Зачем нужны андроиды в космосе

– В перспективе для дальнейшей интенсификации работ непосредственного участия космонавта как единственного исполнителя будет недостаточно. Для повышения эффективности внекорабельной деятельности (ВКД) необходим  в числе других факторов и качественный скачок в космической робототехнике. Характеристики роботов-манипуляторов должны сравняться с уровнем возможностей человека или даже превзойти его. Создание такой робото-манипуляционной системы (РМС) представляется практически осуществимым. Космическая робототехническая система нужна при сборке и летно-технической эксплуатации объектов в открытом космосе, для замены человека или его сотрудничества с роботом.

 
– Наверное, такой симбиоз человека и машины поставит на повестку дня вопрос, как эффективнее распределить функции между человеком и роботом? 

– Давайте посмотрим, как изменялось содержание понятия «робототехника». В искусстве робот изображается в виде человекообразной структуры, имеющей в первую очередь ориентацию на культурно-массовый, непрофессиональный интерес. 

Антропоморфные роботы (андроиды), имитирующие внешний облик и движения человека, использовались преимущественно в развлекательных, рекламных и демонстрационных целях. Применение андроидов в промышленном производстве не выявлено. Существуют роботы-манипуляторы, информационные роботы. Но при создании РМС часто оказывается полезным заимствовать у биологических аналогов те или иные концептуальные и схемные решения. Такие технические устройства, имеющие вид, сходный с биологическими объектами, принято называть биоморфными. 

– Видимо, как и в живой природе, тут существуют разные виды устройств? 

– Совершенно верно. Возможны следующие виды подобия: структурное, геометрическое, кинематическое и динамическое. Начиная со Средних веков образцом моторики служат человеческие способности выполнения движений при физической работе. Исторически чаще всего воспроизводилось подобие человеку. При этом стремились придать созданию три или все четыре вышеупомянутых вида подобия. Для ясности определимся с терминами.
Роботизация – автоматизация производства на основе замещения людей промышленными роботами в таких технологических процессах, автоматизация которых другими средствами невозможна или нецелесообразна. В роботизированных технологических комплексах РМС осуществляют все процессы, за исключением функций управления и контроля, сохраненных за человеком. При этом следует иметь в виду, что не каждая автоматическая линия или автоматизированная система, снабженная манипулятором, является роботом.
Манипулятор – исполнительный механизм в виде многозвенного устройства, имитирующий по функциям руку человека с захватным приспособлением (рабочим органом) на конце, исключающим контакт человека с предметом труда. Шарнирные соединения звеньев искусственной руки обеспечивают рабочему органу от 3 до 8 степеней подвижности.
   
– Как робот будет перемещаться по поверхности модуля МКС? 

– Перемещение технологического робота может осуществляться с помощью транспортных устройств, грузового манипулятора и собственных средств – шаганием по реперным точкам или магистральным линиям (в случае существующей орбитальной станции – по поручням). При выполнении операций, требующих высокой точности рабочих движений, например подстыковки блочного электросоединителя или ввинчивания резьбовой детали, статическое равновесие и устойчивость робота могут быть достигнуты использованием трех захватов – одного на корпусе робота и двух на манипуляторах. 

Для стыковки двух кабельных электросоединителей или двух резьбовых деталей между собой понадобятся два манипулятора-исполнителя. Такая избыточность рассматривается как излишнее усложнение механики, и особенно системы управления РМС. Избежать такого усложнения можно путем конструирования объектов инфраструктуры в сопряжении с функциональными возможностями РМС, имеющей не более трех манипуляторов. 

– Поскольку технологические задачи космонавта и робота почти тождественны, интересно сначала понять, что может сегодня делать в открытом космосе человек. 

– Другими словами, как организована и обеспечена работа космонавтов на внешней поверхности геоорбитальной станции, каковы функциональные возможности и способности космонавта в скафандре, которого мы собираемся заменить на РМС, и какое воздействие его деятельность оказывает на конструкцию орбитальной станции. 

Итак, космонавт в открытом космосе умеет перемещаться и переносить ограниченные грузы по специально предусмотренным поручням; закрепляться в определенной точке поверхности с помощью специальных средств фиксации в функционально удобной позе; развивать и прикладывать к объектам инфраструктуры широкий спектр усилий; выполнять технологические действия в локальной рабочей зоне с использованием инструментов и приспособлений.
В связи с этим, наряду с медико-биологическими средствами защиты от вредного влияния микротяжести, большое внимание уделяется совершенствованию компоновки рабочих мест, оснащению их средствами фиксации космонавта в рабочем положении, предотвращающими бесконтрольный дрейф в пространстве или отделение от объекта. 

В условиях моделирования микротяжести при полете самолета по параболе экспериментально измерены величины прилагаемых испытателем усилий и нагрузок от них на опорные элементы и устройство фиксации ботинок скафандра. Осциллограммы для серии экспериментов показали, что генерируются нагрузки, от которых могут возникать колебательные явления: нагрузки до 70 кгс, возникающие при отклонении тела космонавта на максимальный угол и возвращении в исходное положение; нагрузки до 90 кгс, обусловленные совпадением во времени деятельности космонавта и работы исполнительных органов системы управления движением. 

Система координат, в которой заданы нагрузки, от которых могут возникать колебательные явления.     Рисунок из архива Олега Цыганкова

– У человека большие возможности благодаря его умелым рукам… 

– Да, рука человека за счет только крупных суставов обладает семью степенями подвижности. Но у человека в скафандре число степеней подвижности руки сокращается до четырех. Зато число степеней подвижности в манипуляторах достигает 7–8. Следовательно, создаваемая РМС сможет обеспечить объем движений, необходимый для выполнения ряда операций внекорабельной деятельности, реализуемых космонавтом в скафандре. 

Сборка – наиболее характерный и показательный технологический процесс в рамках ВКД. Поэтому поведенческие задачи космонавта определяются структурой и сущностью элементов сборочной операции. Характер и объем функциональной загрузки РМС можно представить на основе анализа работ, выполненных на отечественных орбитальных станциях. 

– Сколько всего было выходов отечественных космонавтов в открытый космос? 

– Всего за 1974–2012 годы на станциях «Салют-4, -6, -7», орбитальном комплексе «Мир», МКС было 130 выходов в открытый космос. Всего было выполнено 236 миссий. Операции установки/снятия блочного оборудования составили 43%, стыковки/расстыковки электросоединителей – 26%, сборки/разборки резьбовых соединений – 11%, прокладки кабельных трасс – 5,2%, перемещения, монтажа, отталкивания крупных блоков – 4,3%, воздействия на нераскрывшиеся конструкции – 4%, осмотра и оценки состояния поверхности и оборудования – 2,6%, резки металлических элементов солнечных батарей – 2,6%, резки и установки экранно-вакуумной изоляции – 1,3%. 

Программа работы за бортом орбитальной станции, как правило, содержит одну или несколько целевых задач, которые, в свою очередь, состоят из комплексов операционно-технологических процессов и поведенческих действий экипажа. При этом отдельные акции могут быть доступны для реализации средствами робототехники, а иные могут быть выполнены только космонавтом, по крайней мере в существующей инфраструктуре МКС. 

В наибольшей степени это можно отнести к работам, классифицируемым как ремонтно-восстановительные, реконструктивные, модернизационные, аварийные, выходящим за рамки проекта, в которых реализуется весь спектр выполнимых в космических условиях технологий. Примеры таких работ, связанных с неопределенными повреждениями и в недетерминированной зоне, хорошо известны специалистам. На мой взгляд, термины «ремонт», «ликвидация нештатных ситуаций» применительно к целеполаганию робототехники нужно использовать весьма избирательно. 

Технико-эргономические характеристики системы «человек–скафандр» (развиваемые усилия, локомоторика, опорные реакции, подвижность, функциональные зоны, поле обзора) могут служить ориентирами для создания технологической роботоманипуляционной системы.

 
– Каковы организационно-технологические перспективы применения РМС? 

– Интеграция вновь создаваемой или существующей РМС в обстановку находящихся в эксплуатации объектов (например, модулей МКС) обещает ограниченную отдачу. Причина – априорно недостаточная согласованность объектов этой среды с РМС. Это означает, что РМС прежде всего подходит в качестве исполнителя для мониторинга состояния внешней поверхности, транспортировки укладок, позиционирования, фиксации блочного оборудования и, главное, для исполнения функции помощника, ассистента космонавта в сложных операциях ВКД.
Проекты новых космических станций и кораблей будут, по-видимому, содержать единую систему эксплуатационно-технического обслуживания, представляющую собой взаимоадаптированные с технологическим роботом объекты инфраструктуры. Это и станет основой эффективного использования робототехники. При наличии адекватной инфраструктуры эффективность ВКД будет зависеть от степени совершенства робото-манипуляционной системы: наличия тактильного и силомоментного очувствления рабочих органов; использования в системе управления РМС автономного, супервизорного и ручного (в частности, копирующего) режимов управления; установления целесообразного режима управления применительно к возможным техническим ситуациям и конкретным технологическим операциям; обеспечения ручного управления РМС космонавтом из скафандра; наличия средств ручного воздействия на шарниры.
Наряду с тем что роботоманипуляционная система заменит космонавта в моторных функциях, человек получит еще некоторые преимущества как личность, которые можно назвать социальными. То есть космонавт избавится от рутинных, однообразных, механически выполняемых операций в пользу более интеллектуальных видов труда. 

– Так все же какова концепция робототехнического устройства для космоса – тип андроида или техногенный механизм? 

– По моему мнению, система, подменяющая космонавта, – это симулякр человека, которому не нужны иррациональная усложненность чисто формальными признаками человека, отягощение лишними функциями психологической проекции, приоритета, престижа.
Человек, сформировавшийся в условиях планеты Земля, не приспособлен к работе в космическом пространстве. Будучи же облаченным в скафандр, он тем более не обладает оптимальными исполнительными способностями, чтобы стать абсолютным эталоном для формирования концепции роботоманипуляционной системы космического назначения. Не биоморфность, не полное человекоподобие, а техническое решение, обеспечивающее выход робота за пределы человеческих возможностей или отождествление с ними при выполнении рабочих операций, является основным критерием в выборе концепции роботоманипуляционной системы для внекорабельной деятельности.