Эргономическое обеспечение антропоморфных робототехнических систем космического назначения
Монография
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Космический транспорт
Издательство:
Дашков и К
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 258
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-394-04573-8
Артикул: 803035.02.99
Доступ онлайн
300 ₽
В корзину
Монография посвящена вопросам эргономического обеспечения антропоморфных робототехнических систем космического назначения — раскрытию структурно-функционального содержания и эргономических требовании к характеристикам эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности». Для специалистов, участвующих в решении задач эргономического обеспечения космической техники.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Специалитет
- 24.05.01: Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов
- 24.05.04: Навигационно-баллистическое обеспечение применения космической техники
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
В.Г. Сорокин, Л.М. Королев ЭРГОНОМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АНТРОПОМОРФНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Монография Москва Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°» 2022
УДК 629.78:331.101.1
ББК 39.62:30.17
С65
Авторы:
В.Г. Сорокин — кандидат военных наук, доцент;
Л.М. Королев — доктор психологических наук, профессор.
Рецензенты:
В.Ф. Жмеренецкий — доктор технических наук, старший научный сотрудник, заслуженный военный специалист Российской Федерации;
А.А. Викторов — доктор технических наук, кандидат физикоматематических наук;
Д.В. Лукашенко — доктор психологических наук, доцент;
И.Н. Куликов — кандидат военных наук, доцент.
Сорокин, Владимир Геннадиевич.
С65 Эргономическое обеспечение антропоморфных робото-
технических систем космического назначения : монография / В.Г. Сорокин, Л.М. Королев. — Москва : Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2022. — 258 с.
ISBN 978-5-394-04573-8.
Монография посвящена вопросам эргономического обеспечения антропоморфных робототехнических систем космического назначения — раскрытию структурно-функционального содержания и эргономических требований к характеристикам эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности».
Для специалистов, участвующих в решении задач эргономического обеспечения космической техники.
ISBN 978-5-394-04573-8
© Сорокин В.Г., Королев Л.М., 2022
© ООО «ИТК «Дашков и К°», 2022
ОГЛАВЛЕНИЕ ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ ................................9 ОПРЕДЕЛЕНИЯ........................................11 ВВЕДЕНИЕ...........................................15 ГЛАВА 1. АНТРОПОМОРФНЫЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ....................18 1.1. Существующие антропоморфные робототехнические системы космического назначения...................20 1.2. Телеуправляемая антропоморфная робототехническая система SAR-400 (401).............................22 1.3. Демонстрационный образец антропоморфной робототехнической системы космического назначения FEDOR.28 1.4. Антропоморфная робототехническая система космического назначения «Robonaut-2»..............33 ГЛАВА 2. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЭРГАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «КОСМОНАВТ — АНТРОПОМОРФНАЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ — ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ СРЕДА ДЕЯТЕЛЬНОСТИ»................38 2.1. Структура эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности».38 2.2. Концептуальные подходы создания эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности».....................................41 2.3. Структура профессиональной деятельности космонавтов в эргатической системе «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда»...........................44 2.4. Эргономические свойства, влияющие на эффективность функционирования эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности».49 3
2.4.1. Представление эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности» с позиций антропоцентрического подхода.............49
2.4.2. Факторы, определяющие внешние свойства эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности»...............52
2.4.2.1. Факторы технического объекта управления...53
2.4.2.2. Факторы человеко-машинного интерфейса.....56
2.4.2.3. Факторы окружающей среды..................61
2.4.3. Факторы, определяющие внутренние свойства эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического
назначения — профессиональная среда деятельности» 67
2.4.4. Факторы, определяющие результирующие свойства эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического
назначения — профессиональная среда деятельности» 69
ГЛАВА 3. ЭРГОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
К ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЭРГАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «КОСМОНАВТ — АНТРОПОМОРФНАЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ —
ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ СРЕДА ДЕЯТЕЛЬНОСТИ»....................74
3.1. Эргономические требования к характеристикам организации эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности»...................74
3.2. Эргономические требования к характеристикам организации деятельности космонавта в эргатической системе «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности»......81
3.3. Эргономические требования к характеристикам технических средств деятельности космонавта в эргатической системе «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности»..........................................95
4
3.4. Эргономические требования к характеристикам формирования и поддержания работоспособности космонавта в эргатической системе «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности»............................................100
3.5. Эргономические требования к характеристикам эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности», обусловленным факторами внешней среды....................103
3.5.1. Защита антропоморфной робототехнической
системы космического назначения от агрессивной внешней среды....................104
З.5.1.1. Защита от космического мусора................105
З.5.1.2. Защита от влияния космического вакуума и глубоких перепадов температуры......................105
3.5.I.3. Защита от влияния радиационного пояса Земли....107
З.5.1.4. Защита от влияния солнечной радиации.........107
З.5.1.5. Защита от влияния космического излучения, создаваемого космическими лучами.....................109
З.5.1.6. Защита от метеоритной опасности..............110
3.5.1.7. Защита от электризации.......................111
3.5.2. Построение рациональных сценариев деятельности...111
3.5.3. Построение и оборудование маршрутов передвижения антропоморфных робототехнических систем космического назначения..............................112
3.5.4. Удобство средств фиксации и съемных средств перемещения..........................................113
3.5.5. Оборудование стационарных или переносных специальных рабочих мест.............................114
3.5.5.1. Рабочее место для монтажных работ............115
3.5.5.2. Рабочее место для выполнения плановых операций.115
3.5.5.3. Рабочее место для обслуживания и сборки больших
космических конструкций...........................115
3.5.5.4. Рабочее место для обслуживания открытых космических доков....................................115
5
3.5.5.5. Переносное рабочее место для выполнения срочных и незапланированных работ............................116
3.5.5.6. Рабочее место для выполнения срочных и незапланированных работ, сопрягаемое с системой передвижения антропоморфного робота..................116
3.5.5.7. Выносное рабочее место для выполнения срочных и незапланированных работ, сопрягаемое
с бортовым манипулятором........................117
3.5.6. Порядок освещения рабочей области..............117
3.5.7. Разработка специальных средств перемещения антропоморфных робототехнических средств космического назначения..............................118
3.5.7.1. Специальные средства перемещения антропоморфных робототехнических систем космического назначения «пистолетного» типа...........119
3.5.7.2. Специальные средства перемещения антропоморфных робототехнических систем космического назначения ранцевого типа................120
3.5.7.3. Специальные средства перемещения в виде рабочих платформ..............................................121
3.5.8. Порядок переноса, применения и хранения бортового инструмента...........................................121
3.5.9. Перенос, применение и хранение оборудования и приборов для выполнения операций....................122
3.5.10. Использование средств контроля над функционированием антропоморфных робототехнических систем космического назначения .... 124
3.5.11. Использование информационных средств поддержки функционирования антропоморфных робототехнических систем космического назначения в нештатных ситуациях.................................125
3.5.12. Порядок оказания оперативной помощи в аварийных ситуациях с помощью штатных средств...................126
3.6. Эргономические требования к характеристикам эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности», обусловленным внутренними факторами........127
6
3.6.1. Основные виды совместимости и согласования элементов космической эргатической системы...........128
3.6.2. Космонавт как основной компонент эргатической системы.................................131
3.6.3. Особенности взаимодействия космонавта с АРТС КН.138
3.6.4. Профессиональная среда, обеспечивающая деятельность космического экипажа.....................139
3.6.5. Требования, определяющие профессиональную пригодность космонавта...............................142
3.6.6. Личностный и человеческий фактор в космической деятельности.........................................146
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВАЖНЕЙШИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭРГАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «КОСМОНАВТ — АНТРОПОМОРФНАЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ — ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ СРЕДА
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ».............................................150
4.1. Показатели загруженности космонавта................150
4.2. Нормативные значения показателей качества деятельности космонавта..............................................171
4.2.1. Алгоритм расчёта нормативных значений показателей качества деятельности космонавта....................171
4.2.2. Расчет показателей качества деятельности космонавта, характеризующих выполнение отдельных действий.......174
4.2.2.1. Расчёт показателей, определяющих временные характеристики выполнения отдельных действий........174
4.2.2.2. Расчёт показателей, определяющих точность (правильность) выполнения отдельных действий........177
4.2.2.3. Расчёт показателей, определяющих надёжность выполнения отдельных действий.......................179
4.2.3. Расчет показателей качества деятельности космонавта, характеризующих выполнение задач....................180
4.2.З.1. Расчёт показателей, определяющих временные характеристики выполнения задач.....................180
4.2.3.2. Расчёт показателей, определяющих точность (правильность) выполнения задач.....................182
7
4.2.3.3. Расчёт показателей, определяющих надёжность выполнения задач....................................185
4.2.4. Расчет показателей качества деятельности космонавта, характеризующих выполнение алгоритмов................187
4.2.4.1. Расчёт показателей, определяющих временные характеристики выполнения алгоритмов.................187
4.2.4.2. Расчёт показателей, определяющих точность (правильность) выполнения алгоритмов.................189
4.2.4.3. Расчёт показателей, определяющих надёжность выполнения алгоритмов................................189
4.2.5. Расчет показателей качества деятельности космонавта, характеризующих выполнение циклограммы...............190
4.2.5.1. Расчёт показателей, определяющих временные характеристики выполнения циклограммы................190
4.2.5.2. Расчёт показателей, определяющих правильность выполнения циклограммы...............................192
4.2.5.3. Расчёт показателей, определяющих надежность выполнения циклограммы...............................193
4.2.6. Анализ результатов расчетов нормативных значений показателей качества деятельности космонавтов........194
4.3. Нормативные значения показателей достаточности отображаемой информации.................................221
4.4. Нормативные значения показателей адекватности реальной и отображаемой информации......................228
4.5. Способы повышения работоспособности космонавтов и управления функциональным состоянием..................236
4.5.1. Расчет уровней работоспособности космонавтов
и функционального состояния....................236
4.5.2. Способы повышения работоспособности космонавтов и управления функциональным состоянием..............246
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................250
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................252
8
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ АР - антропоморфный робот АР КН - антропоморфный робот космического назначения АРМ - автоматизированное рабочее место АРТС - антропоморфная робототехническая система АС - аварийная ситуация АРТС КН - АРТС космического назначения БСПН - бортовой сервер полезной нагрузки БТЛС - бортовой терминал лазерной связи ВК - вычислительный комплекс ВКД - внекорабельная деятельность ВнуКД - внутрикорабельная деятельность ГОСТ - государственный стандарт ДОИ - достоверность отображения информации ДПП - дополнительные противометеороидные панели ИМ - информационная модель ИОД - информационное обеспечение деятельности ИС - информационные средства ИИ - интерактивный интерфейс КА - космический аппарат КО - космический объект КСА - комплекс средств автоматизации; МКС - Международная космическая станция НА - научная аппаратура НКУ - наземный комплекс управления НПИ - научно-прикладные исследования НшС - нештатные ситуации Оп - операция ОК - орбитальный комплекс ОУ - орган управления ПКК - пилотируемый космический комплекс 9
ПКА - пилотируемый космический аппарат
ПКУ - пульт контроля и управления
ПН - полезная нагрузка
ППТС - перспективная пилотируемая транспортная система
ПС - пропускная способность
ПУ - пульт управления
РЗ - рабочая зона
РМ - рабочее место
РО - рабочая область
РС МКС - российский сегмент международной космической
станции
РТК - робототехнический комплекс
РТО - режим труда и отдыха
РТС КН - робототехническая система космического назначения
СОИ - средство отображения информации
СПИ - средства предъявления информации
ССЭТО - система стандартов эргономических требований и
эргономического обеспечения
СТЗ - система технического зрения
СЧМС - система «человек --- машина --- среда»
ОС - орбитальная станция
ТМИ - телеметрическая информация
ТОУ - технический объект управления
ТСД - техническое средство деятельности
ТСПК - технические средства подготовки космонавтов
ТС ПФСиР - технические средства поддержки функционального
состояния и работоспособности
ЦКГ - циклограмма
ЦПК - Центр подготовки космонавтов
ЧМИ - человеко-машинный интерфейс
ЭО - элемент операции
ЭС - эргатическая система
10
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Антропоморфная робототехническая система — комплексная система, включающая автоматического человекоподобного робота с антропоморфными действиями и инфраструктуру управления им с человеко-машинным интерфейсом.
Базовый блок — устройство, предназначенное для управления антропоморфным роботом на основе функционирования взаимодействующих модулей.
Безошибочность — свойство ЭС «космонавт — АРТС — профессиональная среда деятельности» не иметь скрытых случайных ошибок.
Задающее устройство копирующего типа — механическая конструкция (экзоскелет), надеваемая на оператора, предназначенная для управления (задания угловых положений) электромеханическими шарнирами АРТС естественными движениями рук оператора.
Интеллектуальная система — техническая или программная система, способная решать задачи, традиционно считающиеся творческими, принадлежащие конкретной предметной области, знания о которой хранятся в памяти такой системы.
Интерактивный интерфейс — комплекс задающих органов управления и аппаратно-программных средств обработки и отображения информации, позволяющий оператору взаимодействовать с АРТС и, в удобной для восприятия форме, оперативно получать информацию о состоянии рабочего пространства, самого АРТС и результатах управляющих воздействий.
Искусственный интеллект — свойство интеллектуальных систем выполнять творческие функции, которые традиционно считаются прерогативой человека.
Качество деятельности космонавта — совокупность существенных свойств деятельности, характеризующих соответствие результатов деятельности космонавта поставленным целям и установленным нормативным требованиям в определенных условиях.
11
Критерий — отличительный признак, на основе которого производится оценка, деление, классификация, сравнение чего-либо.
Надежность деятельности космонавта — уровень безотказности, безошибочности и своевременности выполнения операций.
Надежность оператора СЧМ — свойство оператора СЧМ сохранять работоспособное состояние в течение требуемого интервала времени.
Надежность функционирования ЭС «космонавт — АРТС — профессиональная среда деятельности» — свойство системы сохранять устойчивость процесса функционирования в условиях космического полета или напланетной деятельности, заключающуюся в отсутствии вынужденных прекращений работ по циклограмме или неправильных действий (ошибок) оператора.
Операция — последовательная совокупность действий, выполняемая АРТС КН для достижения какой-либо цели внутрикора-бельной, внекорабельной или напланетной деятельности. Совокупность операций образуют циклограмму функционирования АРТС КН.
Параметр — величина, характеризующая какое-либо свойство явления, процесса или системы.
Показатель — 1) разность между величинами, значениями (отношениями), дающая возможность составить (сравнить) представление о чем-либо; 2) количественно выраженная мера, характеризующая отдельное качество или свойство объекта (системы), события или процесса.
Полетная операция — элемент структуры общей программы полета, определяющей функционирование космического аппарата в процессе выполнения конкретной задачи полета.
Правильность — степень близости среднего значения, полученного на основании большой серии результатов измерений (или результатов испытаний), к принятому опорному значению.
Профессиональная деятельность космонавта — космическая деятельность, заключающаяся в подготовке космонавта, вы
12
полнении им пилотируемого космического полета и иных работ по обеспечению программ пилотируемых космических полетов.
Профессиональная подготовленность космонавта — свойство космонавта, определяемое совокупностью его знаний, умений, навыков, и качеств (компетенций), а также состоянием психических и психофизиологических функций, которые обуславливают его способность осуществлять космическую деятельность с требуемым качеством.
Работоспособность космонавта — функциональное состояние космонавта, при котором он способен на профессиональную деятельность, сохраняя значения физиологических, психофизиологических и психологических параметров организма в заданном диапазоне параметров в течение требуемого интервала времени.
Рабочее место оператора СЧМ — часть пространства в системе «человек — машина», оснащенная средствами отображения информации, органами управления и вспомогательным оборудованием и предназначенная для осуществления деятельности оператора СЧМ.
Рабочая область — пространство, предназначенное одному или нескольким операторам в рабочей системе для выполнения рабочего задания.
Рабочее пространство — область пространства, окружающего АРТС, в котором осуществляется применение АРТС по назначению, а также осуществляется получение информации о ее состоянии и параметрах.
Рабочие условия — физические, химические, биологические, организационные, социальные и культурные факторы, которые окружают оператора в его рабочей области.
Своевременность — выполнение деятельности не позже определенного времени.
Способ — упорядоченная комбинация приемов и порядок действий при выполнении (решении) конкретной задачи.
Точность — степень близости результата измерений к принятому опорному значению.
13
Функциональность ЭС «космонавт — АРТС — профессиональная среда деятельности» — набор функций (возможностей), которыми обладает эргатическая система в соответствии со своим предназначением.
Экзоскелет — разновидность манипуляционных устройств, размещаемых снаружи непосредственно на человеке и предназначенных для увеличения его физических возможностей.
Элемент операции (полетной операции) — минимальная часть операции (полетной операции), являющаяся единым целым, не подлежащим дальнейшему членению в отношении признака «операция» («полетная операция»).
Эргономические свойства — свойства изделий (машин, предметов или их совокупностей), которые проявляются в СЧМС в результате реализации эргономических требований.
Эргономические требования — требования, определяемые свойствами человека, изделия и среды на рабочем месте и предъявляемые к изделию и его элементам — с целью формирования в нем необходимых эргономических свойств.
Эргономическое обеспечение СЧМ — установление эргономических требований и формирование эргономических свойств системы «человек — машина» на стадиях ее разработки и использования.
14
ВВЕДЕНИЕ
Одной из особенностей середины прошлого столетия является создание и развитие вычислительной техники и теории искусственного интеллекта, что привело к тому, что робототехника превратилась в реальность. За прошедшее с этого момента время роботы доказали свою необходимость и полезность. Роботы широко используются на промышленных предприятиях, где они высокоэффективно и с большой точностью выполняют повторяющиеся операции. Роботы также используются в опасных условиях, например, при глубоководных исследованиях, на атомных электростанциях, при разминировании и т.д. Роботы нашли свое применение даже в космосе, где с их помощью перемещаются грузы, а также выполняется целый ряд других задач.
Нормативные акты, принятые руководством страны, а именно — «Основы политики Российской Федерации в области космической деятельности на период до 2020 года и дальнейшую перспективу», «Концепция развития робототехнических систем для решения задач в области обеспечения космической деятельности и исследования объектов солнечной системы на период до 2040 года», «Система взглядов на осуществление Россией независимой космической деятельности со своей территории во всем спектре решаемых задач на перспективу до 2040 года», определяют среднесрочную и долгосрочную перспективы развития отечественной космонавтики. Эти документы обязывают отечественную космическую отрасль перейти к осуществлению новых амбициозных проектов в космической сфере, в том числе — и к широкомасштабному развитию робототехники космического назначения.
Среди различных направлений робототехники особое место принадлежит разработке антропоморфных роботов космического назначения, способных взаимодействовать с космонавтами в качестве помощника экипажа в длительных межпланетных полетах.
Космические роботы входят в состав робототехнических систем, которые, в свою очередь, являются компонентом системы
15
«человек — машина — среда» (СЧМС), требующей эргономического обеспечения. Под эргономическим обеспечением СЧМС понимается установление эргономических требований и формирование эргономических свойств этой системы на стадиях ее разработки и использования.
СЧМС — система, включающая человека-оператора (в данном случае — космонавта), машину, посредством которой он осуществляет трудовую деятельность (в данном случае — антропоморфная робототехническая система космического назначения (АРТС КН) и среду на рабочем месте (в данном случае — профессиональная среда деятельности).
Целью разработки монографии является формирование необходимого перечня эргономических свойств и требований применительно к АРТС КН в составе СЧМС.
В монографии впервые определены и сформированы структурно-функциональное содержание и эргономические требования к характеристикам эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности».
Вместе с тем, впервые детально исследованы и рассчитаны важнейшие характеристики эргатической системы «космонавт — антропоморфная робототехническая система космического назначения — профессиональная среда деятельности»:
- показатели загруженности космонавтов;
- нормативные значения показателей качества деятельности космонавта;
- нормативные значения показателей достаточности отражаемой информации;
- нормативные значения показателей адекватности реальной и отражаемой информации;
- способы повышения работоспособности космонавтов и управления их функциональным состоянием.
Предполагается, что результаты данных исследований внесут значительный вклад в развитие российских антропоморфных робототехнических систем космического назначения.
16
Доступ онлайн
300 ₽
В корзину