Leader-ID
2416 subscribers

Российская команда разработала адаптивный манипулятор для решения сложных задач под водой

<100 full reads
Российская команда разработала адаптивный манипулятор для решения сложных задач под водой

Компания «Гидробот» занимается подводной робототехникой: инженеры расширяют возможности малых подводных аппаратов. Для этого в компании разработали электрогидравлический манипулятор, который решает более широкий спектр задач, чем его зарубежные конкуренты.

За счет легких металлов, композиционных материалов и IT-технологий подводный аппарат с разработанным манипулятором сможет выполнять часть задач, которые прежде были по силам только большим устройствам рабочего класса. Благодаря участию в Архипелаге 2121 проект получил поддержку рынка MariNet и грант ФСИ. Лидер проекта Сергей Зубков рассказал про разработки и достижения.

Про технологическую компанию, которая выросла из студентов Бауманки

Компания «Гидробот» появилась в 2015 году. В нее вошли инженеры студенческой команды МГТУ им. Баумана. Вуз собирал студентов-энтузиастов, которые занимались подводной робототехникой. Мы занимали призовые места и в российских, и в международных соревнованиях. Так возникла идея создать бизнес в этой сфере.

У подводной робототехники большой потенциал: на дне и в толще воды много полезных ископаемых. Всегда есть запрос на разработку новых месторождений.

Робототехнику используют для обслуживания подводных трубопроводов и трансконтинентальных кабелей, ГЭС, АЭС, ветряков, приливных и волновых электростанций, портов. В науке роботов применяют для исследования океана. Помимо этого, развивается аквакультура — там тоже нужны подводные роботы.

Для первого коммерческого заказа спроектировали грузовые захваты, одностепенные манипуляторы и кабельные лебедки для подводных аппаратов. А сейчас у нас уже целая линейка продукции для ТНПА (телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов): манипуляторы, движители, другие устройства.

Наш манипулятор участвовал в конкурсе «Аквороботех-2019» в составе робота, который занял на соревнованиях первое место в своем классе
Наш манипулятор участвовал в конкурсе «Аквороботех-2019» в составе робота, который занял на соревнованиях первое место в своем классе
Это был прообраз манипулятора, с которым мы выступали на Архипелаге 2121
Это был прообраз манипулятора, с которым мы выступали на Архипелаге 2121

Несмотря на серьезную конкуренцию с крупными КБ и НИИ, мы сделали ставку на нишу малых электрогидравлических манипуляторов, которые обладают всеми преимуществами электрических и гидравлических конкурентов.

Разработки последних двух лет стали основой для создания линейки манипуляционных комплексов, которые можно будет применять не только под водой, но и на суше — в строительстве, добыче полезных ископаемых, обслуживании городских коммуникаций и в других направлениях с агрессивными условиями эксплуатации.

Про степени и классы подводной робототехники

Есть два класса подводных аппаратов: осмотровый и рабочий. Осмотровый проще: это «коробка» с подводной камерой и так называемыми движителями, благодаря которым он перемещается в толще воды. Такая несложная комплектация позволяет наблюдать за подводными объектами и по кабелю передавать информацию оператору на сушу. Таким образом собирают данные и обследуют затонувшие объекты.

Следующий класс — рабочий — уже может проводить подводные работы. Например, заменить батарею в исследовательской станции: открыть крышку, вынуть старую батарею и вставить новую.

Чем выше степень манипулятора, тем больше суставов и осей, по которым он может двигаться, больше степеней подвижности у его руки, выше ее гибкость и маневренность.

У одностепенного манипулятора есть только один вариант действий: смыкание-размыкание пальцев.

Одностепенной манипулятор XM-1
Одностепенной манипулятор XM-1

У пятистепенного манипулятора есть кисть, плечо и локоть. Он сгибается в тех же направлениях, что и человеческая рука, и захватывает предметы пальцами. Таким манипулятором можно выполнять больше видов работ.

Шестистепенной манипулятор — это уже крупногабаритное устройство, которое устанавливают на аппарат рабочего класса. Это большие глубоководные механизмы, которые используются для проведения сложных работ типа гидравлической резки. У таких гаджетов есть целый набор инструментов.

Ключевое отличие работы под водой в том, что у аппарата при погружении меняется вес из-за силы Архимеда. Чтобы взаимодействовать с объектом, один из манипуляторов должен держаться за неподвижный объект. Поэтому на рабочий класс обычно устанавливают два манипулятора: одним он фиксирует себя, а другим производит подводные работы.

За 7 лет компания прошла путь от грузовых захватов до технически сложных комплексов — шестистепенного электрогидравлического манипулятора для аппаратов рабочего класса.

Про пятистепенной манипулятор, который выиграл грант

Мы решили пройти интенсив Архипелаг 2121, чтобы усовершенствовать свою продукцию и интеллектуальную базу компании. В июле 2021 года на заседании экспертной группы по направлению «Технологии освоения ресурсов океана» нас поддержала рабочая группа НТИ MariNet.

На Архипелаге 2121 мы представили проект пятистепенного манипулятора для малых подводных аппаратов.

Электрогидравлический манипулятор приводят в движение гидроцилиндры, в которые нагнетает давление насосная станция, а затем благодаря интеллектуальной клапанной коробке потоки гидравлической жидкости распределяются между нужными цилиндрами.

Последнее выходное звено — кисть с неограниченным вращением, которая работает при помощи электропривода. Собственно, поэтому он и называется электрогидравлическим.

Состав манипуляционного комплекса XM-5
Состав манипуляционного комплекса XM-5
Создавая этот манипулятор, мы использовали максимальное количество композиционных материалов, чтобы облегчить конструкцию, насколько это возможно.

Дело в том, что на аппаратах малого класса есть проблема с так называемой развесовкой. Это означает, что из-за небольших габаритов механизму не хватает мощности, чтобы компенсировать перевес, который создает манипулятор при работе. Аппарат начинает крениться вперед, из-за чего у оператора возникают сложности. Мы сделали устройство, которое незначительно влияет на развесовку. Его можно устанавливать на небольшие аппараты, и это расширяет круг их возможностей.

Сейчас на рынке нет манипуляторов, которые можно устанавливать на аппараты малого класса, не нарушив управляемость аппарата.

Если задача не требует высоких силовых характеристик, но для выполнения работ необходима подвижная многостепенная рука, то необязательно использовать большой аппарат и арендовать дорогое судно. Можно взять небольшой катер с легким аппаратом и многофункциональным манипулятором.

Гидроцилиндры — это «мышцы» механической руки. Мы делаем их с большим запасом прочности, сохраняя их компактный размер: испытания показали, что при рабочем давлении системы в 80 МПа они выдерживают 200 МПа
Гидроцилиндры — это «мышцы» механической руки. Мы делаем их с большим запасом прочности, сохраняя их компактный размер: испытания показали, что при рабочем давлении системы в 80 МПа они выдерживают 200 МПа

Про грант на доработку манипулятора

На Архипелаге 2121 нам помогли подготовить презентацию и заявку для участия в программе «Развитие НТИ Архипелаг» Фонда содействия инновациям. В декабре на наш манипулятор выделили 20 миллионов рублей.

Сейчас проект находится на этапе полнофункционального макетного образца и может полноценно продемонстрировать некоторые функции. Мы провели испытания в воде и на суше, чтобы проверить работу суставов:

Благодаря гранту мы сможем усовершенствовать материалы манипулятора, доработать систему управления, интегрировать датчики обратной связи в конструкцию.

Например, сейчас мы разрабатываем систему, благодаря которой оператор будет управлять не отдельно каждым звеном, а точкой в пространстве, к которой манипулятор будет стремиться, сгибая и разгибая все свои суставы настолько, насколько это нужно:

Цель этой программы — сделать так, чтобы манипулятором и аппаратом мог одновременно управлять один человек, а следующий этап — чтобы робот справлялся с работой самостоятельно в автономном режиме.

Про санкции и импортозамещение

У нас есть свое опытное производство и лабораторное оборудование, где мы тестируем идеи или дорабатываем то, что нам приходит. Большинство деталей из нужных нам материалов заказываем у контрагентов из России и Беларуси. У нас есть постоянные партнеры в Москве, Питере, Нижнем Новгороде, при необходимости ищем новые связи.

Конечно, импортными компонентами мы тоже пользовались, поэтому санкции коснулись и нас. Например, есть затруднения с поставками гидравлических элементов и электромоторов, сильно подорожала электроника. Но мы проработали эти проблемы и нашли другие варианты.

Про «подводный гараж» и оценку рыбы

Мы участвуем в разных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах. Многие проекты под NDA, но если в общих чертах: разработали «подводный гараж». Это система, которая позволяет взаимодействовать с роботом на большой глубине: безопасно транспортировать робота, передавать сигналы с робота на аппарат, наматывать и выталкивать кабель подводного аппарата, чтобы он не запутался, отсекать кабель, если аппарат по какой-то причине застрял.

В другом проекте собрали систему для оценки рыбы с помощью камер и искусственного интеллекта. По внешнему виду она определяет состояние рыбы: вес, размер, здоровье. Проблема была в том, что камеру просто так не поставить. Ее нужно перемещать внутри акватории. Мы сделали так, что сейчас она движется по определенному алгоритму под водой при помощи системы тросов и лебёдки и не влияет на жизнедеятельность рыбы.

Разработали лебедку и систему тросов для подводной камеры на рыбной ферме. Камера осматривает рыбу в акватории, при помощи искусственного интеллекта анализирует здоровье и питание рыбы
Разработали лебедку и систему тросов для подводной камеры на рыбной ферме. Камера осматривает рыбу в акватории, при помощи искусственного интеллекта анализирует здоровье и питание рыбы