Экзоскелетоны
Была проведена работа по созданию машин, которые предназначались для ношения человеком и использовались для усиления его физических возможностей. Такие машины известны под названием экзоскелетон. В процессе разработки этих устройств прежде всего изучались возможные основные движения тела человека. Оказалось, что человек может выполнять одновременно приблизительно 20 или 30 различных управляемых действий.
Научные исследования, начавшиеся в середине 50-х годов в Корнельских лабораториях по аэронавтике, показали, что адаптивный экзоскелетон должен иметь около 35 штифтовых сочленений, и, как минимум, одно скользящее, чтобы не создавать неудобств человеку, носящему его.
Тогда же было проведено исследование усилий в приводах, размеров и типов привода, необходимого для такого устройства. Было обнаружено, что для нагрузки около 4500 Н, приложенной к руке в любом направлении, необходимо поперечное сечение конструкции 2,5 X 5 см между позвоночником и локтем и 2,5 X х 2,5 см между локтем и кистью.
Для того чтобы избежать необходимости в использовании электропривода с редукцией или преобразования линейного движения во вращательное с большим угловым перемещением, были выбраны специальные поворотные гидравлические силовые цилиндры. Они должны быть диаметром 10 см и длиной 10 см, чтобы выдерживать нагрузку при перепаде давления в гидроцилиндрах около 200 кПа. Был признан желательным еще больший перепад давления для уменьшения массы и размера оборудования. Усилия отражались к оператору только в том случае, когда они превышали некоторую величину.
Датчики равновесия
Тело стоящего или идущего человека нельзя рассматривать как устойчивую конструкцию. Поэтому возникает необходимость в очень чувствительном обнаружении поворотных движений в любом направлений, Для того чтобы можно было осуществить корректирующее действие.
У человека восприятие этих поворотных движений обеспечивается полукружными каналами внутреннего уха. Сигналы от полукружных каналов могут использоваться также для воздействия на мышцы глаза, с тем чтобы компенсировать необходимые движения головы и тела. Благодаря этому на сетчатке может сохраняться устойчивое изображение.
Полукружные каналы человека состоят из гладкоствольной трубки диаметром приблизительно 0,28 мм, образующей замкнутый контур, который заканчивается камерой, называемой «ампула». Внутри ампулы находится водонепроницаемая мембрана, известная под названием «купула». Отклонения купулы, создаваемые давлением жидкости в трубке малого диаметра, вызывают передачу нейронных сигналов от волосковой клетки.
Вязкостное сопротивление потоку жидкости (или эндолимфы) линейно зависит от скорости потока, так как канал трубки гладкоствольный. Упругость купулы влияет на движение жидкости за счет воздействия на вязкостное трение и инерцию потока жидкости. В каждом внутреннем ухе имеются три взаимно перпендикулярных полукружных канала. Хотя все три соединены общей камерой, называемой «утрикула», взаимодействие их, по-видимому, не играет важной роли в функционировании этой системы полукружных каналов.
Было бы очень желательным наличие какого-либо датчика угловой скорости или углового ускорения, помещенного в «голове» робота, при условии, что такой датчик мог бы работать внутри обучающейся системы, с тем чтобы исключить необходимость создания системы управления для корректировки действий.
Для перемещения робота, установленного на колесах, понадобятся только два датчика, расположенных под прямым углом, но роботу, имеющему какое-то подобие ног (например, роботу, преодолевающему препятствия, или роботу, который может подниматься вверх по ступенькам), потребуются, по крайней мере, три датчика, осуществляющих функцию датчиков равновесия человека. Подходящие датчики были созданы в результате работы над инерциальными навигационными системами, хотя для роботов, предназначенных для обычных условий Земли, требуются датчики, меньшие по размеру и гораздо менее точные.
Другие устройства
В последнее время работа над такими устройствами, как управляемое оружие, вызвала некоторый интерес к приборам, которые применимы и в роботе для обнаружения изменений положения или нарушения равновесия. Например, подобные датчики требуются для гироориентиров, радиоантенных устройств и устройств, стабилизирующих фото- и кинокамеры. Типичный прибор маятникового типа, используемый для этих целей, обеспечивает максимальный выходной сигнал 25 В и может обнаруживать отклонения по каждой оси вплоть до угла в 1°. Требуемое возбуждение создается напряжением 50 В, частотой 400 Гц. Резистивная среда, используемая в таких датчиках, электролитическая [12]. Хотя эта среда обеспечивает большой выходной сигнал и высокую чувствительность, возникает значительное изменение выходного сигнала при изменении температуры. Кроме того, поскольку вязкость электролита также зависит от температуры, демпфирование маятникового элемента очень чувствительно к температуре; при больших колебаниях температуры вполне возможны изменения в отношении 10:1.
Этих трудностей можно избежать, если использовать датчик электромагнитного типа, так как его температурная чувствительность мала, и выбрать жидкость с учетом только механического демпфирования. Однако полученные выходные напряжения здесь намного меньше, чем в датчике электролитического типа.
В других электролитических приборах, чтобы получить значение отклонения от вертикали для гиросистем, обычно использовался эффект движения пузырька газа в электролите.
Пишущий эти строки сталкивался с электромагнитными датчиками для управления станками по двум осям. Они дают хорошую повторяемость, но довольно громоздки для роботов.
Сложные методы, которые использовались в авиации и управляемых ракетах для определения положения и инерциальной навигации, по-видимому, идеально подходят для использования в роботах. Однако такой подход, возможно, привнесет излишнюю точность и чрезмерную стоимость. Дополнительные недостатки этих методов заключаются в большом времени, необходимом для запуска, и относительно больших энергетических затратах.
Можно использовать маятник, имеющий очень большой период колебаний и, как еще один вариант, маховик со слегка эксцентрически смещенным центром тяжести. Однако, если ошибки, вызванные горизонтальными ускорениями, должны быть минимизированы, то могут потребоваться периоды, превышающие 30 с, и, кроме того, подшипники должны быть ударостойкими и обладать очень малым трением.
|
|
Читайте в рубрике «Робототехника»: |
Военная техника | Телекоммуникации | Электроника | Энергетика | Физика | Химия | Биология | Математика | Психология | Физиология | Экономика | Металлургия | Строительство | Сельское хозяйство | Медицина | Культура и искусство | Виды двигателей | Машины и механизмы | Воздушный транспорт | Водный транспорт | Автотранспорт | Ж/д транспорт | Физики | Химики | Математики | Биологи | Европейские изобретатели | Американские изобретатели | Российские изобретатели | Советские изобретатели | Методология науки | Развитие креативности | Как стать изобретателем | Изобретения будущего