ТЕЛЕДРОИД НТО

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
«Исследование возможностей использования дистанционно-управляемого
антропоморфного робота для операционной поддержки деятельности космонавтов в
условиях орбитального полета»
Шифр эксперимента: «Теледроид»
1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса
Для получения конкурентных преимуществ и сохранения лидирующих позиций в
пилотируемой космонавтике необходим ряд инновационных решений, которые помогут
снизить стоимость эксплуатации пилотируемых космических аппаратов (ПКА) и
преодолеть ограничения, накладываемые человеческим фактором.
В числе таких
инновационных решений находится применение робототехнических систем. В настоящее
время
на
Международной
космической
станции
(МКС)
широко
применяются
робототехнические манипуляторы классического типа для выполнения погрузочноразгрузочных и транспортных операций. В то же время развертывание и обслуживание
перспективной космической инфраструктуры (ПКИ), включая задачи проведения научнотехнических экспериментов на орбитальных станциях нового поколения (ОСНП),
обслуживания
КА на околоземных, высоких и геостационарных орбитах, а также
обслуживание в будущем напланетных (лунных) баз, потребуют от роботов выполнения
«тонких» технологических операций.
Повышение эффективности обслуживания космических объектов достигается за
счёт увеличения точности, скорости и надёжности выполняемых робототехническими
системами операций, внедрения технологий дистанционного и автоматического
управления, частичного или полного снятия ограничений на длительность операций,
увеличения объёмов выполняемых работ и повышения степени их автоматизации.
Широкое применение роботов в космической технике позволит сократить объёмы
рутинных работ, выполняемых экипажами КА при внекорабельной деятельности и
внутри гермоотсеков, повысить безопасность выполняемых операций, а также обеспечить
своевременное обнаружение и ликвидацию нештатных и аварийных ситуаций.
В ряде технологических операций, когда необходимо обеспечить выполнение
1
точных и надежных
манипуляций,
движений рук и пальцев
приближающихся к
моторике естественных
человека, целесообразно использовать антропоморфные
робототехнические системы с дистанционным управлением копирующего типа с
применением задающего устройства в виде экоскелета, надеваемого на человекаоператора. Роботы данного типа будут очень востребованы для выполнения операций
обслуживания КА, а также как помощники космонавта при внутрикорабельной и
внекорабельной деятельности.
С целью отработки технологий телеуправления такими роботами при выполнении
вышеперечисленных задач и взаимодействии его с космонавтом, необходимо проведение
космического эксперимента (КЭ) на борту РС МКС. Для проведения КЭ предполагается
использовать
имеющийся
технологический
задел
-
российский
дистанционно-
управляемый копирующий антропоморфный робот SAR-400 разработки ОАО «НПО
«Андроидная техника», модернизированный для работы в условиях космического
пространства.
Прототип данного робота прошел успешные тестовые испытания в ноябре 2011 г. на
тренажёрной базе в ЦПК им. Ю.А.Гагарина и показал принципиальную возможность
выполнения с помощью антропоморфного робота технологических операций на РС МКС
с применением штатного бортового инструментария и использование его в качестве
помощника космонавта при осуществлении внутри–и–внекорабельной деятельности [1].
Основными проблемными вопросами, которые невозможно было исследовать при
проведении наземных испытаний, являются операции контактного взаимодействия
робота с объектами в условиях невесомости и безопорного пространства (например,
захват и работа с инструментами), а также влияние невесомости на процессы управления
роботом с помощью надетого на человека задающего экзоскелета с обратным
силомоментным отображением и тактильным очувствлением.
2
2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС
МКС
Проведение КЭ в условиях космического пространства на борту РС МКС позволит
наиболее полно учесть влияние невесомости и других факторов космического полёта
на процессы управления роботом в копирующем режиме с помощью задающего
экзоскелета, надетого на оператора, находящегося внутри гермоотсека МКС, а также на
выполнение роботом различных технологических операций и взаимодействие его с
космонавтом при совместном осуществлении внутри-и-внекорабельной деятельности.
3. Описание КЭ
3.1. Порядок проведения КЭ
Космический эксперимент будет проводиться в три этапа:
1-ый этап - отработка каналов телеуправления с использованием наземных
прототипов робота и системы управления, а также изготовление аппаратуры робота;
2-ой этап – проведение КЭ на МКС с использованием созданного лётного образца
робота, установленного внутри РС МКС;
3-ий этап – проведение КЭ на МКС с использованием созданного летного образца
робота, установленного снаружи РС МКС.
3.2. Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ
Важнейшим требованием к условиям выполнения КЭ «Теледроид» является
применение широкополосного (не менее 4 Мбит/с) радиоканала связи «робот - борт
МКС», а также
радиоканала «борт МКС - Земля»
для осуществления управления
роботом в копирующем режиме с передачей видеоинформации оператору управления,
находящемуся соответственно на борту МКС или в наземном ЦУПе. Другим важным
требованием является величина задержки сигнала в линии связи. Для управления данным
роботом она не должна превышать 0,5 сек.
3.3. Технические особенности НА
НА представляет собой
антропоморфного робота на базе SAR-400 разработки
ОАО «НПО «Андроидная техника» с системой органов управления и очувствления в
виде специального «управляющего костюма»
(экзоскелета) и
шлема виртуальной
3
реальности, надеваемых на оператора управления, а также аппаратуры беспроводной
связи для передачи команд дистанционного управления, видеосигналов и телеметрии.
Управляющий костюм имеет обратное силомоментное
очувствление, позволяющее оператору
отображение и тактильное
ощущать усилия на исполнительных органах
(манипуляторах) робота. Шлем виртуальной реальности передаёт оператору управления
видеоинформацию и рабочей зоны робота, в том числе в стереорежиме.
4. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными
отечественными и зарубежными исследованиями
Уже
сегодня
робототехнические
системы
(РТС)
активно
используются
на
американском сегменте МКС для выполнения операций стыковок, обслуживания астронавтов
при внекорабельной деятельности.
В то же время, в дополнение к существующим РТС космического назначения,
функционирующим на МКС, таким как Canadarm2, Dextre (SPDM), дистанционный
манипулятор (JEMRMS), персональный помощник астронавта PSA, в сентябре 2010 г. на
американский сегмент МКС был доставлен антропоморфный манипулятор нового поколения
- Robonaut -2.
Параллельно с разработками в США, Европе и Японии исследования по созданию
антропоморфных копирующих роботов проводились и в России в ОАО «НПО «Андроидная
техника».
Несколько лет назад, еще до показа американского робота Robonaut -2 , в ОАО «НПО
«Андроидная техника» был разработан и создан действующий экземпляр робота
антропоморфного типа с условным обозначением SAR 400. Предварительный анализ и
проведённые испытания
показали, что такой робот при соответствующей модернизации,
обеспечивающей его функционирование в условиях космического пространства, может
использоваться и на РС МКС для выполнения сервисных задач, операций технического
обслуживания, ремонта, информационного обеспечения, а также в качестве помощника
космонавта при внутри-и-внекорабельной деятельности.
Анализ зарубежных материалов показывает, что РТС подобного типа относятся к
перспективным
системам
космического
назначения.
Планируется
использование
антропоморфных РТС на борту межпланетных КА и в составе напланетных (лунных) баз.
Научная новизна космического эксперимента «Теледроид» заключается в:
- разработке и изготовлении первого отечественного антропоморфного робота,
4
предназначенного
для
эксплуатации
в
условиях
открытого
космического
пространства;
- результатах исследования возможностей и особенностей интерактивного
копирующего
управления
роботом
космонавтом-оператором
в
условиях
невесомости при помощи костюма управления (экзоскелета) с силомоментной
обратной связью и тактильным очувствлением;
разработке
-
методик
дистанционного
копирующего
управления
антропоморфным роботом с борта МКС и с Земли;
- результатах исследования возможности выполнения антропоморфным
роботом различных операций ВнеКД и ВнуКД с использованием штатного
бортового инструментария при копирующем управлении роботом с борта МКС и с
Земли;
- результатах исследования взаимодействия космонавта с антропоморфным
роботом в условиях орбитального полёта при совместном выполнении внутри-ивнекорабельной деятельности;
- результатах исследования возможностей и перспектив использования
антропоморфного
робота
андроидного
типа
для
информационной
и
психологической поддержки экипажей в условиях длительного космического
полета.
Разработка
и
внедрение
в
космической
технике
антропоморфных
робототехнических систем позволит создать инновационную базовою технологию для
освоения ближнего и дальнего космоса, отличающуюся многофункциональностью за счет
широкого
перечня
выполняемых
использования их как на
такими
роботами
операций
и
возможности
пилотируемых, так и на автоматических КА. Создание
антропоморфных роботов, выполняющих функции помощника человека, будет иметь
также большой социальный эффект.
На основании вышеизложенного, представляется целесообразным и актуальным
проведение
КЭ,
антропоморфных
направленного
роботов
для
на
исследование
обеспечения
возможностей
поддержки
использования
внутри-и-внекорабельной
деятельности космонавтов на РС МКС, а также определения перспектив использования их в
дальнейшем
в
составе
элементов
перспективной
космической
инфраструктуры
и
напланетных (лунных) баз.
5
5. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
5.1 В качестве основных результатов КЭ ожидаются следующие:
5.1.1 Определение возможностей и особенностей выполнения роботом различных
технологических операций на РС МКС и отработка взаимодействия его с
космонавтами при выполнении внутри- и -внекорабельной деятельности как при
управлении с борта станции, так и с Земли;
5.1.2 Определение возможностей операторов, находящихся на борту РС МКС, по
управлению роботом в условиях невесомости при выполнении различных операций
с использованием разработанного интерактивного человеко-машинного интерфейса
копирующей системы управления на базе задающего экзоскелета с силомоментной
обратной связью, тактильным очувствлением и визуальным отбражением;
5.1.3 Оценка возможностей и перспектив использования антропоморфного робота
андроидного типа для информационной и психологической поддержки экипажей в
условиях
длительного
космического
полета
с
помощью
интерактивного
аудиовизуального взаимодействия робота с человеком.
5.2
Результаты КЭ предполагается использовать:
- на предприятиях космической отрасли для создания робототехнических систем
космического назначения;
- в области экстремальной робототехники для создания роботов специального
назначения, а также роботов для работы в зонах чрезвычайных ситуаций,
- медицине и социальной сфере;
- в образовании для подготовки кадров специалистов по робототехнике.
6 Обоснование технической возможности создания НА с заданными
характеристиками.
Техническая возможность создания НА с заданными характеристиками обусловлена
у наличием
у ОАО «НПО «Андроидная техника» достаточного опыта в разработке
антропоморфных
робота SAR-400 в
робототехнических систем, успешными тестовыми испытаниями
ЦПК им. Ю.А. Гагарина,
а также наличием собственной
производственной базы, научным и кадровым потенциалом. ОАО «НПО «Андроидная
техника» имеет также лицензию Роскосмоса на космическую деятельность.
7 Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ
В эксперименте «Теледроид» оператор управления находится в гермоотсеке МКС или в
наземном ЦУПе, поэтому дополнительные риски для экипажа, связанные с данным
6
экспериментом, отсутствуют. Некоторый первоначальный дискомфорт может возникнуть
у оператора в связи с использованием шлема виртуальной реальности и управляющего
костюма, однако, как показали наземные испытания, он быстро проходит вследствие
обычных адаптационных способностей человека.
Список литературы
1. “Разработка предложений по исследованию потребностей и возможностей
использования антропоморфных роботов для обеспечения поддержки внутри- и
внекорабельной деятельности членов экипажа РС МКС. Разработка предложений по
составу, предварительным требованиям, техническим характеристикам и проектному
облику космической робототехнической системы антропоморфного типа для
автоматизации
процессов
обслуживания
пилотируемой
космической
инфраструктуры, включая выполнение сборочных работ и проведение научных
экспериментов». ФГБУ НИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина, НТО по НИР “Андронавт”,
2011 г.
2. ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ АНТРОПОМОРФНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ ДЛЯ РАБОТЫ В КОСМОСЕ. А.А.Богданов, И.М. Кутлубаев, В.Б. Сычков,
ж. «Пилотируемые полёты в космос», №3, июнь 2012 г.
3. Публикации в электронных СМИ:
http://new.tsniimash.ru/main.php?id=3&nid=493
http://www.dailytechinfo.org/space/3414-sar-400-pervyy-rossiyskiy-robot-android-dlya-rabotyv-kosmose.html
http://themoscownews.com/business/20120423/189659195.html
http://rbth.ru/articles/2012/03/14/russian_android_to_fly_into_space_in_2014_15059.html
http://www.nanonewsnet.ru/news/2012/sar-400-pervyi-rossiiskii-robot-android-dlya-raboty-vkosmose
7