Целью нашего исследования в Беркли было определение основ проектирования и управления компьютеризированными вспомогательными устройствами, с которыми работают сборщики автомобилей и складские рабочие.

Эти вспомогательные устройства подобны виртуальным машинам, которые могут моделировать на руках и торсе рабочего усилия, отличные от усилий, необходимых для манипулирования грузом, при этом они, как правило, значительно меньше последних.

В простейшем применении, если рабочий использует наше вспомогательное устройство для перемещения груза (например, коробки на складе), это устройство передает к рукам рабочего, в качестве естественной обратной связи, уменьшенное значение фактического веса груза. Например, из каждых 40 фунтов веса груза, рабочий поддерживает только 4 фунта, в то время как на устройство приходятся остальные 36. Рабочий все еще «ощущает» вес груза, но тот вес, который он чувствует, значительно меньше того, что он чувствовал бы без использования вспомогательного устройства.

Другой пример. Предположим, рабочий использует устройство для манипулирования крупным жестким и громоздким объектом, таким как выхлопная труба. В этом случае устройство позволяет рабочему ощущать эти усилия так, как если бы это были усилия для манипулирования легким небольшим грузом. Это позволяет замаскировать перекрестные и центробежные усилия, усложняющие манипулирование жестким твердым телом и часто продуцирующие травмоопасные усилия на запястьях. Третий пример. Предположим, рабочий использует устройство для обращения с механизированным ключом с ограничением по крутящему моменту. В этом случае устройство снизит и отфильтрует усилия, передаваемые от ключа на руку рабочего, поэтому самое большее, что почувствует рабочий, это низкочастотные компоненты вибрационных усилий от ключа, а высокочастотные составляющие, являющиеся причиной усталости рабочего, ощущаться им не будут.

Это вспомогательное устройство может не только замаскировать нежелательные усилия, направленные на рабочего, но также его можно запрограммировать на следование определенной траектории вне зависимости от точного направления манипулирования устройством. Предположим, к примеру, что рабочий-сборщик автомобилей использует рассматриваемое вспомогательное устройство для перемещения кресла в его конечное местоположение внутри машины. В этой ситуации вспомогательное устройство может доставить кресло к его конечному местоположению, перемещая кресло по заранее запрограммированной траектории со скоростью, пропорциональной амплитуде (но не точному направлению) усилия рабочего по отношению к устройству. Другими словами, в ситуации, если рабочий не может уделить достаточно внимания траектории или конечному местоположению кресла, устройство все равно перенесет кресло в его конечное местоположение.

В общих словах, предлагаемое устройство отражает на руку рабочего усилия, отличные от усилий, необходимых для манипулирования грузами. Такое сотрудничество между человеком и машиной очень плодотворно, так как использует интеллектуальное преимущество человека и силовое преимущество машины: человек обеспечивает принятие решений для вспомогательного устройства, в то время как приводы устройства обеспечивают бóльшую часть силы, необходимой для выполнения задачи. Таким образом, рабочие-сборщики автомобилей и складские рабочие могут использовать вспомогательное устройство для манипулирования деталями и коробками, при этом скорость и точность обращения с грузами будет гораздо выше. Мы предполагаем состоит в том, что эти устройства, при использовании рабочими для манипулирования деталями, помогут значительно снизить риск травмирования позвоночника у рабочих. Такое снижение травматизма, в свою очередь, значительно сократит общий объем расходов государства на лечение таких травм.

Конструкция нашего вспомогательного устройства отличается от конструкции традиционных автоматизированных систем, так как система взаимодействует с человеком на физическом уровне. Развитие технологий вспомогательных устройств, предназначенных для рабочих-сборщиков автомобилей и складских рабочих, требует определенных научно-теоретических и практических достижений как в области промышленности, так и в научной среде. Таким образом, мы выполнили совместное междисциплинарное исследование, в которое были вовлечены Калифорнийский университет Беркли и отделение Caliber Technology.
В нашей научной работе, мы сфокусировались на фундаментных базовых принципах человеко-машинного взаимодействия, основанного на передаче силовых и информационных сигналов. Нашей целью являлась разработка методов проектирования и управления машинами, которые характеризуются стабильным динамическим взаимодействием с людьми через одновременный обмен как силовыми, так и информационными сигналами. Вспомогательные устройства являются идеальными примерами самоходных машин, построение и управление которых должно быть основано на оптимальном обмене с людьми как силовыми, так и информационными сигналами. Человек, управляющий таким вспомогательным устройством, находится в физическом контакте с машиной, поэтому передача энергии неизбежна, а информационные сигналы от человека помогают контролировать машину. В нашей работе использовались методы проектирования и управления взаимодействующими с человеком машинами, такими как ортопедические аппараты и вспомогательные устройства. Направления нашей работы включают в себя:

• Анализ нелинейной устойчивости, а также сравнительная оценка устойчивости и эффективности.
• Алгоритм нелинейного управления, создающий умножение силы на широком диапазоне частот.
• Природа устойчивости устройства в результате человеко-машинного взаимодействия.
• Подробный анализ динамики руки человека в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
• Роль человеческой динамики в антропогенной неустойчивости тактильных устройств.
• Алгоритм стабилизирующего управления, создающий любое желаемое произвольное умножение силы и фильтрацию.
• Сравнительная оценка устойчивости и величины динамической жесткости устройства, связанная с non- backdrivability приводов.

Электрическая система, спроектированная и построенная при Калифорнийском университете, состоит из двух рук и двух ног и используется для манипулирования коробками на складах. В процессе работы (управления) удлинитель передает на руку рабочего, в качестве обратной связи, уменьшенное значение фактического веса груза, которым манипулирует удлинитель: рабочий «чувствует» вес груза в процессе манипулирования им. Например, из каждых 50 фунтов веса рабочий будет поддерживать только 5 фунтов, а удлинитель будет поддерживать остальные 45 фунтов. Таким способом удлинитель минимизирует риск травмирования позвоночника у рабочих. Команды передаются на удлинитель через усилия контакта между рабочим и удлинителем, устраняя необходимость применения джойстика, нажимной кнопки или клавиатуры для передачи таких команд.

Промышленное применение

1. Электрический моторизированный удлинитель руки человека (The Electric Human Power Extender)

Электрический моторизированный удлинитель руки человека спроектирован таким образом, чтобы его можно было использовать специально для высокоскоростных маневров: его работа характеризуется плавностью движений и устойчивостью при выполнении таких высокоскоростных задач, как разгрузка поддонов. В устройстве предлагаются две опции электроприводов: большие и малые. Контроллер обеспечивает работу со всеми разновидностями грузов и продуцирует на рабочем сигналы обратной связи по усилию. Способность данного электрического удлинителя манипулировать батареями (крайнее фото слева) была особо отмечена в Техническом центре Дженерал Моторз (General Motors Tech Center) летом 1996 г. и летом 1997 г.

2. Пневматический модуль моторизированного удлинителя руки человека (The Pneumatic Human Power Extender Module)

Пневматический модуль моторизированного удлинителя руки человека можно установить на всех пневматических устройствах ручной транспортировки материала, подобных устройствам производства Knight Industries, TDA Buddy, Zimmerman International, и Columbus McKinnon. Этим пневматическим устройством ручной транспортировки материала можно управлять вручную через его особые клапаны «up-down». Этот традиционный режим управления (т.е. с клапанами «up-down») всегда доступен рабочему в случае аварийного прекращения подачи электропитания или отказа работы компонентов устройства, а также в ситуациях, когда рабочий не намерен использовать «режим разумной помощи» (intelligent assist mode). Проектирование всего модуля, а также кодировка программ выполняются с учетом совместимости со всеми видами устройств ручной подачи материала.

Таким образом, модернизация данного модуля может улучшить работу большинства пневматических устройств ручной подачи материала. Многие уже существующие пневматические устройства подачи материала могут быть модернизированы с помощью этого модуля.

Kazerooni, H., “The Human Power Amplifier Technology at the University of California, Berkeley”, Journal of Robotics and Autonomous Systems, Elsevier, V. 19, 1998. («Технология моторизированного усилителя человеческих возможностей в Калифорнийском университете Беркли»)

Kazerooni, H., “The Human Power Amplifier Technology Applied to Material Handling”, Progress in Material Handling Research:1998, The Material Handling Institute. («Технология моторизированного усилителя человеческих возможностей в применении к транспортировке материала)

Данная исследовательская работа была частично финансирована Национальным научным фондом, номер гранта DMI-9941927

Категория: Electric Human Power Extender | Нет комментариев »

Комментарии