НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

И.В. Медведев, канд. техн. наук,

В.Г. Тихомиров, канд. техн. наук, МГТУ “Станкин”

Использование пакета ROBOCAD для моделирования работы манипулятора международной космической станции “Альфа”

Рассмотрена возможность применения пакета ROBOCAD для моделирования сложных технических комплексов. Описан реальный проект проектирования космического манипулятора методом реалистической трехмерной графики.

Назначение и возможности ROBOCAD. Пакет ROBOCAD разработан фирмой Tecnomatix Technologies Ltd. Основное его предназначение— построение трехмерных, твердотельных моделей проектируемых систем, оптимизация и off-line-программирование роботизированных автоматических систем.

ROBOCAD — это высокотехнологичный программный продукт, который предоставляет весьма широкие возможности для точного представления геометрии роботизированной производственной ячейки и обрабатываемой детали в виде твердых тел. Средствами пакета удобно выполнять следующие проектные операции:

·        реалистическая трехмерная визуализация рабочих ячеек;

·        анализ кинематических схем роботов;

·        генерация траекторий движения роботов и механизмов;

·        автоматическая генерация рабочих программ реальных роботов и других исполнительных систем;

·        юстировка компьютерной модели с учетом особенностей реальных технологических процессов и др.

Пакет обеспечивает синхронизацию и автоматический анализ возможных столкновений механизмов в едином рабочем пространстве.

Пакет ROBOCAD имеет следующие приложения, созданные с учетом особенностей конкретных технологических процессов:

·        ROBOCAD/Spot — точечная электросварка;

·        ROBOCAD/Arc — дуговая электросварка;

·        ROBOCAD/Fixtures — проектирование сварочной оснастки;

·        ROBOCAD/Gun — проектирование инструмента для сварочного производства;

·        ROBOCAD/Paint — окраска;

·        ROBOCAD/Dynamo — сборка;

·        ROBOCAD/CMM — измерительные машины;

·        ROBOCAD/Martel — мониторинг и телеоперации с использованием дистанционно управляемых робототехнических систем;

·        ROBOCAD/Drill — сверление и клепка;

·        ROBOCAD/OLP — модуль off-line-программирования;

·        ROBOCAD/Laser — лазерная резка и сварка;

·        ROBOCAD/Cables — гибкие шланги и кабели;

·        ROBOCAD/Man — кинематическая и эргономическая модель человека.

В настоящее время библиотеки ROBOCAD содержат более 200 моделей роботов и различных систем управления, производимых ведущими фирмами мира.

Пользователями ROBOCAD является большинство крупных фирм мира в таких отраслях, как автомобильная промышленность, роботостроение, машиностроение, атомная энергетика, авиационная и космическая промышленность, производство роботоподобных механизмов для специальных условий. Наибольшее число инсталляций пакета (примерно 600 из общего числа около 1000) выполнено на автомобильных заводах.

ROBOCAD ориентирован на использование мощных графических рабочих станций, выполненных на основе RISC-процессоров. В настоящее время он реализован на следующих платформах: Silicon Graphics, HP Apollo 9000, Sun Spark, IBM RS/6000. С наилучшей на сегодня производительностью пакет функционирует на машинах, оснащенных специальными платами аппаратной обработки изображения, например, рабочих станциях Indigo 2 с графической системой Impact (Solid, High или Maximum) фирмы Silicon Graphics.

ROBOCAD обеспечивает возможность двунаправленного обмена данными с ведущими универсальными CAD/CAM-системами: CATIA, Unigraphics, CADSS-5, ProEngeneer, Autocad и др. Он также поддерживает стандартные протоколы обмена данными IGES, VDA-FS, DXF, SET, STEP. Это позволяет рассматривать его как Computer-Aided Production Engineering (CAPE) систему, обеспечивающую эффективный интерфейс между САПР и современным автоматизированным технологическим оборудованием, без чего практически невозможно обеспечить сквозной цикл проектирования и производства продукции.

В пакете ROBOCAD предусмотрен интерфейс для подключения модулей пользователя, написанных на языке Си, что позволяет пользователям при необходимости создавать собственные приложения. Интересной особенностью является возможность подключения exe-модулей, создаваемых производителями автоматизированного оборудования, без раскрытия алгоритмов их функционирования. Это обеспечивает сохранность принципа know-how при продаже этих модулей.

Исследование и верификация проектных решений на ранней стадии. Наиболее эффективно использование пакета ROBOCAD на ранних стадиях проектирования сложных роботизированных систем, когда определяются основные принципы их функционирования, базовые размеры, кинематика и т.п. Хорошей иллюстрацией этого является применение пакета ROBOCAD для проектирования космического манипулятора ERA (European Robotic), создаваемого Европейским Космическим Агентством (ЕКА) для установки на борту Российского сегмента Международной Космической Станции “АЛЬФА” (МКС “АЛЬФА”). Проект МКС “АЛЬФА” — это грандиозная космическая кооперация, в которой участвуют пять космических агентств: НАСА (США), РКА (Россия), ЕКА (Европейское сообщество), НАСДА (Япония) и КСА (Канада). Развертывание станции на орбите должно начаться в 1998г. Время существования на орбите — более 20 лет.

Необходимость тщательного моделирования рабочих операций манипулятора ERA определяется стоимостью проекта и условиями работы манипулятора на внешней поверхности станции в пространстве с множеством препятствий. МКС “АЛЬФА” — это огромный космический комплекс (габариты — сотни метров в каждом направлении), который никогда полностью не будет собран в земных условиях. Учитывая также, что габаритные размеры манипулятора ERA тоже весьма внушительны (более 13м в выпрямленном состоянии), легко понять, что не существует иного способа отработки его конструкции и операций, кроме графического трехмерного реалистического компьютерного моделирования.

Манипулятор ERA представляет собой симметричный механизм с семью степенями подвижности, каждый из концов которого имеет универсальное присоедини тельное устройство. Рабочим органом манипулятора может быть любой его конец; при этом другой конец фиксируется на одной из базовых точек, расположенных на корпусе космической станции и оснащенных коммутационной аппаратурой для подвода электропитания и информационных сигналов. Все перемещаемые манипулятором ERA объекты (солнечные батареи, двигательные установки и т.д.) оснащены такелажными элементами, за которые манипулятор может брать их. Такая конструкция позволяет осуществлять самостоятельное перемещение манипулятора по космической станции наподобие циркуля. Управляющее вычислительное устройство находится внутри манипулятора. Предполагается, что в памяти управляющей ЭВМ будет храниться вся информация о конфигурации станции, необходимая для выполнения штатных операций. Поступать туда она будет из наземного компьютера, где предварительно будут отрабатываться операции, которые манипулятор ERA должен будет выполнять затем в космосе. Графической средой для компьютерного моделирования операций манипулятора ERA голландской фирмой Fokker Space B.V. (головным контрактором ЕКА по программе ERA) выбрана система ROBOCAD.

Уже в настоящее время в системе ROBOCAD создана полная модель Российского сегмента МКС “АЛЬФА” (рис. 1). Степень детализации модели такова, что позволяет полностью верифицировать операции, выполняемые манипулятором ERA. В модель включены все наружные элементы станции, которые могут помешать выполнению операций — вращающиеся панели солнечных батарей, научные приборы, вынесенные в открытое пространство, радиоантенны, базовые точки, поручни для перемещения космонавтов при внекорабельной деятельности и пр.

Рис. 1. Компьютерная модель российского сегмента космической станции “Альфа” и манипулятора ERA

Подробно исследовались следующие операции: разгрузка солнечных батарей, установка их на балки привода солнечных батарей (рис. 2) и разворачивание солнечной батареи в рабочее положение.

Рис. 2. Перенос манипулятором пакета солнечных батарей

Для всех операций планировалась траектория движения манипулятора с проверкой на гарантированное отсутствие столкновений с элементами конструкции станции. С этой целью строилась эквидистантная поверхность для всех элементов, попадающих в рабочее пространство манипулятора. Кроме верификации выполняемости операций определялось время их выполнения с точностью до 0,1 с.

На основе исследований выработан ряд рекомендаций как для разработчиков станции “Альфа” — по конструкции и размещению базовых точек, так и для разработчиков манипулятора ERA — по кинематике и геометрии руки. После внесения изменений проводилась повторная верификация операций.

Генерация “виртуальной картинки”. Предполагается, что космический манипулятор будет функционировать в супервизорном режиме под наблюдением космонавтов, находящихся как внутри станции, так и в открытом космическом пространстве. Для моделирования изображения на мониторе пульта управления манипулятора используется модуль ROBOCAD/Martel моделирующий работу одной из четырех видеокамер, установленных на манипуляторе ERA. На рис. 3 показана картинка, видимая камерой, установленной вблизи свободного конца манипулятора, при его приближении к базовой точке. В перспективе предполагается широкое использование возможности генерации виртуальной картинки для построения наземного тренажера с использованием технологии “виртуальной реальности”.

Рис.3. Картинка, “видимая” камерой при приближении к такелажному элементу

Проблемы реального времени. Обычно при моделировании сложных технологических процессов, содержащих десятки и сотни твердотельных объектов, не удается достичь визуализации выполнения операций в реальном времени. Однако специфика работы космического манипулятора такова, что скорости его движения малы и режим реального времени может быть легко обеспечен даже на обычной графической рабочей станции (не обязательно иметь графический суперкомпьютер, как, например, для авиационных или автомобильных компьютерных тренажеров). Однако для космического манипулятора возникает обратная проблема — ввиду большой продолжительности выполняемых операций исследователь нуждается в ускорении их просмотра. В данном случае эта задача решалась следующим образом: в удобном для наблюдения месте компьютер ной модели станции устанавливается виртуальная видеокамера (или несколько камер), а ROBOCAD в процессе моделирования операции манипулятора формирует видеофайлы, содержащие видеоизображение того, что видит камера. Видеофайлы формируются в максимально компактном формате MPEG. В последующем эти файлы могут быть многократно просмотрены в удобном темпе практически на любом компьютере (PC, MAC, графические станции и т.д.). Кроме этого на основе использования сгенерированных MPEG-файлов можно подготовить видеофильм (формат S-VHS или VHS) для просмотра на персональном компьютере или видеомагнитофоне. Такие фильмы могут оказать большую помощь при подготовке космонавтов к работе на борту МКС.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №3. 1997.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.