III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

КОСМИЧЕСКАЯ РОБОТОТЕХНИКА.
Михаелян Л.Т.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Космос является одной из областей применения автоматизированных и робототехнических систем в связи с высокой опасностью для жизни человека. Поэтому задача создания роботов для работы в опасных для человека условиях стала жизненной необходимостью.

Цель: Создание модели робота-манипулятора, способного выполнять сложные механические движения под управлением мобильного устройства.

Задачи:

  1. Изучить теоретические источники по данной теме.

  2. Познакомиться с практическими проектами использования робототехники в космосе.

  3. Создать модель Робота-манипулятора на основе конструктора lego mindstorms nxt 2.0, управляемую с помощью мобильных устройств.

Объекты исследования: космические манипуляторы

Глава 1. Космическая робототехника – перспективное направление развития современной космонавтики.
  1. 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 деятельности. Вообще-то, тоже самое может сделать и обычный робот, работающий на земной поверхности, но к космороботу есть несколько основных требований, которым он должен соответствовать.

Например:

  • 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.

  1. История развития космической робототехники

Луноход-1 – первый в мире дистанционно-управляемый самоходный аппарат, успешно работавший на Луне. Был для изучения лунного грунта, а также для изучения радиоактивного и рентгеновского излучения. На поверхность луны он был доставлен 17 ноября 1970 года советской межпланетной станцией «Луна-17».

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 телекамеры (одна резервная), четыре панорамных телефотометра,

  • Рентгеновский флуоресцентный спектрометр

  • Рентгеновский телескоп

  • Одометр-пенетрометр

  • Детектор радиации

  • Лазерный рефлектор

  • Антенна для передачи информации на Землю

У каждого из его восьми колес был свой электродвигатель и свой тормоз, благодаря чему этот робот мог ездить не только вперед-назад, но и объезжать глубокие кратеры и небольшие скалы. В качестве приводов использовали электродвигатели в силу одной причины – другого «горючего» на Луне нет. Электричество косморобот брал из солнечной батареи, установленной у него на крышке приборного отсека. Мощность батареи была равна 180 ватт. Также в систему энергопитания лунохода входили химические буферные батареи. Вместо глаз у Лунохода-1 были телекамеры. В них было применено малокадровое телевидение с частотой смены картинки от 1 кадра в 4 секунды до 1 кадра в 20 секунд.

Луноход-1 проработал в 3 раза дольше запланированного срока, успев проехать 10540 метров, передав на Землю 211 панорам и около 25000 фотографий. Проработав чуть больше 301-го дня, он не вышел на связь с Землей в связи с выработкой изотопного источника теплоты, поддерживающего тепло внутри лунохода.

Марсоходы «Спирит» и «Оппортьюнити» - аппараты близнецы, успешно запущенные на Марс в 2004 году. Отправлены они были туда, в принципе, для одной цели – установить, была ли когда-нибудь на Марсе вода или нет.

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

На марсоходах этого типа установлено 6 колес, каждое из которых имеет свой собственный электродвигатель. Для разворота марсоход поворачивает передние и задние колёса на нужный угол, разворачиваясь при этом практически «на месте». Телекамеры отдалены друг от друга примерно на расстояние глаз человека. Они фотографируют в разрешении 1024х1024 пикселя. С помощью научного оборудования он берет образцы грунта, анализирует их и отправляет данные учёным. Также в них были установлены электронагреватели, которые поддерживали температуру, необходимую для работы робота. Дополнительно в них установлены радиоизотопные нагреватели, для работы при очень низких температурах.

Всей этой аппаратурой управлял бортовой компьютер, тактовая частота которого равна 20 мегагерц. Питалась вся электроника от солнечной батареи, установленной у него не верху. Вырабатывала она примерно 140 Ватт в 4 часа. Также она заряжала литиево-ионный аккумулятор, энергия с которого использовалась в ночное время. Изначально рассчитывали, что эти марсоходы проработают около 90 дней, и их миссия завершится, но проработали они гораздо больше. Спирит проработал больше шести лет, после чего связь с ним была утеряна. Оппортьюнити до сих пор стабильно работает, и в данный момент проводит изучение кратера Индевор.

  1. Современные разработки космической робототехники.

SAR-401

Принцип управления - повтор андроидом движений человека-оператора, одетого в специальный костюм (задающее устройство копирующего типа УКТ-3).

Новая модель робота прошла испытание в ноябре 2013 года в «ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А.Гагарина».

Для SAR-401 разработаны два варианта захватывающих устройств. Первый антропоморфный захват (АЗ) необходим для выполнения рабочих задач с предельными характеристиками и предназначен для удержания, манипуляций и перемещения объектов различной массы. Захват обеспечивает значительные усилия, развиваемые каждой структурной группой, контроль текущего положения звеньев, имеет 8 степеней подвижности, простую, надежную конструкцию.

Второй захват предназначен для выполнения работ, требующих мелкой и точной моторики. Он гарантирует пространственную ориентацию объекта в точке позиционирования, контроль силового взаимодействия оператором (обратная связь), полную адаптацию положения звеньев к геометрии захватываемого объекта, имеет 13 степеней подвижности.

Взаимодействие оператора с СРТС SAR- 401 осуществляется системой дистанционного управления копирующего типа. Так же предусмотрен супервизорный и автономный режимы управления.

Robonaut 2

Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (NASA) с 1997 года работает над созданием и модификацией человекоподобного робота. Его первая модель «Робонавт-1» никогда не покидала Землю. Механизированный торс, передвигающийся на четырехколесной тележке, хорошо показал себя во время тестовых испытаний в пустыне и других экстремальных условиях.

В 2006 году проект вышел на новый этап, и через четыре года общественности был представлен «Робонавт-2»: более умелый, бесшумный, ловкий и компактный, а также в четыре раза более быстрый, чем его предшественник. Он оснащен 350 датчиками и 38 процессорами. Робот переправлялся на МКС по частям, получив пару механических ног лишь в прошлом году. После этого устройство, достигающее в высоту 2,4 метра, смогло передвигаться внутри орбитального комплекса под управлением операторов с Земли или кого-либо из членов экипажа.

На борту МКС робонавт проверяет работу воздушных фильтров и выполняет другие текущие задачи. За годы реализации проекта было запатентовано 39 изобретений, а еще несколько заявок находятся на рассмотрении. Многие опробованные робонавтом технологии могут использоваться в земных условиях. Это, например, «робоперчатка» для работы на конвейере крупных предприятий, а также «робокаркас», способный помочь двигаться людям, потерявшим такую способность. А следующее поколение робонавтов будет работать в открытом космосе по несколько суток и даже отправится на Марс.

  1. Космические манипуляторы

ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК) проведет на поверхности Международной космической станции (МКС) эксперимент «Захват-Э», в рамках которого испытает руку-манипулятор для строящегося косморобота. Об этом в субботу, 14 января, сообщает ТАСС.

«Точная дата проведения эксперимента пока не установлена. Это связано с тем, что российский сегмент МКС еще не до конца развернут: ожидается выведение лабораторного модуля "Наука", на котором будет проводиться эксперимент», — отмечается в сообщении.

Космонавт будет управлять манипулятором с помощью ноутбука, находясь внутри МКС. В рамках эксперимента «рука» захватит имитатор поручня с помощью специального устройства, при этом благодаря обратной связи космонавты смогут оценить степень прилагаемого манипулятором усилия. Чтобы оценить влияние открытого космоса на механические узлы, после завершения эксперимента на Землю планируется вернуть часть оборудования.

Рука-манипулятор станет частью проекта «Косморобот», который также включает в себя самого мобильного робота, пульты управления, средства интеграции и наземный сегмент. Он должен стать помощником для космонавтов при работе на внешней поверхности космических аппаратов и при выходе в открытый космос

  1. Перспективные разработки космической робототехники.

"Персональный помощник астронавта"

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.

Для работы на Международной космической станции российские инженеры создают робота, который станет настоящим помощником космонавтам и астронавтам на МКС. Разработкой косморобота занимаются специалисты ракетно-космической корпорации "Энергия" совместно с коллегами из НПО "Андроидная техника".

Предполагается, что робот будет переносить массивные грузы по станции, выполнять различные электротехнические работы. Но одной из главных задач будет работа в открытом космосе - в среде, которая крайне неблагоприятна для человеческого организма, но роботу абсолютно не страшна. По планам ученых, на орбиту косморобот может отправиться уже в 2020 году.

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.

Глава 2. Создание робота - манипулятора на основе конструктора NXT 2.0, управляемого с помощью мобильных устройств.
  •  
    1. Создание «кисти» робота, которая сможет сжиматься и разжиматься, тем самым беря и отпуская предмет

При повороте двигателя крутятся шестерёнки, и двигая прикреплённые к ним рычажки сжимают и разжимают клешни, обмотанные резинками, для увеличения трения.

Планка зафиксирована с одного конца, и свободна с другого. Недалеко от места крепления присоединена ещё одна планка с другой стороны, прикрепленная к вращающейся шестерни.

  •  
    1. Создание «локтя» робота, который сможет поднимать и отпускать предметы (то есть изменять положение предмета относительно оси OY)

3. Соединение «локтя» и «кисти» робота.

Т.к. кисть получилась тяжёлая для мотора, то я сделал противовес для неё (теперь конструкция стала походить на подъёмный кран)

В качестве противовеса я использовал контроллер nxt. Сам контроллер нечто вроде человеческого мозга, он обрабатывает поступающую информацию и реагирует так, как заложено в программе.

  •  
    1. Создание вращения.вл

Теперь робот может брать и поднимать предмет, делаем так, чтоб он мог вращаться.

  •  
    1. Постановка конструкции на двигатель.

Ставлю эту конструкцию на двигатель для того, что бы робот мог вращаться в стороны (менять положения относительно OZ и OX) и надёжно закрепляю все детали, чтобы робот не шатался от собственного веса. А для устойчивости я ставлю руку на платформу, которая будет вращаться вместе с ней. Второй же мотор я закреплю на другой платформе более крупной. И для того, чтоб мотор не вращал сам себя и сделаю эту платформу тяжелее другой с помощью «блинов». Робот готов, остаётся только наладить управление.

  •  
    1. Создание управления робота.

Существует два способа управления роботом.

  1. Через уже готовую программу, которая позволит роботу делать очень точное действие много раз, но этот способ не очень хорош, так как для этого нужно либо большое количество датчиков, и очень много проверок условия.

  2. Управление оператором с помощью пульта.

В данном случае я буду использовать второй способ, т.к. человек может подстраиваться под проблему и решать её, когда робот не найдя данную проблему в списке откажется работать. Я буду использовать программу для управления приводами средствам подачи сигнала на робота при помощи bluetooth. Теперь робот движется, по моим командам и может поднимать предметы.

Заключение

В результате выполнения данной работы я изучил исторические и теоретические знания в области космической робототехники, познакомился с практическими проектами использования робототехники в космосе, создал модель робота-манипулятора, способного выполнять сложные механические движения под управлением мобильного устройства.

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.

Результаты, полученные в работе, можно использовать во внеурочной деятельности по информатике по программе «Основы робототехники».

Список источников
  1. Наука и промышленность: Космическая робототехника http://old.ci.ru/inform06_08/p_06.htm

  2. Царь град http://tsargrad.tv/news/2016/11/11/v-rssii-sozdajut-kosmorobota-pomoshhnika-astronavtam-na-mks

  3. Наука и техника https://lenta.ru/news/2017/01/14/sprut/

  4. Технология, наука, космос, изобретенияhttp://www.fainaidea.com/technologii/sar-401-pervyj-rossijskij-robot-astronavt-36383.html

  5. Новости робототехники https://robotics.ua/news