Марсиане в «Войне миров» Уэллса передвигались на гигантских «треножниках» – на чём-то нелепом, но сделанном, несомненно, на основе «гидравлики». Гидравлика с преобладанием «цифровых» способов переключения гидроцилиндров, надо думать, была известна «марсианам», но я не нашёл в Интернете про такую «технологию» – досадная оплошность «землян»?

В Интернете есть сообщения об «аватарах» из Японии, подробностей мало. Для настоящего «аватара» нужна не только аудио-визуальная связь, но и «мышечная» связь, делающая «аватар» управляемым, а для человека, «оператора» создающая эффект пространственно-силового присутствия.

Для этого оператор надевает специальный «экзоскелетон», с сочленениями (шарнирами), повторяющими сочленения (суставы) его конечностей, но располагающимися снаружи. Для каждого шарнира «экзоскелетона» есть силовые элементы (привод), имитирующие физическую нагрузку конечностей «аватара». Экзоскелетон с элементами защиты напоминает «(силовой) скафандр», жёстко связанный с конечностями и телом оператора. Этот «скафандр» удерживается внутри шара, наклоны и повороты которого имитируют наклоны и повороты «аватара». Каждому шарниру и силовому элементу «экзоскелетона» соответствует шарнир и силовой элемент «аватара».

Положение звеньев (и скорости, ускорения) для каждого шарнира экзоскелетона и «аватара» считывается датчиками с частотой > 1000 раз/сек (аналогично и для «тел» аватара и оператора). В норме движения конечностей оператора и «аватара» синхронны, – для этого нужно, чтобы при «рассинхронизации» их положений создавались силы в сегментах их конечностей, направленные на синхронизацию их положений в каждом шарнире. Эта задача синхронизации с обратной связью решается в простом случае («одна степень свободы») следующим образом:

а) силы, направленные на синхронизацию «конечностей», – пропорциональны величине рассогласования положений конечностей оператора (экзоскелетона) и «аватара».
б) силы, имитирующие «вязкость», – пропорциональны скорости изменения величины рассогласования положений конечностей оператора и «аватара» (нужны для предотвращения колебаний в системе).

На Рисунке представлена схема силовой связи между экзоскелетоном (синий цвет) и «аватаром» (серый)

Здесь проекции экзоскелетона и «аватара» совмещены и взяты одинаковыми, в исходном состоянии положение сегментов («рук») экзоскелетона и «аватара» совпадает. Взаимодействие между конечностями экзоскелетона и «аватара» будет примерно как если бы здесь, на схеме, они были связаны пружиной с демпфером, только силы пружины и вязкого трения имитируются здесь электронным управлением силовыми элементами конечностей «экзоскелетона» и «аватара». В результате оператор чувствует «груз» (и т.п.) как если бы он сам поднимал его.

«Жёсткое» управление (т.е. как бы жёсткие пружины между конечностями оператора и «аватара») возможно лишь при малых задержках обратной связи в управлении; в первом приближении задержки для крупных суставов не должны превышать порядка 10 мс, что накладывает ограничения на максимальное удаление «аватара» от оператора (порядка 2000 км ?), требует быстродействующих силовых приводов и жёсткой связи между конечностями оператора и «экзоскелетона» (при «мягкой» силовой связи у оператора возникнет ощущение «болтающихся масс» вокруг его конечностей; «жёсткая связь» экзоскелетона с телом оператора лучше всего – на стопах и кистях, а вот для «ягодиц» может быть уже проблемой).

Поскольку у конечностей «аватара» и экзоскелетона много звеньев и они динамически взаимосвязаны, то и их синхронизация должна проводиться одновременно по всем звеньям (шарнирам). Создание математической модели оптимального регулирования – задача из «теоретической механики» (при этом желательно исключить воздействие на оператора «двойной нагрузки» – сил инерции и гравитационных сил от самих конечностей «аватара», и др.).

«Скафандр оператора» даже без силовых приводов будет довольно сложным (правда, оператору не нужно выполнять движение конечностями с тем же размахом, что у его «аватара», допустимо и упрощение конечностей «аватара»). Я не спец в области «экзоскелетонов», но полагаю, что «поворотные» движения экзоскелетона должны имитироваться в осн. не поворотными сочленениями, а рычажными, см. Рисунок 2, на нём справа механизм, имитирующий, например, сустав локтя с возможностью поворота «кисти» к тому же !! (для т/б -сустава нужны 3 таких пары с «шаровыми шарнирами»).

К приводам экзоскелетона (да и «аватара») предъявляются чрезвычайно высокие требования, которые могут обеспечить пока только гидроцилиндры. Считается, что гидропривод – это дроссельное регулирование с низким КПД, что это «вчерашний день техники». Я предлагаю совсем другое: в «открытой» гидросистеме с пневматическим гидроаккумулятором создавать силы (моменты сил) миниатюрными цилиндрами, в осн. «поворотными» (их легко нанизывать на общий вал), «цифровым» способом – включением/отключением отдельных «цилиндров» (коммутацией их рабочих камер с линиями высокого и низкого давления), при этом величину сил у «цилиндров двойного действия» можно сделать в «троичной» системе: плюс-минус 1, плюс-минус 3, плюс-минус 9, плюс-минус 27 и т.д. (я назвал их «цифро-гидравлические силовые преобразователи»), переключение «цилиндров» происходит синхронно, синхронизация движений золотников (совсем крохотных!) достигается приводом их от общего для каждого «блока цилиндров» кулачкового вала с управляемым отключением толкателей золотников от кулачков; кроме того, можно добавить небольшой «электро-цилиндр» для сглаживания дискретности гидроцилиндров (и переходных процессов при переключении крупных гидроцилиндров; привод золотников должен быть достаточно «быстрым», чтобы при коммутации линий высокого и низкого давления в рабочих камерах цилиндров при быстром изменении рабочих объёмов этих камер не успевало бы создаться слишком высокое давление или вакуум, к счастью – движения человека и робота не слишком быстрые). Компьютер учитывает и силы трения в цилиндрах, и компенсирует их.

КПД «гидроцилиндров» – до 99% при оптимальной скорости «движения» и при оптимальной Т° рабочей жидкости, даже без поршневых колец; если гидропривод «без движения», то потери будут только в виде утечек (перетечек) масла, они составляют доли % от суммарной мощности привода (которая, полагаю, для экзоскелетона сильного человека и для «аватара–андроида» составит несколько кВт); гидропривод может рекуперировать энергию, в отл. от «обычных мышц». Временная дискретность включения/выключения отдельных «цилиндров» 100-200 раз в сек – легко достижима, – но с такой частотой будут переключаться в осн. лишь «младшие» гидроцилиндры, при этом будут повышенные потери на утечки рабочей жидкости через золотники и потери на «сжимаемость» рабочей жидкости (поэтому рабочее давление следует брать < 100 атм., или регулировать его в широких пределах). Общее правило – "младшие" гидроцилиндры (и их золотники) выполняют более качественными, а "старшие", которые 99% времени находятся "в отключке", могут иметь меньший КПД, меньшее относительное сечение золотников, и т.д. (для уменьшения сопротивления на перетекание жидкости в бОльших гидроцилиндрах "в режиме отключки" в них могут открываться дополнительные каналы, соединяющие их рабочие камеры с линией низкого давления гидросистемы, и т.д.). Среди проблем можно выделить необходимость широкополосной связи между "аватаром" и оператором (в осн. ради качественного видео), особенно её "эфирную" часть, для повышения эффективности такой связи можно использовать фазированные антенные решётки для приёмапередачи сигнала связи. Ну а теперь.. немного "помечтаем"? – итак, надев "чудо-костюм", можно будет теоретически управлять любым "аватаром", который может имитировать не только "человека", но и любое животное, например, птицу, – можно будет даже "летать", взмахивая руками. Величина "аватара" – любая от "годзиллы" до "жучка", физические способности "аватара" (робота) могут намного превосходить человеческие. Можно будет "мгновенно", переключаясь на другой "аватар", виртуально перемещаться на расстояния до нескольких тысяч км. Но начать можно с "игр" – здесь "аватар" будет виртуальный в виртуальном пространстве. Это будет куда круче "5D" -кинотеатров! В будущем технология "аватаров" может изменить философию мировосприятия у людей? – тот, кто побывает в "шкуре аватара", уже не сможет избавиться от ощущения, что он сам – чей-то "аватар"? (...). Однако более реальная перспектива – что технология будет, увы, монополизирована и засекречена...

Категория: Двигатели | 2 комментария »

Комментарии