CC BY
22
The work is devoted to the study of the issues of the efficiency of the on-board computer complex of the Earth remote sensing spacecraft and the development of a model of the functioning of the on-board computer complex of the Earth remote sensing spacecraft in the process of data collection and processing, depending on the background situation. The problems of optimal planning of computing resources on the means of an onboard computing complex in conditions of a difficult-to-predict increase in computing load and issues of ensuring the effective functioning of an on-board computing complex in an unfavorable background - target environment are considered.
Key words: Earth remote sensing spacecraft, planning of computing resources, onboard computing
complex.
Popov Dmitriy Gennadievich, postgraduate, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F.Mozhaisky,
Orkin Vadim Vitalevich, candidate of technical sciences, lecturer, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F.Mozhaisky,
Ledyankin Ivan Aleksandrovich, candidate of technical sciences, lecturer, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F.Mozhaisky,
Antonov Dmitriy Aleksandrovich, postgraduate, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 681.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-86-91
ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ МАНИПУЛЯЦИОННЫХ РОБОТОВ
В РЕШЕНИИ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ
A.A. Жиленков, A.A. Саенко, Йе Хтун
Роботизированный манипулятор способен автоматически перемещать объекты или манипулировать ими в зависимости от заданного количества степеней свободы. Эти степени свободы также известны как оси. Каждая ось робота-манипулятора соотносится с количеством двигателей внутри робота. Роботизированные манипуляторы могут варьироваться от двух осей до десяти и более. Большинство роботов, используемых в промышленных условиях, имеют от четырех до шести осей. Ше-стиосевые роботизированные манипуляторы являются наиболее распространенными, поскольку диапазон их движений аналогичен человеческой руке.
Ключевые слова: манипуляционный робот, электроника, строительство, химическая промышленность, кинематика.
Концепция спроектировать и сконструировать какие-то существа или устройства, которые могли бы выполнять повторяющиеся или сложные задачи, тем самым избавляя людей от этого бремени, начинается с древних времен. Начиная с грекоэллинистической эпохи некоторые из этих устройств, которые были названы автоматами, были спроектированы и созданы гениальными изобретателями, принадлежащими к нескольким различным цивилизациям на протяжении веков. Термин "автоматы" в основном относится к устройствам, подобным человеку, в то время как термин "робот" имеет более общее значение [1].
Промышленная робототехника — это отрасль робототехники, которая приобрела первостепенное значение в прошлом веке. Присутствие роботов полностью изменило промышленную среду всего за несколько десятилетий.
Первое поколение промышленных роботов появилось в период с 1950 по 1967 год. Задачи, которые роботы первого поколения были способны выполнять, обязательно были довольно тривиальными, такими как погрузка-разгрузка или простые операции по обработке материалов [1-2]. Девол Мэлоун для внедрения своих идей касательно промышленного манипуляционного робота нуждался в партнере предпринимателе.
В 1969 году наличие роботов в японских фирмах значительно возросло, в том числе благодаря тому, что Unimation разрешила Kawasaki Heavy Industries Ltd использование своих технологий. Сертификация на производство роботов для японского и азиатского рынков. В частности, это привело к изобретению Kawasaki-Unimate 2000, первого промышленного робота, когда-либо созданного в Японии [2-4].
Промышленные роботы следующего поколения, то есть второго (проектировались примерно с 1968 по 1977 год) были начальными программируемыми механизмами с неполными возможностями самоадаптивного поведения и простейшими способностями распознавать внешнюю среду.
В начале истории промышленной робототехники роботы имели гидравлические приводы. Переход от гидравлических приводов к электрическим произошел в 1970-х годах, когда электронные компоненты, необходимые для управления роботом, достигли абсолютной технической зрелости. На самом деле, микропроцессоры и иные компоненты начали обширно использоваться тогда: это позволило изготовителям роботов располагать мощными и экономичными устройствами, которые можно было бы использовать для введения систем управления, способных справиться со сложной и дорогостоящей в вычислительном отношении задачей, такой как управление роботом.
Экономическая и геополитическая обстановка на международном уровне также подтолкнула стремление к созданию роботов с электрическим приводом: например, стоимость не переработанной нефти внезапно выросла после нефтяного кризиса, последовавшего за войной в Киппур (октябрь 1973 года). Таким образом, компании были вынуждены искать высокоэффективные способы создания: роботы (и в частности, роботы с электрическим приводом) соответствовали целям уменьшения затрат и повышения производительности [1, 5].
С научной точки зрения значительной базой для разработки роботов с электрическим приводом стала заслуга Виктора Шейнмана. Шейнман был студентом-механиком Стэнфордского университета, который в 1969 году спроектировал и создал знаменитый Стэнфордский манипулятор. Этот робот был первым прототипом робота, приводимого в движение электродвигателями (6 двигателей постоянного тока) и управляемого микропроцессором PDP-6. Манипулятор Stanford имел 5 поворотных и одно призматическое соединение, в общей сложности 6, а его кинематическая цепь состояла из гармонических приводов и цилиндрических редукторов. Его обратная кинематика могла быть аналитически решена в замкнутом виде, что позволяло очень быстро выполнять движение по заданной траектории. Кроме того, на роботе были установлены некоторые датчики (тахометры и потенциометры) для измерения положения и скорости шарниров робота.
В 1973 году Шейнман придумал иного электрического робота, который был компактней и более легок чем промышленные роботы тех времён. Это сделало Vicarm наиболее подходящим для использования в таких задачах, как сборка деталей, где роботу не требовалось брать и переносить большие грузы. Эти отличия Vicarm были столь оценены, что Unimation выкупила фирму, производившую Vicarm, и использовала ее нововведения для создания (в 1978 году) известного робота PUMA.
Тем временем иные компании создавали другие виды промышленных роботов. В 1974 году, ведущий производитель станков, создал робота с именем T3 (аббревиатура от "Инструмент завтрашнего дня"), который был поставлен на несколько машиностроительных предприятий, и особенно на заводах в Швеции. T3 был новейшим коммерчески доступным промышленным роботом с миникомпьютерным управлением [1, 6].
Манипуляционный робот. Общая конструкция робота-манипулятора состоит из жестких звеньев, которые соединены шарнирами. Один конец манипулятора закреплен на основании, в то время как другой конец свободен и используется для выполнения различных роботизированных задач. Структура роботизированного манипулятора будет определять досягаемость его конечного эффектора и его рабочую область.
Роботизированные манипуляторы обычно делятся на две части: руку/корпус и запястье. Рука и корпус манипулятора управляют перемещением объектов в пределах рабочей зоны робота.
Существует несколько типов роботизированных манипуляторов. Эти типы различаются в зависимости от комбинации соединений и включают декартовы, цилиндрические, полярные, шарнирные, SCARA и дельта-конфигурации. Шарнирно-сочлененные манипуляторы являются наиболее широко используемым и признанным типом в производстве. Они оснащены поворотным плечевым суставом, который позволяет вращаться. Декартовы манипуляторы состоят из призматических или скользящих шарниров, обеспечивающих прямоугольную рабочую оболочку. Цилиндрический и полярный манипуляторы состоят из вращающихся шарниров. Рабочая оболочка цилиндрических роботов является цилиндрической, в то время как полярные роботы работают внутри сферической оболочки.
Манипуляторы можно различить по способу их управления. Существуют автономные манипуляторы, не требующие вмешательства человека; полуавтономные, выполняют задачи по заложенному алгоритму; управляемые, они требуют постоянного вмешательства человека [2,7].
Все роботизированные манипуляторы включают в себя контроллер и обучающую подвеску. Обучающий кулон используется для программирования робота-манипулятора, в то время как контроллер функционирует как "мозг", позволяя роботу интерпретировать и выполнять желаемые операции программы. То, как работает манипулятор, зависит от его грузоподъемности, скорости и повторяемости.
Роботы-манипуляторы способны автоматизировать целый ряд различных типов приложений. Некоторые из наиболее распространенных включают автоматизированную сварку, роботизированную сборку, удаление материала, погрузочно-разгрузочные работы, покраску, роботизированную укладку на поддоны и автоматическую сборку и размещение. Достижения в области технологий значительно повысили точность роботизированных манипуляторов, позволив автоматизировать новые приложения, такие
как роботизированная 3D-печать. По мере того как манипуляторы становятся все более совершенными, расширяется и сфера применения роботов. Производственные процессы становятся более эффективными, надежными и производительными благодаря автоматизации промышленных роботов.
Манипуляторы в сфере электроники. Манипуляторы используются в различных видах деятельности, они выполняют совершенно разные задачи. Пример манипулятора для создания электроники представлен на фотографии. Эти роботы созданы для улучшения работоспособности предприятия, снижение расходов, а также благодаря манипуляторов уменьшается время поставленной задачи.
Манипуляторы в строительстве. Механизация в строительстве — это очень важный элемент, который много лет развивается и будет развиваться, так как он ускорят работу человека начиная с грузо-перевозчиков заканчивая роботом, который сам укладывает кирпич. Робот манипулятор, укладывающий кирпичи (рис 1). В данной сфере роботы-манипуляторы могут во многом заменить человеческий труд. Благодаря роботам время окончания работ и возведения зданий многократно может увеличиться, так как данная работа энергозатратна для человека, для робота это не проблема. Из-за человеческого фактора есть вероятность ошибки, манипуляторы позволяют избежать эту проблему. Еще одним из важных моментов — это уменьшение количество отходов. С помощью роботов-манипуляторов можно строить сложные геометрические формы. Очень важно, что стройплощадка очень травмоопасное место, с помощью манипуляторов мы сохраняем жизнь многим людям. Во многих регионах нашей огромной страны климатические условия не позволяют выложиться рабочим на 100%, роботы-манипуляторы заменят и ускорят работу. Один из хороших примеров — это робот который укладывает кирпич вместо человека. Пример такого робота указан на рис. 1. Возведение кирпичной укладки - это очень трудоёмкое и однообразная работа. Однако при ее выполнении надо тщательно контролировать горизонтальность рядов, чтобы все было ровно. Роботы-манипуляторы, работающие по соответствующей программе, легко справляются с задачей, сокращая время работы, пока робот делает эту работу человек может заняться совершенно другим занятием, которое робот пока выполнить не может, но это вопрос времени.
Рис. 1. Робот манипулятор, укладывающий кирпичи
Химическая промышленность. Это сфера контакта с очень опасным для здоровья веществами. Внедрение роботов-манипуляторов в химическую промышленность минимизирует участие людей в процессе производства. При работе возможен контакт с химическими, токсическими веществами, едким и легковоспламеняющимся веществами. При изготовлении и упаковке подобных продуктов требуется повышенная осторожность. В сферах, где присутствие человека обязательно, используются специальные коллаборативные роботы, которые взаимодействуют с работниками. Пример такого робота указан на рис. 2. Манипуляторы выполняют такую работу, как анализ белка, тестирование на воспроизведенное^, диагностические исследования на патогенные микроорганизмы. Автоматизированная микропипетка позволяет одновременно создавать около миллиона различных кристаллов и анализировать их с помощью рентгеновской кристаллографии.
Рис. 2. Робот манипулятор, используемый в лабораториях
88
Манипуляторы в медицине и фармацевтике. Такие манипуляторы обычно сверхчувствительные, имеют биосовместимость покрытие. Медицина - это невероятно точная деятельность, которая может повлиять на жизнь человека, здесь не должно быть ни единой ошибки. Когда человек проводит многочасовую операцию, все это время врачам нужно быть на максимум настроены и не ошибиться, но мы люди и можем ошибаться, роботы-манипуляторы не могут допустить ошибку, благодаря этому могут долго работать и выполнить свою работу на отлично. В медицине есть роботы-ассистенты, именно с них началась история роботов. Сегодня они становятся более точными и универсальными. Многие роботы оснащены сенсорной системой распознания, что гарантирует безопасную работу с человеком, легким контролем управления, специальным покрытием, которое соответствует самым высоким требованиям стерильности, гигиены, а главное безопасности пациента. Данный робот - ценный медицинский помощник, которого можно задействовать в проведении эндоскопии и биопсии, лазерного рассечения костей или введения транспедикулярных винтов. Пример робота для проведения операций изображен на рис. 3. В наше время есть врачи, которые управляют роботами. Это стирает грань между "медицинским инструментом" и "роботом", так как прибор находиться под полным контролем хирурга. Данный метод невероятно точен и безопасен при сложных хирургических операциях. Робот под управлением врача может провести операцию абсолютно точно, это значит с минимальными разрезами, следовательно, уменьшение кровотечения, снижение риска инфицирования и ускорения заживления раны.
Рис. 3. Робот, используемый для проведения сложных операций
Манипуляторы в военной сфере. Учитывая уровень развития робототехники и искусственного интеллекта в наше время, было бы наивно предполагать, что силовые структуры не используют это в своих целях. Создание робототехнических комплексов является современным направлением развития военной сферы. Считается, что в будущем робототехнические устройства могут заменить человека при выполнении боевых действий, спасая человеческие жизни. Роботы создаются в России, Китае, Японии, США, Израиле, Южной Корее и в других странах. Роботы-манипуляторы играют важную роль в военной сфере. Одна из важных ролей роботов- манипуляторов это безопасность солдат и гражданских. Часто используются манипуляторы как разведчиков, а также для разминирования бомб. Отдельная группа — это роботы-саперы. Они используются военными довольно давно и во многих фильмах можно увидеть, как они работают в деле. Оператор с довольно безопасного расстояния аккуратно работает с взрывным устройством, а его руками выступает робот-манипулятор. Пример военного робота манипулятора изображен на рис. 4. Основной принцип их работы не изменялся довольно давно, хотя они до сих пор совершенствуются, улучшается скорость, управление, вес и размер машины. В наше время все роботы - за редким исключением -управляются удаленно. Ведь, несмотря на все плюсы и достижения роботов, они еще не в состоянии принимать ответственные решения, отличать своих от чужих, мирное население от террористов и так далее. Но многие специалисты говорят, что не за горами то время, когда искусственный интеллект придет в сферу военной робототехники. Каждый год Пентагон и другие агентства безопасности США выплачивают более 10млрд $ Агентству перспективных оборонных исследований (DARPA), которое наблюдает над инженерными и военными исследованиями. На создание боевых роботов, которые в будущем можно будет использовать на поле боя, уходит большая часть бюджета.
Рис.4. Военный робот манипулятор
Манипуляторы в автомобильном производстве. В первую очередь манипуляторы нашли свое применение в сфере машиностроения. Первыми компаниями, внедрившими эту технологию в своё производство, стали Ford и General Motors. Сейчас нельзя представить автомобильный завод без использования манипуляторов. Там они используются для переноса крупногабаритных деталей, соединения деталей (сварка), сбор мелких механизмов таких как двигатель или системы торможения, сбор электроники, окрашивание кузова. Пример робота манипулятора изображен на рис. 5. Раньше всем этим занималось немалое количество человек, но теперь для каждой из областей создания автомобилей достаточно одного человека (оператора). Ещё когда автомобильная промышленность зарождалась, автомобили имели большую стоимость, но с приходом автоматизации, доступность автомобилей выросла по всему миру.
Рис. 5. Манипуляторы, используемые для создания машин
Заключение. О роботах начали говорить уже в 20 веке. Роботы манипуляторы в современном мире используются во многих промышленных предприятиях. В наше время — это очень серьезный шаг механизации труда, ведь много сфер деятельности в которых человек проигрывает. Робот имеет такие плюсы как: он не имеет усталости; может выполнять безошибочно работу на протяжении долгого времени; в военной сфере может выполнять работу, не подвергая человека опасности; робот будет дешевле в обслуживании, чем платить зарплату человеку; скорость — роботы могут быть значительно сильнее людей. В дальнейшем роботы будут заменять все больше и больше людей.
Список литературы
1. Peshkin M.A., Colgate J.E., Wannasuphoprasit W., Moore C.A., Gillespie R.B., Akella P. Cobot architecture // in IEEE Transactions on Robotics and Automation. Vol. 17. No. 4. P. 377-390. DOI: 10.1109/70.954751.
2. Haddadin S., De A. Luca, Albu-Schäffer A. Robot Collisions: A Survey on Detection, Isolation, and Identification // in IEEE Transactions on Robotics. Vol. 33. No. 6. P 1292-1312. DOI: 10.1109/TR0.2017.2723903.
3. Жиленков А.А. Защита информации в мультиагентных системах на базе динамического хаоса / А. А. Жиленков, А. В. Воронова, С. Г. Черный // Системы управления и обработки информации. 2021. № 3(54). С. 40-52. EDN UUWQNE.
4. Манипуляторы для мобильных роботов. Концепции и принципы проектирования / В.М. Ге-расун, В.И. Пындак, И.А. Несмиянов [и др.] // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2012. № 44. С. 1-24. EDN PATYCT.
5. Нгуен Х.Т. Обеспечение достижимости и устойчивости при синтезе робастного дискретного управления с прогнозирующей моделью в условиях неполной информации / Х. Т. Нгуен, А. А. Жиленков, Б. Х. Данг // Computational Nanotechnology. 2020. Т. 7, № 2. С. 29-33. DOI 10.33693/2313-223X-2020-7-2-29-33. EDN GOHCBE.
6. Shchokin V.P. Adaptive fuzzy systems on FOREL class taxonomy / V. P. Shchokin, S. G. Cher-nyi, A. S. Bordug // Software & Systems. 2014. No. 4. P. 114-117. DOI 10.15827/0236-235X.108.114-117. EDN TPOWGX.
7. Жиленков А.А. Моделирование и разработка устройства диагностирования параметров нестационарных гармоник сетевых токов и напряжений автономной электроэнергетической системы в режиме реального времени / А. А. Жиленков, С. Г. Черный // Морские интеллектуальные технологии. 2014. № 4-2(26). С. 45-49. EDN TIXUGN.
Жиленков Антон Александрович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедры, zhilenkovanton@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет,
Саенко Артемий Антонович бакалавр, saenkoart@smtu.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет,
Йе Хтун, инженер, yetun53@gmail.com, Мьянма, Мандалай, Инженерно-технический центр
POSSIBILITIES AND LIMITATIONS OF MODERN MANIPULATION ROBOTS IN SOLVING APPLIED
PROBLEMS
A.A. Zhilenkov, A.A. Saenko, Ye Htun
The robotic arm is capable of automatically moving or manipulating objects depending on a given number of degrees of freedom. These degrees of freedom are also known as axes. Each axis of the robotic arm corresponds to the number of motors inside the robot. Robotic arms can range from two axes to ten or more. Most robots used in industrial environments have four to six axes. Six-axis robotic arms are the most common because their range of motion is similar to that of a human hand.
Key words: manipulation robot, electronics, construction, chemical industry, kinematics.
Zhilenkov Anton Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, head of department, zhilen-kovanton@gmail. com, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Marine Technical University,
Saenko Artemy Antonovich, bachelor, saenkoart@smtu.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State Marine Technical University,
Ye Htun, engineer, yetun53@gmail. com, Myanmar, Mandalay Engineering and Technology Center
УДК 528.013; 699.8
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-91-94
ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
С.И. Богомолов
В статье изложены особенности экспресс-оценки остаточного ресурса зданий и сооружений наземной космической инфраструктуры в ходе длительной эксплуатации с использованием вибродиагностического метода.
Ключевые слова: экспресс-оценка остаточного ресурса, здания и сооружения, наземная космическая инфраструктура, особые условия эксплуатации.
Здания и сооружения (ЗиС) объектов наземной космической инфраструктуры (ОНКИ) имеют разнообразное конструктивное исполнение и располагаются по всей территории РФ в различных природно-климатических зонах от арктической до субтропиков.
ОНКИ свойственна широкая номенклатура ЗиС: стартовые сооружения, монтажно-испытательные корпуса, технические здания, склады, дизель-электрические станции, трансформаторные, антенные системы, административные здания и др. Все ЗиС имеют различную конструктивную форму: каркасные, бескаркасные, с неполным каркасом, блочные.
При использовании по назначению ЗиС ОНКИ подвергаются различного рода воздействиям техногенного, антропогенного и природного характера, что накладывает особые требования на процесс эксплуатации. Задача оценки остаточного ресурса ЗиС в связи с этим является актуальной и требует особого внимания для обеспечения безопасности их эксплуатации.
Задача определения остаточного ресурса может быть решена на двух уровнях:
- высшем, использующий возможности теории вероятностей с учетом временных характеристик рассеянных величин;
- низшем, соответствующий детерминистическим расчетам.
В настоящей статье рассмотрен метод, использующий возможности теории вероятностей с учетом временных характеристик рассеянных величин [1]. В целях оперативной оценки физического состояния (в том числе, обнаружения скрытых дефектов) ЗиС рекомендуется использовать подход, основанный на сопоставлении экспериментальных и проектных (расчетных) изгибных жесткостей опасных сечений конструктивных элементов по отношению квадратов соответствующих частот собственных колебаний [2].
