Создавая роботов: гексаподы

Роботы находят все более широкое применение в космосе, но усиливается их влияние и на Земле.

В недалеком будущем переданные по каналу связи данные будут легко выводиться на экран специалиста НАСА в центре управления полетом. По мере того, как эти данные превращаются в набор букв и цифр, становится ясным, что произошедшее событие стало первым в мире. Сообщение – это полученное со спутника подтверждение успешного проведения дозаправки топливом от автоматического корабля. Заправка прошла без какого-либо вмешательства человека.

Разрабатываемая в течение 5 лет компанией НАСА программа Robotic Refueling Mission (RRM) может стать поворотным моментом в истории освоения космоса. Однако новому космическому роботу НАСА нужна помощь и здесь, на Земле.

Численное моделирование физических явлений в НАСА

Майк Фортье (Mike Fortier) и его сотрудники в компании Mikrolar занимаются разработкой роботов с 1980-х гг. За это время Фортье разработал немало новых технологий, но главным его достижением стало создание высокоточных роботов типа «гексапод», ставших настоящим прорывом.

Гексапод представляет собой стол, установленный на ряде параллельных двойных приводов. И стол, и все, что на нем закреплено, получают шесть степеней свободы.

Гексаподы (также называемые «платформами Стюарта») находят множество различных применений, но чаще всего они служат основой для построения летных тренажеров, имитируя перемещения кабины.

Учитывая богатый опыт компании Mikrolar по проектированию гексаподов, неудивительно, что НАСА обратилось именно к Фортье с заданием на разработку испытательного стенда для космического робота-заправщика.

«Когда спутник подходит к концу своего срока службы, его сводят с орбиты и заменяют новым, — рассказывает Фортье. — Это весьма недешевое дело».

Для продления срока службы космических аппаратов инженеры НАСА разрабатывают специальный роботизированный аппарат для дозаправки. Он будет запускаться с борта Международной космической станции (МКС) и проводить автоматическую заправку спутника, выработавшего свой ресурс. Это весьма непростая задача.

Одна из проблем, с которой столкнулась НАСА в ходе работ по программе RRM — отсутствие возможности проводить испытания оборудования в условиях невесомости.

Робот RRM должен снять теплозащитное покрытие со спутника, состыковаться и перекачать жидкое топливо на борт. На каждом этапе этого сложного процесса легко совершить ошибку. Фактически даже малейшая погрешность в работе RRM может не только оттолкнуть его от заправляемого спутника, но и нарушить орбиту космического аппарата.

Чтобы НАСА смогла разработать оптимальную конструкцию RRM, инженеры компании Mikrolar занялись созданием робота, который, по словам Фортье, «имитировал бы невесомость».

Для этого группа Фортье разработала роботизированную систему с шестью степенями свободы. В ней имеются шесть поворотных платформ, установленных на изготовленном с высокой точностью кольце. На каждой платформе установлена жесткая стойка с двумя шарнирами, соединяющая платформу с подвижным столом, на котором закрепляется спутник.

Наличие датчиков усилия в контуре обратной связи и соответствующее сочетание шести стоек и подвижных платформ позволили инженерам компании Mikrolar реализовать перемещение спутника на столе по тем же математическим законам, что и в космосе.

По мнению Фортье, благодаря применению разработанной компанией Siemens системы Solid Edge® проектирование гексапода по программе RRM свелось к простому объединению параметрических моделей в готовую конструкцию. Еще одной проблемой было запрограммировать робота так, чтобы полностью имитировать работу в космическом вакууме

По словам Фортье, «НАСА хотела, чтобы мы создали робота, пристыковывающегося к объекту массой в 500 кг. В случае соударения мы должны были измерить силу удара и отплыть от объекта точно так, как это происходит в невесомости. Это крайне необычное требование при проектировании робота. Имитация невесомости — очень непростая задача, требующая серьезной проработки».

В ходе совместной работы с НАСА специалисты компании Mikrolar создали специальный набор инструментов отслеживания координат объектов в реальном времени. Для этого потребовалось разработать сложную математическую модель.

После весьма трудоемкого программирования удалось изготовить и отладить робота, который способен перемещаться так же легко и точно, как в невесомости.

Сегодня НАСА работает над вторым этапом программы RRM. Часть оборудования уже доставлена на МКС, ведется подготовка к первой в мире автоматической заправке спутника.

Хотя срок проведения такой заправки еще не определен, очевидно, что без вклада Фортье и других специалистов компании Mikrolar амбициозный проект НАСА мог бы и не воплотиться в жизнь.

Еще одна революция в мире промышленных роботов

Помимо работы с НАСА, инженеры компании Mikrolar раздвигают границы возможного и на Земле.

Недавно изготовитель железнодорожного оборудования Strato обратился в компанию Mikrolar с заказом на роботизацию производственной линии по восстановлению изношенных деталей. Компания Strato хотела полностью преобразовать технологический процесс восстановления изношенных вагонных колесных пар из литой стали.

Ранее колесные пары массой в тонну снимались и устанавливались каждый раз при перемещении от участка к участку по технологической цепочке. Помимо неизбежной опасности работы со столь тяжелыми объектами, суммарные потери подготовительно-заключительного времени на каждом участке оказывались колоссальными.

Ознакомившись с проблемами компании Strato, специалисты компании Mikrolar предложили полностью пересмотреть весь процесс восстановления изношенных деталей.

Вместо того чтобы применять множество участков для выполнения отдельных технологических операций, Фортье и его сотрудники предложили новую роботизированную систему, в которую будет достаточно лишь раз загрузить восстанавливаемую деталь, а затем снять ее уже в готовом виде. После установки детали в приспособлении созданный Фортье робот выполняет обмер при помощи координатно-измерительные машины, чтобы определить положение центра детали.

Когда центр найден, выполняются дополнительные измерения для оценки степени износа колесной пары и определения требуемого объема наплавляемого материала.

По окончании измерений система передает полученные результаты сварочному роботу, который и выполняет наплавку.

Затем в дело снова вступает созданный Фортье робот. Он выполняет ряд измерений, контролируя результат работы сварочного робота. Запомнив выявленные ошибки, робот компании Mikrolar выбирает подходящий режущий инструмент и устраняет неточности наплавки фрезерованием.

«Я не знаю точных цифр, — улыбается Фортье, — но могу с уверенностью сказать, что наш робот резко сократил сроки восстановления деталей в компании Strato».

Радикальное изменение принципов работы технологической линии и удачное применение робота позволило Фортье и его специалистам внедрить новый, ранее не существовавший способ восстановления деталей.

«Мы все еще находимся на начальном этапе, — отмечает Фортье. — Подобные технологические линии пока эксплуатируется менее чем на сотне предприятий, и потребуется выполнить еще несколько сотен традиционных циклов обработки, пока кто-нибудь наконец не скажет: слушайте, нам тоже надо установить эту новую роботизированную систему!»

Автор Кайл Макси (Kyle Maxey). По материалам Engineering.com

На правах рекламы