Краткий исторический очерк создания и развития кабельных роботов, роботизированных и «умных» кранов



Рассмотрены технические решения с применением гибких звеньев от глубокой древности (лук, охотничий самолов, сверлильный снаряд, лучковый токарный станок) и их постепенное развитие до новых уровней, способствовавших созданию автоматов, поликанатных систем подъема и обслуживания, канатных дорог и кабельных кранов. Дальнейшее развитие материаловедения, создание стальных тросов приводит к широкому распространению данных технических решений и, как следствие, к появление в конце 80-х годов XX века кабельных роботов, роботизированных и «умных» кранов.

Ключевые слова: гибкие звенья, гибкие связи, кабельный робот, роботизированный кран, умный кран.

Гибкие звенья и связи (веревки, ремни, тросы (кабель в англ. переводе) и т. п.) одними из первых на ряду с элементарными орудиями труда получили широкое применения в поначалу простых, а потом все более сложных технических решения, создаваемых людьми. Применение гибких звеньев стало развиваться наиболее широко с момента освоения людьми прядения и ткачества, которые позволили создавать много разнообразных нитей и веревок [1]. Согласно принятым положениям [2] первое применение гибкой связи было реализовано в качестве тетивы лука в эпоху мезолита 12–7 тыс. л. до н. э. с применением веревок и нитей природного происхождения, а наиболее широкое распространение гибкие связи должны были получить в следующую эпоху — позднего неолита (3–4 тыс. л. до н. э.) с развитием прядения и ткачества.

С началом применения веревок и нитей стали появляться и другие орудия труда, например, каменные топоры, в которых веревки соединяли камень и рукоятку. Лук с веревочной тетивой получил применение в качестве ручного привода в орудиях для добычи огня трением и сверлением, что в свою очередь привело к появлению первых сверлильных снарядов (прообразов сверлильных станков) и в последствии к появлению первых токарных станков. Особое место гибкие связи занимали в организации и создании самоловных охотничьих орудий (ловушек), в которых были заложены первые принципы автоматизированных механизмов (автоматов) и поскольку в этих устройствах мог осуществляться захват веревкой добычи и ее подъем, то и первые принципы грузоподъемных устройств. На рис. 1 представлены примеры описанных решений с гибкой связью [2].

Рис. 1. Первое применение гибких связей: петроглифи Беломорья — сцена охоты с луками; охотничье самоловное орудие для сдавливания пушного зверя; сверлильный снаряд (реконструкция [2]); лучковый токарный станок [2]

С появлением колеса и как следствие созданием цевочной (зубчатой) передачи, устройства с гибкими связями утратят свое значение, что может быть связано с низкой надежностью гибких элементов того времени. Изготавливаемые из дерева цевочные передачи имели гораздо больший запас прочности, чем непропитанные и невысокотехнологичные веревки и нити. Однако возникали задачи, в которых без применения гибкой связи было не обойтись. К таким задачам относится, например, создание автоматизированных устройств (автоматов) и систем устройств для театров и массовых представлений.

В связи с гибелью Александрийской библиотеки было утеряно большое количество работ первоисточников, в которых могла содержаться информация о первых технических решениях по созданию самоходных и автоматизированных устройств. Известно, что Александрийская библиотека представляла собой часть большого научного центра в состав которого кроме библиотеки входил также Александрийский Музей. В этом музей, предположительно на рубеже 10–75 гг. до н. э. работал и преподавал широко известный Герон Александрийский. Оригинальные труды Герона не дошли до наших дней из-за пожара, погубившего Александрийскую библиотеку. Сохранились только переписанные копии трудов Герона, созданные его учениками и последователями.

Уникальной признана одна из работ Герона имеющая название «Механика», которая сохранилась в переводе на арабский язык. В «Механике» описаны простейшие механизмы: клин, рычаг, ворот, блок, винт и механизм для подъема груза. Этот механизм подъема называется «барулк» и представляет собой редуктор, применяемый в качестве лебедки. Механизм имеет несколько зубчатых колес с ручным приводом и позволяет поднимать груз массой до 2,5 т за счет приложения тягового усилия всего 125 кг. Другой труд Герона под названием «Об автоматах» получил широкое распространение и известность в эпоху Ренессанса. Не смотря на популярность этой работы, оригинальные чертежи и рисунки Герона не сохранились, имеются лишь описания автоматов и принципа их работы. Интерес представляет с позиции роли гибких звеньев, например, мобильный кукольный театр. Такая конструкция (рис. 2) за счет движения на колесах сообщает линейное перемещения приводным нитям, соединенным с системой зубчатых колес, которые заставляют кукол танцевать, огонь разгораться, а вино литься рекой. Подводя итог, можно констатировать, что первые технические решения по манипулированию, посредствам гибких связей объектами относятся к автоматам, получившим распространение в последние века до н. э. на территории античного Египта и кооперированных с ним цивилизаций. О подъемных механизмах (лебедках и т. п.) можно заключить тоже самое.

Рис. 2. Мобильный кукольный театр Герона Александрийского (реконструкция)

Следующим этапом после освоения людьми гибкой связи, создания механических лебедок и автоматов (прообразов манипуляторов) стало масштабирование — создание больших канатных систем. Первой системой такого типа является канатная дорога. Принято считать, что первые прообразы канатных дорог появились в Азии и Южной Америке во времена глубокой древности. Они применялись для доставки грузов в районах с сложным ландшафтом, чаще всего для переправы через реки для доставки корзин с грузами: продуктов и строительных материалов. Первая пассажирская канатная дорога была спроектирована хорватским изобретателем Фаусто Веранцио в 1616 году. Широкое распространение этот вид транспортных систем получает лишь после 1834 года в связи с разработкой технологии получения стальных канатов, которые могли обеспечить надежную и длительную эксплуатацию канатной дороги [3].

Первые канатные дороги второй половины XIX века создавались как и в Азии и Южной Америки для переправы через реки, но не грузов, а людей. Второй задачей канатных дорог стало обслуживание сложных гидротехнических сооружений, также расположенных на реках. Только с развитием горнолыжного спорта канатные дороги стали появляется повсеместно на горнолыжных курортах с начала XX века (рис. 3). Первой из таких дорог была построена на одном из Австрийских горнолыжных курортов. В России с конца XIX века канатные дороги применялись для транспортирования грузов в металлургической и горной промышленности. Первое применение канатной дороги в качестве городского транспорта было реализовано в США в городе Сан-Франциско в 1873 году.

Рис. 3. Первая канатная дорога Швейцария 1937 г [3]

Появление стальных канатов способствовало не только развитию канатных дорог, но и разработке новых методик подъема затонувших судов. Так в одном из патентов [4], зарегистрированных 1878 году предлагается реализовать подъем затонувшего судна посредствам системы параллельных канатов, управляемых особым образом (рис. 4). Уже в данном решении просматривается модель современного кабельного робота для манипулирования грузами. Развитие канатных дорого привело к созданию кабельных (канатных) кранов, конструкция которых является фрагментом части канатной дороги. В последующие 60–70 лет новых технических решений не создавалось и только в конце 80-х годов XX века появились технические решения, направленные на совмещение функций обычных промышленных и портовых кранов с целью получения масштабной манипулятивной системы с параллельными тросами, позволяющей не только перемещать груз, но и манипулировать им.

Рис. 4. Схема подъема затонувшего судна к привилегии 1878 г. [4]

Впервые понятие механизма параллельной структуры с гибкими звеньями возникло в США в 1989 году и получило название «кран с контролируемыми тросами (Cable controlled crane)» и «кран робот (Robot Crane)», которые в последствии преобразовались в — Cable Robot (кабельный робот). Решения на базе Cable Robot стали находить широкое практическое применение в области перемещения грузов, людей и моделировании движения сложных объектов [5].

На рисунке 5 показано решение, разработанное сотрудниками исследовательского центра прикладных технологий (TECNALIA Research & Innovation). В центре были разработаны CABLECRANE и SmartCrane. Умный кран может быть реализован на базе обычного двухбалочного мостового или козловой кран с подъемником для людей, где все моторы — серводвигатели управляемые компьютером [5].

С увеличением размеров морских судов, становиться актуальной задача перегрузки большого судна в открытом море. Такое судно не может зайти в порт, но может быть разгружено плавучим краном в непосредственной близости от акватории порта. Для устранения влияния качки на процесс перегрузки в Федеральном университете Рио-де-Жанейро предложено монтировать крановую установку непосредственно на платформу Стюарта. Сама же платформа Стюарта устанавливается на корпус плавучего крана, находящаяся таким образом между корпусом и крановой установкой платформа Стюарта выполняет своего рода роль демпфера, который реагирует на крены корпуса плавучего крана и стабилизирует крановую установку [5].

Рис. 5. CableCrane — конструкция на базе двухбалочного мостового крана [5]

Рис. 6. Модель на базе Cable Robot перегрузки судна в открытом море [5]

Рис. 7. а) Кантаный спредере [6], б) кран-манипулятор [7; 8]

Другой подход к проблеме морской перегрузки предложен в Национальном университете защитных технология КНР (рис. 7). Манипулирование грузом происходит за счет специального канатного спредера, который устанавливается непосредственно на стрелу крана. Аналогичные решения встречаются и в нашей стране, например, для манипулирование грузами на опасных объектах (рис. 7). Характерным отличием концепции Cable Robot от других манипуляционных механизмов параллельной структуры является допускаемая мобильность конструкции. Манипулятор может иметь мобильное исполнение (рис. 8). Решения такого типа могут находить применения, например, в логистике или обслуживании объектов большой протяженности. Представленный на рисунке 8 робот является частью системы строительства и обслуживания солнечных электростанций [6–9].

Рис. 8. Кабельный кран-манипулятор с тросовыми приводами для СЭС [9]

Манипуляционные механизмы параллельной структуры с гибкими звеньями могут работать в крайне агрессивных средах, где зона поражения во много раз превышает геометрические размеры обычных роботов и манипуляторов, что обеспечивается присутствием в рабочей зоне только захвата и гибких звеньев бесконечной длины (рис. 10), приводы и электронные компоненты могут находиться на значительном удалении от рабочей зоны. Такая концепция позволяет разработать манипуляторы для работы внутри источника мощного ионизирующего излучения, эпицентров биологического заражения и для подъема грузов с больших глубин. В качестве исполнительных механизмов спредеров могут применяться механизмы параллельной структуры [10–15].

Описанный кабельный кран-манипулятор с канатным приводом для агрессивных сред (рис. 9) содержит передвижной кабельный кран, преимущественно выполненный на базе двух стреловых кранов, установленную на нем грузовую тележку, несущую механизм параллельной структуры с четырьмя степенями свободы и гибкими звеньями (рис. 9) с канатным приводом, имеющий управляемый, преимущественно канатами привод захвата.

Рис. 9. а) Кабельный кран-манипулятор для крайне агрессивных сред; б) механизм параллельной структуры с гибкими звеньями

Рис. 10. а) Кабельный манипулятор для обслуживание дамбы ГЭС; б) обследование основания ветрогенераторов

Аналогично описанному кабельному крану-манипулятору может быть спроектирован и изготовлен подводный кабельный кран-манипулятор с канатным приводом. Такая конструкция может найти применение для обслуживания дамб ГЭС или решении более сложных задач при проведении работ в открытом море. Удаленное расположение приводов и электронных компонентов позволяет отказаться от особых требований к техническим характеристикам этих частей манипуляторов. Недостатком в этом случае будет являться необходимость учитывать внешние условия среды, особенно плотной, например, воды. Известны примеры (рис. 10), когда при проведении работ в открытом море тросовый привод, воспринимая колебания водной глади, заставлял операторов вырабатывать особые модели управления таким приводом.

Рис. 11. Погружной преобразователь энергии волн с тросами [9]

Аналогичные технические решения могут применятся для ремонта и обслуживания резервуаров и градирен всех типов электростанций и промышленных объектов. При строительстве объектов ТЭК могут применятся строительные принтеры на базе кабельных роботов и манипуляторов. В 2019 году сотрудниками Калифорнийского университета предложено техническое решение, названное: Погружной преобразователь энергии волн для работы на мелководье и глубоководье [9]. Такая 6-и координатная система позволяет преобразователю энергии улавливать максимальное количество энергии волн. Устройство имеет корпус амортизатора, который прикреплен к одному или нескольким демпфирующим механизмам, гидравлический контур, который может создавать полезный механический крутящий момент, механизм восстановления, такой как пневматическая рессора и плавучую искусственную платформу для создания противодействующей силы реакции (рис. 11).

Рассмотренная ретроспектива развития технических решений с гибкими звеньями позволяет предложить модель (схему) развития таких решений (рис. 12), которая отражает основные этапы становления данного класса технических систем.

Рис. 12. Концепция развития деталей и узлов кабельных роботов, роботизированных и «умных» кранов: 1 — гибкие связи; 2 — приводные системы; 3 — захваты и системы фиксации груза; 4 — системы канатов, манипулирующие грузом; 5 — системы канатов большой длины

Применение гибкого звена является одним из первых технических решений, разработанных человеком. Последующее развитие это типа решений привело к появлению масштабных транспортных систем в Азии и Южной Америки и к созданию вспомогательных устройств по добыванию огня и прототипов сверлильного и токарного станков, ловушек для животных. Особой вехой для механизмов с гибкими звеньями является создание в последних веках до н. э. механизмов автоматов, в которых гибкое звено выполняет важную функцию сложного пространственного передающего движение элемента.

Создание стальных канатов в середине XIX века увеличило развитие канатных дорог и появление кабельных кранов наряду с разработкой многоканатных систем подъема затонувших морских судов. Отвечая на новые вызовы времени: снижение участие человека в манипулировании грузов и появлению высокоэффективных электронно-управляемых приводов в конце 80-х годов XX создаются первые кабельные роботы, роботизированные и умные краны, которые получают все большее применение в различных отраслях промышленности и транспорта. В качестве базовых научных методов расчета таких технических решений могут быть применены положения механики нити [16–18].

Заключение

В результате проведенного анализа исторической ретроспективы развития узлов и деталей для различных технических решений с гибкими звеньями (кабелями, тросами) была разработана и предложена концепция развития конструкции деталей и узлов кабельных роботов, роботизированных и «умных» кранов. Предложенная концепция базируется на том, что зародившиеся в глубокой древности решения (лук, охотничий самолов, сверлильный снаряд, лучковый токарный станок) с постепенным развитием уровня техники и инженерной мысли привели к созданию автоматов, поликанатных систем подъема и обслуживания, канатных дорог и кабельных кранов. Дальнейшее развитие материаловедение, создания стальных тросов приводит к широкому распространению данных технических решений и как следствие к появление в конце 80-х годов XX века кабельных роботов, роботизированных и «умных» кранов.

Литература:

1. Борисов В. А. От ручного до антропоморфного прядения / История науки и техники. — 2010. — № 6. — С. 66–73.
2. Зворыкин А. А. История техники. Издательство социально-экономической литературы: Москва — 1962. — 772 с.
3. От шкур животных до высоких технологий. История канатных дорог / В журнале СБК (Спорт-Бизнес-Консалтинг), Раздел новости/горнолыжный спорт/технологии — 2019.
4. Привилегия (Патент) иностранцу Прайзу Протеро, на усовершенствованный способ подъема затонувших судов / Записки Императорского Русского Технического Общества и Свод привилегий, выдаваемых по Департаменту торговли и мануфактур, 1878 год, Выпуск № 1–4, Санкт-Петербург, Типография экспедиции заготовления государственных бумаг.
5. Борисов В. А. Глава 10. Разработка и исследование механизмов параллельной структуры с гибкими звеньями / В монографии «Механизмы перспективных робототехнических систем». М.: Техносфера, 2020. С. 265–295.
6. Wei Lv, Limin Tao, and Zhengnan Ji. Sliding Mode Control of Cable-Driven Redundancy Parallel Robot with 6 DOF Based on Cable-Length Sensor Feedback. Mathematical Problems in Engineering Volume 2017, Article ID 1928673, 21 p.
7. Патент РФ ПМ «Кран-манипулятор с автоматизированной системой управления для перемещения контейнеров с радиоактивными отходами» 111532 U1 МПК B66C 17/00, автор Красников Ю. В., опубл. 20.12.2011 Бюл. № 35.
8. Патент РФ ПМ «Кран-манипулятор электрогидравлический подвесной» 170716 U1 МПК B66C 17/00, автор Красников Ю. В., Стародубцев А. В., Степанов А. М., опубл. 04.05.2017 Бюл. № 13.
9. Борисов В. А. Обзор применения механизмов параллельной структуры с тросовыми приводами в ТЭК / Модернизация и инновационное развитие топливно-энергетического комплекса: Материалы международной научно-практической конференции. — Санкт-Петербург: НИЦ МС, 2021. — № 4. — С. 9–11.
10. Борисов В. А., Глазунов В. А. Кинематический анализ пространственного механизма с четырьмя степенями свободы / Справочник. Инженерный журнал с приложением. — 2017. — № 7(244). — С. 8–11.
11. Глазунов В. А., Борисов В. А. Разработка механизмов параллельной структуры с четырьмя степенями свободы и четырьмя кинематическими цепями / Проблемы машиностроения и надежности машин. — 2017. — № 5. — С. 3–12.
12. Патент на полезную модель 173465 Российская Федерация, МПК B25J 1/00. Пространственный механизм с четырьмя степенями свободы / Глазунов В. А., Борисов В. А.; Заявитель и патентообладатель ФГБУ науки ИМАШ имени А. А. Благонравова РАН. — № 2016139027; заявл. 04.10.16; опубл. 29.08.17, бюл. № 25.
13. Патент на полезную модель 196059 Российская Федерация, МПК B25J 1/00. Пространственный механизм с четырьмя степенями свободы / Глазунов В. А., Борисов В. А.; Заявитель и патентообладатель ФГБУ науки ИМАШ имени А. А. Благонравова РАН. — № 2019136996; заявл. 19.11.19; опубл. 14.02.20, бюл. № 5.
14. Борисов В. А. Проектирование параметров гибкого звена из арамида / Естественные и технические науки. — 2020. — № 7(145). — С. 107–110.
15. Борисов В. А. Исследование прочностных характеристик механизма параллельной структуры реализующего движение Шёнфлиса / Станкоинструмент. — 2021. — № 1(22). — С. 80–83.
16. Борисов В. А. Андрей Петрович Минаков (1893–1954 гг.) и его роль в развитии текстильной науки / История науки и техники. — 2010. — № 7. — С. 26–32.
17. Борисов В. А. Механика нити до 1941 года. Краткий исторический очерк / История науки и техники. — 2011. — № 3. — С. 2–10.
18. Борисов В. А. От ручного до компактного прядения / История науки и техники. — 2008. — № 2. — С. 44–50.