CC BY
381
Толщина покрытий, полученных в результате проведения процесса МДО, составила 15-30 мкм.
Поверхность образцов с покрытием перед измерением микротвердости подвергали полировке на войлочным круге с полировальной пастой для большей точности определения границ отпечатка индентора. При этом покрытия удавалось отполировать до зеркального блеска. Микротвердость покрытий составила HV Увеличение плотности тока приводит к увеличению твердости покрытия.
Таким образом, для получения методом микродугового оксидирования равномерных по толщине и свойствам твердых защитно-декоративных покрытий целесообразно использовать растворы щелочей с концентрацией 3-4 г/л.
Рекомендуемый диапазон плотности тока 20-30 А/дм2. Уменьшение плотности тока ведет к увеличению пористости покрытия.
Поле допуска при изготовлении деталей под покрытие - 0,02 мм.
Список литературы:
1. Технологические возможности микродугового оксидирования алюминиевых сплавов / А.Е. Михеев, Н.А. Терехин, В.В. Стацура и др. // Вестник машиностроения. - 2003. - № 2. - С. 56-63.
2. Области применения и свойства покрытий, получаемых микродуговым оксидированием / Э.С. Атрощенко, И.А. Казанцев, А.Е. Розен, Н.В. Голованова // Физика и химия обработки материалов. - 1996. -№ 3. - С. 8-11.
3. Защитные оксидные слои на алюминии / В.С. Руднев, Т.П. Яровая, П.М. Недозоров // Коррозия: материалы, защита. - 2005. - № 6. - С. 21-27.
4. Влияние условий формирования на характеристики оксидных защитных пленок на алюминии / В.С. Руднев, Т.П. Яровая, А.Е. Лысенко и др. // Коррозия: материалы, защита. - 2007. - № 5. - С. 38-42.
5. Теплофизические свойства материалов, полученных микродуговым оксидированием / И.А. Казанцев, А.О. Кривенков, С.Н. Чугунов, Д.Б. Крюков // Материаловедение. - 2011. - № 3. - С. 22-27.
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ РОБОТАМИ ДЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ РАБОТ
© Логвинов В.И.*, Гальченко Г.А.4
Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
В статье рассмотрены различные типы дистанционного управления роботов, применяемых на ядерных объектах, в химической промыш-
* Доцент кафедры Робототехники и мехатроники, кандидат технических наук, доцент.
* Доцент кафедры Сервиса и технической эксплуатации автотранспортных средств, кандидат физико-математических наук.
ленности, при освоении подводного пространства, при проведении антитеррористических и военных операций, при работе с пожароопасными веществами.
Актуальным направлением в робототехнике является создание мобильных роботов для работы в экстремальных условиях. К ним относятся ядерная энергетика, освоение подводного и космического пространств, антитеррористические и военные операции, химическая промышленность, работы с пожароопасными веществами. Для таких роботов и манипуляторов необходимо применение дистанционного управления.
Наиболее простые системы такого управления так называемые системы биотехнического типа. Они требуют непрерывного физического участия человека в процессе управления. Известны три вида биотехнического управления: командное, копирующее и полуавтоматическое [1].
Для командного управления используется кнопочный пульт управления, с помощью которого оператор формирует команды на включение того или иного привода движения звеньев. Робот может находиться в зоне видимости оператора или на значительном удалении от него. Во втором случае используется телевизионная камера, установленная в рабочей зоне робота для обзора рабочей сцены и монитор в месте расположения оператора и пульта управления. Сигналы управления от оператора к роботу передаются по радиоканалу.
При копирующем управлении (master-slave) используется управляющая рукоятка, кинематически подобная манипулятору. Для задания желаемых движений оператор своей рукой может перемещать конец этой задающей руки (master arm). Система управления обеспечивает копирование движения рукоятки рабочим инструментом на конце манипулятора (slave arm) в рабочей зоне. Этот тип управления является более эргономичным и уменьшает психофизиологические нагрузки на оператора. Для его осуществления используются следящие приводы для каждой степени подвижности. Рассогласование между заданным значением обобщенной координаты и ее текущим значением, измеряемым датчиком положения координаты, является управляющим сигналом для приводов.
При полуавтоматическом управлении вместо кинематически подобной управляющей рукоятки для задания желаемых изменений обобщенных координат звеньев в качестве управляющей рукоятки используется джойстик, имеющий как правило столько же степеней свободы, сколько и управляемый манипулятор. Полуавтоматическое дистанционное управление имеет разновидности: позиционное управление, управление по вектору скорости или комбинированное позиционно-скоростное. Приводы манипулятора отрабатывают повторение рабочим инструментом манипулятора линейных и угловых перемещений джойстика и вектор скорости его перемещения. Следует отметить, что если при копирующем способе не требуется проводить специальных вычислений, то при полуавтоматическом управлении необходимо решать об-
ратную задачу кинематики для определения обобщенных координат в соединениях, соответствующих координатам, задаваемым джойстиком.
Если требуется точная координация движений манипулятора при выполнении сложных технологических операций, используется метод позиционного управления. При выполнении транспортных операций больше подходит управление по вектору скорости. Силовое взаимодействие манипулятора с инструментом и объектов в данных случаях отсутствует. В манипуляторах универсального типа используют комбинированное позиционно-скоростное управление.
Дальнейшее совершенствование дистанционного управления привело к предоставлению оператору не только визуальной информации, но и информации о силовом взаимодействии с объектами управления - к разработке комбинированного позиционно-силового управления [2].
Желаемая величина вектора усилий на задающей рукоятке или джойстике, должна быть равна или пропорциональна реальной величине усилия, воздействующего на манипулятор со стороны объекта манипулирования.
Рассмотренные типы дистанционного биотехнического управления приводят к значительным психофизиологичским нагрузкам на оператора, поэтому усилия исследователей были направлены на разработку такого управления, при котором оператор освобождается от непрерывного участия в управлении движением манипулятора с помощью задающей управляющей рукоятки или джойстика и выполняет интеллектуальные функции. Оператор ставит системе управления локальные, достаточно простые цели, которые она выполняет в автоматическом режиме под визуальным контролем оператора. При этом автоматический режим может обладать адаптивными или даже интеллектуальными свойствами, присущими данной СУ Такое управление называется супервизорным [3].
Совершенствование реализации супервизорного дистанционного управления осуществляется с использованием в контуре управления технологии виртуальной реальности (Virtual Reality) с эффектом «погружения». В соответствии с этой технологией создается стереоскопичное 3D-изображе-ние виртуального манипулятора, приближающееся по качеству к изображению реального манипулятора, и оператор на экране монитора воспринимает виртуальный манипулятор находящимся среди объектов компьютерно-синтезированного изображения внешней среды. Это позволяет осуществлять более детальную и тщательную проверку будущих действий робота.
Для большей реалистичности изображения компьютерно-синтезированное изображение модели внешней среды заменяется с помощью технологии Augmented Reality реальным стереоизображением внешней среды.
Развитие методов дистанционного управления совершенствуется также в направлении предоставления оператору кроме визуальной информации так называемой кинестетической информации об объекте, которую человек получает только при непосредственном контакте с ним (haptic). Это инфор-
мация о физических свойствах объекта: вес, инерция, усилие трения, свойства поверхности и т.д. Человеко-машинный интерфейс, для получения такой информации называется haptic interface [4]. Он создает у оператора реалистичное кинестетическое восприятие реально несуществующего объекта, присутствующего только в виде компьютерной модели объекта. Рассмотрим примеры видов дистанционного управления роботами.
Мобильный робототехнический комплекс разведки и пожаротушения МРК-РП (рис. 1) предназначен для проведения разведки и тушения локальных пожаров при ликвидации последствий аварий, отягощенных химическим и радиационным загрязнением.
Управление командного типа типа с переносного пульта управления (ПУ) на расстоянии: по кабелю до 200 м; по радио на открытой местности до 1000 м [5].
Многофункциональный робототехнический комплекс пожаротушения среднего класса ЕЛЬ-4 [6] обеспечивает доставку огнетушащих веществ и проведение работ по пожаротушению в условиях техногенных аварий, сопровождаемых повышенным уровнем радиации, наличием отравляющих и сильнодействующих веществ в зоне работ, осколочно-взрывным поражением; проведение специальных работ на месте пожара и чрезвычайной ситуации. Разработан ВНИИПО (РФ) (рис. 2). Управление командного типа выполняется в дистанционном режиме с машины управления, которая может находиться на расстоянии до 2 км при управлении по радио.
Рис. 1. Мобильный Рис.2. Многофункциональный
робототехнический комплекс робототехнический комплекс
разведки и пожаротушения МРК-РП пожаротушения ЕЛЬ-4
Мобильный робот «Варан» (рис. 3) предназначен для обнаружения, обезвреживания, уничтожения на месте или доставки в специальном контейнере в безопасное место взрывных устройств, способен также выполнять ведение разведки в городских или полевых условиях и работы в опасных для и жизни человека местах в условиях радиационного, химического и биологического заражения [7]. Управление командного типа выполняется в дистанционном режиме по кабелю до 200 м, по радиоканалу - до 1000 м.
Рис. 3. Мобильный робот «Варан
Рис. 4. Робот РТК-05
Робот РТК-05 - дистанционно-управляемое мобильное робототехниче-ское средство радиационной разведки и мониторинга (рис. 4), имеет мобильный пульт оператора с радиокомандным и телевизионным каналами связи. Система технического стереозрения обеспечивает получение трехмерной информации об окружающей обстановке и ориентирование робота относительно объекта. Разработан ЦНИИРТК (РФ) [8].
Мобильный робототехнический комплекс МРК-27, разработан СКТБ ПР (РФ) (рис. 5). Предназначен для проведения инспекционных проверок; аварийно-спасательных работ в условиях химического заражения и зонах повышенной радиоактивности, взрыво-технических работ. Оснащен 4-мя цветными телекамерами, Имеет управление командного типа с дистанционным пультом, оснащен 4-мя цветными телекамерами и 5-ти степенным манипулятором со схватом [9].
На Хенфордском хранилище радиоактивных отдходов (США) в очистке помещений и резервуаров, использовавшихся для хранения радиоактивных материалов, используются три вида роботов: Foldtrack, Salt Mantis и Off-Riser Sampling System «Possum».
Платформа «Possum» - шестиколесный аппарат может быть оборудован как скребком или экскаваторным ковшом, так и трехпалым манипулятором (рис. 6). Оснащен несколькими видеокамерами, может не только заниматься уборкой радиоактивных отходов, но и находить трещины и деформации в контейнерах долговременного хранения радиоактивных веществ. Имеет управление командного типа с дистанционным пультом [10].
Рис. 5. Мобильный робототехнический комплекс МРК-27
Рис. 6. Робот «Possum»
Фирма Schilling (Великобритания) выпускает линейку гидравлических манипуляторов с числом степеней свободы от 4 до 7, грузоподъемностью 68-250 кг, предназначенных для подводных работ, на ядерных и др. объектах и имеющих дистанционное управление от джойстика (рис. 7 а, б).
а) общий вид б) джойстик для управления
Рис. 7. Манипулятор TITAN 4
На основе двух манипуляторов TITAN II была спроектирована манипу-ляционная система DAWN для демонтажа 5 реакторов в лаборатории ANL в Чикаго (США). Управление осуществлялось в режиме «master-slave» [11].
Рис. 8. Гидравлический экскаватор Caterpillar 320CL
Рис. 9. MF4 - робот-разведчик
Немецкая фирма KHG[12] создала ряд гусеничных машин, оснащенных манипуляторами с дистанционным радиоуправлением: гидравлический экскаватор Caterpillar 320CL (рис. 8) для работы в зараженной местности; MF4-робот-разведчик для работы в зонах с высокой радиоактивностью (рис. 9); SMF-тяжелонагруженный робот грузоподъемностью до 100 кг для разнооб-
разных технологических задач при обеззараживании местности и зданий (рис. 10); инспекционный робот MF3 (рис. 11); LMF - робот для инспекционных и монтажных работ в зонах повышенной радиоактивности (рис. 12). У транспортного средства есть регулируемая геометрия шасси, которая позволяет ему преодолевать препятствия, такие как лестница, ямы, и т.д. Вращающаяся башня может быть оснащена гидравлическим манипулятором с числом степеней подвижности W = 6, грузоподъемностью 100 кг или электрическим манипулятором МА23 с W = 6, грузоподъемностью 25 кг. Робот оснащен также 4 видеокамерами (рис. 12).
Рис. 10. ЗМР - тяжелонагруженный Рис. 11. МР 3 - инспекционный робот робот
Главные узлы командного центра: управляющая рука; два видео монитора; 1 стереомонитор; 2 ПК; 2 пульта управления для транспортного средства и для манипуляторов (рис. 13).
Рис. 12. LMF - робот Рис. 13. Командный центр управления
У всех роботов дистанционное управление по радио или по кабелю с командного центра.
Фирма СYBERNETIX SA (Франция) [13] разработала программное обеспечение СухРго® (рис. 14) для управления сложными телеуправляемы-
ми модулями такими как роботы, манипуляторы, транспортные средства. Используются метод Virtual Realty, 3D графический интерфейс, сценарии с обнаружением столкновений. CyxPro® применимо для работы с любыми типами супервизорного дистанционного управления.
Рис. 14. Супервизорное управление с ПО CyxPro®
RODDIN - модульная поворотная крановая дистанционно управляемая платформа, используется для работ по утилизации ядерных объектов, грузоподъемность 100 кг, оборудуется 1 или 2 гидравлическими манипуляторами MAESTRO или SAMM, инструментом для резки труб и металла (рис. 15) [13].
Рис. 15. Крановая платформа RODDIN
Рис. 16. Платформа вертикального перемещения TOTEM
TOTEM - радиационно защищенная подвижная платформа с вертикальным перемещением грузоподъемностью до 90 кг для работ в атмосфере и
под водой, оснащена 1 или 2-мя гидравлическими манипулятороми SAMM, станцией дистанционного управления. Используется для обеззараживания на объекте Marcoule (Франция) [13] (рис. 16).
В международном проекте (Франция, Италия) [14] разработана архитектура супервизорного телеуправления манипулятора атономного подводного аппарата (рис. 17-18). Имеется 3 подсистемы: TM Supervisor - графический модуль, который дает возможность оператору программировать, моделировать и отслеживать исполнение. Вторая подсистема TM Controller -модуль управления манипулятором. Третья подсистема IAUV Simulator -моделирует кинематику манипулятора.
ryi Magritte
Шш Other
Supervisor Client
TM Controller
Рис. 17. Архитектура супервизорного управления
Рис. 18. Моделирование задачи
»Cold zone »Hot cell
Рис. 19. Супервизорная система управления MAESTRO
Для обслуживания нового поколения ядерных реакторов типа Токамак (ITEM) CEA-List и компанией Cybernetix (Франция) [15] разработана телеопе-
рационная система MAESTRO копирующего типа «master-slave». Она включает станцию управления («холодная зона») и исполнительную систему («горячая зона») (рис.19). Станция управления состоит из управляющей руки Haption Virtuose 6D (рис. 20), имеющей обратную связь по силе и скорости по 6 степеням свободы, контроллер задающей руки, 3D - графического супервизорного интерфейса системы Magritte и видеомониторов. Исполнительная система состоит из гидравлического манипулятора (рис. 21) с W = 6, контроллера манипулятора в защищенном от радиации исполнении, дистанционно управляемой видеокамеры PTZ c отслеживанием траектории инструмента.
Рис. 20. Задающая рука Master arm Virtuose 6D
а) манипулятор б) экспериментальная установка
Рис. 21. Исполнительный гидравлический манипулятор системы «master-slave»
Данная система способна работать в полуавтоматическом режиме, с использованием технологии виртуальной реальности, компенсации веса инструментов и предотвращении столкновений инструмента с препятствием. Особенность гидравлической системы манипулятора - использование обессоленной воды, которая не становится радиоактивной после облучения и испаряется при утечках в отличии от минеральных масел.
Во Франции для разработки проектов по утилизации ядерных объектов и обучения персонала разработана новая технология моделирования с исполь-
зованием виртуальной реальности, позволяющая увеличить эффективность проектов и снизить их стоимость [16]. Впервые эта технология использована для утилизации реального химического завода в Markoule (Франция) с очень высокой степенью радиоактивности. Робототехническая система представляет комбинацию кранового робота с 6 степенями свободы и манипулятора MAESTRO с W = 6 (рис. 22), обслуживает объем цеха 20 х 6 х 4 м в режиме «master-slave».
Создана комната «погружения» с экраном 3,7х2,7м и пассивной стереоскопической технологией Infitec, задающей рукояткой Virtuose 6D 35-45 с человеко-машинным интерфейсом «haptic interface», имеющей W = 6 c обратной связью по силе. Созданная 3D - модель с помощью пакетов Virtools 5.0 и 3DSMax, а также программного продукта IPSI позволяет проверить кинематику и траектории роботов, чтобы избежать столкновений с объектами. Эта технология позволяет погружать графические объекты в физическую среду для исследования. Обзор среды осуществляют 6 видеокамер и передают изображение на 6 мониторов в комнате погружения. Испытания дали положительные результаты.
Исследовательский проект по созданию многорукого мобильного робота для выполнения широкого круга задач при утилизации ядерных объектов разрабатывается в Ланкастерском университете (Великобритания) [17] (рис. 23).
Базовая платформа и несущий манипулятор взяты от шведского гидравлического многофункционального агрегата BROKK 40 [18], левая и правая «руки»-это гидравлические манипуляторы с W = 6 типа Hydro-Lek HLK-7W [19]. Цель проекта-создание полуавтономного телеуправляемого робота для задач демонтажа и дезактивации на ядерных объектах. На примере операции резания трубы исследуется пользовательский интерфейс дистанционного управления двумя манипуляторами, алгоритмы которого позволяют избежать столкновений в рабочей зоне робота.
а) общий вид
б) манипулятор Maestro
Рис. 22. Робототехническая система
„ _, _ »г Рис. 24. Робот радиационной
Рис. 23. Двурукий робот _ ^
разведки Брокк-Пионер
На базе шведского агрегата BROKK 90 [18] в РНЦ « Курчатовский институт» создали рототехнический комплекс «Брок-Пионер»(рис. 24) для проведения радиационных обследований в условиях среднего и высокого уровня радиоактивности [20]. Дистанционное управление машиной осуществляется как по кабелю, так и по радио на расстоянии 100 м. Измерительный блок системы навешивается на манипулятор робота, который доставляет аппаратуру в заданное место. Комплекс используется в работах по подготовке ядерного реактора к выводу из эксплуатации и разборке.
Рис. 25. Двурукий мобильный робот для экстремальных условий
Рис. 26. Структурная схема двурукого мобильного робота
В исследовательском проекте ДГТУ(Ростов-на-Дону) 2-х манипулятор-ный мобильный робот предназначен для выполнения технологических за-
дач по утилизации ядерных объектов и в чрезвычайных обстоятельствах (рис. 25-26). Дистанционное управление супервизорного типа по кабелю или радио позволит оператору осуществлять управление роботом из безопасной зоны. Предполагается оснащение робота комплектом инструментов, системами - технического зрения и информационно-измерительной, аппаратным и програмным обеспечением для выполнения сложных задач демонтажа, требующих скоординированной работы двух манипуляторов без столкновений в рабочей зоне. Джойстики для управления левой и правой рук манипулятора имеют обратную связь по силе и скорости. Основные технические характеристики робота: габаритные размеры в транспортном положении 1700 х 700 х 1000 мм; максимальная грузоподъемность двух манипуляторов более 200 кг:максимальная скорость передвижения 0,7 м/с; рабочая зона вокруг робота, радиус до 3000 мм; манипуляторы 7 степеней подвижности (со схватом), общая грузоподъемность 240 кг; наличие датчиков по положению и по силе; система технического зрения; энергообеспечение: по кабелю; сменные принадлежности: стальные ножницы, различные виды схватов, гидромолот и др. Рабочая ширина аутригеров 1500 мм [21].
Таким образом, проведенный анализ типов дистанционного управления роботами в условиях, где присутствие человека невозможно, показывает тенденцию развития методов в направлении супервизорного, интеллектуального, телеоперационного управления при значительном снижении психофизиологических нагрузок на оператора. Для этого используются новые технологии виртуальной реальности (Virtual Reality и Augmented Reality) с эффектом «погружения», комбинированное позиционно-силовое управление с задающими рукоятками типа Virtuose 6D35-45, имеющими обратную связь по силе и скорости по 6 степеням подвижности. При этом оператор кроме полной визуальной информации с помощью человеко-машинного интерфейса «haptic interface» получает и кинестетическую информацию о взаимодействии с объектами. Графический супервизорный интерфейс системы Magritte позволяет моделировать рабочие сцены в 3D, отслеживать траектории инструмента, компенсировать его вес и предотвращать столкновения с объектами. Все эти мощные аппаратно-программные средства позволят в перспективе разработать стратегии утилизации ядерных объектов с использованием робототехники и автоматизации в автономном режиме без участия человека.
Список литературы:
1. Кулаков Ф.М., Игнатьев М.Б., Покровский А.М. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. - Л.: Машиностр., 1977. - 247 с.
2. Попов А.В. Разработка и исследование систем комбинированного по-зиционно-силового управления манипуляторами: дисс. ... канд. техн. наук. -СПб., 2008.
3. Макарычев В.П. Разработка и исследование систем супервизорного управления космическими манипуляторами: дисс. ... канд. техн. наук. -СПб., 2005.
4. Adams R.J., Hannaford B. Stable Haptic Interaction with Virtual... // IEEE Trans. on Robot. and Aut. - 1999. - V15, № 3. - Р. 465-474.
5. Мобильный робототехнический комплекс разведки и пожаротушения МРК-РП [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.vniipo.ru/ntd.htm.
6. Многофункциональный робототехнический комплекс пожаротушения среднего класса ЕЛЬ-4 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.vnii-po.ru/ntd.htm.
7. Мобильный робот «Варан» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.robotmobot.ru/varan.html.
8. Робот РТК-05 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.rtc.ru/ production/robot-rtk05.shtml.
9. Мобильный робототехнический комплекс МРК-27 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mobot.ru.
10. Робот «Possum» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.3d news.ru/news/roboti.
11. Манипуляторы фирмы Schilling [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://schilling.com/interim/company.
12. Немецкая фирма KHG [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.khgmbh.de.
13. Программное обеспечение супервизорного управления [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.cybernetix.fr.
14. Badica M. An Arfitecture for supervising the telemanipulator of an / AUV -mounted robotic arm [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// roboti-ca.ica/upv/es/virtualrobot.
15. Dubus G, David O., Measson Y. From oil to pure water ... [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.intechopen.com/books/robotics-2010-current-and-future-challenges.
16. Chabal C., Proietti A., Mante J.-F., Idasiak J.-M. Virtual Reality Technologies: a Way to Verify Dismantling Operations. - ACHI, 2011.
17. Bakari M.J., Zied K.M., Seward D.W. Development of a Multi-Arm Mobile Robot for Nuclear Decommissioning Tasks // International Journal of Advanced Robotic Systems. - 2007. - V 4, № 4.
18. Brokk 40 robot information [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.brokk.com.
19. Hydro-Lek Manipulator information [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hydro-lek.com.
20. Смирнов С.В. Робот радиационной разведки// Безопасность окружающей среды. - 2008. - № 4.
21. Логвинов В.И., Олива Б.А. Структура двурукого мобильного робота для экстремальных работ. Наука и современность - 2011: сб. матер. Х Международной научн.-практ. конф.: в 2-х ч. Ч. 2 / Под общ. ред. С.С. Чернова. -Новосибирск: Изд. НГТУ 2011.
