ПОДВОДНЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ

авторы: Занин В.Ю., советник генерального директора АО «НПП ПТ «Океанос», Гайкович Б.А., к.т.н., заместитель генерального директора АО «НПП ПТ «Океанос», Путинцев И.А., инженер-конструктор АО «НПП ПТ «Океанос»

Манипуля́тор — механизм для управления пространственным положением орудий, объектов труда и конструкционных узлов и элементов (c) Wikipedia.

Разработчики подводной техники всегда стремились создать устройство, выполняющее механическую работу без непосредственного контакта рук исполнителя с объектом работы. Первые манипуляторные конструкции были примитивными и предполагали использование мускульной силы пилота. Например, первый полностью герметичный жесткий скафандр Филлипса или жесткие нормобарические скафандры Нойфельда-Кунке, один из которых находился в распоряжении ЭПРОН в первой трети 20 века.

Ранние манипуляторы, как правило, выполняли одну, в лучшем случае две функции (вращение и/или сжатие схвата). Довольно быстро, с ростом технологий подводных исследований, стало очевидно, что этого недостаточно. Кроме того, недостаток мощности в случае использования мускульного привода являлся существенным ограничивающим фактором. Был необходим силовой привод, и манипуляторы обзавелись собственными «мышцами» - сервоприводами, системами управления, датчиками и т.д., без чего невозможно представить современный подводный робототехнический комплекс.

Одной из весьма удачных демонстраций относительно современных силовых гидравлико-пневматических манипуляторов стал «Подводный судоподъемный аппарат» Юджина Романо (Submarine Salvage Apparatus, США, 1933 г.). Манипуляторы обладали 4 суставами, комплектовались 12 сменными насадками, и, по словам современников, позволяли Романо играть ими в карты. Однако, изучив кинематическую схему и органы управления, последнее заявление представляется крайне сомнительным, так как устройство «рук», хоть и механически весьма изощренное, явно не позволяло проведение столь тонких операций, которые и современным манипуляторам даются с трудом.

На одном из наиболее известных обитаемых подводных аппаратов (ОПА) «Alluminaut», вписавшем свое имя в историю подводной техники целым рядом ярких эпизодов (например, поиск водородной бомбы у о. Паломарес), можно видеть уже вполне современные гидравлические манипуляторы, разработанные компанией General Electric. На почти 3-хметровом полном вылете они могли поднимать до 100 кг, имели по 5 суставов и были изготовлены из алюминия – что обеспечило вес всего 150 кг на воздухе. Это отличные характеристики и для 2017 года, а построен Aluminaut был в 1964, более чем полвека назад.

Революция в подводной робототехнике, приведшая к появлению и широчайшему распространению телеуправляемых подводных аппаратов (ТПА), не обошла и манипуляторные системы. С увеличением основных рабочих глубин на морских месторождениях за пределы, доступные водолазам (свыше 300 м), ТПА и их манипуляторы являются единственным средством выполнения ПТР, и от качества и функциональности этих устройств напрямую зависит успех всего проекта.

Условно, представленные на рынке манипуляторы можно разделить на 2 класса – устройства для ТПА рабочего («тяжелого») и осмотрового/рабочего («легкого») класса. Манипуляторы для аппаратов рабочего класса выполняются, как правило, по гидравлической схеме, обладают вылетами свыше 1.5 м и грузоподъемностью от 100-150 кг. Обычно такие манипуляторы имеют от 5 до 7 функций. Необходимо отметить, что на 80% «рабочих» ТПА по всему миру установлены манипуляторы Orion или Titan компании Schilling Robotics, входящей в состав корпорации TechnipFMC.  Даже производители, аппараты которых напрямую конкурируют с продукцией Schilling, устанавливают на свои ТПА манипуляторные системы своего конкурента.

рис. 4 ТПА Schilling Robotics HD с установленными манипуляторами Titan и Atlas

Рынок манипуляторов для аппаратов легкого класса (а также для АНПА) значительно более разнообразен. Некоторое время назад были популярны гидравлические устройства Hydrolek (Великобритания), но проблемы с качеством, а затем кончина ведущего разработчика компании привели к резкому снижению популярности этих манипуляторов. Производители «легких» ТПА (например, Sub-Atlantic или ECA Robotics) создали свои проприетарные конструкции подводных манипуляторов. Однако опыт эксплуатации показывает, что их продукция не лишена «широкого поля» для совершенствования. Учитывая вышесказанное, а также успехи АО «НПП ПТ «Океанос» в эксплуатации и развитии подводных аппаратов (совместный проект с ФГБОУ ВО «СПбГМТУ»), было принято решение о создании собственной конструкции унифицированного электрического манипулятора с модульным функционалом.

Целью стало создание манипулятора с большим вылетом (850-1500 мм в зависимости от исполнения) и 5-6 степенями свободы, пригодного для установки на ТПА осмотрового и легкого рабочего класса, а также на АНПА и донные базовые станции. В настоящее время идет сборка первого образца устройства. В ходе разработки семейства АНПА (в том числе типа «глайдер»), о котором мы неоднократно рассказывали ранее, были сформулированы основные требования к создаваемому манипулятору:

• съемный схват манипулятора, допускающий использование дополнительного инструмента и насадок;
• максимальный вес груза, который манипулятор может схватить и перенести в заданное положение, должен составлять не менее 200 Н;
• работа в режиме дистанционного «онлайн» управления оператором, и в «оффлайн» режиме автоматической работы с использованием систем технического зрения и распознавания;
• максимальная ремонтопригодность в полевых условиях.

В качестве приводов манипулятора и захватного устройства был выбран электромеханический привод, главным достоинством которого в подводной робототехнике является существенно меньший вес и объем электрического манипулятора. Также важна способность электрических манипуляторов двигаться плавно, без рывков, присущих гидравлике. По надежности, особенно в условиях холодной воды, электрическая схема также имеет преимущество.

Каждая степень манипулятора является отдельным модулем. Все модули унифицированы и взаимозаменяемы. Для увеличения досягаемости манипулятора используются проставки между степенями (модулями), а также при необходимости устанавливаются более мощные двигатели в приводах манипулятора. Путем комбинации модулей с различными двигателями, редукторами и проставок можно добиваться оптимальной досягаемости и грузоподъемности.

Для универсальности захватное устройство манипулятора имеет наиболее распространенный вид механических захватов - классическую схему клещевого типа. Сегодня существует большое количество вариаций механических захватных устройств клещевого типа, способов и методик расчета, кинематических схем и уже реализованных устройств, которые успешно справляются с большим количеством задач, решаемых подводными аппаратами. Такое захватное устройство может успешно реализовываться с использованием электропривода без применения каких-либо энергоносителей кроме электрической энергии, что очень удобно в подводной робототехнике в условиях подводной среды и ограниченности применения.

Захватное устройство является четвертой степенью манипулятора и имеет возможность вращения вокруг своей продольной оси без ограничения угла поворота. Одновременно с вращением может осуществляться открытие-закрытие губок схвата, т.е. захватывание или отпускание объекта работает независимо от других движений манипулятора. Кроме того в отличие от схвата с гидравлическим приводом, данная конструкция продолжит удерживать объект в схвате даже при полном отказе питания манипулятора.

Управление манипулятором в режиме «онлайн» осуществляется элементом типа «джойстик», где отклонение ручки управления задает скорость вращения степени, а закрытие/открытие схвата осуществляется кнопкой. Важно, что управление всеми 4 степенями свободы манипулятора, а также работой захватного устройства осуществляется одним джойстиком одной рукой. Это особенно удобно, когда оператор одновременно управляет, например, еще и подводным аппаратом или другим манипулятором.

В «онлайн»-режиме роль следящей системы манипулятора играет оператор, который контролирует работу манипулятора, задает нужное перемещение степеней свободы и управляет захватным устройством. Информация с видеокамер,  установленных на аппарате и манипуляторе, поступает на пульт управления подводным аппаратом и отображается на мониторе, где ее может наблюдать оператор.

Режим «оффлайн» в настоящий момент является концептуально разрабатываемым  и будет реализован с развитием технологий технического зрения и распознавания, оптимизации программ автоматического перемещения  степеней манипулятора и комплексного взаимодействия объект-манипулятор-аппарат. Ведущееся моделирование позволяет прогнозировать, выход на тестирование данного режима в течение ближайших 2-3 лет.

С созданием унифицированного манипуляторного модульного комплекса, разработчики рассчитывают, что будет «положен еще один «кирпич»» в обеспечение возможности активного развития отечественной подводной робототехники как с точки зрения повышения функциональности и снижения себестоимости разрабатываемых и производимых телеуправляемых аппаратов, так и с позиции преодоления наметившегося технологического разрыва в области автономных необитаемых подводных аппаратов с рабочим функционалом, что в свою очередь позволит поставлять отечественную подводную робототехнику не только на внутренний рынок, но и иностранным заказчикам.

Новости по теме:

Манипуляторы для подводных роботов. Статья в новом номере "Нефтегаз.ру"

Манипуляторные комплексы для автономных необитаемых подводных аппаратов

Манипуляторные комплексы