книги / Промышленные роботы. Ч. 3

вектор, задающий ориентацию плоскости фазового цикла в пространстве; dx , d y – координаты стопы; rCi – радиус движения стопы от начала координат.

Таким образом, стопа, будучи в фазе переноса, движется по части эллипса в плоскости, ориентация которой в пространстве определена векторами en и i . Прямолинейный отрезок между точками A и B соответствует фазе опоры.

Рис. 86. Шаговый цикл

Для соединительных элементов робота предлагается использовать материалы, также заимствованные у природы.

В глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. Природное оптоволокно лучше искусственного.

Губка в длину достигает 15–20 см. Ее внутренний каркас сетчатой формы образуют цилиндрические стержни из прозрачного диоксида кремния.

Природные волокна более устойчивы к механическим воздействиям, чем искусственные, особенно при разрыве и изгибе. Их можно завязывать в узел, и при этом они не теряют своих оптических свойств. Такие действия с искусственными оптоволокнами неизбежно приведут к поломке или, по крайней мере, образованию внутренних трещин, что в конечном итоге также означает потерю функциональных свойств материала.

Материал из скелета губок может очень хорошо пропускать цифровой сигнал, не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее искусственного благодаря наличию органической оболочки.

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные техниче-

111

ские средства и компьютерное моделирование помогают хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.

6.4. Экзоскелетоны

Экзоскелетон (рис. 87) – это устройство, которое надевается на человека и предназначено для расширения его возможностей, в частности для увеличения усилий, которые может развивать человек. Это устройство можно применять при выполнении тяжелых работ, погрузочно-разгрузочных работ в местах, где нет возможности использовать колесные погрузчики, при ремонтных работах на крупных объектах, при аварийно-спасательных операциях. Кроме того, экзоскелетон может служить для реабилитации людей, получивших травмы конечностей и/или позвоночника. Экзоскелетон может применяться и в военных целях.

Рис. 87. Экзоскелетон

Вкачестве привода звеньев экзоскелетона применяется гидропривод, так как он по сравнению с электро- и пневмоприводами имеет ряд преимуществ. Главными из них являются высокое быстродействие и высокая удельная мощность, что позволяет сделать привод более компактным.

Вкачестве источника энергии служит двигатель внутреннего сгорания.

Разрабатываются экзоскелетоны различных видов, усиливающие руки и ноги человека. Рассмотрим подробнее некоторые из них.

112

6.4.1. Экзоскелетон BLEEX

Экзоскелетон, разработанный в Калифорнийском университете, называет-

ся ВLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton – берклийский внешний ске-

лет для нижних конечностей). ВLEEX имеет гидропривод для постоянных скоростей движения в режиме ходьбы и пневмопривод для передвижения бегом. Силовое пневмогидрооборудование приводится в действие насосомкомпрессором высокого давления, питаемым от электроаккумуляторов, расположенных в нижней части каркаса рюкзака. Уже в настоящее время экзоскелетон ВLEEX (рис. 88) имеет энергохарактеристики, позволяющие передвигаться с грузом 28 кг так же легко, как без груза, на расстояние до 30 км. Около 50 датчиков положения не позволяют потерять равновесие.

Сообщается, что ведутся работы по созданию экзоскелетона плечевого пояса и верхних конечностей, однако в этой разработке еще достаточно много проблем. Планируется объединить экзоскелетоны для верхних и нижних конечностей в единый экзоскелетон.

Рис. 88. Гражданский и военный (защищенный броней) варианты экзоскелетона ВLEEX

Основная цель этого проекта – создание безбатарейного экзоскелета (exoskeleton), увеличивающего силу и выносливость людей. К такому экзоскелету предъявляются следующие требования: эргономичность, маневренность, механическая прочность, легковесность и долговечность.

Первый экспериментальный экзоскелет состоит из двух силовых антропоморфных ног, блока питания и рамы, похожей на рюкзачную, к которой может быть прикреплен разнообразный груз. Прибор жестко присоединен к пилоту (человеку, на которого он надет) на ногах и для предотвращения трения более эластично в остальных местах. Экзоскелет позволяет человеку комфортно са-

113

диться на корточки, пригибаться, наклоняться в разные стороны, поворачиваться, ходить и бегать, поднимаясь и спускаясь со склонов, перешагивать препятствия и проползать под ними, неся снаряжение и оборудование.

Достоинства экзоскелета складываются из двух составляющих: преимуществ человеческого разума, который является управляющей системой экзоскелета, и преимуществ конструкции, исполнительные механизмы которой обеспечивают силу, необходимую для выполнения задачи. Для управления системой не нужны ни джойстик, ни кнопки, ни клавиатура; пилот во время ходьбы становится частью системы. Алгоритму управления не нужны ни вычисления, сделанные человеком, ни человекомашинный интерфейс (например, датчики между ними). Контроллер, основываясь исключительно на вычислениях экзоскелета, оценивает (т.е. очень быстро вычисляет), как именно ему следует двигаться, чтобы человек ощущал как можно меньший вес.

Код управления постоянно хранится в LAN (локальной сети). Платформа электроники использует высокоскоростную синхронную сеть с кольцевой топологией, где несколько электронных модулей могут храниться в кольце. Каждый модуль взаимодействует с несколькими датчиками и исполнительными механизмами. Данные, собранные каждым модулем, кодируются и передаются в цифровом виде компьютеру через кольцо. Это в некоторой степени похоже на то, как взаимодействуют несколько компьютеров локальной сети. Электроника экспериментального экзоскелета состоит из трех колец, два из которых (соединенные с ногами) включают пять модулей. Третье кольцо может быть выведено на графический пользовательский интерфейс для устранения неполадок и сбора данных или использовано для другой электроники или коммуникационного оборудования, которое не связано с экзоскелетом, но необходимо пилоту.

Конструкция экзоскелета отличается от обычных конструкций автоматизированных робототехнических систем по двум причинам:

1)прибор взаимодействует с человеком-оператором на физическом уровне;

2)прибор требует запаса прочности при работе в экстремальных условиях

исредах.

При выработке требований к экзоскелетону были использованы данные, полученные в ходе клинического анализа человеческой походки. Эти данные были применены для обеспечения кинематической гибкости, достаточной для того, чтобы воспроизвести естественное динамическое движение. Кроме того, результаты этого анализа учитывались при создании архитектуры системы, подсистем исполнения и распределения энергии.

114

Исследователи также определили требования «худшего случая», включая особенности груза, скорость и параметры рельефа. В лаборатории Беркли были созданы два экзоскелета различных размеров.

В идеале целью разработчиков экзоскелета было создание энергетически автономной системы, которую можно было бы перезаправлять в боевых условиях, т.е. таких систем энергоснабжения и исполнения, которые можно было бы применять в длительных операциях. Экзоскелет снабжен новейшим гибридным источником питания, который использует гидравлическую энергию для задач перемещения и электрическую энергию для вычислительных задач.

Работа над экзоскелетом продолжается. В настоящее время решаются задачи миниатюризации компонентов, разрабатываются меньший по размерам и более мощный источник питания и более быстрый и разумный контроллер.

6.4.2.Машины, шагающие с помощью человека

(Human Assisted Walking Machines)

Целью этого проекта было создание механизма, который бы перетаскивал тяжелые грузы в изолированных пространствах на протяжении длительных периодов времени.

Были выработаны технические нормы на проектирование, ограничивающие, в частности, количество исполнительных механизмов и датчиков, что должно увеличить прочность робота. Кроме того, система должна быть независимой, т.е. она должна включать в себя систему энергоснабжения и контроллер. Предполагалось также уменьшить сложность автономного шагающего робота, вовлекая в его работу оператора.

Результатом этого исследования стала двуногая шагающая конструкция (рис. 89), которая успешно передвигается по различным поверхностям, включая крутые склоны и лестницы. Для обеспечения плавного управления скоростью и регулирования была использована механотронная система управления.

115

6.4.3. Электрические усилители человеческих возможностей

(Electric Human Powered Extenders)

Эти приборы были разработаны для рабочих супермаркетов, у которых изза постоянных подъемов тяжестей часто повреждается поясница.

Этот электрический прибор (рис. 90) состоит из двух рук и двух ног и был собран для перемещения ящиков. Надевая прибор, носильщик, перенося громоздкие, жесткие и неудобные предметы, ощущает лишь небольшую сосредоточенную нагрузку.

Этот экстендер также может быть запрограммирован на следование по определенной траектории, независимо от точного направления, заданного самим пилотом. Например, пилоту необходимо перенести цилиндр к некоторой конечной точке. В этой ситуации экстендер может доставить цилиндр, двигая его по предварительно заданной траектории со скоростью, которая пропорциональна величине (но не точному

направлению) силы рабочего на экстендере. Другими словами, в ситуации, когда пилот практически не обращает внимания на траекторию или на конечную точку назначения, экстендер все же доставит цилиндр к этой точке.

В каждой руке (рис. 91) есть шесть последовательно расположенных сочленений. Часть прибора, которая находится в контакте с руками человека, сделана из формованной резины и содержит пьезоэлектрические датчики усилия; она же служит интерфейсом оператора и системы.

Запястные сочленения не являются силовыми и организованы в сферическую конфигурацию, в центре их осей находятся контактные части.

Таким образом, размещение груза осуществляется приведением в действие первых трех силовых сочленений, а ориентация конечного эффектора производится посредст-

вом движений запястья, осуществляемых оператором. Запястье было сконструировано с вырожденной конфигурацией, учитывающей все возможные ориентации запястья в целевой зоне сервиса.

116

Каждая нога (рис. 92) имеет четыре последовательные степени свободы и в данном случае три дополнительные «ложные» степени свободы, которые используются в интерфейсе человека и системы.

Так же, как и в руке, три первые сочленения – силовые. Во избежание необходимости длинной «ступни», обеспечивающей крутящий момент на «лодыжке» системы, ниже колена силовых приводов нет; последняя степень свободы ноги – роликовый контакт, находящийся между лодыжкой и землей. На лодыжке вращающиеся и линейные подшипники обеспечивают степень свободы, чтобы изолировать ножную педаль, прикрепленную к ступне оператора посредством велосипед-

ной клеммы. Эта клемма, кроме того, предоставляет возможность вращательного движения ступни из стороны в сторону. Трехосный датчик усилия помещен между ножной педалью и лодыжкой.

Передаточные рычаги, использованные в руках и ногах, были сконструированы из углеродных композиционных материалов, формованных вокруг структурного пенопласта. Алюминиевые вставки, связывающие композиционные передаточные рычаги, использованы для соединения конца каждого рычага с соответствующим исполнительным механизмом. Передаточные рычаги изогнуты так, чтобы не создавать помех оператору и остальной системе.

6.4.4. Гидравлические усилители человеческих возможностей

(Hydraulic Human Powered Extenders)

Экспериментальный гидравлический экстендер с шестью степенями свободы был собран в U.C. Berkeley для разгрузки и загрузки самолетов (рис. 93). Полезная нагрузка этого экстендера 500 фунт-сил, а захват его зажимного устройства раскрывается до 30 дюймов.

Два набора пьезоэлектрических датчиков усилий (один между человеком и машиной, второй между машиной и грузом) измеряют силы для последова-

117

тельного увеличения сил и отражения возникающих сил в системе. Три микрокомпьютера, связанных посредством параллельных плат ввода/вывода, управляют шестью осями экстендера.

Рис. 93. Гидравлический усилитель

Этот экстендер похож на системы виртуальной реальности, которые могут моделировать силы, действующие на руки и корпус рабочего. Эти силы обычно являются гораздо меньшими, нежели силы, необходимые для передвижения груза. В простейшем случае, когда рабочий использует прибор для передвижения груза, экстендер передает его рукам в виде естественной обратной связи лишь часть текущего веса груза.

Например, на каждые 100 фунтов груза человек несет нагрузку 5 фунтов, в то время как экстендер – 36 фунтов; человек чувствует вес груза, но гораздо меньший, нежели он ощущал бы без экстендера.

6.4.5. Тактильное устройство сопряжения с датчиками

(Instrumented Haptic Interface Devices)

Тактильные устройства сопряжения (рис. 94) – механизмы, которые управляются контактным усилием человеческой руки. Эти приборы – необходимые элементы механизмов виртуальной реальности. Они могут быть запрограммированы так, чтобы давать человеческой руке ощущение сил, связанных с разнообразными случайными движениями.

118