Что за штука эта KUKA?

Кинематические возможности промышленного робота-манипулятора KUKA KR 1000 TITAN делают его потенциально привлекательным для использования в области авиационного тренажеростроения. Специалисты Концерна «Инновационные технологии» («ИННОТЕХ») и ФГУП «ЦАГИ» исследовали возможность использования его в качестве системы подвижности авиационного тренажера и разработали технический облик пилотажного стенда-демонстратора технологий для расширенной области режимов полета.

Андрей БЮШГЕНС, доктор технических наук
Дмитрий ПОЧКАЕНКО, кандидат технических наук

kuka_01.jpgКачество имитации условий полета на современных авиационных тренажерах достигло фантастического уровня. По большинству систем (кабины, системы визуализации, имитации шумов и загрузки рычагов управления, математические модели динамики полета и др.) выход на уровень абсолютного сходства с реальным полетом в настоящее время лишь вопрос денег. Совершенно другая история с системами подвижности: тут в силу геометрической ограниченности перемещения тренажерных кабин достижение высокого уровня реализма во всем диапазоне режимов полета в принципе невозможно. Тем не менее, стремление сократить этот разрыв является предметом настоящего вызова для соответствующих специалистов. Ясно, что лобовым путем повышения совершенства систем подвижности является увеличение ходов механизмов по отдельным степеням свободы. Об этом говорят и данные исследований специалистов ЦАГИ (В.В. Родченко, Л.Е. Зайчик и др.) применительно к наиболее важному продольному каналу управления: увеличение хода с 1,5 м до 3 м приводит к росту достоверности условий моделирования перегрузки в 3 раза. Именно поэтому до эпохи глобального доминирования платформ Стюарта (70-е годы) разработчики механизмов подвижности увлекались различными альтернативными кинематическими схемами, среди которых наиболее распространенными были консольные системы, имевшие преимущество в линейных ходах (особенно в продольном и поперечном направлении) и независимость угловых перемещений от линейных.

Появление в тренажерной индустрии изящных и технологичных платформ Стюарта в сочетании с прогрессом в области создания мощных гидравлических, а затем и электромеханических приводов на время остановило поиски альтернативных схем систем подвижности. Тем более что другие компоненты тренажеров до поры до времени были столь же далеки от совершенства, таким образом в тренажерах того времени все было «ровненько» и гармонично. Теперь, когда стало ясно, что системы подвижности фактически сдерживают прогресс целого направления, усилия по поиску новых прорывных решений возобновились. В очередной раз мы воспользовались преимуществом отстающих: на активность в этом направлении нас подтолкнули работы наших западных коллег из MPI (Институт Макса Планка) и научно-исследовательского центра DLR. С этими работами мы познакомились в процессе реализации международного проекта SUPRA. В рамках этого проекта ученые из MPI занимались разработкой моделей восприятия акселерационных воздействий на оператора с использованием достаточно простой установки на базе промышленного робота сравнительно небольшой грузоподъемности (100 ÷ 150 кг). Дальше заработало воображение: «А что, если взять робот максимальной имеющейся грузоподъемности в 1000 кг (KUKA TITAN 1000) и подвесить на него кабину небольшого самолета?» Масла в огонь подлила информация о том, что такой тренажер применительно к самолету DA-42 уже создан. Даже дошли восторженные отзывы Б.С. Алешина и А.Н. Зелина (в те годы, соответственно, генеральный директор ФГУП «ЦАГИ» и главком ВВС РФ), которые на нем смогли «полетать» на одной из авиационных выставок.

Еще одно преимущество догоняющих: им хорошо видны дефекты прототипа. Так вот, наши коллеги из DLR не смогли преодолеть конфликт между большими ходами робота-манипулятора и паразитным затенением изображения системы визуализации на неподвижном экране. Тем самым, в значительной степени преимущества системы подвижности были сведены на нет. Наша разработка свободна от этого недостатка.

Энтузиазм сборной команды специалистов ЦАГИ и компании «ИННОТЕХ» был поддержан руководством «Динамики» и процесс (в виде инициативного НИРа) пошел.

Покупке робота KUKA TITAN 1000 предшествовала ознакомительная поездка в Германию на предприятие KUKA (г. Аугсбург) и в институт Макса Планка (г. Тюбинген), где к тому времени появилась более крупная, чем использовалась в проекте SUPRA, установка грузоподъемностью 500 кг. Эта поездка позволила нам сориентироваться в составе закупаемого оборудования и программного обеспечения. И, наконец, весной 2015 года робот приехал в Россию и был установлен в стендовом зале НИО-15 ЦАГИ.

При всех очевидных достоинствах промышленных роботов (диапазон перемещений полезной нагрузки по вертикали ≈4 м, очень большие, до ± 180°, и независимые от линейных угловые перемещения), они имеют совершенно другой технический функционал, чем нам требуется. Они предназначены для перемещения в пространстве предметов и инструмента с высокой скоростью и точностью по заданной программе. А вот динамические параметры движения полезной нагрузки оценить по информации от производителя робота не представляется возможным. Значения некоторых параметров, причем, лишь для отдельных звеньев с весьма приблизительными характеристиками, можно было оценить по документации, поставляемой с роботом. Например, зная максимальные моменты и скорости, развиваемые приводами того или иного звена, можно оценить только потенциальную возможность использования его управляемого перемещения для воспроизведения заданных ускорений. А определить параметры движения груза, закрепленного на фланце последнего звена робота, да еще в зависимости от области перемещений с приемлемыми для решения поставленной задачи характеристиками оказалось невозможным.

В этом состоял определенный риск приобретения робота до выяснения принципиальной пригодности выбранной нами наиболее грузоподъемной модели для использования в качестве системы подвижности — к тому моменту не было достоверных сведений о его применении в таком качестве. Однако по совокупности оценок и результатам поездки на завод-изготовитель уверенность в таком решении укрепилась.

Первый цикл изучения новой установки предусматривал измерение базовых характеристик, которые определяют качество систем подвижности как инструмента имитации линейных и угловых ускорений, а именно — амплитудно-фазовых частотных характеристик. При этом был изготовлен специальный груз с вариабельными моментами инерции, эксцентриситетом и, разумеется, массой. Результат не разочаровал: фазовое запаздывание на частоте 1 Гц не превышает 5° и практически не деградирует до веса груза в 500 кг. Полученные обнадеживающие параметры робота позволили приступить к следующему этапу работ. Его задача — создать экспериментальную установку, в которую можно было бы «усадить» летчиков и более предметно оценить возможности робота-манипулятора как системы подвижности с целью определения класса задач, для которых его использование наиболее приемлемо.

Состоявшийся совместный НТС компаний ЦНТУ «Динамика» и «ИННОТЕХ» в целом благословил предложенный технический облик установки, которая, разумеется, не должна пока восприниматься как тренажер для конкретного летательного аппарата, а, скорее всего, относится к классу универсальных систем исследовательского назначения, т.е. пилотажных стендов. Для достижения этих возможностей закрепленная на последнем звене манипулятора капсула будет нести в себе универсальную кабину, для которой создается набор сменных (самолетных/вертолетных) рычагов управления. На установке будут реализованы два варианта систем визуализации, учитывающих ограничения на грузоподъемность робота и габаритные параметры полезного груза. Первая система — стереоскопическая, создаваемая на основе очков виртуальной реальности. Она предназначена для отработки техники пилотирования при моделировании режимов полета, на которых главными являются возможность визуального определения расстояния до близкорасположенных объектов и достоверность характеристик органов управления летательным аппаратом, а взаимодействие пилота-оператора с информационным полем кабины является второстепенным. Такими режимами являются дозаправка в воздухе, полет строем, частично низковысотный полет, включая посадку. В рамках этой работы будут исследованы проблемы, связанные с функционированием системы определения положения головы пилота-оператора в координатах кабины при действии перегрузок, генерируемых системой подвижности. Дело в том, что в большинстве имеющихся подобных систем используются инерциальные датчики перемещений, для которых системы подвижности являются источником «помех». Вторая система — проекционная, в которой внутренняя поверхность капсулы будет являться отражательным экраном для системы мультимедиа проекторов. При ее разработке ставилась цель обеспечения максимально большого поля обзора из точки наблюдения пилота-оператора. Она предназначена для отработки техники пилотирования при моделировании режимов полета, на которых важно взаимодействие летчика с информационным полем кабины.

На данной стадии развития проекта достаточно глубоко проработаны вопросы обеспечения безопасности как персонала установки, так и летчиков-операторов, а также предотвращения коллизий между подвижными элементами между собой и элементами интерьера. Продуманы средства эвакуации оператора из кабины в случае отказа электропитания.

Очень интересный и весьма нетривиальный круг задач связан с необходимостью управления многозвенным механизмом в несвойственном для него амплуа, вследствие чего богатый арсенал программного обеспечения, предлагаемого в комплекте с роботом, не является исчерпывающе достаточным. Так, например, необходимо в реальном масштабе времени решать прямую и обратную задачи кинематики — по положению всех промежуточных звеньев робота рассчитывать положение и ориентацию конечного звена и наоборот. При этом следует учитывать, что одно и то же положение конечного звена робота может быть обеспечено бесконечным числом вариантов взаимных положений промежуточных звеньев. Кроме того, требуется организация трудно реализуемого прогноза движения звеньев робота, чтобы не попадать в так называемые сингулярные положения — своеобразные кинематически «запретные точки» на выбранной по условиям моделирования ускорений траектории перемещения кабинной капсулы. Еще одной проблемой, связанной с многовариантностью управления перемещениями, является необходимость непрерывного обеспечения динамической реализуемости управляемого перемещения кабинной капсулы. Дело в том, что встречаются ситуации, когда даже небольшие перемещения, причем с небольшой скоростью в выбранном направлении, требуют скоростей отработки приводов звеньев робота выше располагаемых.

На проектном и расчетном уровне эти задачи решены. Предстоит проверить все эти решения на опытном образце.


Статьи номера

Назад