Базовый робототехнический комплекс "мустанг"
Полезная модель относится к машиностроению, а именно к дистанционно-управляемым мобильным роботам, предназначенным для работы внутри зданий и сооружений, в помещениях с повышенным уровнем радиации, с целью обнаружения источников радиоактивного излучения, проведения различных технологических операций по перемещению или экранированию указанных источников, а также ликвидации последствий аварийных или нештатных ситуаций на объектах атомной промышленности. Полезная модель содержит подвижный аппарат, оснащенный четырьмя автономно управляемыми гусеничными движителями с изменяемым углом наклона к опорной поверхности, приборным контейнером, внутри которого расположены две аккумуляторные батареи и блок электроники системы управления подвижным аппаратом, пятистепенным манипулятором с активным двупалым охватом и кабелеукладчик с многожильным кабелем, обеспечивающим связь подвижного аппарата с переносным пультом управления. С целью расширения функциональных возможностей робототехнического комплекса в части преодоления сложных препятствий (рвов, эскарпов и контрэскарпов), повышения грузоподъемности манипулятора, увеличения радиационного ресурса и времени непрерывной работы подвижного аппарата в зоне радиоактивного излучения, конструктивно увеличена длина гусеничных движителей и база подвижного аппарата, в приводах звеньев манипулятора использованы электродвигатели повышенной мощности и планетарно-цевочные передачи, электронный блок системы управления подвижным аппаратом выполнен с использованием спецстойкой элементной базы и размещен между двумя аккумуляторными батареями, а длина и количество жил кабеля обеспечивает возможность работы человека-оператора на безопасном расстоянии от зоны работы и дополнительную подзарядку аккумуляторных батарей.
Полезная модель относится к машиностроению, а именно к дистанционно-управляемым мобильным роботам, предназначенным для обнаружения источников радиоактивного излучения, проведения различных технологических операций, связанных с перемещением либо экранированием указанных источников, а также ликвидацией последствий аварийных или нештатных ситуаций на объектах атомной промышленности. Аппарат предназначен, в основном, для работы внутри зданий и сооружений.
Известен мобильный робототехнический комплекс МРК-20М «Мальчик», разработки Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана (ISSN 0869-6772. Конверсия в машиностроении, 2002, №1), предназначенный для проведения инспекционных поверок (осмотр, поиск), обезвреживания взрывоопасных предметов, поражения целей, пресечения преступных и террористических действий. Комплекс имеет сходство с заявленной полезной моделью наличием пятистепенного манипулятора, оснащенного охватом и смонтированного на гусеничном шасси, аккумуляторным питанием и кабелем информационных каналов между пультом управления и подвижным аппаратом. Однако, в указанной конструкции присутствуют две аккумуляторные батареи, одна из них находится в пульте управления, а другая - на борту подвижного аппарата, что значительно увеличивает массо-габаритные характеристики пульта управления и снижает общую мобильность комплекса. Еще одним недостатком является отсутствие возможности определения кинематического положения звеньев манипулятора при отсутствии подвижного аппарата в поле зрения оператора.
Известен также мобильный робототехнический комплекс МРК-27 ВУ, разработки Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (ISSN 0869-6772. Конверсия в машиностроении, 2002, №1). Назначение: проведение инспекционных проверок, уничтожение взрывоопасных предметов. Комплекс обладает теми же недостатками, что и описанный выше МРК-20М.
Наиболее близким прототипом к заявляемому объекту является мобильный робототехнический комплекс «Богомол 3М», разработки Южно-Уральского государственного университета (патент №56996 на полезную модель). «Богомол ЗМ» предназначен для работы с взрывоопасными предметами и состоит из четырехгусеничного шасси с изменяемым клиренсом, на котором смонтированы пятистепенной манипулятор и приборный контейнер. Аппарат оснащен тремя видеокамерами и связан с переносным пультом оператора посредством кабельного канала связи. Область применения данного робототехнического комплекса определяет как его специфические технические характеристики, так и ограничения по возможности его использования в смежных областях. Так, например, в системе управления подвижного аппарата не используется спецстойкая элементная база, отсутствует защита электронных блоков от радиоактивного излучения, не предусмотрена установка приборов для измерения накопленной аппаратом дозы радиации. Длина (база) подвижного аппарата позволяет преодолевать стандартные лестничные марши, однако специфические препятствия, имеющие место на объектах атомной энергетики (эскарпы, контрэскарпы, рвы) преодолевать не позволяет. Протяженность кабеля связи подвижного аппарата с пультом оператора, как правило, не превышает 50 м, поскольку человек-оператор имеет возможность управлять аппаратом из укрытия или из-за бронещита. При такой длине кабеля, а также с учетом его незначительного диаметра и, соответственно, гибкости, нет необходимости устанавливать дополнительное устройство - кабелеукладчик - на борту подвижного аппарата. Кроме того, грузоподъемность манипулятора (3,5-4,0 кг на вытянутой руке) ограничивает его возможности при работе с более тяжелыми предметами.
Работа в условиях повышенной радиации, как правило, предполагает более длительное нахождение аппарата в опасной зоне, что требует дополнительной подзарядки бортовых аккумуляторов от внешнего источника, а значит, и увеличения сечения кабеля и его длины с целью максимальной удаленности оператора от источников радиации. Повышение грузоподъемности манипулятора без существенного увеличения его массо-габаритных характеристик требует, в свою очередь, использования более совершенных приводов звеньев манипулятора.
Целью создания полезной модели является расширение функциональных возможностей робототехнического комплекса (РТК), обеспечивающее повышенную
проходимость и преодоление различных препятствий (в т.ч. рвы шириной до 700 мм, эскарпы и контрэскарпы высотой до 500 мм, что характерно для действующих атомных электростанций), бесперебойную работу аппарата в условиях повышенного уровня радиации, удаленность человека-оператора (до 200 м) от опасной зоны, увеличение времени непрерывной работы РТК и повышение грузоподъемности манипулятора (до 10 кг).
Первая поставленная цель достигается изменением конструкции шасси, в результате чего увеличена по сравнению с прототипом длина всех четырех гусеничных движителей 1 (фотография представлена на фигуре 1), соответственно увеличена и база подвижного аппарата (ПА), что обеспечивает преодоление препятствий с вышеуказанными размерами, сохранив при этом ширину (колею) подвижного аппарата в пределах 600 мм (для прохождения в узкие двери лифтов).
Вторая цель достигается использованием в системе управления подвижного аппарата спецстойкой элементной базы и размещением электронного блока системы управления внутри приборного контейнера 2 между двумя аккумуляторными батареями, что обеспечивает дополнительную защиту блока электроники свинцовыми пластинами аккумуляторов. Кроме того, на борту аппарата предусмотрено посадочное место 3 для крепления измерителя накопленной дозы облучения, что позволяет производить своевременную замену отдельных электронных блоков при достижении определенного уровня накопленной дозы.
Удаленность человека-оператора от опасной зоны обеспечивается установкой на шасси подвижного аппарата кабелеукладчика 4, в котором с помощью электропривода (на фигуре 1 не показан) обеспечивается равномерная намотка и сматывание кабеля 5 (длиной до 200 м) на барабан при движении подвижного аппарата в прямом или обратном направлении. При этом кабель обеспечивает не только возможность дистанционного управления подвижным аппаратом от переносного пульта управления 6 (ППУ), но и возможность подзарядки бортовых аккумуляторных батарей от внешнего источника напряжения, что обеспечивается введением в кабель дополнительной силовой линии связи. Это позволяет значительно увеличить время работы аппарата в зоне работы (без дополнительной подзарядки емкость аккумуляторных батарей рассчитана всего на 4 часа непрерывной работы).
Задача повышения грузоподъемности манипулятора 7 (без существенного изменения его кинематической схемы и массо-габаритных характеристик) в
заявляемой полезной модели решается путем использования в звеньях манипулятора более мощных по сравнению с прототипом высокооборотных электродвигателей и редукторов, выполненных в виде планетарно-цевочных передач, что обеспечивает достаточные скорости поворота звеньев (до 10°/сек), невысокую собственную массу манипулятора (порядка 30 кг) и необходимую грузоподъемность (до 10 кг).
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фигуре 2 представлен вид сбоку подвижного аппарата. Аппарат состоит из шасси 1 с четырьмя автономно управляемыми гусеничными движителями 2, 3 (два других движителя в плоскости чертежа не показаны), приборного контейнера 4, кабелеукладчика 5 с кабелем 6 и пятистепенного манипулятора 7 с двупалым радиальным охватом 8. Оператор с переносного пульта управления (на фигуре 2 не показан) с помощью джойстиков и клавиш панели управления может задавать движение аппарата в прямом или обратном направлении, разворот на месте или в движении, изменение угла наклона каждого гусеничного движителя относительно опорной поверхности на ±90°, а также управление звеньями манипулятора 7 по заданной траектории.
Внутри приборного контейнера 4 (на фигуре 2 показан в разрезе) расположены две аккумуляторных батареи 9, 10, между которыми размещен электронный блок 11 системы управления подвижным аппаратом, выполненный с использованием спейстойкой элементной базы. Кабель 6 в процессе движения подвижного аппарата может равномерно наматываться на барабан кабелеукладчика 5 либо разматываться с него, что происходит автоматически (предварительным подбором коэффициентов управления электроприводом, обеспечивающим данную операцию) или по команде оператора, если возникла ситуация с натяжением (провисанием) кабеля. Многожильный кабель обеспечивает информационную и управляющую связь ПА с ППУ, питание ППУ от аккумуляторных батарей ПА, а также возможность подзарядки батарей ПА от внешнего источника, расположенного на расстоянии до 200 мот ПА.
Приводы звеньев манипулятора реализованы по классической схеме: электродвигатель-редуктор-выходной вал звена. При этом использование в качестве электродвигателей, например, JRS-775PM-3848 и SB 4060, а в качестве планетарно-цевочных передач ПЦП60м и ПЦП120, позволяет в приемлемых габаритах (максимальный вылет руки манипулятора 1600 мм) и массе (30 кг) обеспечить
достаточную для проведения необходимых технологических операций грузоподъемность (до 10 кг) и динамику (скорости поворота звеньев до 10°/сек).
Таким образом, за счет изменения конструкции подвижного аппарата РТК (шасси, гусеничные движители, приборный контейнер, манипулятор), применения электродвигателей повышенной мощности и планетарно-цевочных передач, защиты электронных блоков ПА от воздействия радиационного излучения, установки на шасси дополнительного устройства - кабелеукладчика, обеспечивающего управление и подзарядку ПА в процессе работы на достаточном удалении от человека-оператора, обеспечивается достижение поставленных целей.
В настоящее время спроектирован, изготовлен, испытан и передан Заказчику опытный образец робототехнического комплекса «Мустанг». После проведения комплекса дополнительных испытаний предполагается принятие решения о тиражировании аппарата для оснащения объектов атомной энергетики РФ.
1. Базовый робототехнический комплекс, содержащий переносной пульт управления, соединенный посредством кабеля с подвижным аппаратом, состоящим из шасси с четырьмя гусеничными движителями, приборного контейнера с двумя аккумуляторными батареями и электронным блоком системы управления подвижного аппарата, манипулятора с пятью степенями подвижности и активным двупалым охватом, отличающийся тем, что на шасси установлен кабелеукладчик, обеспечивающий возможность намотки-размотки кабеля при движении подвижного аппарата.
2. Базовый робототехнический комплекс по п.1, отличающийся тем, что конструктивно увеличена длина (база) подвижного аппарата и длина гусеничных движителей.
3. Базовый робототехнический комплекс по п.1, отличающийся тем, что электронный блок системы управления подвижного аппарата выполнен с использованием спецстойкой элементной базы и размещен в приборном контейнере между двумя аккумуляторными батареями.
4. Базовый робототехнический комплекс по п.1, отличающийся тем, что в приводах звеньев манипулятора использованы планетарно-цевочные передачи.
