Во многих отраслях народного хозяйства и областях науки широкое практическое применение находят программные автоматические манипуляторы (промышленные роботы), а также командные и копирующие манипуляторы, дистанционно управляемые человеком-оператором. В частности, командные и копирующие манипуляторы используются на обитаемых и необитаемых подводных аппаратах.

Однако обширные задачи освоения Мирового океана не могут быть решены с помощью существующих простых манипуляторов. Требуются более универсальные многоцелевые манипуляционные робототехнические комплексы с необитаемыми рабочими аппаратами, управляемые комбинированной человеко-машинной системой.

Необходимость в них диктуется целым рядом соображений.

Во-первых, необитаемый аппарат при выполнении большого объема работ на глубине может непрерывно в течение продолжительного периода находиться у объекта, а обитаемый аппарат или водолазный комплекс из-за ограниченного времени действия системы жизнеобеспечения вынужден совершать несколько циклов погружения и всплытия. Это существенно затягивает и удорожает всю операцию.

Во-вторых, масса обитаемого аппарата всегда будет много больше, чем необитаемого, предназначенного для тех же операций. Это влечет за собой значительное утяжеление спуско-подъемного устройства на надводном судне-носителе, а значит и увеличение минимально допустимого тоннажа последнего, что снижает оперативность системы и тоже удорожает операцию.

В-третьих, для выполнения целого ряда работ на глубине нужны универсальные манипуляторы с числом степеней свободы не менее,шести (подобные человеческим рукам, не считая кисти). Они могут быть многоцелевыми с простой перенастройкой на различные циклы операций. В этом состоит одно из преимуществ манипуляционных роботов перед традиционными автоматическими устройствами. Они во многих случаях вполне могут заменить тяжелый и опасный труд водолазов.

В-четвертых, манипуляционная система должна обладать достаточно «умной» системой управления, адаптирующейся к фактической обстановке на месте действия манипуляторов, аналогичной мозгу человека, управляющему целенаправленным движением рук в процессе работы. Для этого необходимо «очувствление» манипуляторов и включение ЦВМ или спецвычислителя в контур управления. Вследствие сложности операции и «непредсказуемости» подводной обстановки для полной автоматичности действия манипуляционного робота потребуется создать элементы искусственного интеллекта. Однако о решении последней задачи на современном уровне развития науки и техники пока говорить преждевременно. Поэтому неизбежно включение человека-оператора, находящегося на борту надводного судна-носителя, в процесс управления подводными манипуляторами. При этом дистанционно по кабелю-тросу необходимо передавать с судна на подводный аппарат сигналы управления, а обратно, с аппарата на судно, телевизионную и другую информацию для отображения подводной обстановки на телевизионном экране (приемном пульте).

Таким образом, в распознавании неопределенной и меняющейся подводной обстановки и в управлении движением манипуляторов используется интеллект человека-оператора. Возможны различные пути построения такой системы управления.

Система в простейшем варианте построена так, что оператор все время управляет каждым движением манипуляторов, воздействуя руками на задающее устройство и наблюдая на экране подводную обстановку у подводного объекта. Такие системы называются биотехническими. Эти биотехнические системы делятся на три основных вида: командные, копирующие и полуавтоматические.

В командных системах управления оператор при помощи кнопок, тумблеров или рукоятки с кнопками вызывает движения манипуляторов, соответствующие разным степеням свободы, по отдельности. В данном случае имеет место просто дистанционное включение отдельных приводов на манипуляторе.

В копирующих системах управления на посту у оператора имеется задающий механизм, кинематически полностыо подобный подводному манипулятору. Оператор присоединяет этот задающий механизм к своей руке или просто перемещает рукой только конец задающего механизма. При этом манипулятор будет в точности повторять движение задающего механизма по всем степеням свободы. Это происходит за счет того, что каждой степени свободы манипулятора соответствует степень свободы задающего механизма по принципу следящей системы. При этом на манипуляторе находится исполнительная часть следящей системы, а на посту (отражение рабочих усилий), что существенно повышает эффективность его действий.

В полуавтоматических системах на посту управления оператора имеется управляющая рукоятка, которая обладает несколькими степенями свободы (в общем случае — шестью). По каждой степени свободы возможны небольшие перемещения. При этом сила нажатия человеком на рукоятку по каждой степени свободы создает пропорциональную ей величину перемещения, которая преобразуется в электрический сигнал.

Итак, оператор, нажимая на управляющую рукоятку и поворачивая ее, задает тем самым желательное движение концу подводного манипулятора (схвата или инструмента) по шести пространственным координатам (линейные перемещения и угловая ориентация) одновременно. Для осуществления этого сигналы, снимаемые с управляющей рукоятки по всем степеням свободы, поступают в спецвычислитель СВ. Последний пересчитывает их таким образом, чтобы сформированные в результате команды управления для всех приводов реализовали совокупное движение приводов, под действием которых выполнялись бы желаемое линейное смещение и угловая ориентация на конце манипулятора.

Полуавтоматические системы имеют ряд преимуществ: во-первых, управляющие устройства их компактнее и, во-вторых, удобна для работы рукоятка, при проектировании кинематики которой независимо от кинематики манипулятора, можно исходить из удобства работы с ней.

Существуют три основных способа управления такими полуавтоматическими системами: скоростной, силовой и позиционный, а также их комбинации.

Скоростной способ полуавтоматического управления состоит в том, что при нажатии оператором на управляющую рукоятку спецвычислитель формирует такие команды управления на приводы, при которых скорость движения (линейного или углового) на конце манипулятора будет пропорциональна величине смещения или силе нажатия на управляющей рукоятке.

Силовой способ полуавтоматического управления заключается в формировании усилия (сил и моментов) на конце манипулятора, пропорционального силе нажатия на рукоятке. Его целесообразно применять в том случае, когда схват или инструмент на конце манипулятора находится в соприкосновении с предметом на объекте работ. Свободное движение манипулятора по силовому способу при помощи спецвычислителя формируется так, как будто за концевую его точку потянули с силой, пропорциональной силе нажатия оператором на управляющую рукоятку. Однако силовой способ управления свободным движением схвата нецелесообразен, так как величина приложенной силы не определяет непосредственно направление движения.

Наконец, позиционный способ полуавтоматического управления отличается тем, что в нем человек-оператор при помощи управляющей рукоятки задает текущие координаты концевой точки манипулятора и текущее угловое положение схвата, т. е. траекторию движения и угловую ориентацию схвата или инструмента на конце манипулятора. Спецвычислитель при этом формирует сигналы управления на приводы всех степеней свободы манипулятора так, чтобы реализовалось указанное выше Движение.

Целесообразно строить комбинированную полуавтоматическую систему управления, в которой для переносов (транспортных перемещений) конца манипулятора применялся скоростной способ управления, для местных малых перемещений с точным позиционированием схвата или инструмента — позиционный способ, а для проведения рабочих операций в контакте с предметами — силовой способ полуавтоматического управления. Подобная комбинированная система может быть выполнена с единой управляющей рукояткой и единым спецвычислителем при добавлении лишь несложного переключающего устройства, сопряженного с этой рукояткой.

Итак, три основных вида систем дистанционного управления (командный, копирующий и полуавтоматический) являются биотехническими, так как в них оператор, следя по экрану и приборам за движением манипулятора и за обстановкой, непрерывно руками подает управляющие сигналы. Руки человека все время направляют действия манипулятора.

При такой непрерывной загрузке, создающей напряженный режим работы, оператор не может длительно действовать. Для увеличения эффективности проведения операции необходимо существенно разгрузить оператора, увеличить длительность его работы путем снижения утомляемости. Этого частично, правда в недостаточной степени, можно достичь, перейдя от копирующего управления к полуавтоматическому.

Эффективность действий подводного манипуляционного робота возрастает, если часть операции, поддающуюся жесткому программированию или гибкому — с простейшей адаптацией, выполнять в автоматическом режиме. Система управления этой частью операции может быть полностью размещена на самом рабочем аппарате (РА), при этом можно использовать либо бортовой спецвычислитель на РА (рис. 5), т. е. без загрузки информационного канала кабеля-троса, либо судовую ЦВМ.

Человек-оператор наблюдает по экрану и приборам на своем посту за обстановкой и действиями подводных манипуляторов в автоматическом режиме и в зависимости от нее включает и выключает те или иные автоматические режимы, а при необходимости может брать управление в свои руки (переходить на один из биотехнических режимов, описанных выше).

Такая комбинированная система, которую можно назвать автоматизированной, весьма перспективна. Она позволяет значительно увеличить производительность работ (за счет автоматических режимов), облегчить труд оператора (избавляет его от непрерывных манипуляций руками) и тем самым увеличить продолжительность его эффективных действий.

Автономность работы НПА без его утяжеления можно повысить, если ввести дополнительно аппарат-матку (AM) с установленной на ней бортовой ЦВМ (рис. 8). Тогда исполнительный уровень управления приводами с простейшим вычислителем разместится на аппарате, а ЦВМ для следующего иерархического уровня системы управления — адаптивного — будет находиться на аппарате-матке. Заметим, что с аппаратом-маткой могут работать одновременно два или несколько рабочих НПА.

Этот аппарат-матку целесообразно использовать при работах на больших глубинах. Во-первых, легкий рабочий аппарат не может бороться с помощью своих собственных движителей с колебаниями длинного кабеля-троса, если он не закреплен. Аппарат-матка в данном случае послужит якорем, от которого будет идти сравнительно короткий кабель-трос к рабочему аппарату.

Во-вторых, такой аппарат-матка будет служить как промежуточный энергетический узел. По длинному кабелю-тросу с судна-носителя на аппарат-матку передается энергия в виде, наиболее выгодном для передачи. На аппарате-матке устанавливаются преобразователи тока в разные его виды. Ток подается затем к потребителям на рабочем аппарате по короткому кабелю. Кроме того, на аппарате-матке могут быть установлены аккумуляторные батареи в качестве запасных источников энергии.

В-третьих, аппарат-матка может быть снабжен измерительной и записывающей аппаратурой для регистрации различных свойств среды по всей линии спуска с судна-носителя и на океанском дне.

Спуск рабочего аппарата с судна проводится поэтапно: сперва он опускается вместе с аппаратом-маткой на необходимую глубину, а затем уходит с него к заданному объекту работ.

Описанная выше автоматизированная система управления, включающая автоматические и биотехнические режимы, является простейшим видом систем с интерактивным управлением. Последнее предполагает активное взаимодействие человека и машины. К интерактивному управлению относятся управления в супервизорном, а также наиболее совершенном диалоговом режиме.

При супервизорном режиме управления все отдельные элементы операции запрограммированы. Они выполняются манипуляторами каждая в отдельности автоматически под управлением ЦВМ или спецвычислителя. Человек-оператор путем подачи целеуказательной команды (световым пером на экране, с помощью рукоятки или иным способом) дает машине приказание выполнить определенный элемент операции (рис. 10). Таким образом, распознавание обстановки и стратегия действий манипуляционного робота вырабатывается оператором. Наблюдая обстановку по экрану и приборам, он определяет последовательность включения тех или иных элементов операций и их направленность в сложившейся обстановке. Внутри элементарных операций возможны не только жесткие программы, но и простейшая адаптация, например, самонаведение, поисковые режимы.

При диалоговом режиме управления в наиболее полной форме происходит активное взаимодействие ЦВМ и человека-оператора. ЦВМ участвует совместно с человеком в распознавании обстановки и выработке решения о дальнейших действиях манипуляционного робота. В данном случае ЦВМ — ворческий» партнер оператора в процессах наблюдения и управления. Для этого манипуляционный робот должен быть снабжен соответствующим очувствлением (зрительным, тактильным, звуковым и др.), т. е. определенным набором датчиков различной информации и аппаратурой восприятия, а также первичной обработки этой информации. Управляющая ЦВМ должна быть снабжена соответствующими устройствами ввода таких исходных данных, а также аппаратурой наглядного представления человеку-оператору результатов своего восприятия и рекомендаций о дальнейших действиях. Необходимо иметь также средства диалогового общения, ввода цели управления и подачи управляющих команд человеком.

В целом система будет иметь иерархическую структуру с тремя уровнями, разделенными по задачам и территориально:
а) исполнительная система управления приводами со спецвычислителем на борту рабочего аппарата (см. рис. 8);
б) ЦВМ на аппарате-матке для первичной обработки информации и адаптивного управления манипуляторами;
в) ЦВМ и пост оператора на судне-носителе для интерактивного распознавания обстановки, принятия решения и диалогового управления.

Очень важно решить вопрос о целесообразном разделении функций между этими тремя уровнями с учетом загрузки информационных каналов кабеля-троса на обоих участках (РА— AM и AM — СН). Аппаратура наблюдения и управления должна быть отработана с учетом дискретности передачи информации по кабелю-тросу в довольно узкой полосе частот.

Далее предстоит разрешить проблему визуализации места Работы подводного робота на посту оператора. Дело в том, что при подводных работах водная среда замутнена. Телевизионная информация оказывается неполноценной, ее следует Дополнять ультразвуковой, лазерной и тактильной. При этом все четыре вида информации в совокупности должны давать объемное представление. Лишь комплексное представление этих видов информации с выводом на общий дисплей позволит в различных условиях более удовлетворительно отобразить подводную обстановку, чем при использовании каждого из них в отдельности. Но эта проблема остается еще нерешенной.

Выше были рассмотрены подводные телеуправляемые манипуляционные роботы с комбинированной человеко-машинной системой управления. Сейчас уже можно говорить о создании автономных НПА с системой управления, базирующейся исключительно на бортовую ЦВМ, без кабельной связи с судном-носителем. Их можно использовать для выполнения несложных манипуляционных операций и сбора информации.

В этом случае робототехнический комплекс состоит из аппарата-матки и рабочего аппарата, соединенных коротким кабелем. Основная управляющая и обрабатывающая информацию ЦВМ помещается на аппарате-матке, а более простой спецвычислитель — на рабочем аппарате. Сохраняется иерархический принцип построения системы управления манипулятора, но с чисто автоматическими режимами, программными и адаптивными, а в перспективе — с элементами искусственного интеллекта, как описывалось выше.

Рассмотрим узловые задачи проектирования дистанционных человеко-машинных систем управления необитаемых подводных манипуляционных роботов.

Как видим, в систему входит большой комплекс технических средств, разнообразных по содержанию и разбросанных территориально, но тем не менее составляющих единое целое. Все звенья этой системы взаимосвязаны в процессе работы. Поэтому необходимо не только детальное проектирование их как отдельных технических устройств, но и системное проектирование с увязкой между собой основных параметров этих звеньев на базе общих требований, предъявляемых к эффективности, качеству, точности и динамическим свойствам всей системы.

Первым этапом такого проектирования является определение исполнительного уровня системы управления манипуляторами внутри рабочего подводного аппарата. Исходя из анализа операций, которые надо совершать, выявляют основные требования к зоне обслуживания, кинематике манипуляторов, энергетике и динамическим качествам приводов, алгоритмам работы спецвычислителя. Определяют необходимый набор датчиков очувствления манипулятора и датчиков информации о свойствах среды.

Динамика манипулятора в целом описывается сложной системой дифференциальных уравнений, исследование которой для синтеза системы управления возможно только с помощью универсальных ЦВМ. Это исследование усложняется в том случае, если предусмотрена работа манипуляторами при плавающем аппарате (в режиме зависания без закрепления). При этом все движения и рабочие усилия манипулятора играют роль возмущающих воздействий на систему управления самого аппарата, что затрудняет его стабилизацию в процессе функционирования манипуляционной системы. Для решения задачи требуются исследование динамики аппарата совместно с манипуляторами и иногда постановка дополнительной механической руки для’закрепления аппарата за корпус объекта. Возможно, при этом система управления движением рабочего аппарата должна быть взаимосвязана с системой управления движением звеньев манипулятора, чтобы в результате их совместных действий была выполнена необходимая манипуляционная операция. Это вносит определенную специфику и в алгоритмы работы бортового спецвычислителя в зависимости от сигналов датчиков очувствления манипулятора.

Таковы основные проблемы проектирования исполнительного уровня управления на борту рабочего подводного аппарата.

Далее в качестве звена системы управления вступает в работу линия связи между подводным рабочим аппаратом, аппара-том-маткой и надводным судном-носителем. Линия связи вынужденно малоканальная и имеет ограниченную полосу частот. Передача значительного числа информационных сигналов (в том числе и телевизионных) в одном направлении, а также командных и контрольных в другом приводит к существенной дискретности передачи сигналов, вследствие чего возможно их временное запаздывание. Это существенно влияет, во-первых, на эффективность и динамические качества адаптивной автоматической части системы управления манипуляторами, включающей ЦВМ аппарата-матки, во-вторых, на качество работы контура наблюдения и управления, проходящего от рабочего подводного аппарата через пульт оператора на надводном судне.

Поэтому на втором этапе системного проектирования необходимо, с одной стороны, учитывать характеристики линии связи при определении эффективности и динамических качеств общего контура управления, а с другой — предъявлять требования к линии связи (в пределах возможного), исходя из необходимой эффективности действия общего контура управления. При этом предстоит учитывать помехи и искажения информационных и командных сигналов, для чего потребуются соответствующие статистические расчеты системы управления как по блокам, непосредственно связанным с линией связи, так и по общей эффективности и динамике всей системы управления в целом.

Для включения такой линии связи в контур управления придется также заняться серьезной разработкой устройств сопряжения выходов этой линии „ с основными блоками системы управления. Все эти устройства следует минимизировать в совокупности по массогабаритным характеристикам и по потреблению энергии и одновременно стремиться к достижению максимальной надежности.

На третьем этапе системного проектирования предстоит построить „верхние уровни человеко-машинной интерактивной системы управления с использованием ЦВМ, спецвычислителя и с учетом всех особенностей рассмотренного выше исполнительного уровня, линии связи и системы очувствления.

На четвертом этапе необходимо представить информацию о подводной обстановке в удобной для человека форме, а на последнем, пятом, этапе проектирования выполнить биотехническую проработку технических средств наблюдения и управления, т. е. согласовать их с физиологическими особенностями человека. При этом система управления в целом как интерактивная должна совершать автоматически максимально возможное количество элементов манипуляционных операций с минимальным применением ручного труда человека-оператора на пульте. Для этого необходимо использовать все современные технические средства и привлекать человека к процессу управления только тогда, когда действительно необходимо его активное участие. Однако в период всей работы подводного манипуляционного робота, в том числе и в автоматических режимах, человек-оператор осуществляет непрерывное наблюдение по экрану и приборам за его действиями и, если понадобится, в любой момент может взять управление в свои руки.

Таким образом, наиболее перспективными следует считать описанные выше автоматизированные, супервизорные и диалоговые интерактивные системы управления, дополняемые полуавтоматическими биотехническими системами с управляющей рукояткой и спецвычислителем.

Заметим, что все рассмотренные выше задачи системного проектирования тесно связаны между собой и решаются в конце концов совместно.

Для успешного осуществления системного проектирования дистанционного управления подводными манипуляционпыми роботами требуется создание специальных комплексных лабораторных стендов полунатурного моделирования, включающих в себя аналого-цифровой машинный комплекс, качающийся макет рабочего аппарата с реальными манипуляторами, модели объектов работы, действующий макет поста оператора с аппаратурой отображения обстановки и управляющими устройствами. Макет поста должен находиться в соседнем помещении вне прямой видимости места действий манипуляторов.

В аналого-цифровом комплексе моделируются уравнения движения аппарата с учетом гидродинамики, свойств измерителей и движительно-рулевого комплекса, воздействия кабеля-троса и т. п., а также алгоритмы управления движением aппарата и манипуляционной системы с учетом свойств линии связи и помех.

Такой стенд позволит в лабораторных условиях, во-первых, проверить, насколько правильно проведены предыдущие расчеты системы управления по всем задачам системного проектирования, в том числе и результаты машинного проектирования с предварительным чисто математическим моделированием. Во-вторых, он позволит отработать алгоритмы управления с учетом натурного представления в стенде манипуляторов и поста человека-оператора, в-третьих, внести необходимые изменения в эти натурные части системы для повышения эффективности действия всей системы в целом; в-четвертых, отработать эргономические и биотехнические характеристики системы.

Кроме того, такой стенд может служить для лабораторных испытаний различных дистанционных систем управления манипуляционными роботами, а также стать основой тренажерного комплекса для обучения, отбора и тренировки операторов.

Подобный стенд полунатурного моделирования — мощное универсальное средство проектирования и лабораторной отработки системы, позволяющее в хорошо подготовленном состоянии выйти на натурные морские испытания.

Надо сказать, что его можно использовать для отработки и испытания в лаборатории любых других дистанционно управляемых робототехнических комплексов, предназначенных, например, для безлюдной работы в шахтах или в других экстремальных условиях, в том числе в космическом пространстве.

В заключение скажем, что аналогичным путем можно проводить проектирование и лабораторную отработку систем дистанционного управления манипуляторами для обитаемых подводных и космических аппаратов. В этом случае человек-оператор может быть помещен внутрь качающегося аппарата на описанном выше стенде с целью приближения условий его деятельности к реальным, в частности, для ввода в действие его вестибулярного аппарата.

Е. П. Попов

УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белянин Н. П. Промышленные роботы.— М.: Машиностроение, 1975.
2. Дистанционно управляемые роботы-манипуляторы: Сб. статей: Пер. с англ. и япон.— М.: Мир, 1976.
3. Игнатьев М. Б., Кулаков Ф. М., Покровский А. М. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами. — М.: Машиностроение, 1977.
4. Кулешов В. С., Лакота Н. А. Динамика систем управления манипуляторами. — Л.: Энергия, 1971.
5. Медведев В. С., Лесков А. Г., Ющенко А. С. Системы управления манипуляционных роботов. — М.: Наука, 1978.
6. Подводные роботы. — Л.: Судостроение, 1977.
7. Попов Е. П., Верещагин А. Ф., Зенкевич С. Л. Манипуляционные роботы. Динамика и алгоритмы.—М.: Наука, 1978.
8. Ястребов В. С. Телеуправляемые подводные аппараты с манипуляторами.— Л.: Судостроение, 1973.