Робототехника в космосе: история и перспективы развития

Космос – актуальная и перспективная область применения робототехнических систем. Именно в космосе сосредоточена наибольшая концентрация опасных для здоровья человека факторов. Решение задач в условиях космоса невозможно без специального оборудования, обеспечивающего выживание человека.

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

Применение робототехнических систем позволяет повысить эффективность решения задач на поверхности планет. Космическая робототехника расширяет возможности человечества в изучении и освоении космоса и космических тел.

История развития космической робототехники

На сегодняшний день существуют космические роботы, космические робототехнические комплексы и космические робототехнические системы.

Космическими роботами принято называть технические устройства, которые работают в космическом пространстве за счет автоматического воспроизведения сенсорных, управляющих, двигательных и коммуникационных функций человека.

Робототехника в космосе: история и перспективы развития

Космический робототехнический комплекс – это несколько функционально взаимосвязанных элементов: космический робот, наземные технические средства и сооружения.

Космическая робототехническая система – объединение нескольких космических робототехнических комплексов, способных слаженно взаимодействовать друг с другом для достижения одной цели.

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

Космические 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 с орбитальной станцией, захват свободно летящего в космосе объекта и его погрузка с последующим возвращением на Землю [3]. СБМ была разработана в ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (г. Санкт-Петербург) для использования на МТКК «Буран».

Рис. 1. Система бортовых манипуляторов «Аист»

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 работы системы. В условиях реального космического полета СБМ «Аист» не использовалась.

Бортовые манипуляторы «Канадарм» и «Канадарм-2»

Бортовой манипулятор « Канадарм» (Canadarm) кораблей многоразового использования системы «Спейс Шаттл» предназначен для выполнения операций на орбите: 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 его погрузка с последующим возвращением на Землю, а также перемещение астронавтов в открытом космосе. Разработан специалистами канадской компании MacDonald Dettwiler and Associates (MDA) по заказу NАSА [17; 23].

Информационные технологии и оптимизация управления

Манипулятор представляет собой многозвенный механизм с электромеханическим приводом, способен захватить свободно летящий объект, разместить и зафиксировать его в грузовом отсеке. Длина манипулятора «Канадарм» составляет около 15 м, диаметр звеньев – более 30 см, масса манипулятора – чуть больше 400 кг. Всего было изготовлено 5 манипуляторов.

Впервые «Канадарм» был успешно испытан в космосе в ходе второй миссии Space Shuttle в ноябре 1981 г. Последний полет состоялся в июле 2011 г. Таким образом, манипулятор успешно эксплуатировался в течение 30 лет.

Рис. 2. Бортовой манипулятор « Канадарм»

Эволюционным развитием манипулятора « Канадарм» является манипулятор «Ка-надарм-2» (SSRMS – Space Station Remote Manipulator System), также разработанный в Канаде. В отличие от манипулятора «Канадарм», возвращаемого на Землю по окончании каждой из миссий шаттла, предназначен для постоянного функционирования в космосе и допускает возможность ремонта на орбите.

Длина манипулятора составляет около 17,6 м, масса – более тонны. Предназначен для манипулирования грузами массой более 100 т.

Манипулятор «Канадарм-2» рассчитан на постоянное пребывание в космосе в течение не менее 15 лет и с 2001 г. успешно эксплуатируется на МКС, являясь основным элементом мобильной системы обслуживания MSS (Mobile Servicing System). Манипулятор эксплуатируется в настоящее время.

Робот-манипулятор ERA (European Robotic Arm)

Робот-манипулятор ERA (European Robotic Arm) 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 [10].

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 5-метровых штанг, 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.

Робототехника в космосе: история и перспективы развития

Оснащен подсистемами телевидения, освещения, телеметрии и другими, обеспечивающими контроль работы робота. Предполагается доставка и эксплуатация робота-манипулятора ERA на борт МКС.

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. Разработан в ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (г. Санкт-Петербург). Перемещение осуществляется путем шагания и манипулирования объектами.

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

Планетоходы

Самые распространенные из автоматических аппаратов, использующихся в космических исследованиях, – напланетные мобильные роботы (роверы), планетоходы (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.

В период с 1970 г. до настоящего времени на поверхность Луны и Марса были доставлены и функционировали там следующие планетоходы [15; 16].

«Луноход-1», «Луноход-2»

«Луноход-1» (1970 г.) и «Луноход-2» (1973 г.) – автоматизированные комплексы, созданные специалистами НПО им. С. А. Лавочкина. Успешно функционировали в течение нескольких месяцев на поверхности Луны, доказав возможность создания подобных образцов техники.

«Луноход-1» (рис. 3) – первый в мире самоходный аппарат, успешно работавший на Луне. На поверхность Луны был доставлен 17 ноября 1970 г. советской межпланетной станцией «Луна-17» для изучения лунного грунта, а также радиоактивного и рентгеновского излучений.

Рис. 3. Самоходный аппарат «Луноход-1»

У каждого из его восьми колес был свой электродвигатель и свой тормоз, благодаря чему этот робот мог объезжать глубокие кратеры и небольшие скалы. В качестве приво-

Информационные технологии и оптимизация управления дов использовали электродвигатели, которые запитывались от солнечной батареи, установленной на крышке приборного отсека. Мощность батареи – 180 ватт. Также в систему энергопитания входили химические буферные батареи. Луноход был оборудован двумя телекамерами, в которых было применено малокадровое телевидение с частотой смены картинки от 1 кадра в 4 секунды до 1 кадра в 20 секунд. Масса – 756 килограмм.

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

«Луноход-2» – второй в мире дистанционно управляемый самоходный аппарат. Он был разработан для фотосъемки и видеосъемки Луны, проведения экспериментов с наземным лазерным дальномером и прочих операций. На поверхность Луны был доставлен станцией «Луна-21» 15 января 1973 г. Технические характеристики были примерно такие же, как и у «Лунохода-1». Однако главным его отличием являлось наличие третьей телекамеры, установленной на уровне человеческих глаз, что позволяло смотреть намного дальше.

Марсоходы «Спирит» и «Оппортунити»

Марсоходы «Спирит» (Spirit) (рис. 4) и «Оппортунити» (Opportunity) разработаны и изготовлены кооперацией предприятий США по заказу NАSА и успешно запущенные на Марс в 2004 г. Отправлены они были туда для одной цели – установить, была ли когда-нибудь на Марсе вода [14].

На марсоходах этого типа установлено 6 колес, каждое из которых имеет свой собственный электродвигатель. Телекамеры отдалены друг от друга примерно на расстояние глаз человека. С помощью научного оборудования он берет образцы грунта, анализирует их и отправляет данные ученым.

Рис. 4. Марсоход «Спирит»

Также в них были установлены электронагреватели, которые поддерживали температуру, необходимую для работы робота. Всей этой аппаратурой управлял бортовой компьютер. Питалась вся электроника от солнечной батареи. Она же заряжала литиевоионный аккумулятор, энергия с которого использовалась в ночное время. Изначально рассчитывалось, 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. Марсоход «Оппортьюнити» до сих пор стабильно работает [11].

Робототехника в космосе: история и перспективы развития

Марсоход «Кьюриосити»

«Кьюриосити» (Curiosity) – марсоход нового поколения, который по размерам в несколько раз больше и тяжелее аппаратов-близнецов «Спирит» и «Оппортьюнити». После восьми месяцев путешествия совершил посадку в районе марсианского кратера Гейл. Масса марсохода – 185 кг. Оборудован двумя телекамерами, микроскопом, манипулятором, навигационной системой и антенной для передачи данных на Землю. Перед марсоходом стоит цель сбора проб почвы и атмосферы Марса, а также подготовка к высадке человека на Марс.

Марсоход «Чжужун»

15 мая 2021 г. посадочный модуль китайской автоматической межпланетной станции «Тяньвэнь-1» с входящим в ее состав марсоходом «Чжужун» совершил успешную посадку в южной части равнины Утопия в северном полушарии Марса.

11 июня марсоход (рис. 5) прислал «селфи» и панорамное фото равнины Утопия с места приземления и другие снимки поверхности. Период работы марсохода на поверхности планеты составит 92 земных дня. К настоящему времени марсоход проработал 28 марсианских дней (один земной день и 37 минут).

Рис. 5. Марсоход «Чжужун»

Космический робот-телескоп «Хаббл»

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST), разработанный США при участии Европы, – это целая космическая обсерватория с большим количеством аппаратуры, позволяющей получать снимки отдаленных уголков Вселенной в разных диапазонах длин волн. Станция названа в честь известного астронома Эдвина Хаббла [16].

Орбитальный телескоп «Хаббл» был запущен в 1990 г., но к полноценной работе смог приступить только спустя 3 года из-за обнаруженной ошибки. Чтобы исправить дефект, была создана система COSTAR, которую установили на аппарат в 1993 г. В 2009 г. система была спущена на Землю и выставлена в Национальном музее авиации и астронавтики США. Миссию телескопа продляли несколько раз. В 2021 г. планируется снять его с орбиты.

Перспективные разработки космической робототехники. Роботы-аватары

Роботы-аватары – это роботы, полностью копирующие людей, способные в точности повторять движения головы, ног, рук и даже пальцев от человека, находящегося в специальном костюме. Единственный минус – задержка в сигнале, посылаемом от костюма к роботу и от видеокамеры робота на Землю, которая довольно велика. В связи с этим в

Информационные технологии и оптимизация управления ближайшее время их можно будет использовать только вблизи Земли, например, на Луне или на космических станциях [12].

Космические роботы FEDOR и ARTEM

Космический робот «Федор» (Final Experimental Demonstration Object Research – FEDOR) – антропоморфный робот-спасатель. Его создание началось в 2014 г. НПО «Андроидная техника» и Фондом перспективных исследований. «Федор» имеет систему голосового управления и специальные датчики. У него есть голова, пара ног и рук с пятью пальцами. Рост машины – более 180 см, а вес – до 160 кг.

Антропоморфный робот способен заменять человека в сложных и опасных космических ситуациях. Робот уже побывал на Международной космической станции (МКС), где участвовал в ряде экспериментов по программе «Испытатель».

Космический робот следующего поколения получил имя ARTEM (Automatic Research and Testing Machine). В отличие от своего предшественника частично умеет управлять многоразовым космическим кораблем «Орел», испытания робота начнутся уже в 2023 г.

Рис. 6. Антропоморфный робот ARTEM

Телеуправляемый андроид SAR-401

Опытный образец робота SAR-401 был разработан в 2013 г. в НПО «Андроидная техника» (г. Москва). Принцип управления – повтор андроидом движений человека-оператора, одетого в специальный костюм (задающее устройство копирующего типа УКТ-3). Оператор может находиться, например, на борту космической станции или корабля, а робот будет осуществлять необходимые манипуляции снаружи корабля. На текущий момент андроид позволяет с его помощью проводить порядка 50 различных видов действий в открытом космосе.

Для SAR-401 разработаны два варианта захватывающих устройств [21].

Первый антропоморфный захват необходим для выполнения рабочих задач с предельными характеристиками и предназначен для удержания, манипуляций и перемещения объектов различной массы.

Второй захват предназначен для выполнения работ, требующих мелкой и точной моторики, и имеет 13 степеней подвижности.

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

Робототехника в космосе: история и перспективы развития

Рис. 7. Телеуправляемый андроид SAR-401

«Робонавт» – человекоподобный робот

«Робонавт» (англ. Robonaut) – человекоподобный робот-кентавр, разработанный NASA и General Motors для работы в открытом космосе (рис. 8).

Рис. 8. Робот-кентавр «Робонавт»

Механизированный торс, передвигающийся на четырехколесной тележке, предназначен для оказания помощи астронавтам при работе в открытом космосе в экстремальных ситуациях, когда астронавт не может выполнить те или иные операции в силу физиологических ограничений человеческого организма. Может перемещать грузы значительной массы с ювелирной точностью [12; 19].

NASA с 1997 г. работал над созданием и модификацией человекоподобного робота. В 2006 г. проект вышел на новый этап, и через четыре года 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 м, смогло передвигаться внутри орбитального комплекса под управлением операторов с Земли или кого-либо из членов экипажа.

«Персональный помощник астронавта»

«Персональный помощник астронавта» (Personal Satellite Assistant, PSA) – малоразмерное устройство (рис. 9), способное перемещаться во внутренних объемах кораблей и станций за счет миниатюрных реактивных двигателей. Предназначено для информаци-

Информационные технологии и оптимизация управления онной поддержки астронавтов при их работе с бортовым оборудованием. Разработка ведется специалистами Исследовательского центра NASA им. 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 [22].

Рис. 9. Персональный помощник астронавта

Основные направления перспективного развития космической робототехники в ближайшие годы

Основные направления развития робототехнических систем космического назначения на ближайшую перспективу – решение функциональных, технологических, сервисных и организационных задач, возникающих в ходе космических полетов, по результатам которых олжны быть сформулированы технические требования к перспективным робототехническим системам космического назначения [2; 4; 23].

В ряду перспективных направлений, подлежащих автоматизации робототехническими средствами, следует выделить следующие [20].

Орбитальный монтаж и сервисное обслуживание космических объектов , объединяющие задачи транспортировки к месту сборки фрагментов монтируемых конструкций, автоматизацию собственно сборочных операций и инспекции технического состояния обслуживаемых космических объектов, перемещения КА в пределах орбиты и между орбитами, а также очистка околоземного космического пространства от техногенного мусора.

Работа с малыми небесными телами. Предполагает либо изменение их траектории движения с целью предотвращения столкновения с нашей планетой, либо перенаправление на удобную стабильную орбиту для дальнейших исследований, а также посадку на поверхность объекта для отбора фрагментов и доставки их в исследовательскую лабораторию.

В качестве иллюстрации можно привести исследовательский проект американской компании SpaceWorks Engineering, относящийся к проблеме астероидной опасности [1]: «рой» роботов подлетает к опасному для Земли астероиду, садится на него, «всверлива-ется» в поверхность и начинает периодически толкать астероид, сдвигая его с опасной для нашей планеты траектории.

Изменение орбиты КА. Интересным проектом в данной области является разработанный в 2014 г. фирмой ViviSat, США, механизированный комплекс Mission Extension Vehicle (MEV), предназначенный для продления срока эксплуатации уже находящегося на орбите оборудования [11; 12]. MEV способен пристыковываться к другим спутникам

Робототехника в космосе: история и перспективы развития и с помощью своей двигательной установки переконфигурировать высоту их орбиты или перевести КА на другую орбиту.

Дозаправка спутников. В 2014 г. в Годдардовском центре и в Космическом центре им. Кеннеди испытывались три основных узла роботизированной системы PROxiTT [13; 14], предназначенной для автоматической дозаправки спутников на орбите: система перекачки топлива, гибкий топливный шланг и система подачи окислителя.

Новым направлением является использование ядерных энергоустановок на отечественных космических кораблях, что, разумеется, невозможно без применения робототехники [8].

Стремление к расширению возможностей робототехнической космической системы ведет к ее усложнению и удорожанию. Могут быть названы следующие тенденции развития средств космической робототехники.

Совершенствование отработанных прототипов роботов в направлении расширения функциональных возможностей без принципиальных изменений конструкции. Примером может служить разработка манипулятора Canadarm-2 на базе манипулятора Canadarm [17].

Дальнейшее развитие «антропоморфного подхода» , предполагающего увеличение кинематического подобия робототехнических средств организму человека для обеспечения сходной функциональности и облегчения воспроизведения роботом физиологически естественных для человека движений (Robonaut). Сегодня отрабатываются различные конструкции робота – помощника космонавта, а завтра встанет вопрос о создании его дублера и превращении обитаемых космических аппаратов в посещаемые [7].

Унификация общих функциональных компонентов робототехники обеспечивает предельное повышение их технического уровня, сокращение сроков проектирования и облегчение технического обслуживания.

Оптимальное сочетание средств робототехники и человека при выполнении конкретных операций. Речь идет о специфическом для космонавтики оптимальном взаимодействии космонавта и техники. Для пилотируемых аппаратов необходимо обеспечить оптимальное распределение подлежащих выполнению операций между космонавтом и робототехникой, включая возможность совместной работы [12]. Однако эти процессы должны находиться под оперативным контролем человека с возможностью их блокировки при возникновении каких-либо нештатных ситуаций.

Современный этап развития систем автоматического управления – это освоение методов искусственного интеллекта. Это означает создание нового поколения роботов – интеллектуальных. Аналогично быстро прогрессируют напланетные мобильные роботы (роверы), создаются первые маневрирующие свободно летающие орбитальные роботы.

Важной задачей для дальнейшего развития космической робототехники является формирование на основе обобщения имеющегося опыта создания и применения средств робототехники в космосе с учетом перспектив дальнейшего развития уже достаточно определившихся научно-технических принципов, которыми следует руководствоваться при создании этой техники и ее развитии.

Выводы

На основании обзора современного состояния и анализа тенденций развития объектов перспективной космической инфраструктуры может быть сделан вывод о потенциальном конструктивном многообразии перспективных робототехнических систем космического назначения, определяемом сложностью и разнородностью задач, требующих автоматизации.

Информационные технологии и оптимизация управления

Дальнейшее развитие средств робототехники видится целесообразным в направлении совершенствования отработанных прототипов, например, отработка в режиме телеуправления и автоматическом режиме операций, освоенных в режиме полуавтоматического управления человеком-оператором, находящимся на борту.

Весьма перспективным можно считать класс монтажно-сервисных автономных роботизированных космических модулей, важной особенностью которых является многообразие возможных режимов функционирования.

Целесообразным может быть использование совокупности монтажно-сервисных автономных роботизированных космических модулей, каждый из которых обладает разумной степенью универсальности, но ориентирован на предпочтительное использование в одном из возможных режимов функционирования.