Введение в мехатронику

Совершенно не удивительно, что бесшумная система электропитания находится в первых строчках списка требований. Ведь существующие роботы LS3 имеют гидравлическую систему, которая приводится в действие двигателем внутреннего сгорания, который сильно шумит. Однако, создание системы электропитания, способной удовлетворить все потребности механизмов робота LS3 в течение длительного времени, является на сегодняшний день трудновыполнимой задачей. Единственным вариантом, который может решить проблему снабжения энергией и удовлетворить обе стороны, является использование гибридной схемы, допускающей периодическое переключение робота LS3 в бесшумный электрический стелсрежим по мере необходимости.

Надежность и живучесть робота – это также важные параметры, которые повлияют на его использование в боевых условиях. На имеющихся в сети снимках робота LS3 хорошо видно насколько сложно это устройство и сколько в нем использовано маленьких, хрупких и точных узлов и механизмов. Благодаря примитивной защите и интеллектуальной системе управления робот LS3 хорошо защищен от столкновений и от падений. Но любая вражеская пуля, пусть и даже самого маленького калибра, превратит эту груду механики, гидравлики и электроники просто в груду выскотехнологичного хлама. Здесь специалистам компании Boston Dynamics также придется искать компромиссное решение, которое не обременит робота большим лишним весом.

Хорошо известный робот BigDog «вырастил» в своей передней части (вместо головы) мощную и сильную руку-манипулятор, с помощью которой он научился швыряться тяжеленными шлакоблоками (рис. 3.30). Специалисты компании Boston Dynamics считают, что эта новая конечность позволит роботу приобрести массу новых возможностей и расширить ряд выполняемых им действий: «Роботу BigDog по роду службы приходится обращаться с тяжелыми предметами. Цель наших дальнейших исследований и модификаций робота заключается в том, чтобы робот смог, используя движения, силу своих ног и туловища, оказывать помощь манипулятору, который манипулирует тяжелыми объектами».

Один шлакоблок весит около 23-25 килограмм, таким образом, для того, чтобы бросить его требуется достаточно много силы. Если смотреть видео в замедленном темпе, можно заметить, что в броске

81

участвует все тело робота BigDog, а не только один его манипулятор. Для реализации такого взаимодействия различных частей конструкции роботов специалисты компании Boston Dynamics изучали различные движения людей и животных, которые, выполняя различные действия, полагаются на интегрированное движение всего тела.

Рис. 3.30. Робот BigDog с рукой-манипулятором

Помимо разбрасывания тяжелых шлакоблоков, наличие рукиманипулятора у робота BigDog позволит ему опираться на эту руку при преодолении препятствий, во время передвижения по сложной местности, вытягивать самого себя из ловушки и многое другое, что смогут придумать позже специалисты компании Boston Dynamics.

Роботы для войны на море. В Израиле заказчикам поставляется безэкипажный патрульный катер «Протектор» (рис. 3.31). Его назначение, как следует даже из названия («Защитник»), — обеспечение безопасности портов, военно-морских баз, гидротехнических и плавучих нефтедобывающих сооружений, других объектов «водной» инфраструктуры.

Эффективно решать возложенные на него обязанности «Протектору» позволяют мощное радиоэлектронное вооружение (радар и интегрированный многосенсорный оптико-электронный комплекс «Топлайт» с видеокамерой дневного и ночного обзора и тепловизором) и современное вооружение – 7,62-мм пулемет «Мини-Тайфун» Mk49, установленный на стабилизированной платформе и оборудованный компьютеризированной системой управления огнем с лазерным дальномером.

82

Официальное название робота – «необитаемый подводный аппарат, использующий эффект вихревого движения» (VCUUV), что отражает сущность его движительного комплекса, имитирующего движение в воде своего прототипа. Робота-рыбу предполагается использовать как для противоминных операций, так и для патрулирования назначенных акваторий, ведения разведки и наблюдения.

По такому же пути – копированию природных «задумок» – пошли и инженеры Морского научного центра из американского Северо-восточного университета, штат Массачусетс. Они создали двух подводных противоминных роботов, напоминающих по своему внешнему виду и принципу движения обычных лобстеров (омаров). Назвали они свое творение «Биометрический подводный робот» («БУР-1» и «БУР-2»), а неофициально – робо-лобстер (рис. 3.33).

Рис. 3.33. Американский робо-лобстер

Механическое ракообразное весит 8,5 фунта (3,86 килограмма) и имеет, как и его природный прототип, лапки – всего их восемь (по четыре на «борт»), а также клешни – два манипулятора, с помощью которых робот проводит обследование мин и миноподобных объектов, обнаруженных более крупными подводными необитаемыми аппаратами. Эти роболобстеры (длина – 61 сантиметр, ширина – 40,6 сантиметра, высота – 12,7-25,4 сантиметра) могут работать даже в полностью автономном режиме, в качестве источников питания используются никель-металлгидридные или литий-ионные батареи (срок работы от 1 до 3 часов), а в качестве мозга применена достаточно сложная бортовая система управления. В основном этот аппарат

84

предназначен для работы в мелководных районах морей и в речных акваториях глубиной до 50 метров, даже отличающихся относительно сильным течением – со скоростью до 100 см/с. Он прогуливается по морскому дну в поисках подводных мин, которые не только находит, но и уничтожает. Максимальная его собственная скорость – не менее 10 см/с, а радиус действия от командного пункта составляет от 700 до 1400 метров.

Боевая беспилотная авиация обусловлена, прежде всего,

постоянно возрастающей стоимостью пилотируемых летательных аппаратов и стоимостью обучения экипажа для них – в то время как для значимого количества задач присутствие человека не обязательно. Тенденция к увеличению процента боевых вылетов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА, БЛА) в будущем будет сохраняться.

Различают беспилотные летательные аппараты:

–беспилотные неуправляемые;

–беспилотные дистанционно-пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА);

–беспилотные автоматические.

Выделяют следующие классы аппаратов:

–«микро» (условное название) – массой до 10 килограммов, временем полета около 1 часа и высотой до 1 километра;

–«мини» – массой до 50 килограммов, временем полета несколько часов и высотой до 3-5 километров;

–средние («миди») – до 1 000 килограммов, временем 10-12 часов и высотой до 9-10 километров;

–тяжелые – с высотами полета до 20 километров и временем полета 24 часа и более.

Для определения координат и земной скорости современные БПЛА, как правило, используют спутниковые навигационные приемники (GPS или ГЛОНАСС). Углы ориентации и перегрузки определяются с использованием гироскопов и акселерометров.

США являются одним из признанных лидеров в разработке и производству БПЛА (дронов – от англ. drone – трутень), которые используются для разведки, как ударная сила, а также для решения транспортных и других задач специального назначения. К началу 2012 года БПЛА составили почти треть парка стоявших на вооружении летательных аппаратов (количество беспилотников в составе вооруженных сил, достигло 7 494 единиц, в то время как количество пилотируемых аппаратов – 10 767 единиц).

85

Первым ударным БПЛА стал разведывательный MQ-1 Predator, оснащенный ракетами AGM-114C Hellfire. В феврале 2002 года, данный аппарат впервые нанес удар по внедорожнику предположительно принадлежавший пособнику Усамы Бен Ладена мулле Мохаммеду Омару. Применение беспилотников вызвало глубокое возмущение в мусульманских странах, против которых они в настоящее время и применяются, а также в рядах правозащитников, которые усматривают здесь нарушение законов ведения войны.

На рис. 3.34 приведены фотографии некоторых из многочисленного отряда дронов.

Рис. 3.34. Фотографии некоторых типов дронов

Летательный разведывательный аппарат весом не более 13 грамм, который может находиться в воздухе порядка 20 минут, представила

израильская компания Israel Aerospace Industries (IAI). Разработ-

чики позаимствовали механизм движения у стрекозы (рис. 3.35), однако окончательным примером для дальнейших версий беспилотника станет бабочка.

86

ложенный в шарнире; на рис. 3.36 б линейный двигатель, «охватывающий» шарнир.

a – с помощью вращательного двигателя в шарнире;

б – с помощью линейного двигателя, «охватывающего» шарнир

Рис. 3.36. Схема управления вращением шарнира

Сгеометрической точки зрения оба этих случая выполняют одну

иту же функцию. Расположение двигателя на рис. 3.36 б более «биоморфно», поскольку втягивание линейного двигателя точно соответствует сокращению мышцы, расположенной между соседними костями сустава. Рис. 3.37 иллюстрирует аналогичный способ расположения двигателей, охватывающих два шарнира, при этом двигатели действуют частичнопараллельнодругдругуинесоединеныпростопоследовательно.

а– три последовательно расположенные вращательные двигатели;

б– два линейных двигателя охватывающие по два шарнира.

Рис. 3.37. Два плоских манипулятора с тремя степенями свободы

88

Еще одним из подобных примеров является способ управления плоским движением исполнительного звена или стола. Два варианта, показанные на рис. 3.38, геометрически эквивалентны; все три ведущие цепи действуют полностью параллельно. Такая схема представляет собой полную противоположность схемы обычного «последовательного» привода, например, крестового стола фрезерного станка.

а – манипулятор с параллельно действующими линейными двигатели; б – манипулятор с параллельно действующими вращательными двигателями

Рис. 3.38. Два трехступенных плоских манипулятора

Гексапод.

Одним из примеров параллельного механизма с 6-ю степенями свободы является гексапод. Впервые кинематика гексапода был

89