Робототехника в космосе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт кибернетики

Направление - Мехатроника и робототехника

Кафедра интегрированных компьютерных систем управления

РОБОТОТЕХНИКА В КОСМОСЕ

Выполнил студент гр. 8Е21 _________ ________ В.В. Катков

Проверил _________ ________ А.М. Малышенко

Томск - 2012

Оглавление

• Введение
• что такое косморобот
• цели и задачи
• типы роботов
• Манипуляторы
• Прочие робототехнические устройства
• Роверы
• Перспективные разработки
• Персональный помощник астронавта
• Робонаут
• заключение
• Список литературы

Введение

Вопрос замены человека роботами начал рассматриваться учеными и фантастами еще в начале ХХ века. Человек все больше и больше осваивал окружающее пространство, расширял сферу своей деятельности. Все чаще человек направлял свою работу в те среды, где для его здоровья и жизни условия окружающего пространства представляли опасность. Поэтому задача создания роботов для работы в опасных для человека условиях стал жизненной необходимостью. Сначала человек заменил роботами выполнение трудоёмких операций, таких как автоматизированная линия сборки автомобилей. Чем дальше шёл технический прогресс, тем в больших областях хозяйственной деятельности человека находили применение роботы и робототехнические системы.

В настоящее время роботы стали неотъемлемой частью производства, высвобождая человека в его трудовой деятельности, космос является одной из областей применения автоматизированных и робототехнических систем в связи с высокой опасность работы человека в открытом космосе.

Использование робототехники для целей исследования и освоения космоса является одним из самых знаковых направлений науки и техники. Современный уровень развития космической робототехники уже позволяет решать большой круг практических задач, однако по-настоящему впечатляющие перспективы в освоении космического пространства следует ожидать от уже формирующейся качественно новой робототехники завтрашнего дня. Уже сегодня отрабатываются различные конструкции робота - помощника космонавта , завтра встанет вопрос о создании его дублера и превращении обитаемых космических аппаратов в посещаемые.

Что такое косморобот?

Космороботы - это роботы, приспособленные работать в космическом пространстве. Преимущество космических роботов перед человеком заключается в том, что они могут работать в крайне неблагоприятных условиях и обходиться без каких-либо ресурсов, так как в большинстве случаев они работают на солнечных батареях. Также гораздо легче будет пережить потерю такого робота, чем гибель астронавта. Обычно, задача косморобота заключается в проведении какой-нибудь научной работы (например, собрать образцы грунта, просканировать их и отправить собранные данные учёным на Землю). Вообще-то, тоже самое может сделать и обычный робот, работающий на земной поверхности, но к космороботу есть несколько основных требований, которым он должен соответствовать.

§ перенести запуск

§ функционировать в сложных условиях враждебной среды

§ весить как можно меньше

§ потреблять мало энергии и иметь долгий срок службы

§ работать в автоматическом режиме

§ обладать чрезвычайной надежностью

Для того, чтобы соответствовать всем этим требованиям, учёные создают все новые и новые устройства, механизмы, приводы, микроконтроллеры, обладающие высокой прочностью и использующим как можно меньше энергии. Эксперты подсчитали, что отправление на Марс человека будет стоить примерно 200-300 миллиардов долларов, при том что это будет безвозвратное отправление. Еще придется потратить несколько месяцев на психологическую адаптацию участников экспедиции. А отправка корабля, на борту которого будет робот, обойдется примерно в 5-10 миллиардов долларов. Так что роботы в космосе обходятся намного дешевле, чем люди.

Цели и задачи

Первоочередными задачами космической робототехники в ближайшее время будет осуществление технического обслуживания спутников, сборка на орбите космических объектов, а также очистка околоземного космического пространства от техногенного мусора. Новой задачей является также использование ядерных энергоустановок на отечественных космических кораблях, что разумеется невозможно без применения робототехники.

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.

Типы роботов

Манипуляторы

Система бортовых манипуляторов "Аист"

Система бортовых манипуляторов (СБМ) "Аист" (рис.1) 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.

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.

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

Робот-манипулятор ERA (European 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.

Прочие робототехнические устройства

Шагающий адаптивный робот "Циркуль"

Шагающий адаптивный робот "Циркуль" (рис.2) 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.

Роботы - аватары

Роботы - аватары - это роботы, полностью копирующие людей, и способные в точности повторять движения человека, находящемся в специальном костюме (рис.3). Смысл в том, что человек, например какой-нибудь ученый, одевает специальный костюм, после чего робот начинает повторять все движения головы, ног, рук и даже пальцев. Нужно это по нескольким причинам:

· Во-первых - это гораздо упрощенная конструкция кораблей, которые будут посылать аватара в космос, так как не надо встраивать в корабль систему жизнеобеспечения, роботу этого не нужно.

· Во-вторых - робота не нужно забирать обратно с луны, чего нельзя сказать про космонавта. То есть корабль рассчитывается только на полёт в один конец.

· В-третьих - робот может работать в более жестких условиях, чем человек.

· В-четвертых - костюм, управляющий роботом, может одеть любой человек, например, с начала его может одеть ученый, исследуя то, что ему нужно, потом его может одеть инженер, для того чтобы что-либо починить (например, деталь в самом роботе, вышедшую из строя) и так далее…

Но у робота есть один неоспоримый минус - задержка в сигнале, посылаемом от костюма к роботу, и от видеокамеры робота на Землю, будет очень велика. Если для Луны эта задержка составит около 3 секунд, то для Марса эта задержка будет в разы больше, что уже значительно осложнит управление этим роботом. Так что в ближайшее время их можно будет использовать только вблизи Земли, например на Луне или на космических станциях.

человек робот космический исследование

Роверы

Самые распространенные из автоматических аппаратов, использующихся в космических исследованиях - это роверы (луноходы, марсоходы). Такой робот может передвигаться по поверхности другой планеты, неся на борту научные приборы. Как правило, и сам ровер, и научное оборудование на нем функционируют в автоматическом режиме.

Они 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).

"Луноход-1" (1970 г.) и "Луноход-2" (1973 г.) - автоматизированные комплексы, созданные специалистами НПО им. С. А. Лавочкина при участии ВНИИТРАНСМАШ (рис.4). Успешно функционировали в течение нескольких месяцев на поверхности Луны, доказав тем самым саму возможность создания подобных образцов техники (главным отличием Лунохода-2 от Лунохода-1 являлось наличие третьей телекамеры, установленной на уровне человеческих глаз, что позволяло смотреть намного дальше)

"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.

Марсоходы "Спирит" (рис.5) и "Оппортунити" - разработаны и изготовлены кооперацией предприятий США под руководством Лаборатории реактивного движения по заказу NАSА. Работают на поверхности Марса уже более трех лет.

"Кьюриосити" - Марсоход нового поколения (рис.6), по размерам который в несколько раз больше и тяжелея аппаратов-близнецов «Спирит» и «Оппортьюнити». После восьми месяцев путешествия 6 августа совершил посадку в районе марсианского кратера Гейл. Перед марсоходом "Кьюриосити" стоит цель сбора проб почвы и атмосферы Марса, а также подготовка к высадке человека на Марс.

Луноход-1

Технические характеристики:

§ Масса - 756 килограмм

§ Длина - 4,42 метра

§ Ширина - 2,15 метров

§ Высота - 1,92 метра

§ Диаметр колес - 510 миллиметров

§ Ширина колес - 200 миллиметров

§ Колесная база - 1700 миллиметров

§ Ширина колеи - 1600 миллиметров

Оборудование:

§ Две телекамер), четыре панорамных телефотометра,

§ Рентгеновский флуоресцентный спектрометр

§ Рентгеновский телескоп

§ Одометр-пенетрометр

§ Детектор радиации

§ Лазерный рефлектор

§ Антенна для передачи информации на Землю

Спирит и Оппортьюнити

Технические характеристики:

§ Масса - 185 килограмм

§ Длина - 1,6 метров

§ Ширина - 2,3 метра

§ Высота - 1,5 метра

§ Максимальная скорость 50 миллиметров в секунду

§ Рабочая температура - от -40оС до +40оС

Оборудование :

§ Бур

§ Две телекамеры

§ Микроскоп

§ Два спектрометра

§ Манипулятор

§ Навигационная система

§ Панорамная камера

§ Миниатюрный спектрометр теплового излучения

§ Спектрометр альфа-излучения

§ Антенна для передачи данных на Землю

Кьюриосити

Технические характеристики:

§ Масса - 900 килограмм

§ Длина - 3 метра

§ Ширина - 2,7 метра

§ Высота - 2,1 метра

§ Максимальная скорость - 90 метров в час

§ Диаметр колёс - 0,5 метра

Оборудование:

§ Нейтронный детектор

§ Инфракрасный лазер

§ «Рука», длиной примерно 1,8 метра, схожая по строению с рукой человека. На руке также установлены небольшой бур и лопатка, с помощью которой робот сможет собирать образцы во внутрь себя, после чего более подробно их исследовать.

§ Несколько телекамер

§ Навигационная система

§ Спектрометр альфа-излучения

§ Антенна для передачи данных на Землю

§ Рентгенофлуоресцентный анализатор

§ Рентгеноструктурный анализатор

§ Детектор радиационной оценки

Перспективные разработки

"Персональный помощник астронавта"

Малоразмерное устройство (рис.7), 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.

"Робонаут"

Телеуправляемый робот-кентавр, представляющий собой новое поколение высокомобильных манипуляторов для работы в открытом космосе (рис.8). 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.

Заключение

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. В.А. Лопота, В.И. Юдин, Е.И. Юревич. О системном подходе к развитию экстремальной робототехники. Актуальные проблемы защиты и безопасности. Т.5, СПб: Астерион, 2005.

2. Интеллектуальные роботы. Под ред. Е.И. Юревича, М.: Машиностоение, 2007.

3. http://roboty6.narod.ru/space.htm

4. http://robotsportal.ru/militaryrobots/57-aviarobots.html

5. http://roborics.ru/

Размещено на Allbest.ru