Применение робототехники в космических исследованиях

Министерство образования и науки Украины

Донецкий политехнический техникум

Реферат:

На тему «Применение робототехники в космических исследованиях»

Выполнил:

ст.гр. ЭСИ-06-1

Василенко Т.В.

Проверил:

Логвинов А. В.

Донецк 2010 г.

Космическая робототехника - одно из самых перспективных направлений развития современной космонавтики. Возникнув на стыке пилотируемой и беспилотной космонавтики, она быстро сформировалась в самостоятельное направление, переживающее в настоящее время бурное развитие.

Робототехнической системой космического назначения является любой робот (или их совокупность), объединяющий в себе интеллектуальную подсистему управления, подсистему сенсоров, исполнительные органы, подсистему связи и телекоммуникаций. Основным назначением такого робота (или их совокупности) является автоматизация работ при функционировании орбитальных станций, космических аппаратов и их группировок в космическом пространстве, а также применение научно-исследовательских комплексов на поверхности Луны и планет Солнечной системы.

Космическая робототехника существенно расширяет функциональные возможности беспилотных космических аппаратов, доводя их практически до уровня пилотируемых кораблей. В пилотируемой же космонавтике робототехника позволяет существенно помочь космонавтам при работах, например, в открытом космосе, а также полностью освободить их от работы в условиях интенсивных ионизирующих излучений.

В целом космическая робототехника открывает новые горизонты не только для развития традиционных средств космонавтики, но и для создания принципиально новых типов космических аппаратов, совмещающих достоинства пилотируемых и беспилотных аппаратов. Особенно актуально это будет при исследовании других небесных тел.

Космическая робототехника уже сегодня позволяет резко повысить эффективность космических полетов, снизить расходы на их эксплуатацию, существенно расширить их функциональные возможности, на порядок увеличить ресурс и надежность, повысить безопасность космонавтов.

К основным робототехническим системам космического назначения относятся манипуляторы, планетоходы, устройства для работы внутри и снаружи космических кораблей (их обслуживание, регламентные и ремонтные работы) и другие.

Ниже приведены примеры роботов, использовавшихся и используемых в космических исследованиях.

I. Манипуляторы

1. Система бортовых манипуляторов "Аист"

Система бортовых манипуляторов (СБМ) "Аист" предназначена для выполнения операций на орбите с многотонными грузами: выгрузка доставленного груза, стыковка его с орбитальной станцией, захват свободно летящего в космосе объекта и погрузка его с последующим возвращением на Землю. СБМ была разработана в ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (г. Санкт-Петербург) для использования на МТКК "Буран".

В состав СБМ входят два манипулятора, представляющие собой многозвенные механизмы с электромеханическими приводами, система управления с бортовой ЭВМ и программным управлением, подсистемы телевидения, освещения, телеметрии и другие, обеспечивающие контроль за работой системы.

Для отработки СБМ в ЦНИИ робототехники и технической кибернетики создан уникальный комплексный испытательный стенд, позволяющий имитировать невесомость в земных условиях.

В условиях реального космического полета СБМ "Аист" не использовалась.

2. Бортовой манипулятор "Канадарм"

Бортовой манипулятор "Канадарм" кораблей многоразового использования системы "Спейс Шаттл" предназначен для выполнения операций на орбите с многотонными грузами: выгрузка доставленного груза, размещение доставленных с Земли объектов на околоземной орбите или помещение их в состав орбитальной станции, захват свободно летящего в космосе объекта и погрузка его с последующим возвращением на Землю, а также перемещение астронавтов во время работы в открытом космосе. Разработан специалистами канадской компании MacDonald Dettwiler and Associates (MDA) по заказу NАSА.

Представляет собой многозвенный механизм с электромеханическим приводом.

Эксплуатируется с 1991 года до настоящего времени.

3. Бортовой манипулятор "Канадарм-2"

Бортовой манипулятор "Канадарм-2" предназначен для перемещения полезных грузов из грузового отсека кораблей многоразового использования системы "Спейс Шаттл" к различным местам Международной космической станции (МКС), а также для транспортировки грузов и астронавтов снаружи станции во время выходов в открытый космос. Манипулятор также используется в случае необходимости детального осмотра расположенных далеко от обитаемых модулей элементов МКС. Разработан специалистами канадской компании MacDonald Dettwiler and Associates (MDA) по заказу NАSА.

Конструктивно состоит из двух "плеч", соединенных "локтевым суставом", и двух захватов-эффекторов LEE (Latching End-Effectors) - A и B, соединенных с "плечами" "запястьевыми суставами".

Эксплуатируется в настоящее время.

4. Робот-манипулятор ERA (Europea Robotic Arm)

Робот-манипулятор ERA предназначен для проведения операций по сборке, монтажу и перемещению грузов на борту космических кораблей и орбитальных станций, а также проведения инспекции внешней поверхности космических аппаратов. Одним из его преимуществ по сравнению с другими аналогичными системами является возможность работать с панелями солнечных батарей. Робот создан консорциумом из 22 компаний под руководством германской компании Dutch Space.

Состоит из двух одинаковых штанг (длиной по 5 м каждая), соединенных шарниром. На концах этих штанг находятся одинаковые крепежные системы, поэтому робот может прикрепляться к станции любым концом и перемещаться по ее поверхности, подобно пауку. Оснащен подсистемами телевидения, освещения, телеметрии и другими, обеспечивающими контроль за работой робота.

Предполагается доставка робота-манипулятора ERA на борт МКС и эксплуатация его там.

II. Планетоходы

Все планетоходы представляют собой автоматизированные самоходные комплексы, предназначенные для исследований на поверхности планет и других небесных тел. Различаются составом бортового оборудования, системами управления и связи, а также местом их использования (до настоящего времени - Луна или Марс, в перспективе - на поверхности любого небесного тела, за исключением звезд).

В период с 1970 года до 2007 года на поверхность Луны и Марса были доставлены и функционировали там следующие планетоходы:

1.        "Луноход-1" (1970 г.) и "Луноход-2" (1973 г.) - автоматизированные комплексы, созданные специалистами НПО им. С. А. Лавочкина при участии ВНИИТРАНСМАШ. Успешно функционировали в течение нескольких месяцев на поверхности Луны, доказав тем самым саму возможность создания подобных образцов техники.

2.        Марсоход "Суинджер" (1997 г.) - разработан и изготовлен кооперацией предприятий США под руководством Лаборатории реактивного движения по заказу NАSА. В течение трех месяцев работал на поверхности Марса.

3.        Марсоходы "Спирит" и "Оппортунити" - разработаны и изготовлены кооперацией предприятий США под руководством Лаборатории реактивного движения по заказу NАSА. Работают на поверхности Марса уже более трех лет.

В самое ближайшее время прогнозируется создание и доставка на поверхность небесных тел планетоходов, созданных в России, США, Китае.

III. Прочие робототехнические устройства

1. Шагающий адаптивный робот "Циркуль"

Шагающий адаптивный робот "Циркуль" предназначен для выполнения инспекций и других манипуляционных операций в труднодоступных технологических зонах: обслуживание и сборка космических станций, осмотр и ремонт трубопроводов и другого оборудования и т. д. Разработан в ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (г. Санкт-Петербург).

Основные особенности:

        комбинирование перемещения путем шагания и манипулирования объектами;

        мультиконтроллерная сетевая архитектура системы управления, размещенная в шарнирах манипулятора и конструктивно объединенная с механикой и бесколлекторным электроприводом;

        единая четырехпроводная информационно-энергетическая линия с вращающимися токосъемниками в шарнирах.

2. Функциональная модель космического манипулятора для проведения технологических операций в открытом космосе.

Функциональная модель космической робототехнической системы предназначена для проведения наземной стендовой отработки сборочных, транспортных, ремонтных и прочих операций, необходимость в которых возникает при строительстве и функционировании орбитальных космических станций. Разработана в ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (г. Санкт-Петербург).

Преимущества по сравнению с другими аналогичными устройствами: модульное построение, иерархическая структура системы управления, открытая структура программного обеспечения, оперативное планирование выполнения полетных операций.

Рабочие операции робота:

        элементарные операции сопряжения (захват универсальным захватом, соединение разъемов, закручивание винтов и т. п.);

        сборочные работы, обслуживание грузового отсека (смена блоков, загрузка в бункер, замена узлов, осмотр рабочей зоны);

        ремонт и обслуживание отсеков.

IV. Перспективные разработки

1. "Персональный помощник астронавта" (Personal Satellite Assistant, PSA)

Малоразмерное устройство, способное перемещаться во внутренних объемах кораблей и станций за счет миниатюрных реактивных двигателей. Предназначено для "информационной поддержки" астронавтов при их работе с бортовым оборудованием. Разработка ведется специалистами Исследовательского центра NASA имени Эймса.

Устройство оснащено датчиками атмосферы, измеряющими почти все ее параметры. Может служить средством непосредственной связи астронавтов и наземных центров управления полетом. Может работать автономно и по командам с Земли.

Устройство проходит летные испытания на борту МКС.

2. "Робонаут" (Robonaut)

Телеуправляемый робот-кентавр, представляющий собой новое поколение высокомобильных манипуляторов для работы в открытом космосе. Предназначен для оказания помощи астронавтам при работе в открытом космосе в экстремальных ситуациях (вспышка на Солнце, работа в зоне радиационных поясов и прочее) или когда астронавт не может выполнить те или иные операции в силу физиологических ограничений человеческого организма. Может перемещать грузы значительной массы с ювелирной точностью.

Работа ведется совместно NASA и Управлением перспективных проектов Министерства обороны США (DARPA).

Проект находится в стадии проработки.

Приведенные выше примеры - лишь малая часть того, что делалось, делается, и будет делаться в космической робототехнике.

Вместе с тем, говоря о сегодняшних достижениях космической робототехники, нужно понимать, что мы находимся лишь в начале пути. Возрастание состава задач, выполняемых с использованием робототехнических систем космического назначения, а также повышение требований к качеству их решения делает необходимым формирование адекватной концепции их развития.

Основными направлениями развития робототехнических систем космического назначения на ближайшую перспективу являются решение функциональных, технологических, сервисных и организационных задач, возникающих в ходе космических полетов, по результатам которых и должны быть сформулированы технические требования к перспективным робототехническим системам космического назначения.

Список литературы

1.      http://www.roboart.narod.ru/

2.      http://www.myrobot.ru/

3.      http://www.robotics.ru/

4.      http://www.krugosvet.ru/