CC BY
51
УДК 007:57; 517.9; 004.946
Б. И. Крючков, д-р техн. наук, заместитель начальника по научной работе, В. М. Усов, д-р мед. наук, профессор, главный научный сотрудник,
ФГБУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина»
Особенности применения биотехнических систем для подготовки космонавтов и инженерно-психологического проектирования
системы «человек—техника—среда»
Ключевые слова: космические роботы, инженерно-психологическое проектирование, исследовательский стенд, биотехнические системы.
Keywords: space robots, human engineering design, research stand, biotechnical systems.
Рассмотрены вопросы применения биотехнических систем для инженерно-психологического проектирования системы «космонавт — антропоморфный робот», а также для изучения ограничений человеческого фактора для космических робототехнических систем.
Введение
Инженерно-психологическое проектирование деятельности космонавта является одним из этапов разработки перспективных образцов космической техники. В соответствии с практикой профессиональной подготовки космонавтов эти исследования проводятся на исследовательских стендах и макетах пилотируемых космических кораблей. Применению космических роботов в пилотируемых полетах при планетарном освоении космоса также будут предшествовать эксперименты в наземных условиях.
Одной из главных задач инженерно-психологического проектирования является рациональное сопряжение человека и робота в условиях измененной гравитации в орбитальных полетах и при «напланет-ной» деятельности (на Луне и Марсе). Нами ставится задача определить место и роль биотехнических систем (БТС) в составе исследовательских стендов, с помощью которых предстоит уточнить, насколько значимо условия деятельности и особенности зрительного восприятия влияют на способности космонавта-оператора обеспечить задание движений для
антропоморфного робота в копирующем режиме и в полном объеме проконтролировать точное его выполнение.
Проблема сопряжения космических роботов с космонавтом-оператором и пути ее решения
с учетом ограничений человеческого звена
Новым направлением космической робототехники является построение антропоморфных роботов. Управление этими роботами в копирующем режиме требует исследования ряда вопросов, связанных с особенностями функционирования человека в космическом полете при измененной гравитации. В первую очередь объектом внимания должно стать состояния анализаторов человека, в частности зрительного анализатора, при предъявлении космонавту-оператору информации, получаемой с помощью системы технического зрения робота. В случаях когда зрительный контроль окружающей обстановки осуществляется только с применением цифровых систем видеонаблюдения, у космонавта-оператора возникают трудности восприятия взаимных положений и расстояний между движущимися объектами, что вытекает из различий зрительного восприятия при непосредственном наблюдении и при применении телевизионных систем отображения информации. Кроме того, как известно, в условиях измененной
№ 3(33)/2014 |
биотехносфера
гравитации существуют нарушения функционирования и взаимоотношений разных анализаторных систем в космическом полете. Дополнительные трудности точного выполнения двигательного акта человеком при копирующем управлении роботом возникают у космонавтов в условиях дефицита информации о силомоментных взаимодействиях исполнительного механизма с объектами труда в рабочем объеме. Следует иметь в виду и то обстоятельство, что при длительной работе космонавта с органами управления типа экзоскелета для антропоморфных роботов негативное влияние на точность задания движения оказывает фактор мышечного утомления (мышечный тремор), что также может проявляться при длительном ношении защитного снаряжения.
Эти вопросовы предполагается разрешить на нескольких уровнях моделирования: 1) на исследовательских («виртуальных») стендах с 3D-модели-рованием рабочей среды, динамических объектов в этой среде, включая перемещения и манипуляции антропоморфного робота, пультов управления этим роботом и др.; 2) на полноразмерных макетах космических аппаратов с использованием реального интерьера, реальных органов управления и виртуальных моделей робота; 3) на исследовательских стендах для бортового применения, которые можно рассматривать как прототипы бортовых тренажеров космонавта и как аппаратуру для космических экспериментов.
Применение БТС в составе исследовательского стенда должно позволить решать следующие задачи:
• учесть человеческий фактор на ранних стадиях проектирования эргатической системы «космонавт—робот—рабочая среда»;
• получить количественные оценки качества деятельности космонавта в отношении точности решения двигательной задачи при дистанционном управлении антропоморфным роботом для сравнения различных конструкций исполнительных органов и вариантов построения системы управления роботом;
• получить эмпирические данные в лабораторном и натурном эксперименте о психофизиологических ограничениях человеческого звена в отношении способности ведения пространственной ориентировки и зрительного распознавания сложных визуальных сцен при использовании технического зрения роботов;
• осуществить тренировку космонавтов и проведение космического эксперимента на борту пилотируемого комплекса для проверки работоспособности робототехнических изделий и их составных частей в реальных условиях космического полета.
Тем самым разработка новых поколений БТС рассматривается как важная составная часть исследовательских задач при эргономическом проектировании в области космической робототехники.
Расширить возможности БТС при их включении в состав исследовательских стендов позволит разработка следующих программно-аппаратных средств и методик выполнения объективного контроля:
• исполнительных движений космонавта-оператора и величины рассогласования между задаваемым движением исполнительного органа на стенде и исполнительного органа антропоморфного робота;
• движений глаз человека при визуальном контроле различных секторов рабочего пространства для ведения пространственной ориентировки, при определении расстояний между объектами сложной визуальной сцены, поиска объекта воздействия и идентификации опасных ситуаций в плане столкновения движущегося робота с объектами в рабочем объеме;
• коммуникативной активности космонавтов, включая прохождение речевых команд для подтверждения исполнения роботом движений или экстренной остановки выполнения движения в опасных для здоровья и работоспособности космонавта ситуациях (исходя из требований безопасности космического полета).
Заключение
Предлагается с помощью БТС, применяемых для объективного контроля функционального состояния космонавта, оценки качества деятельности космонавта-оператора при управлении антропоморфным роботом в дистанционном режиме, коммуникативной активности космонавта и других показателей, выявить те преимущества и те ограничения человеческого звена, которые влияют на эффективность и надежность эргатической системы «космонавт-оператор—антропоморфный робот—рабочая среда» в целом.
В настоящее время Центр подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина совместно с ЦНИИ машиностроения и НПО «Андроидная техника», опираясь на многолетний опыт наземных и полетных испытаний космической техники, проводит работы по определению облика и эксплуатационных характеристик эргатической системы «космонавт—оператор—антропоморфный робот—рабочая среда» с применением исследовательских стендов и БТС для инженерно-психологической оценки деятельности космонавта и его психофизиологических возможностей при дистанционном управлении антропоморфным роботом.
биотехносфера
| № 3(333/2014
