Введение В последние годы наблюдается интенсивное развитие эргатических систем, интегрирующих в единую функциональную среду человека-оператора и автоматизированные устройства для обеспечения эффективной работы в сложных и агрессивных техногенных условиях [1]. Особые задачи возникают при эксплуатации таких систем в экстремальных условиях – при высоком уровне воздействий на технологическое оборудование, влажности, химической или радиационной опасности, а также в условиях психологического стресса и когнитивных перегрузок оператора [2], [3].В подобных ситуациях ключевую роль для обеспечения безопасности и устойчивости технологического процесса играют робототехнические манипуляторы, способные частично или полностью компенсировать ограничения человеческого фактора. Среди них особый интерес представляют манипуляторы с поступательными звеньями [4], [5].Манипуляторы с поступательными звеньями демонстрируют конструктивные и эксплуатационные преимущества для решения задач, где необходимы высокая линейная точность позиционирования, простота алгоритмов управления и надежность в экстремальных условиях воздействия. Благодаря возможности выполнения линейных перемещений с минимальными угловыми ошибками, такие манипуляторы характеризуются повышенной точностью, жесткостью, а также способностью к эффективной интеграции с различными видами универсальных захватов и инструментальных насадок, что особенно востребовано в условиях быстроизменяющихся параметров среды. Кроме того, непосредственное разделение операторских и автоматизированных функций позволяет снизить психофизиологическую нагрузку на персонал, минимизировать риск человеческих ошибок и повысить общую эргономичность системы [6].С учетом отмеченных аспектов, анализ достоинств манипуляторов с поступательными звеньями для использования в составе эргатических систем в агрессивных и стрессогенных средах представляется актуальной научной задачей, имеющей как теоретическое, так и практическое значение для повышения продуктивности, безопасности и устойчивости современных человеко-машинных комплексов. Разработка системной методологии проектирования данного класса эргатических систем обусловлена необходимостью создания конкурентоспособных отечественных решений для нефтегазовая отрасли, химического производства, морской робототехники и т. д.В каждом из этих случаев архитектура с поступательными звеньями обеспечивает критически важные технологические преимущества манипуляторов – возможность телескопирования в замкнутом пространстве, постоянную жесткость в осевом направлении при сжатии, относительную простоту герметизации линейных перемещений по сравнению с вращательными соединениями. 1. Манипуляторы с поступательными звеньями в эргатических робототехнических системах: инженерно-психологический анализДля экстремальных условий наиболее эффективен и часто используется супервизорный режим управления, в котором оператор задает высокоуровневые команды, а низкоуровневое выполнение делегируется автоматике [7–9].Манипуляторы с поступательными звеньями обладают рядом преимуществ при работе операторов в экстремальных условиях в супервизорном режиме. Рассмотрим технологические и эргономические свойства данных манипуляторов в эргатических системах.1.1. Технологические преимущества манипуляторов с поступательными звеньямиОтметим ряд технико-технологических и эксплуатационных преимуществ рассматриваемых манипуляторов в эргатических системах:– более простая защита от агрессивной среды – линейные приводы легче герметизировать, чем вращательные узлы. Для подводных приложений, как показано в исследовании гусеничных подводных платформ, герметизация поступательных механизмов требует меньшее количество уплотнительных элементов, что снижает вероятность отказа в абразивной среде [10];– высокая точность позиционирования – в условиях, где визуальная обратная связь ограничена (мутная вода, пыль, туман), прямолинейное движение проще контролировать и прогнозировать;– компактность в сложенном состоянии – для транспортировки в ограниченных объемах (космические аппараты, подводные аппараты) поступательные звенья позволяют создать телескопические конструкции, которые разворачиваются непосредственно на рабочем месте;– жесткость конструкции – благодаря минимальному числу сочленений и отсутствию крутящих пар, системы с поступательными звеньями характеризуются высокой конструкционной жесткостью. Это важно для предотвращения нежелательных колебаний и повышения надежности манипулятора в реальных условиях эксплуатации [11];– простота управления и регулирования – линейные перемещения проще поддаются вычислительному и программному управлению, что позволяет упростить алгоритмы и увеличить скорость реагирования манипулятора на действия оператора либо управляющих систем;– безопасность для оператора – применение манипуляторов с поступательными звеньями позволяет дистанцировать оператора от опасной зоны, минимизировать воздействие агрессивных факторов и снизить уровень стресса при длительной работе в экстремальных условиях;– гибкость интеграции с различными исполнительными органами – подобные конструкции позволяют легко менять захваты и инструменты, что важно для мультифункционального или аварийного использования на опасных объектах;– надежность и долговечность – простота конструкции способствует высокой ремонтопригодности и устойчивости к агрессивным средам, что особенно важно для атомной, химической и нефтегазовой промышленности.1.2. Эргономические преимущества и надежность человеко-машинного взаимодействия– снижение физической и когнитивной нагрузки на оператора – автоматизация трудоемких операций с помощью манипуляторов такого типа значительно снижает психофизиологическую нагрузку, минимизируя вероятность операторских ошибок, особенно в условиях стресса [12], [13]. Манипуляторы с поступательными звеньями обеспечивают прямолинейные движения, что уменьшает необходимость оператора прикладывать значительные усилия для точного позиционирования. Благодаря этому факту снижаются мышечные напряжения и усталость, особенно при длительной работе или выполнении повторяющихся операций в агрессивных условиях. Простота кинематики поступательных звеньев облегчает управление манипулятором, делая движения предсказуемыми и интуитивными. Это снижает когнитивное напряжение и уменьшает вероятность ошибок, что критично в стрессовых и опасных средах. Управление становится более удобным и менее утомительным для оператора, что способствует повышению общей эффективности работы и безопасности;– обеспечение устойчивого человеко-машинного континуума – эффективное распределение ролей между человеком и машиной повышает надежность общей эргатической системы даже при росте сложности или опасности производственной среды [14]. Ключевые механизмы обеспечения устойчивости связаны с делегированием функций автоматике [15]. Рутинные, опасные или ресурсоемкие задачи передаются манипуляторам и робототехническим системам, что снижает нагрузку на оператора и уменьшает вероятность ошибок, вызванных усталостью или стрессом. Оператор сохраняет контроль и принимает решения в критических ситуациях.1.3. Проблемы проектирования и факторы эксплуатации манипуляторов с поступательными звеньями в агрессивных и стрессогенных условияхРабота манипуляторов в агрессивных средах и условиях сопровождается системным усугублением классических проблем мехатронных систем и появлением специфических факторов, не имеющих аналогов в традиционной робототехнике:– деградация прецизионных характеристик – типичные для поступательных систем погрешности, связанные с люфтом направляющих пар (0,01-0,1 мм в стандартном исполнении), при внедрении абразивных частиц в зону трения увеличиваются на порядок. Это делает неприменимыми стандартные решения по компенсации кинематических ошибок, так как характер износа становится стохастическим и непредсказуемым;– коррозионное разрушение контактных пар – использование защитных люфтовых уплотнений, необходимых для компенсации температурных деформаций, создает «капсулы» с агрессивной средой внутри механизма. При этом скорости коррозионного износа в закрытых объемах в 3-5 раз превышают параметры открытых поверхностей, что требует переосмысления концепций защиты;– термомеханические эффекты – в условиях циклических термоударов дифференциальные деформации материалов кареток и направляющих, обусловленные различием коэффициентов теплового расширения, приводят к потере преднатяжки подшипников скольжения или качения, что критично для манипуляторов, требующих 10⁷ циклов наработки;– сложность герметизации динамических соединений: для поступательных перемещений длиной более 500 мм создание надежной бесстыковой защиты методом съемных чехлов становится конструктивно невыполнимой задачей. Решения на основе магнитных жидкостных уплотнений или лабиринтных систем требуют дополнительной энергетики и снижают КПД;– ограниченность материалов и технологий – стандартные материалы направляющих (сталь 45, шарикоподшипниковая сталь ШХ15) в агрессивных средах теряют до 70% первоначальной прочности. Применение коррозионностойких сплавов увеличивает стоимость изделия в 8–12 раз, а использование композитов снижает жесткость системы на 30–40%, что требует кардинального пересмотра методов обеспечения кинематической точности;– недостаточность экспериментальных данных – отсутствие апробированных методик ускоренных испытаний, адекватно моделирующих совместное воздействие агрессивных сред, химии и механических нагрузок. Это приводит к необходимости полномасштабных натурных испытаний, удлиняющих цикл разработки на 18–24 месяца и увеличивающих стоимость проекта в 3–4 раза;– отсутствие экспериментальных эргономических данных о влиянии стресса на параметры деятельности оператора в человеко-машинной системе с рассматриваемым классом манипуляторов.Таким образом, проектирование манипуляторов с поступательными звеньями для работы в системах работающих в агрессивных условиях среды при стрессогенных воздействиях на операторов представляет собой междисциплинарную проблему, требующую синтеза знаний из области инженерной психологи, эргономики, мехатроники, материаловедения, химической технологии и теории надежности, что и определяет необходимость разработки специализированной методологии, обобщающей теоретические подходы и практический опыт отечественных и зарубежных разработчиков. 2. Материалы, модели, эксперименты, методы и методики2.1. Общая схема манипулятора и ключевые технические решенияСхема поступательной степени манипулятора используемого в экспериментальной части исследования показана на рисунке 1. В разработке и реализации конструкции манипулятора приняли участие В.М. Копылов и Е.А. Неткачева. Внешний вал является несущим, и воспринимает как силу веса (на сжатие в случае вертикальной степени и на смятие в случае горизонтальной), так и изгибающий момент. Последний может рассматриваться как пара сил, действующая на базе L, обозначенной на рисунке 1. Вращательный момент передается с помощью направляющих, скользящих по пазам на поверхности валов. Эти направляющие работают преимущественно на срез, и выполнены из более мягкого металла, чем сами валы, то есть изнашиваются быстрее, чем пазы.Основа построения манипулятора – телескопические валы, способные передавать вращение, и при этом раздвигаться приблизительно вдвое. Длина вала определяет размеры его рабочей зоны. Рис. 1. Кинематическая схема манипулятораFig. 1. Kinematic diagram of the manipulatorДействие изгибающего момента приводит к тому, что зазоры в паре двух телескопических валов со стороны крепления горизонтального звена полностью устраняются, а зазоры с противоположной стороны – увеличиваются. Фактически, направляющие, расположенные с противоположной от горизонтального звена стороны вообще не нагружены поперечной силой, так же, как и направляющие на верхней стороне горизонтального звена. Тем не менее, они воспринимают вращательный момент, и необходимы для правильной центровки манипулятора.Для устранения перекосов в манипуляторе предусмотрены центрирующие опоры с подшипником скольжения в виде втулки из спеченной бронзы или кольца с покрытием из графита или сульфида молибдена.Передача вращения в колонну манипулятора производится с помощью коробки отбора мощности (КОМ). Этот узел решает две задачи: перенаправление потоков механической мощности и герметизация объема, в котором работает манипулятор.Вращательные степени в манипуляторе реализуются с помощью дифференциальной конической передачи, то есть совместное движение двух приводных валов преобразуется в два движения звена – по тангажу и по крену. Вращение инструмента передается через шарнир качания тремя коническими шестернями (приводной, транзитной и исполнительной).Поскольку каждая коническая шестерня подразумевает наличие люфта в зацеплении, для повышения точности манипулятора шестерни выполнены разрезными, с установкой упругого элемента между половинами шестерни.Был изготовлен экспериментальный образец, который использовался для оценки технических и эргатических свойств манипулятора и системы «оператор–манипулятор».2.2. Основные результаты технических испытаний манипулятора с поступательными звеньямиМанипулятор испытывался в двух режимах:– проверка повторяемости,– проверка работы по назначению с имитаторами полезной нагрузки.Наиболее значимые проблемы, выявленные при испытаниях:– перекос колонны,– наличие люфта в степени качания конечного звена,– наличие люфта в степени привода инструмента.Перекос колонны возникал при выдвижении колонны более, чем на половину номинального хода. Его причиной было отсутствие центрирующего кольца на внешнем валу манипулятора, в результате чего направляющая, расположенная ближе к горизонтальному звену, пережималась, а противоположно расположенная направляющая напротив, вываливалась из своей канавки из-за смещения валов относительно центра. Введение центрирующего кольца устранило проблему, в результате была получена точность следования вертикальной траектории с СКО 0,68 мм. Данные испытаний приведены на рисунке 2.Люфт в степени привода инструмента приводит к неопределенности позиции губок в пределах ±0,5 мм, что не является критическим значением, однако приводит к неуверенному захвату объекта, и невозможности захвата на чистом трении. В целом манипулятор отвечает заданным требованиям.2.3. Результаты испытаний эргатической системы манипулятора с поступательными звеньямиИспытания при работе по назначению показали, что даже при наличии люфтов манипулятор способен выполнять c высокой точностью операции по взятию любого груза за такелажный элемент, переносу груза и установке его в транспортный контейнер. Также без замечаний отработаны операции по повороту кранов, задвижек, ручек в составе обслуживаемых объектов. Наличие люфта и связанной с ним ошибки вызвали проблемы при установке переносимого объекта в точности на предназначенное для него место. Выполнение этой операции оказалось возможным только при устранении люфта (на испытаниях производилось принудительной фиксацией степени свободы качания конечного звена). Операторы отмечают эргономичность и хорошие пользовательские свойства интерфейса манипулятора с поступательными звеньями при решении профессиональных задач в агрессивных рабочих средах и стрессогенных условиях.  Рис. 2. Отклонение от траектории при следовании по вертикалиFig. 2. Deviation from the trajectory when following vertically Заключение и выводыИспытания изготовленного в ЦНИИ РТК манипулятора с поступательными звеньями позволяют сделать вывод о перспективности применения данного типа манипуляторов в эргатических системах, действующих в агрессивных средах в стрессогенных для операторов условиях, связанных с угрозой жизни и здоровью.В разработанном манипуляторе в результате устранения люфтов в конечном звене СКО ошибки позиционирования манипулятора оказались менее 1 мм во всей рабочей зоне при отработке любой позы манипулятора, что позволяет использовать его при осуществлении точных сенсомоторных действий и манипуляций с объектами.Перспективным исследованием данных исследований является анализ патентного ландшафта в сфере проектирования робототехнических систем [16], [17].Рассмотрены проблемные вопросы, выявленные при отработке манипулятора в эргатической системе экстремального профиля, и методы их решения. Даны рекомендации по проектированию и эксплуатации аналогичных робототехнических эргатических систем.