.com— Электрон. дан.— Режим доступа: http://www.leosphere.com/products2.php?ru-brique = 36&cat = wl&item = 1wc7ts, свободный— Загл. с экрана— Яз. англ. Дата обращения: 13.03.2012.
УДК 007.52: 629.786.2
В.А. Дьяченко, А.Н. Тимофеев
АНАЛИЗ СТРУКТУР И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МАНИПУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Манипуляционные средства необходимы для формирования и эксплуатации орбитальных станций, межпланетных комплексов и автоматических космических аппаратов, а также поддержания напланетной деятельности (на Луне и Марсе). Обычно для одного объекта требуется группировка, состоящая из нескольких манипуляторов.
Каждый манипулятор несет, по меньшей мере, один рабочий орган (РО). Для задания произвольного положения РО достаточно 6 степеней подвижности. Но если в рабочей зоне вдруг окажутся препятствия, если манипулятор требуется компактно сложить для прохождения шлюзовой камеры или выведения на орбиту, если по разным
причинам накладывается требование симметричности манипулятора, то необходимо вводить, по меньшей мере, одну избыточную степень подвижности, т. е. манипулятор становится семистепенным. Такое устройство условимся называть полным манипулятором.
В практике космической робототехники из-за сложности и громоздкости поступательные степени подвижности распространения не получили, поэтому далее они не рассматриваются.
Манипуляторы на базе вращательных кинематических пар могут иметь разнообразные компоновки. Но из них рациональны по критерию минимального отношения размеров собственной конструкции к размерам рабочей зоны схемы,
эквивалентные манипулятору с одностепенным локтевым шарниром и сферическими трехстепенными плечевыми и кистевыми шарнирами. На практике обычно все шарниры одностепен-ные. В начале и конце манипулятора (в плече и кисти) устанавливают по три таких шарнира с взаимно перпендикулярными осями вращения.
Устройства шарниров, включая приводы и частично элементы системы управления, по своим габаритам (особенно вдоль оси вращения) в небольших манипуляторах оказываются сопоставимыми со звеньями плеча и локтя. При переориентации в широком диапазоне оси вращения некоторых шарниров из исходного взаимно перпендикулярного положения могут приблизиться к параллельному. В этом случае изменение ориентации выходного звена даже на небольшой угол относительно одной из осей может потребовать радикального изменения ориентации по другой оси.
По этим причинам рациональная компоновка устройств переориентации рабочего органа в значительной мере определяется видом общей конфигурации манипулятора, которую он принимает при выполнении основных (целевые, наиболее ответственные) операций. У работающего человека кисть лежит приблизительно вдоль продольной оси локтевого звена (отклонения менее 45°). Для такой конфигурации предпочтительно два последних перед захватным устройством шарнира устанавливать перпендикулярно оси локтевого звена, а третий шарнир располагать ближе к локтевому шарниру и вписывать в локтевое звено (рис. 1, а). Этот вид
компоновки манипулятора наиболее близок к руке человека, и поэтому условимся его называть антропоморфным.
Критерий антропоморфности актуален прежде всего в случае прямого копирования исполнительным манипулятором движений задающего. Этот способ управления в робототехнике, в том числе космической, применяется относительно редко.
Если основание манипулятора и обслуживаемый объект располагаются приблизительно в общей плоскости, например на наружной поверхности космического аппарата, а вылеты предельны, то ось кисти с РО оказывается приблизительно перпендикулярной (отклонения менее 45°) продольной оси локтевого звена и всего манипулятора в целом (рис. 1, б). Подобная ситуация распространена как в стационарных, так и мобильных роботах. В этих случаях предпочтительно ось предпоследнего перед рабочим органом шарнира располагать перпендикулярно оси локтевого звена, а оси двух других шарниров кисти — параллельно этой оси (в вытянутом положении манипулятора). Подобную компоновку манипулятора имеют большинство сервисных и промышленных роботов. Ее мы условимся называть техногенной (как альтернатива антропоморфной). Дополнительное преимущество данной компоновки — в возможности использования последнего шарнира для смены РО, в том числе в ручном режиме.
Для движения в узких (по сравнению с размерами робота) и извилистых полостях перспективны манипуляторы в виде длинной (более 6—7)
и Я.
Рис. 1. Виды компоновки манипуляторов: а — антропоморфная; б — техногенная; в — змеевидная
цепи шарниров с осями вращения, перпендикулярными продольной оси манипулятора в целом (рис. 1, в). Такая змеевидная (серпентоморфная) схема позволяет менять направление движения робота в узких каналах поворотом нескольких шарниров на небольшие углы, не прибегая к интенсивной переориентации звеньев. Аналогичным образом движутся змеи в норах.
Как уже отмечено, предлагается подразделять манипуляторы по приблизительным размерам (радиусам вылета) на малые (менее 0,8 м), средние (от 0,8 м до 1,4 м) и большие (грузовые) — от 1,4 м до 15 м.
Изначально манипуляторы с радиусом порядка 10 м (такие, как Саиаёагш) создавались для разгрузки многоразовых кораблей. Поэтому их часто называют грузовыми. Следует обратить внимание на то, что связь между грузоподъемностью и размерами (радиусом) манипуляторов косвенная. Громоздкие тяжелые объекты, как правило, требуется перемещать на расстояния, сопоставимые с их размерами. Крупный стационарный манипулятор может обследовать значительную часть орбитальной станции и обслуживать научные аппараты в пределах досягаемости.
Однако увеличение габаритов неизбежно связано с ухудшением точности. Точность и жесткость манипуляторов на 70—80 % зависит от выходной ступени передач приводов шарниров. При использовании в качестве выходной тихоходной ступени передач наиболее точных (из имеющихся на рынке предложений) редукторов только упругий люфт (в одном шарнире) составляет порядка Ир = 1—3 угл. мин. Если допустить одинаковую погрешность = 1 угл. мин. у всех шарниров, то оценка снизу ширины 170 зоны неопределенности положения рабоче-
го органа предельно вытянутого манипулятора, вызванная упругим люфтом передач, составляет: Ц0 = 0,7—2,7 мм для малых манипуляторов; !70 = 2,7—4,8 мм для средних манипуляторов; 170 = 4,8—51 мм для грузовых манипуляторов. В условиях космоса (вакуум, низкие температуры) упругий люфт имеет тенденцию к возрастанию. С учетом других источников погрешностей, в том числе влияния других ступеней передач, подшипников, податливости приводов и длинных звеньев, реальная зона неопределенности может возрасти в 2—3 раза и составить: до 5—7 мм для малых манипуляторов; 10—15 мм для средних манипуляторов; до 50—150 мм для грузовых манипуляторов. Эти оценки подтверждаются практикой использования робототехниче-ских систем в космосе. У наземных роботов большая часть зазоров выбирается весом, а привод вращения относительно вертикальной оси обычно включает жесткую зубчатую передачу большого диаметра с механизмами выборки зазора, поэтому у них подобные погрешности значительно меньше.
Робототехнические системы (РТС) космических аппаратов могут иметь в своем составе один или несколько манипуляторов. Главным образом это и определяет различия между возможными вариантами их построения. Рассмотрим эти варианты.
Одиночные стационарные манипуляторы применялись для разгрузки многоразовых космических кораблей (рис. 2, а). У таких манипуляторов (даже грузовых) рабочая зона составляет незначительную часть поверхности орбитальной станции. Доступ к остальной поверхности закрыт как самими корпусами станции, так и установленным на ней оборудованием.
Рис. 2. РТС с одним манипулятором: а — стационарная РТС; б — мобильная РТС, шагающая по пассивным частям УЗС на поверхности ОС
Для расширения обслуживаемой зоны грузовым или средним манипуляторам придается возможность автономного перемещения путем перешагивания по конструктивным элементам ОС (рис. 2, б). Для грузовых манипуляторов (ГМ) в качестве опорных элементов должны использоваться пассивные части устройств захвата и стыковки (УЗС) в виде базовых точек, обеспечивающих компенсацию исходных погрешностей в диапазоне порядка 50—100 мм и однозначную фиксацию по всем шести компонентам (трем линейным и трем угловым). Такое устройство может иметь габариты порядка 300-400 мм и массу 5-10 кг. Для средних роботов достаточны конструктивные элементы ОС, частично адаптированные к захватыванию, например унифицированные стойки поручней для космонавтов или сами поручни. В особо сложных случаях возможна установка на нескольких такелажных элементах.
Два манипулятора могут объединяться в РТС последовательно, параллельно или в виде взаимодействующих автономных роботов. ГМ имеет большую рабочую зону, но неточен, зона неопределенности положения его рабочего органа может достигать 50-150 мм. Средний манипулятор точнее, но и вылеты у него меньше. Иногда эти противоречия предлагается решать последовательным соединением грузового и среднего манипулятора (рис. 3, а). ГМ захватывает своим УЗС (активной частью) основание среднего манипулятора. Однако погрешности цепи манипуляторов суммируются. Поэтому задача повыше-
Рис. 3. Перенос среднего манипулятора грузовым манипулятором: а — последовательное соединение манипуляторов; б — средний манипулятор установлен на корпусе УЗС грузового манипулятора
ния точности РТС таким образом решена быть не может.
Ситуация меняется, если средний манипулятор крепится на корпусе УЗС (активной части) ГМ (рис. 3, б), причем последнее устройство фиксируется на базовой точке ОС. Тот же эффект достигается, если ГМ только переносит средний манипулятор, а последний сам фиксируется на базовой точке ОС одним из двух УЗС на его концах. Здесь перенос среднего манипулятора грузовым служит альтернативой автономному перемещению среднего манипулятора перешагиванием по конструктивным элементам на поверхности ОС.
Параллельная установка двух манипуляторов на общем корпусе-основании приводит к компоновке робота, подобной верхнему поясу человека (рис. 4).
На корпусе целесообразно разместить дополнительное УЗС. Такой робот может удерживаться на ОС одновременно двумя УЗС, причем еще остается свободным один манипулятор для переноса точки опоры при перешагивании (рис. 4, а) или воздействия рабочим органом на обслуживаемое или собираемое оборудование (рис. 4, б). В результате повышается надежность ходьбы за счет дублирования захвата и увеличивается жесткость системы при силовом воздействии. Данная РТС способна выполнять одновременно двумя манипуляторами сборочные или иные технологические операции, например состыковывать электрический соединитель, висящий на двух гибких кабелях (рис. 4, в). Для таких сложных сборочных операций космическая транспортно-манипуляционная система (рис. 5) двумя УЗС на нижней части корпуса фиксируется на поручнях орбитальной станции.
Правым манипулятором она заводит устанавливаемую штангу 1 в кронштейн 2 с проушиной на корпусе орбитальной станции, а левым манипулятором фиксирует эту штангу осью 3.
Кроме последовательного и параллельного, возможно комбинированное соединение двух манипуляторов (рис. 6). Один манипулятор играет роль транспортного (рис. 6, а). Он оснащен специальными захватными устройствами для перемещения перешагиванием по унифицированным конструктивным элементам ОС. Второй манипулятор (технологический) крепит-
Рис. 4. РТС с двумя манипуляторами: а — шагание с дублированием захвата конструктивных элементов ОС; б — технологическое действие на конструкции ОС; в — выполнение технологической операции одновременно двумя манипуляторами
ся к звену транспортного, смежному с кистью (модули переориентации). Специализация манипуляторов позволяет упростить управление. В некоторых случаях удается обойтись без смены рабочих органов. РТС с комбинированной связью между манипуляторами может использоваться в обращенном варианте (рис. 6, б). Один из манипуляторов одновременно двумя рабочими органами выполняет технологическую операцию, например сборку. А второй манипулятор стоит на УЗС корпуса ОС и удерживает первый манипулятор в зоне выполнения работ.
Это минимальная схема, позволяющая выполнять работы одновременно двумя взаимодействующими органами. Отсутствие избыточности затрудняет и в некоторых случаях даже делает невозможными другие стадии функционирования РТС, в том числе перемещение, подготовку к операции, смену рабочих органов.
В РТС манипуляторы могут быть не связаны между собой. Например, один манипулятор выполняет точные технологические операции, а второй — грубые силовые (грузовые). Такое разделение возможно как на стационарных, так и на мобильных автономных манипуляторах (рис. 7, а). Простейшие мобильные семистепен-ные манипуляторы имеют на своих концах УЗС, с помощью которых они перемещаются перешагиванием по унифицированным конструктивным элементам на корпусе ОС. Они могут
функционировать совместно, например одновременно двумя рабочими органами стыковать электрическое соединение на гибких кабелях. Подобные мобильные автономные манипуляторы являются базовыми элементами систем манипуляторов с реконфигурируемой структурой. В зависимости от специфики решаемой задачи из них возможно собирать агрегаты любой компоновки. Захватывая крупногабаритный объект 1, они могут его перемещать (рис. 7, б).
Рис. 5. Космическая транспортно-манипуля-ционная система (СПбГПУ, ЦНИИ РТК)
Рис. 6. РТС с комбинированным соединением двух манипуляторов: а — технологическое действие на обслуживаемое оборудование; б — выполнение технологической операции одновременно двумя рабочими органами
б)
Рис. 7. РТС с двумя автономными манипуляторами: а — автономные мобильные манипуляторы; б — транспортирование громоздкого объекта одновременно двумя автономными манипуляторами
а)
1
Рис. 8. РТС с тремя манипуляторами: а — действие на обслуживаемый объект; б — сборочная операция одновременно двумя манипуляторами; в — фиксация ГМ одним из средних манипуляторов; г — сборочная операция средними манипуляторами, переносимыми ГМ
Если вместо груза взять длинный шест, то можно организовать перемещение РТС через значительные разрывы между такелажными элементами конструкции ОС. Одно из важнейших преимуществ подобных распределенных рекон-фигурируемых РТС — повышение устойчивости к отказам. При выходе из строя одного из манипуляторов он без проблем заменяется на запасной. Изложенное относится также к реконфигурируе-мым РТС с большим количеством автономных мобильных манипуляторов (3—6 и более).
РТС с тремя манипуляторами. Простая параллельная установка трех манипуляторов на общий корпус (рис. 8, а, б) является развитием схемы с двумя манипуляторами (рис. 7). Одно из УЗС ставится не непосредственно на корпус, а через манипулятор. Такая прямая модификация ничего нового не дает, но более сложна.
Но если на тот же корпус, кроме манипуляторов, установить дополнительное УЗС, то повышаются:
надежность передвижения перешагиванием по конструктивным элементам ОС за счет троирования захвата — в каждый момент не менее трех УЗС удерживают РТС на ОС;
жесткость и несущая способность системы при силовом воздействии на обслуживаемый объект (за счет фиксации РТС по трем разнесенным в плоскости конструктивным элементам ОС).
Робот с двумя манипуляторами, подобный верхнему поясу человека, устанавливают на ГМ, например Robonaut (NASA, США). При захвате одним из манипуляторов конструктивных элементов ОС блокируются колебания и зазоры в ГМ (рис. 8, в). Свободный манипулятор в состоянии выполнять операции (в том числе силовые) с высокой точностью. Но эта схема не дает серьезных преимуществ по сравнению с более простой, приведенной на рис. 3, б. Возможны операции одновременно двумя манипуляторами (рис. 8, г), например сборочные. Но после захвата одной части соединения и отпускания вторым манипулятором конструктивных элементов ОС начинаются колебания ГМ, что затрудняет захват второй части разъема.
Три автономных мобильных манипулятора в состоянии выполнять весьма сложные сборочные операции. Например, два манипулятора
Рис. 9. Три автономных манипулятора: а — процесс сборки; б — перенос крупного объекта
удерживают собираемые детали 1, а третий 2 их скрепляет (рис. 9, а). Такие манипуляторы могут переносить громоздкие объекты 3 (рис. 9, б), причем в надежном режиме дублирования захвата опорных элементов в каждый момент времени.
РТС с четырьмя манипуляторами. Четыре манипулятора на общем корпусе образуют «приматоморфную» РТС (рис. 10). Основные ее преимущества — повышенная точность и жесткость фиксации на ОС за счет захвата за три разнесенных в плоскости конструктивных элемента. При этом четвертый манипулятор остается свободным для выполнения операций, требующих повышенной точности, жесткости и нагрузочной способности (рис. 10, а). При работе одновременно двумя манипуляторами, например сборке, корректная фиксация на ОС достигается за счет использования спаренных захватных устройств (рис. 10, б).
Рис.10. РТС с четырьмя манипуляторами на общем корпусе: а — воздействие на обслуживаемое оборудование; б — работа одновременно двумя манипуляторами
Рис. 11. Установка контейнера с научной аппаратурой агрегатом из двух антропоморфных транспортно-манипуляционных систем
1
Для максимальной универсальности РТС подобно живым существам должны обладать четырьмя — шестью манипуляторами. В перспективе безусловно будут созданы такие устройства. Но при существующем уровне развития техники автоматизированного управления и привода эта задача слишком сложна. Самые простые устройства с одним манипулятором способны выполнять незначительную часть операций из полного перечня требуемых. Но они незаменимы для реконфигурации орбитальных станций и космических комплексов, а также работ в удаленных от основания зонах.
На орбитальных станциях и напланетных базах перед роботами ставится задача замены космонавтов в период их отсутствия или на опасных операциях*. Для этих функций наи* Градовцев, А.А. Экстремальная робототехника — робототехническое обеспечение для объектов перспективной космической инфраструктуры [Текст] / А.А. Градовцев, А.С. Кондратьев, А.Н. Тимофеев // Экстремальная робототехника / Труды междунар. научно-техн. конф.— СПб.: Изд-во «Политехника-сервис», 2011. — С. 23-29.
лучшим образом подходит антропоморфная компоновка в виде РТС с двумя манипуляторами, установленными на общем корпусе (например, показанная на рис. 5). Она в состоянии выполнить большинство требуемых функций. Но для особо сложных операций, преимущественно сборочных на большом удалении от опоры на такелажные элементы станции, требуются более сложные РТС с четырьмя манипуляторами. Однако их вывод на орбиту неоправдан из-за редкости таких операций. Более перспективно временное объединение нескольких РТС, например двух антропоморфных (рис. 11).
В таком агрегате УЗС 1 двух манипуляторов и УЗС 2 корпуса РТС обеспечивают надежную фиксацию на такелажных элементах, разнесенных в плоскости. Третий манипулятор устанавливает монтируемый объект 3 на базовую точку, а четвертый 4 — фиксирует его. Возможны и другие эффективные варианты группового использования нескольких мобильных РТС.
