Здесь приводится перевод интересной статьи об особенностях построения экзоскелетов. Статья от 1992г., однако в ней есть факты , которые я более нигде не встречал.Дается описание проблем связанных с биомеханикой экзоскелетов.

Хомаюн Казеруни (Homayoon Kazerooni) собирается поднять одной рукой вес до 500 фунтов (226 кг). Стройный 36-летний профессор-преподаватель инженерной механики не занимается бодибилдингом, однако, когда он надевает свой биомеханический удлинитель руки, он становится стальным человеком.

Увеличенная многозвенная роботизированная рука, биомеханический удлинитель руки (далее: удлинитель руки), это самая сильная из полудюжины машин, построенных Казеруни и лучшими студенческими кадрами Калифорнийского университета г.Беркли. Вся из черного листового железа, огромная и грозная, она подвешена на своей опоре, словно утерянный реквизит из известного фильма с Арнольдом Шварценеггером. Из-под каждого сустава выпирают двигатели, а толстые кабели, словно змеи, ползут к стоящему рядом гидравлическому двигателю размером со стол.

Стоя плечом к плечу с удлинителем руки, Казеруни продевает свою правую руку в перчатку внутри полого металлического корсета предплечья машины, которая на полтора фута (почти полметра) длиннее руки самого Казеруни. На конце корсета находится кисть машины: две металлические пластины площадью 6 кв.дюймов, которые открываются и закрываются, словно гигантские щипцы. Левой рукой Казеруни сжимает переносной защитный выключатель, и мотор с рычанием просыпается, заполняя лабораторию ровным гулом. Лоб Казеруни разглаживается и он с удовлетворением улыбается. Казеруни начинается крутить и сгибать правую руку, поворачивая плечо, локоть и запястье, словно тайский мастер. И хотя опирающийся на подставку удлинитель руки весит 250 фунтов (113 кг), он плавно и невесомо движется вместе с рукой Казеруни. Затем, когда Казеруни сжимает правую руку, удлинитель руки захватывает стальную болванку весом в четверть тонны и победно помахивает ею в воздухе.

Добро пожаловать в новейший эпизод непростой истории разработки биомеханических усилителей человеческих возможностей, машин, предназначенных для увеличения мускульной силы людей. Полутехника-полуодежда, биомеханические усилители являются идеальным, высокопрочным оборудованием. Но хотя такие машины долгое время считались атрибутами научной фантастики, потихоньку они стали набирать вес и в реальном мире. Инженеры упорно корпят над ними на протяжении более чем 30 лет, но эти устройства на самом деле технически очень сложны. Результатом труда ученых стал ряд неуклюжих хитроумных приспособлений и странных идей. Казеруни принял все это сомнительное наследие, но принес новый смысл в идею создания биомеханических усилителей.

Теоретически, биомеханические усилители вобрали в себя очень многое от инженерных выкладок, так как устранили некоторые из слабых сторон традиционных роботов. Биомеханические усилители основаны на интуитивных средствах управления интеллектных машин. Вам не нужно крутить джойстик или стучать по клавиатуре, чтобы управлять роботом – достаточно просто надеть такого робота на себя.

«Наиболее естественный способ общения это разговор», — говорит Казеруни. «Общаться с компьютером через клавиатуру — не слишком естественно. То же самое происходит и с манипулированием объектом. Манипулирование объектом вот такое…», – и Казеруни имитирует подъем и перемещение коробки. «И я не хочу выполнять это с джойстиком. Я хочу чувствовать это».

Биомеханические усилители обходят стороной другую проблему, с которой часто сталкиваются робототехники: разобраться и продублировать те действия, ту систему сигналов, с помощью которых человеческий мозг управляет руками и кистями. Как мы копируем человеческий разум в машину?» — Казеруни задумывается. «Нам еще многое предстоит пройти. Люди задействованы во всех сферах, и мы могли бы задействовать в этих же сферах свои машины».

На всем пути своего развития биомеханические усилители находились где-то между фантастикой и наукой. Например, в романе Роберта Хайнлайна «Звездный десант» (1959г.) отряд космических завоевателей носил моторизированную одежду, преумножающую силу своих хозяев. К началу 60-х гг. XX века Министерство обороны начало финансировать исследования по костюмам суперменов. Целью исследования было «слепить» рабочего, который вручную переносил бы грузы и лавировал бы в узких коридорах морских судов и субмарин. В 1964 году Корнельская лаборатория аэронавтики (Cornell Aeronautical Laboratory), компания в Буффало с военным финансированием, изучала возможность построения 480-фунтового роботизированного костюма или экзоскелета. Предлагалось приводить его в действие встроенным в заплечный ранец бензиновым двигателем. Компания пришла к выводу, что копирование всех движений человека непрактично и что для большинства военных задач будет достаточно экзоскелета с определенным ограниченным набором движений.

В 1965 году компания Дженерал Электрик (General Electric) при финансовой поддержке вооруженных сил США воплотила в жизнь идею экзоскелета по имени Hardiman, 30-звенного сложного изобретения весом 1500 фунтов, который выглядел так, словно сошел с кадров японского мультфильма. Hardiman имел две массивные несущие нагрузку ноги, две руки и тазовый пояс — всё прикрепленное к меньшему по размерам шарнирному остову. Предполагалось, что пользователь будет пристегивать себя внутрь остова, а сеть сложных гидравлических и электрических соединений будет оказывать моторизированную поддержку его движениям, приводя в действие окружающий оператора экзоскелет. В картине «Сидящие в засаде» (The Ambushers, 1967г.) Дженис Рул, подружка Дина Мартина, без проблем отбивалась от негодяев, будучи облаченной в дубликат Hardiman. Но на практике инженерам Дженерал Электрикс с трудом удалось получить только одну руку, работающую надлежащим образом. Просто Hardiman был слишком большим и громоздким, чтобы передвигаться легко и быстро.

Затем на протяжении более чем 10 лет все попытки создать экзоскелет затухали, не успев реализоваться, пока Джефри Мур (Jeffrey Moore), инженер Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory), не выдвинул в 1985г. новую идею. Мур предложил экзоскелет по имени Pitman, моторизированное обмундирование для пехотинцев. Но к его удивлению, Министерство обороны, обычно не боящееся финансировать необычные исследования, отвергло его предложение. (В то время экзоскелеты встречались скорее в научной фантастике: так, в фильме Джеймса Кэмерона «Чужие» изображен костюм для транспортировки грузов, который помог Сигурни Уиверу сразиться с королевой. Но зрителю было неизвестно, что за сделанным из пластика костюмом сидел тяжелоатлет, который перемещал искусственные конечности.)

Сейчас Мур понимает, что напичкал своего Pitman технологиями, которые казались в то время заоблачными даже Пентагону. Для управления экзоскелетом Мур предусмотрел в шлеме сеть сканирующих мозг датчиков. Устройства должны были измерять переключающиеся магнитные поля, вырабатываемые в тот момент, когда мозг диктует движения конечности.

«Жизнь это вопрос времени, а я ушел от своего времени далеко вперед», — сухо говорит Мур. Эти слова он произнес, когда Лаборатория военной эргономики Американской армии в Абердине, Мэриленд, начала исследовать другое моторизированное обмундирование для пехотинцев. На бумаге костюм – часть армейской атрибутики по имени Warrior’s Edge — выглядел, как Pitman, но без телепатических внешних атрибутов. Мур отмечает, что для обычно консервативной армии сегодняшнее движение в этом направлении это уже значительный прогресс. Вся история попыток создания биомеханического усилителя это разрозненные попытки создания роботов то тут, то там. До сих пор не нашлось никого, кто собрал бы всё это воедино и не применил бы получившиеся результаты к какой-то конкретной сфере.

Но и помимо военного применения исследования по биомеханическому усилителю идут полным ходом. Возьмем, к примеру прототип усилителя ног, который уже скачет по улицам г.Клермонт, Калифорния. В этом усилителе по имени SpringWalker есть крошечный агрегат, так называемый Applied Motion. Соучредитель Джон Дик (John Dick), который шесть лет назад придумал SpringWalker, является также и научным сотрудником в Лаборатории реактивных двигателей NASA. Дик надеется, что однажды он изобретет устройство, которое позволит человеку пробегать 30 миль в час и запрыгивать на стены высотой четыре фута (около 1,2 м). Солдаты смогут использовать SpringWalker для быстрого перемещения по вражеской территории, а мирные жители будут использовать его для пружинных прыжков при физических тренировках и для развлечения.

Возьмите пару длинных ходулей, соедините их подобно задним ногам газели, зацепите за них несколько шкивов и пару амортизирующих тросов, и вы получите SpringWalker. Нынешний SpringWalker уникален по отношению к биомеханическим усилителям тем, что в нем нет двигателей. Вы пристегиваете стопы к двум педалям над двумя ножными рамами со сгибающимися назад коленями. Когда вы перемещаете свои стопы в прыжке, длинные ножные рамы, продолжающиеся ниже педалей, обеспечивает усилие рычага, которое удваивает силу отталкивания каждой стопы от земли.

Кроме того, от каждого ножной рамы идут кабели к толстой петле из амортизирующего троса на прикрепленной задней раме. Когда вы начинаете идти в SpringWalker, кабели натягиваются и освобождают амортизирующую петлю. Когда петля натягивается, она вбирает в себя большую часть усилия, прикладываемого ножной рамой к земле, той энергии, которая будет израсходована во время прогулки. Поднимите ногу, и амортизатор освободит энергию, подбрасывая вас в воздух.

SpringWalker был разработан для того, чтобы снабдить пользователя походкой кенгуру вместо грохочущего топота тяжелоатлета. Однако, наблюдая за одним из своих партнеров, прыгающим по одной из улиц Клермонта во время пробного пробега, Дик заметил, что уровень развития SpringWalker соответствует уровню развития велосипеда 19-го века. «Наш «летчик»-испытатель слегка раскачивается вверх-вниз, — допускает он. – И на эти вертикальные движения тратится достаточно много энергии. При существующем положении, такая походка не более эффективна, чем обычный бег трусцой».

Он обещает, что эта ситуация изменится, когда он присоединит к кабелям маленькие коленчатые рычаги с приводом от двигателя. Тогда движение стопы пользователя не будет напрямую дергать за амортизирующую петлю. Координируемые датчиками на каждой из ножных рам, двигатели будут наматывать и отпускать кабели. Дик обещает, что получающаяся в результате моторизированная походка в конечном счете обеспечит своего хозяина возможностью пробежать милю за 2 минуты с полным удлинением свободной ноги.

В Беркли, окруженный своими удлинителями, Хомаюн Казеруни четко изучил пестрое прошлое и настоящее биомеханических усилителей возможностей человека. А в отличие от роботизированных военных отрядов, экипированных экзоскелетами Пентагона, удлинители Казеруни рассчитаны на гражданское использование: разгрузка грузовиков, перемещение грузов на складах, переноска стальных балок, или просто поддержка парализованных рук и ног.

Кроме того, подход Казеруни к управлению его удлинителями полностью крушит традиционную технологию, известную как копирующее управление (управление задающим и ведомым манипуляторами). Hardiman от Дженерал Электрикс персонифицировал эту стратегию. Hardiman имел два набора двигателей: ведомые двигатели, которые перемещали суставы экзоскелета, и задающие двигатели на внутренней раме, которые отталкивали часть этой конструкции назад к пользователю, чтобы сохранить владение ситуацией ( а именно, управление грузом) со стороны человека. Эта установка отлично работает в телеботах, где человек управляет роботом с некоторого расстояния. Но когда такое копирующее управление переносится на систему, в которой человек и робот сплетены в единое целое, двойной набор моторов практически удваивает и вес, и сложность экзоскелета.

Удлинители Казеруни требуют только одного набора двигателей. Более легкая и гибкая конструкция стала возможной благодаря сегодняшним быстрым, мощным компьютерам и чувствительным электронным датчикам – так называемым датчикам усилия, тензодатчикам. Эти крошечные датчики располагаются в тех местах, где рука или кисть человека касается внутренней поверхности удлинителя, а также там, где удлинитель контактирует с грузом. Тензодатчики измеряют усилие, прикладываемое человеком к удлинителю (такое как направленная вверх осевая нагрузка), вместе с весом самого груза.

Показания от этих датчиков поступают к контроллеру компьютера, который отправляет команды на двигатели удлинителя для осуществления поворота, достаточного чтобы освободить руку человека от большей части — но не всей – нагрузки. Так, для 100-фунтового груза удлинитель может поддерживать 95 фунтов, в то время как рука человека почувствует только 5 фунтов.

Такая тактика устраняет большую часть веса, в конечном счете и явившегося причиной провала проекта Hardiman. Но Казеруни теперь столкнулся с техническими проблемами, с которыми создатели Hardiman никогда не имели дело.

Возможно, самой сложной проблемой является непостоянное поведение человеческой руки. Перенесите рукой вес от уровня колен до уровня глаз, и вы заметите, что ваши мышцы работают неодинаково на протяжении траектории движения. Когда ваша рука приближается к определенным углам, ее мышцы становятся жесткими, чтобы компенсировать снижение усилия рычага. Насколько сильно они ужесточаются зависит от того, насколько силен сам человек.

Если при подъеме веса на вас надет удлинитель, тензодатчики будут считывать эту дополнительную жесткость мышц как дополнительное усилие, как если бы нагрузка внезапно прибавила в весе. Контроллер будет направлять двигатели удлинителя на резкое увеличение подъемной силы. Удлинитель оттолкнется от вашей руки, а тензодатчики зарегистрируют резкое падение усилия. Двигатели, соответственно, будут прикладывать меньший момент, возвращая удлинитель назад на вашу руку. Это, опять же, резко увеличит нагрузку на датчики, что быстро приведет к возникновению вибрации удлинителя. При этом еще более вероятными становятся рост усилия и раскачивание такой руки.

Принимая во внимание эту тенденцию, Казеруни пишет программу, которая учитывает идиосинкразию (характерные особенности) руки человека. Программа также будет приспосабливать движения безреечных удлинителей к различным людям, обладающим разной силой.

Удлинители Казеруни разработаны таким образом, чтобы решить эти основные практические вопросы. «Мы хотим двигаться постепенно» — говорит он — «и убедиться, что все основные моменты учтены. Нашей целью является построение удлинителя с полным диапазоном подвижности руки человека». Чтобы разобраться в этой подвижности, Казеруни сконструировал ряд более простых удлинителей, имитирующих конкретные движения. Например, плечелоктевой удлинитель, оснащенный быстрыми электродвигателями, измеряет центробежные силы, появляющиеся при быстром размахивании руками. А грациозный удлинитель «окончания» руки копирует точные движения человеческого запястья.

Хотя этот подход является достаточно систематическим, Казеруни хочет как можно скорее вывести свои машины из стен лаборатории и запустить их в производство. Однако у него нет намерения вывести «в мир» свой Warrior’s Edge и удостоиться чести создателя первого функционального экзоскелета. Сгорбившаяся в углу «фигура» позади гидравлического удлинителя подсказывает нам, на что сейчас направлены усилия Казеруни. Это безмоторный деревянный макет полноразмерного экзоскелета, который заставляет костюм из «Чужих» выглядеть так, словно это снаряжение из детской игровой комнаты. «Я никогда не выбивался из графика, — утверждает Казеруни. — И если вы вернетесь сюда года через два, эта машина уже будет ходить».

Этот макет является уже пятой сборкой. Каждая из них служила испытательной моделью для альтернативной анатомии экзоскелета — анатомии, которая не просто подражает скелету человека. Например, в текущей модели удлинители предплечья сгибаются вперед сверху вниз, как конечности паука, а не снизу вверх, как предплечья у человека. Может показаться, что это противоречит здравому смыслу, но такое расположение фактически оказывается для подъема грузов более комфортным и маневренным.

Казеруни экспериментирует также с необычными конструкциями ног. Когда экзоскелет переносит тяжелый груз, он должен направить нагрузку в землю через свои ноги без потери равновесия. Одна из конструкций, способная обеспечить устойчивость, это двухсуставная нога, которая фактически имеет два колена, верхнее из которых сгибается вперед, а нижнее – назад.

С некоторой помощью один из студентов Казеруни пристегивается на себя макет модели и ходит большими шагами по лаборатории, словно анимированное пугало. «Когда он сможет танцевать с надетым макетом, — говорит Казеруни, с интересом наблюдая за кривляниями студента, – мы будем знать, что пришла пора строить и эту машину».

Категория: BLEEX, Hardiman, SPRINGACTIVE, XOS 1 | Нет комментариев »

Комментарии