Мобильный робот-планетоход для проведения геологических исследований

Полезная модель относится к области робототехники космического назначения, а именно к мобильным роботам-планетоходам (МРП), предназначенным для перемещения по поверхности небесных тел, например, по поверхности Луны, и направлена на решение задачи проведения тематической геологической съемки обширных территорий исследуемого космического тела посредством отбора поверхностных проб грунта с определенной периодичностью в ходе движения вдоль протяженного маршрута.
Целью предлагаемой полезной модели является техническое обеспечение комплексной программы фундаментальных научных исследований на поверхности космического тела. Программа такого рода геологических исследований с применением МРП включает: передвижение вдоль протяженного маршрута (длиной до нескольких сотен километров), бурение по ходу маршрута нескольких скважин глубиной до 3-6 м с отбором непрерывных колонок лунного грунта (кернов) с сохранением их полной стратификации, отбор с поверхности образцов грунта в виде фрагментов поверхностного слоя реголита и небольших камней.
Важной и необходимой особенностью программы является доставка отобранных образцов грунта на Землю, что является ключевым моментом предстоящих миссий, несмотря на то, что часть экспресс-исследований предполагается проводить непосредственно на месте (in situ).
Осуществление такой программы позволит существенно повысить уровень будущих научных исследований на поверхности небесных тел.
Известен МРП, разрабатываемый по программе ExoMars (информация в сети Интернет на сайте Европейского космического агентства: URL: http://exploration.esa.int/mars/45084-exomars-rover/). Этот МРП, предназначенный для передвижения по поверхности Марса, содержит шасси, корпус, функциональные блоки системы управления, системы энергообеспечения, системы связи, комплекс научной аппаратуры, на наружных поверхностях корпуса установлены телекамеры и датчики системы технического зрения, приемо-передающие устройства (антенны) системы связи, буровая установка. Буровая установка содержит привод вывода ее из транспортного в рабочее положение. Обеспечивается возможность бурения на глубину до 2 м с отбором небольшой колонки грунта с оконечной части рабочего бура без сохранения стратификации отбираемой пробы. К недостатком такого МРП относятся: отсутствие манипуляционного оборудования, что не позволяет производить отбор проб непосредственно с поверхности и делает невозможным осуществление погрузочно-разгрузочных работ, в частности, перегрузку собранных проб на взлетно-посадочный космический аппарат для доставки на Землю. Также к недостаткам можно отнести отсутствие мер по предотвращению возможной заклинки рабочего инструмента буровой установки в ходе бурения, что может поставить под угрозу всю миссию и не позволяет увеличить глубину бурения.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели, принятым в качестве прототипа, является подвижная автономная научная лаборатория Mars Science Laboratory - марсоход «Curiosity» (информация в сети Интернет на сайте американского космического агентства NASA: URL: http://www.nasa. gov/mission_pages/msl/index.html). Этот МРП для передвижения по поверхности Марса содержит шасси, корпус, функциональные блоки системы управления, системы энергообеспечения, системы связи, комплекс научной аппаратуры, манипулятор, буровую установку, на наружных поверхностях корпуса установлены телекамеры и датчики системы технического зрения, приемо-передающие устройства (антенны) системы связи. Манипулятор выполняет задачу отбора поверхностных проб грунта и загрузки их в аналитические приборы марсохода для исследований in situ (на месте). Среди инструментов имеется небольшая буровая установка с возможностью бурения на глубину до 5 см. Существенным недостатком этого МРП являются низкие возможности буровой установки (в первую очередь, очень малая глубина бурения) и отсутствия мер по предотвращению возможной заклинки рабочего инструмента буровой установки, что не позволяет достичь требуемых величин глубины бурения. К недостаткам также относятся: крайне низкая скорость передвижения МРП (единицы см/с), не позволяющая производить исследования протяженных территорий, отсутствие функций складирования и транспортировки проб грунта, а также недостаточная функциональность манипулятора, не позволяющая производить забор поверхностных проб грунта в виде осколочных фрагментов (камней) и погрузочно-разгрузочные работы по перегрузке собранных проб на взлетно-посадочный аппарат.
Задачей полезной модели является расширение технологических возможностей МРП с целью повышения уровня будущих научных исследований и объема собираемых научных данных, получаемых при исследовании небесного тела.
Для решения этой задачи полезная модель в различных вариантах исполнения отличается от наиболее близкого аналога тем, что на корпусе МРП дополнительно установлено устройство для загрузки и хранения проб грунта, манипулятор МРП имеет универсальное фиксирующие устройство с возможностью установки сменного инструмента, на корпусе МРП размещен магазин сменных инструментов с универсальными устройствами крепления и набор сменных инструментов, буровая установка МРП содержит выдвижную опору с возможностью перемещения вдоль оси буровой установки, на корпусе буровой установки размещено устройство для установки контейнеров для проб грунта, на корпусе МРП имеются дополнительные выдвижные опоры, а устройство крепления буровой установки к корпусу МРП имеет механизм разблокировки буровой установки.
Техническим результатом полезной модели является:
- реализация функций укладки и транспортировки проб грунта;
- расширение функциональных возможностей манипулятора, выполняющего в составе МРП три группы задач: 1) поддержка научных исследований; 2) погрузочно-разгрузочные операции; 3) вспомогательные сервисные задачи по поддержке функционирования МРП и обслуживанию отдельных его узлов;
- повышение надежности функционирования МРП в ходе проведения буровых работ.
На фиг. 1 показан внешний вид МРП при виде спереди слева, на фиг. 2 показан внешний вид МРП при виде сзади справа, на фиг. 3 показан набор сменных инструментов из магазина сменных инструментов МРП, на фиг. 4 показаны фрагменты операций по установке на грунт научных приборов манипулятором МРП, на фиг. 5 иллюстрируется процесс отбора и перегрузки в контейнер манипулятором МРП пробы поверхностного слоя грунта, на фиг. 6 иллюстрируется процесс отбора и перегрузки в контейнер манипулятором МРП пробы грунта в виде небольшого камня, на фиг. 7 показана МРП сконфигурированная для проведения буровых работ, на фиг. 8 показано устройство крепления буровой установки на МРП.
Основой МРП является рама 1, на которой закреплены по бортам шесть однотипных колесных модулей 2. На раме устанавливается приборный отсек 3, внутри которого расположены функциональные блоки системы управления, системы энергообеспечения, системы связи, и кузов 4 для размещения оборудования, которое необходимо выгружать на грунт в ходе движения МРП. Рама 1, приборный отсек 3 и кузов 4 образуют корпус МРП -единую несущую конструкцию. В центральной части спереди на собственной раме установлена буровая установка 5. В нерабочем положении буровая установка располагается вдоль корпуса МРП. В конструкции буровой установки предусмотрена выдвижная опора 6 с опорной поверхностью в виде кольца и устройство 7 для загрузки и хранения проб грунта, в котором установлены съемные контейнеры 8 для отбираемых из скважин проб (кернов). По левому борту МРП размещаются манипулятор 9 с магазином сменных инструментов 10, устройство 11 для загрузки и хранения проб грунта со съемными контейнерами 12 для проб грунта. В передней части установлена катушка кабельная 13 и сейсмометр 14 из состава комплекса научной аппаратуры МРП.
По правому борту на боковой панели приборного отсека размещаются солнечная батарея 15 с приводом ориентации 16, блок датчиков 17 магнитометра на штанге, входящего в состав комплекса научной аппаратуры, с приводом развертывания 18, остронаправленная антенна 19 с приводом ориентации, терминал 20 системы оптической связи. Местоположение этих блоков выбрано с учетом кинематики их движения и особенностей функционирования. Выбранное расположение солнечной батареи позволяет производить ее ориентацию при любом положении Солнца над горизонтом и курсовом угле движения МРП. Терминал 20 располагается в задней части МРП на кронштейне приборного отсека с обеспечением полнооборотной ориентации оптической системы по азимуту и ориентации по углу места от 0° до 90°. На фиг. 1 терминал показан в транспортном положении, на фиг. 2 - в рабочем. Привод ориентации остронаправленной антенны 19 крепится с помощью кронштейна к передней панели приборного отсека с обеспечением возможности ориентации антенны от 0° до 360° по азимуту и от 0° до 90° по углу места. Дублирующими приемо-передающими устройствами системы связи МРП являются: малонаправленная антенна 21 дециметрового диапазона, расположенная на передней полке приборного отсека, и малонаправленная антенна 22, расположенная в задней части МРП на кронштейне приборного отсека. Также в задней части МРП на термоизолированных кронштейнах крепится блок РИТЭГ 23 (радиоизотопный теплоэлектрогенератор) с тепловым экраном 24, лазерный уголковый отражатель 25, а по бокам корпуса МРП располагаются дополнительные выдвижные опоры 26. В передней части МРП располагается корпус 27 головного устройства системы технического зрения, внутри которого размещены курсовые и обзорные телекамеры МРП. Головное устройство установлено на двухстепенной поворотной платформе, обеспечивающей ориентацию телекамер. По периметру корпуса МРП располагаются датчики дистанции 28 системы технического зрения.
Полезная модель функционирует следующим образом. Управление движением МРП, манипулятором, буровой установкой и другими устройствами осуществляется по командам системы управления, которая может функционировать как в режиме дистанционного управления, так и в супервизорном или автономном режимах. Изменение направления движения МРП производится за счет индивидуального поворота колес вокруг вертикальных осей или же бортовым способом - за счет разницы угловых скоростей колес левого и правого бортов.
Работа полезной модели с достижением заявленного технического результата иллюстрируется на фиг. 3-8.
Реализация функций укладки и транспортировки отобранных проб грунта обеспечивается совместным применением манипулятора и устройств для загрузки и хранения проб грунта, установленных на МРП. В составе МРП предусмотрено два устройства для загрузки и хранения проб грунта: одно располагается на буровой установке и содержит контейнеры 8 для отбираемых из скважин проб (кернов), второе размещено на раме МРП и содержит контейнеры 12 для проб грунта, отбираемых с поверхности.
Расширение функциональных возможностей манипулятора обеспечивается его конструкцией, предусматривающей на конце универсальное фиксирующие устройство с возможностью установки одного из вариантов сменного инструмента, а также размещением на МРП в зоне досягаемости манипулятора магазина сменных инструментов с набором сменных инструментов. При этом универсальное фиксирующее устройство имеет не только механический, но электрический и информационный интерфейсы стыковки со сменным инструментом. Состав набора сменных инструментов может различаться в зависимости от технологических задач. В описываемом варианте исполнения полезной модели набор сменных инструментов, как показано на фиг. 3, включает следующие инструменты: схват (фиг. 3а), ковш (фиг. 3б), инспекционную телекамеру (фиг. 3в), щетку (фиг. 3г). Манипулятор МРП выполняет три группы задач: 1) поддержка научных исследований; 2) погрузочно-разгрузочные операции; 3) вспомогательные сервисные задачи по поддержке функционирования МРП и обслуживанию его отдельных узлов. Поддержка научных исследований заключается в проведении предварительного изучения минералогического состава подстилающей поверхности в радиусе рабочей зоны манипулятора посредством установленных на нем оптических приборов, установке на грунт научных приборов, захвате, удержании и перегрузке в контейнеры проб поверхностного слоя грунта и небольших камней. Фрагменты операций по установке на грунт научных приборов манипулятором с помощью инструмента «схват» (фиг. 3а) показаны на фиг. 4. Процесс отбора пробы поверхностного слоя грунта манипулятором с помощью инструмента «ковш» (фиг. 3б) и перегрузки ее в контейнер устройства для загрузки и хранения проб грунта показан на фиг. 5. Процесс отбора манипулятором с помощью инструмента «схват» (фиг. 3а) пробы грунта в виде небольшого камня и перегрузки ее в контейнер устройства для загрузки и хранения проб грунта показан на фиг. 6. Погрузочно-разгрузочные задачи включают операции по снятию с МРП контейнеров с отобранными пробами грунта и установке их на взлетно-посадочный комплекс для доставки на Землю. Эти операции выполняются манипулятором с помощью инструмента «схват» (фиг. 3а). Вспомогательные сервисные задачи заключаются в выполнении сервисных операций по поддержке функционирования МРП таких как: визуальный осмотр различных частей МРП (контроль технического состояния механизмов и т.п.) с помощью инструмента «инспекционная телекамера» (фиг. 3в), очистка рабочих поверхностей МРП, например, рабочей поверхности солнечной батареи и др. манипулятором, оснащенным инструментом «щетка» (фиг. 3г).
Повышение надежности функционирования МРП в ходе проведения буровых работ обеспечивается разгрузкой буровой установки от сил, действующих со стороны подвесок МРП, путем подъема корпуса МРП на выдвижных опорах 6 и 26, как показано на фиг. 7. Причем одна из выдвижных опор (поз. 6) размещена на самой буровой установке с возможностью перемещения вдоль оси буровой установки, а еще две выдвижные опоры 26 -в задней части МРП. Таким образом, процесс подготовки к бурению происходит следующим образом: МРП останавливается в заданной точке бурения, буровая установка разворачивается из транспортного в рабочее вертикальное положение, после чего срабатывают приводы выдвижных опор, обеспечивая вывешивание колес МРП. Тем самым уменьшается вероятность перекоса бурового инструмента 29 от сил, действующих со стороны подвесок МРП в ходе проведения буровых работ, и увеличивается возможная глубина бурения. Дополнительно к этим мерам для общего повышения надежности полезная модель в одном из вариантов исполнения снабжается механизмом аварийной расстыковки буровой установки, позволяющим в случае возникновения аварийной ситуации отсоединить буровую установку от МРП. На фиг. 8 показано устройство крепления буровой установки на МРП, включающее раму 30 с установленными на ней приводом развертывания 31 и опорой подшипниковой 32. Буровая установка крепится через кронштейны 33 к подвижным частям привода развертывания 31 и опоры подшипниковой 32. Устройство разблокировки буровой установки по команде посредством, например, срабатывания пиропатронов производит разрыв связей между кронштейнами 33, приводом развертывания 31 и опорой подшипниковой 32 тем самым, полностью отсоединяя буровую установку вместе с кронштейнами 33 от МРП.