автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Основы проектирования и отработки транспортных и ориентирующих робототехнических систем космического назначения

и /

■4* /

р* I

? У

т

у 7 ¿¿Сог-

ОАО «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ»

Президиум ВАК России

{решение от " Ю Яш г., №

л ^КТОРА

I присудил ученую степень Д\Л:

. Маленков Михаил Иванович у ¡АЛ^ТЫиМ^_____науК

^\ышк управления ВАК России

НОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОТРАБОТКИ

РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

На правах рукописи

Специальность 05.02.05 - Роботы, манипуляторы и робототехнические системы

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2000 год

доктор технических наук, профессор Игнатьев М.Б.

доктор физико-математических наук, профессор Платонов А.К.

доктор технических наук, профессор ЧелпановИ.Б.

Ведущая организация: Ракетно-космическая корпорация «Энергия»

Защита диссертации состоится « 6 » июня 2000 года в 15 ~на заседании диссертационного совета Д 063.38.07 при Санкт-Г обургском государствен-

Санкт-Петербург,

хтлоя в библиотеке <..« V": итета.

5 , ; к печатью, просим

сдада разослана «¿- о » о и , (■ 1

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

По - /0

Официальные оппоненты:

, * 1 "'■Не

3539 - ¿1- 02

ном техническом университете по адресу:1? ул .Политехническая 29,1-ый учебный корпус, < .

С диссертацией в виде научного доклада >-Санкт-Петербургского государственного те>( Ваш отзыв на диссертацию в двух экзетг ' направлять по указанному адресу.

Диссертаци I * ' н\,ч

В.И.Лебедев

Общая характеристика работы

Актуальность. В последние десятилетия XX века начался этап исследования Луны, планет и их спутников с помощью различного рода приборов и инструментов, доставляемых непосредственно на поверхность этих небесных тел. Успешная эксплуатация «Лунохода 1 и 2» на поверхности Луны, разработка и реализация советских и американских проектов исследования Марса и Фобоса показали, что объем получаемой научной информации существенно увеличивается, если научная аппаратура размещается на своеобразных транспортных средствах-планетоходах.

Для проведения научных экспериментов контактными методами целесообразно оснащение этих транспортных средств специальными манипуляторами, способными определенным образом ориентировать научные приборы, например, выносить и устанавливать блоки детектирования на изучаемую поверхность, доставлять на борт образцы внеземного грунта. Планетоходы и их бортовые манипуляторы составляют класс транспортных (мобильных) и ориентирующих (поворотных или манипуляци-онных) робототехнических систем космического назначения (PC КН) инопланетного базирования, обеспечивающих перемещение полезных нагрузок (ПН) относительно базовой поверхности.

К этому же классу PC КН, но орбитального базирования могут быть отнесены бортовые системы орбитальных кораблей (OK) и орбитальных станции (ОС), предназначенные для обслуживания (перемещения, наведения, развертывания, фиксации и расфиксации) служебной и научной аппаратуры. Это, например, система транспортной тележки (СТТ) для перемещения грузов и космонавтов по внешним поверхностям больших ОС; бортовые манипуляторы (БМ) OK и ОС; система крепления и развертывания БМ (СКР БМ); платформы точного наведения (ПТН) оптических или иных осей визирования научных приборов.

Несмотря на разнообразие конструктивных исполнений, все PC КН инопланетного и орбитального базирования имеют общие свойства, а практическое создание этих систем связано с решением сходных проблем. В 60-90-ых годах научные исследования и разработки по различным аспектам этих проблем проводились учеными и инженерами РКК «Энергия», ОКБ им. САЛавочкина, ЦНИИ РТК, ИКИ РАН, ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, ИП Механики РАН, ИМАШ РАН, ПЕОХИ им. Вернадского РАН, ЦНИИМАШ, ГКНГШ u»- -------- — V, НИИ КП,

КНИГА И1ЛЕЕТ

к

3

Iii

В перепл. еаин. сосдин. ЖЧ« вып.

1/1

JX основной в частности ) - роверы1, ощем опыт гке проекта х типов PC 2' «ода, ПТН

10В и других «ленной ме-

«Ориентатор» для ОС «Мир», двухосной платформы наведения (ДПН) «Луч» для МКС, а также при конверсии космических технологий для создания наземных транспортных роботов, пригодных к эксплуатации в опасных средах.

В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические решения по концепции, конструкции и обеспечению заданного ресурса перечисленных образцов новой космической техники, дано научное обобщение многолетнего опыта разработок, результатов исследований и методов наземных испытаний мобильных и поворотных РС КН и их основных подсистем: ходовой части и приводов. Внедрение технических решений, положений и выводов диссертации вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в передовой области практической космонавтики, закрепляет приоритеты отечественных достижений в этой области и, таким образом, является чрезвычайно актуальным.

Цель и задачи диссертации. Основной целью диссертации является разработка научных основ расчета, проектирования и испытаний ходовой части, приводных модулей и несущей конструкции транспортных и ориентирующих РС КН, начиная с постановки задачи и формулирования требований и кончая наземной отработкой экспериментальных образцов, а также краткое обобщенное изложение конкретных результатов проведенных автором исследований на основе анализа ранее опубликованных им научных работ, известных широкому кругу специалистов в области космической и экстремальной робототехники в России и за рубежом.

Для достижения этой цели в диссертации решаются следующие задачи:

- анализ стратегии использования транспортных и ориентирующих РС КН при изучении и освоении космического пространства, систематизация сведений о выполняемых ими типовых функциях и операциях;

- анализ и систематизация данных об условиях доставки и эксплуатации РС КН на поверхности небесных тел и орбитах искусственных спутников Земли и планет и формирование на этой основе технических требований к их конструкции, механическим и электрическим интерфейсам с бортом посадочных блоков (ПБ), а также с бортом ОК и ОС;

- обоснование и выбор критериев для сопоставления и оптимизации технических и технологических решений, принимаемых разработчиками на различных стадиях проектирования и отработки;

- обоснование новых подходов к проектированию ходовой части (ХЧ) и приводных модулей (ПМ) мобильных РС КН, синтез новых схем и конструкций колесного движителя, механизмов шагания и разворота колес, обеспечивающих возможность трансформации ходовой части с изменением габаритных размеров планетоходов; комбинирования способов передвижения в зависимости от внешних условий; адаптации ходовой части к рельефу местности; маневрирования на ограниченных площадках;

- разработка новых принципиальных решений по конструкции ПМ мобильных и поворотных РС КН, синтез встроенных узлов этих модулей, обеспечивающих заданные тягово-динамические характеристики, и возможность реализации программных режимов управления;

- разработка новых эффективных методов обеспечения работоспособности, ресурса и необходимых фрикционных характеристик пар трения механизмов, работающих в открытом космосе;

- построение динамических моделей планетоходов с полноприводным многоколесным и колесно-шагающим движителями (КШД), независимыми подвесками колес и встроенными в них индивидуальными электромеханическими приводами (ЭМП) и механизмами шагания (МШ), проведение исследований на моделях динамики, траектории и структуры энергозатрат при прямолинейном движении и бортовом повороте на слабосвязных грунтах с учетом физических свойств опорной поверхности;

- обоснование и разработка методик, условий и параметров испытательных воздействий, выбор испытательного оборудования при наземных испытаниях РС КН, обеспечивающих имитацию определяющих факторов эксплуатации с учетом реальных временных, технических и экономических ограничений и получение достоверных данных о свойствах вновь созданных РС КН.

Методы исследований. Систематизация и научное обобщение результатов исследований и разработок, выполненных под руководством и при участии автора в период с 1966 по 2000 год в процессе создания и экспериментальной отработки РС КН, а также их физических моделей, макетов и демонстраторов. Теоретические исследования выполнены на математических моделях с учетом характеристик взаимодействия металлических колес с грунтом, полученных экспериментальным путем. Экспериментальные исследования выполнены при имитации реальных условий эксплуатации узлов и систем.

Научная новизна.

• Систематизированы и обобщены сведения об основных факторах, определяющих специфику проектирования, отработки и эксплуатации транспортных и ориентирующих РС КН, произведено ранжирование этих факторов по степени влияния на технический облик новых изделий.

• Предложены и обоснованы новые схемы ходовой части и направляющих путей СТТ для перемещения по МКС, новые схемы ХЧ и ПМ планетоходов, новые конструкции колес, встроенных редукторов, коробок передач, тормозов, выполнены исследования их внутренних характеристик - радиальной, боковой и крутильной жесткости, коэффициентов диссипации, потерь сухого трения и т.п. и даны рекомендации по применению перечисленных узлов в конструкции планетоходов и наземных роботов для экстремальных условий.

• Построены новые пространственные и плоские математические модели подрессоренных планетоходов и наземных роботов с индивидуальными ЭМП колес и МШ, достаточно полно отражающие специфику взаимодействия движителя со слабосвязными грунтами при прямолинейном движении и бортовом повороте.

• На основании результатов математического моделирования выявлены новые особенности взаимодействия многоколесного полноприводного планетохода с грунтом, например, показано, что каждый привод работает в собственных силовом и скоростном режимах, что определяет траекторию движения на грунтах с различными механическими свойствами.

• Проведен сравнительный анализ кинематических схем и конструкций ПМ, предназначенных для инопланетных и наземных роверов, их бортовых манипуляторов, СКР БМ, СТТ и ПТН, выявлены общие свойства и различия характеристик этих модулей и даны рекомендации по проектированию применительно к каждому типу перечисленных РС КН.

• Предложены новые проектные решения для поворотных систем наведения научной аппаратуры, адаптированные к условиям размещения на ОС, к условиям монтажа на ОС при внекорабельной деятельности (ВКД) космонавтов и обеспечивающие достаточно высокую точность отработки программной траектории и электрический интерфейс научной аппаратуры с бортом при больших углах прокачки по каждой из осей.

• Сформулирована идеология организации планирования и проведения наземной отработки РС КН, основными положениями которой являются:

- изыскание материалов и покрытий пар трения космических механизмов, проработка технологии изготовления, планирование наземной отработки, включая оценку необходимого стендового оборудования, одновременно с началом разработки концепции новых космических изделий и синтезом их механизмов;

- завершение предварительных изысканий материалов, покрытий и смазок пар трения на стадии выпуска рабочих чертежей на основе анализа карт пар трения и проведения испытаний образцов на стандартных машинах трения;

- проведение автономных испытаний пар трения, узлов и механизмов на режимах максимального нагружения с разработкой, при необходимости, специальных стендов для подобных испытаний;

- воспроизведение движения всех звеньев РС КН на заключительных этапах комплексных испытаний при имитации номинальных режимов нагружения, среды, теплового состояния, массово-инерционных параметров и реальных динамических характеристик.

Основные положения, выносимые на защиту

• При формулировке технических требований и на последующих этапах проектирования первоочередной задачей является всесторонний анализ и комплексный учет всех факторов, влияющих на выполнение главных функций рассматриваемого типа РС КН - функций движения и перемещения полезной нагрузки. Например, применительно к луноходам необходимо учитывать, а при наземной отработке воспроизводить реальные режимы нагружения отдельных пар трения, механизмов, узлов и СШ в целом, возникающие при движении по неподготовленной местности со сложным рельефом и неоднородным грунтом в слабом гравитационном поле, в вакууме, при больших перепадах температур освещенных и затененных участков, определенном дефиците информации, получаемой с помощью бортовых технических средств, об условиях движения при дистанционном или программном управлении, а также при доставке к месту эксплуатации в ограниченных объемах посадочных блоков.

• Наиболее важными критериями оценки качества технических решений по конструкции мобильных РС КН являются показатели проходимости (максимальные преодолеваемые углы подъема на связных и сыпучих грунтах, высота ступенек и

уступов, минимальные глубина колеи и коэффициент буксования в функции от угла подъема); маневренности (максимальная скорость и диапазон ее регулирования, равноценность прямого хода и реверса, минимальные радиусы поворота, возможность движения под углом к продольной оси); экономичности (минимальные удельные энергозатраты в прямолинейном движении и повороте); грузоподъемности (минимальное отношение масс СШ и его полезной нагрузки); возможности адаптации к условиям доставки в ограниченных объемах и к условиям движения по пересеченной местности без потери контакта движителя с грунтом; возможность реализации программного управления при развертывании в рабочее положение и при движении; максимальные ресурс работы и запас хода.

• Указанным критериям отвечают следующие принципиальные подходы к проектированию СШ двойного (космического и наземного) назначения:

применение многозвенных приводных движителей, способствующих снижению удельных нагрузок на рыхлые грунты и повышению надежности реализации прямолинейного движения по сложному профилю, включающему кратеры, дюны, крутые подъемы, каменные гряды, разломы, а также надежности реализации бортового поворота наиболее простых по конструкции СШ с неповоротными колесами;

индивидуальный ЭМП каждого звена колесного или колесно-шагающего движителя, обеспечивающий наиболее простой способ распределения энергии бортовой энергоустановки, повышение характеристик проходимости и маневренности, а также возможность сохранения функции движения даже при отдельных отказах ЭМП или системы управления;

обоснованное увеличение числа степеней свободы механической структуры СШ по отношению к достаточному для прямолинейного движения и бортового поворота, что повышает возможности размещения СШ в ограниченных объемах спускаемого аппарата и способствует адаптации к пересеченной местности;

установка датчиков положения и ЭМП по каждой степени свободы механической структуры СШ, способствующая реализации алгоритмов программного управления;

применение в качестве тяговых редукторов зубчатых передач с многопарным зацеплением и большим передаточным отношением, таких как многорядные планетарные передачи с плавающими рядами, волновые и прецессионные передачи, а также комбинации этих передач, обеспечивающие минимизацию габаритно-массовых характеристик приводных модулей движителей любых типов и электромотор-колес в частности;

- выбор параметров тягового ЭМП (механические характеристики электродвигателя и передаточное отношение редуктора), исходя из условий работы наиболее загруженного кормового колеса при наиболее неблагоприятной ситуации на трассе, например, длительном движении на предельный подъем, когда режимы на-гружения отдельных звеньев многозвенного движителя различаются в несколько раз;

- регулирование скорости движения путем широтно-импульсного модулирования (ШИМ), а также применение планетарных коробок перемены передач (КПП) для одновременного регулирования и скорости движения, и динамического фактора

ровера, что способствует оптимальному соотношению скоростных и тяговых показателей при преодолении сложных препятствий, буксировке, бульдозерении и выполнении других технологических операций;

- применение встроенных в ЭМП электромагнитов для управления работой КПП и фрикционных дисковых тормозов, обладающих высоким быстродействием и малым энергопотреблением, применение встроенных в ЭМП автоматических тормозов, снижающих энергозатраты на движение;

- применение встроенных в мотор-колесо механизмов шагания (МШ), обеспечивающих возможность реализации колесного и колесно-шагающего способов передвижения, а также возможность регулирования отно�