Здесь представлен обзор дипломной работы «Проект комплекта оборудования для сварочных работ на основе экзоскелета, для работ в экстремальный условиях» созданной Орловым Ильёй на кафедре «Дизайн» Гуманитарного факультета, Тульского Государственного университета.

Автор – Орлов Илья
Руководитель – Гуреева Марина Васильевн
Контактные данные:
e-meil artist_orlov@mail.ru
тел 89207422075
скайп Orlov_jpg

Защита дипломного проекта

Оглавление

1. Введение
1.1. Историческая справка
1.2. Общие сведения и классификация
1.3. Современное состояние проблемы
1.4. Принцип работы экзоскелета
2. Художественно-конструктивный анализ аналогов
2.1. Power Loader
2.2. Human Universal Load Carrier (HULC)
2.3. Walking Assist Device
2.4. Novint XIO
2.5. Роботизированная рука Equipois x-Ar
2.6. ReWalk
2.7. PowerSwim
2.8. Художественно-конструктивный анализ прототипа
3. Аналоги оборудования
3.1 Аккумуляторы
3.2. Шаговый электродвигатель
3.3. Дыхательный аппарат замкнутого цикла
3.4. Сварочный аппарат
4. Проектная ситуация
4.1. Работы по деблокированию пострадавших
4.2. Промышленная авария
5. Задача проектируемого изделия
6. Конструктивный анализ
6.1. Крепление шагового двигателя к раме
6.2. Система проводов
6.3. Регулятор размера
6.4. Рама
6.5. Основная рама
6.6. Дополнительная рама корпуса
6.8. Дыхательный аппарат
6.9. Система вентиляции
6.10. Система аккумуляторов
6.11. Сварочное оборудование
6.12. Монитор
6.13. Маска
6.14. Дополнительный инструмент
7. Эргономический анализ
7.1. Транспортировка
7.2. Команда операторов
7.3. Фиксация сенсоров
7.4. Одевание\снятие экзоскелета
7.5. Положение оператора при ведение сварочных работ
7.6. Эргономический анализ степеней свободы
8. Художественное решение разработанного проекта
8.1. Первый этап развития проекта
8.2. Второй этап развития проекта
8.3. Третий этап развития проекта
9. Заключение

Библиографический список
Интернет ресурсы
Приложение 1 — аналоги
Приложение 2 — поисковые эскизы.
Приложение 3 – макет
Приложение 4 – варианты графической подачи

1. Введение

1.1. Историческая справка

Экзоскелет (от греч. έξω – внешний и σκελετος – скелет) – устройство, предназначенное для увеличения мускульной силы человека за счёт внешнего каркаса. Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях.

Экзоскелет – внешний тип скелета у некоторых беспозвоночных животных. Самые старые окаменелые экзоскелеты датируются временем приблизительно 550 миллионов лет назад. Экзоскелет характерен для большинства беспозвоночных, у которых он представлен в виде раковины (многие простейшие, моллюски) или кутикулы (хитиновый панцирь членистоногих).

Рис. 1.1.1. Скорпион – пример экзоскелета в природе

Скорпион (рис. 1.1.) –представитель класса паукообразных (Arachnoidea), подтипа Хелицеровых (Chelicerata), типа членистоногих (Arthropoda) и хороший пример живого экзоскелета.

Исходя из этих последних данных, можно сделать вывод: экзосколет изобрела Природа. Изобрела и очень активно его использует в своих творениях. То есть появление принципа экзоскелета в современной инженерии, ещё раз доказывает ценность природы, как библиотеки аналогов для творческой мысли.

Впервые упоминались принципы схожие с современными моделями экзоскелета писателями-фантастами. К примеру в фантастическом фильме «Чужие» (рис. 1.1.2. ), погрузчик Caterpillar Power Loaders P-5000, который использовался при погрузочных работах на космических кораблях. писатели-фантасты придумали применение экзоскелетов во время космических полетов. Вот цитата из романа Ивана Ефремова «Туманность Андромеды».

В шлюзовой камере у выхода были заранее приготовлены биологические скафандры и «прыгающие скелеты» – стальные, обшитые кожей каркасы с электродвигателем, пружинами и амортизаторами для индивидуального передвижения при увеличенной силе тяжести, которые надевались поверх скафандров. Туманность Андромеды — автор: Иван Антонович Ефремов.И этот отрывок иллюстрирует одно из первых представлениях об экзоскелете, поскольку роман вышел в 1957 году. Считается, что первыми начали работать над проектом экзоскелета специалисты компании General Electric. начался проект в начале 60-х годов 20-го столетия, ненамного отстав по времени от публикации романа Ефремова.

Рис. 1.1.2. Кадр фильма «Чужие», погрузчик Caterpillar Power Loaders P-5000

Заказчиком проекта выступали военные. Их совместный проект, получивший название Hardiman, представлял собой достаточно габаритную конструкцию весом 680 кг с электро-гидравлической трансмиссией, которая позволяла поднимать груз весом до 110 кг при усилии оператора на руку 4,5 кг.

Hardiman – первый силовой экзоскелет. Питание подавалось через внешний кабель. Но несовершенство технологий на то время приносило ряд проблем. В результате, попытки использовать полный комплект экзоскелета приводила к неконтролируемым движениям последнего, хотя отдельные его элементы (например, рука) успешно работали. Hardiman так никогда и не был протестирован с человеком внутри.

Но начало было положено. Появился опыт, который позволил следующим разработчикам двигаться дальше, а не начинать с нуля. Проект Hardiman I в 1971 году был закрыт из-за отсутствия перспектив его развития. Но остались отчеты.

Рис 1.1.3. Hardiman – первый силовой экзоскелет

Далее последовали два десятилетия не то чтобы застоя, исследования и разработки, конечно, велись, но не было больших прорывов, вероятно, из-за небольшого финансирования. Но опыт и знания, тем не менее, накапливались. Параллельно с этим проходили изменения в смежных областях: вычислительной технике, элементах питания, материалах, системах управления и т.д. Все это пригодилось, когда начался прорыв в этой области. А произошло это, когда в экзоскелетах снова стали заинтересованы военные.

В 2001 году Агентство Передовых Оборонных Исследовательских Проектов (DARPA – Defense Advanced Research Projects Agency) Министерства обороны США начало семилетнюю программу Exoskeletons for Human Performance Augmentation Program, выделив на неё $75 миллионов. Были рассмотрены проекты от 14 компаний и университетов. На первой фазе проекта были выбраны: Sarcos Research Corporation, Университет Калифорнии в Беркли и Oak Ridge National Laboratory. На втором этапе проекта остались Sarcos и Университет Беркли. На заключительном этапе программы, который начался в 2004 году основным подрядчиком для разработки и развития быстрых, бронированных и мощных систем экзоскелетов была выбрана Sarcos Research Corporation. Вскоре Sarcos была приобретена более крупной компанией Raytheon, занимающейся выполнением различных оборонных заказов. Однако работы над экзоскелетоми были продолжены, и судя по сообщениям, весьма успешно.

Современное состояние работ в области разработки и производства экзоскелетов весьма интересно и необъятно, которое невозможно отобразить в столь короткой форме. Кроме новостей и обзоров из интернета, были просмотрены патенты, относящиеся к экзоскелетам, которых было зарегистрировано в последние годы немало. Также изучались научные публикации, например вот эту статью (рис. 1.1.4 ): Design of a Quasi-Passive Parallel Leg Exoskeleton to Augment Load Carrying for Walking.

Рис. 1.1.4. научная публикация – Design of a Quasi-Passive Parallel Leg Exoskeleton to Augment Load Carrying for Walking

Самые давние ссылки относятся к патентам США 1890 года, выданные Николасу Ягну (Nicholas Yagn). Таких патентов оказалось пять:406328, 420178, 420179, 438830, 440684. Название: Apparatus for facilitate walking running, and jumping, что можно перевести как -Аппарат для облегчения ходьбы, бега и прыгания. Если обратить внимание на первые строчки описания этих патентов, то можно прочесть следующее: Be it known that I, Nicholas Yagn, a subject of the Emperor of Russia, and residing at St.Petersburg, Russia, have invented …

Приоритет в изобретении экзоскелета принадлежит России, русскому изобретателю. это признают даже американцы. Николай Александрович Ягн – изобретатель экзоскелета.

К большому сожалению, информации о жизни и деятельности этого русского изобретателя очень мало. Все, что есть в интернете о нем, это перепечатка статьи из энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона (1890—1907). Николай Александрович Ягн (1849—1905) — известный российский изобретатель-самоучка. Учился в Петровско-Разумовской земледельческой академии. В 20 лет он уже выступил со своими первыми изобретениями: гигрометром, сделанным для физического кабинета академии, и пульсирующим насосом, с которым потом работали Д. И.Менделеев и профессор Кирпичёв. За эти изобретения Ягн получил диплом инженер-механика. Пробыв в академии 3 года, Ягн её покинул, стремясь к такой работе, где ему можно было бы применять свои технические познания и вскоре поступил на чугунолитейный завод Воейкова в Симбирской губернии.

В своих дальнейших изобретениях Ягн руководился стремлением облегчить и обезопасить труд рабочего. Так, несчастный случай на заводе натолкнул его на изобретение «Друга кочегара» — приспособления для автоматического наполнения парового котла и поддержания в нём воды на определённом уровне. Усовершенствовав его при содействии коммерсанта Копфельда на его заводе в Дрездене, Ягн получил за него золотую медаль на выставке в Филадельфии. По возвращении из Америки Ягн изобрёл охлаждающие занавески, гидромотор (работавший на Неве и в Лионе), качающийся винт, эластипед (приспособление для облегчения ходьбы, главным образом, солдат), самовар-стерилизатор, опреснитель, сушилку для овощей, солеварку, простую, но чрезвычайно остроумную герметическую пробку.

Он занимался ещё воздухоплаванием и получил почётный диплом с последней парижской выставки за аэроплан. Во время Русско-японской войны морское ведомство предложило русским изобретателям выработать тип подводной лодки. Ягн составил проект подводной лодки совершенно новой системы. Из его печатных трудов общего характера наиболее известна «Гипотеза мироздания».

Рис. 1.1.5.Патенты Никалая Ягна, полученные в США: №420178, 420179

О его изобретениях можно рассказать, тем более что список некоторых из них уже приведен выше. В России начала 20-го века получили название -Эластипед, и предназначались для облегчения ходьбы, бега и прыжков (рис. 1.1.5, 1.1.6.), главным образом солдат. Как видно, уже тогда предполагалось их военное применение.

Рис. 1.1.6. Патенты Никалая Ягна, полученные в США: №406328, 438830

1.2. Общие сведения и классификация

Если попытаться провести классификацию экзоскелетов, то по параметрам энергообеспечения их можно разделить на два класса:

1) пассивные, без привода, в основе лежит пружина или др. гибкое тело.

2) рowered exoskeleton — силовой, приводной (с приводом), с подводом энергии.

силовой экзоскелет– основная масса современных разработок относится именно к таким аппаратам, где для выполнения работы используется источник энергии. Чтобы понять, что такое пассивный экзоскелет, можно вспомнить определение понятия ходьба — упорядоченное падение.

Очевидно, что ходьба (бег) процесс циклический, и там есть этап «падения», во время которого можно запасать кинетическую энергию, используя ее на следующем за падением этапе подъема (взлета). Идея достаточно очевидна, поэтому в некоторых современных экзоскелетах, даже после использования всей энергии аккумуляторов, бегать будет легче, чем без него. Очевидно, что без энергии такой экзоскелет будет работать как пассивный.

Но наиболее ярким примером пассивного экзоскелета может служить тренажеры -джамперы, которые сейчас наиболее известны как powerskip, а первоначально назывались пауэрбоками по фамилии своего изобретателя Александра Бока (Alexander Bock) из Германии. Эти устройства достаточно просты, хоть и сделаны из прочных и дорогих материалов (в т.ч. из композиционных). Тем не менее, надев их, человек наделяется уникальными возможностями бегать со скоростью 40 км/ч, прыгать вверх до двух и в длину до трех метров. Принцип действия этого тренажера можно понять, взглянув на рисунок 1.2.1. из патента США №6719671, выданного Александру Боку. Как можно видеть из рисунка 1.2.1, основной движущей силой в этом устройстве является пружина 1, изготовленная из композиционных материалов. При прыжке, во время фазы падения, эта пружина сжимается, а затем разжимается, увеличивая тем самым возможности человека.

Рис. 1.2.1. Принцип действия тренажера — джампер

Также можно провести классификацию по целям применения рис 1.2.2:

1) Военные
2) Социальные
3) Спорт, развлечение
4) Специального назначения

Рис. 1.2.2. Области использования экзоскелета

1.3. Современное состояние проблемы

Судя по сообщениям в прессе, в настоящее время проблемы с механической частью экзоскелетов и их программным обеспечением решены, хотя конечно нет предела совершенствованию, которое происходит постоянно. Серьезным препятствием для массового внедрения экзоскелетов является отсутствие подходящих автономных источников энергии. Самые современные аккумуляторные батареи пока не обеспечивают экзоскелета время работы необходимое для их практического применения. Однако прогресс в развитии источников энергии идет очень большими темпами, что и обеспечивает оптимизм разработчиков, у которых пока есть время для совершенствования своих аппаратов. Сейчас вырисовываются два направления практического использования экзоскелетов: военное, где безусловным лидером являются США, и медицинское – для помощи людям с ограниченными возможностями передвижения, где больших успехов добились в Японии. Есть предположения, что в будущем, для экспедиций на другие планеты, будут разработаны также космические скафандры со встроенными экзоскелетами, т.к. работать и переносить на себе по поверхности Марса, вместе со скафандром, еще и систему жизнеобеспечения, космонавтам будет достаточно трудно. Если говорить о современных военных разработках, то стоит упомянуть также систему HULC (Human Universal Load Carrier), которой занимается гигант аэрокосмической индустрии Lockheed Martin. Было также сообщение, что военное ведомство России заинтересовано в развитии этой технологии, финансируя работы над экипировкой «Боец-21″ в которой будут присутствовать элементы экзоскелетных конструкций.

Японская компания с интересным названием Cyberdyne предложила коммерческий образец настоящего экзоскелета. Да, теперь эти машины из будущего, помогающие людям во всех отраслях жизни, уже не фантастика.

Нужно тут отметить, что экзоскелеты современные уже довольно эффективны. Они могут значительно увеличить нагрузку на организм человека. Современные образцы экзоскелета HAL могут увеличить поднимаемый человеком вес на 100%. И это только начало эволюции подобных устройств. По словам компании разработчика Cyberdyne, экзоскелеты должны значительно улучшить жизнь рабочих на заводах, которые каждый день работают с тяжелыми и опасными грузами.

Основным назначением будут военное. И разработки в этом направлении, несомненно, ведутся. На рынке сегодня представлены только гражданские модели, но кто может поручится за то, что не будут разработаны и специальные военные модификации? Только представьте себе, какие преимущества будут иметь такие солдаты в реальном бою. Они смогут переносить неподъёмный для обычного человека, вес на себе. Огромное количество боеприпасов, грузов или медикаментов. Я думаю, что человек 6 в таких устройствах смогут поднимать машины на своих руках.

Но надо понимать, что не было бы возможным создание экзоскелетов без сопутствующих исследований. В таких областях как: неврологию, робототехнику, IT, физиологию, психологию, правоведение и всю сферу социальных наук. Экзоскелеты работают по следующему принципу: в него встроены специальные датчики, которые отслеживают сигналы от мозга к мышцам. Таким образом, система узнает какие участки нужно активировать в данный момент. Поэтому действиует он синхронно с человеком.

Единственное, что осталось непонятным, это автономный источник питания. Ведь наверняка подобные технологии потребляют электричество в больших количествах. Сколько же сможет проработать экзоскелет без внешнего источника энергии? Вот главный вопрос, на который компания Cyberdyne ещё не дала ответа.

1.4. Принцип работы экзоскелета

Структурно этот принцип можно описать следующим образом — на человека одевается экзоскелет с биоэлектрическими сенсорами, сенсорами гравитации, силовыми приводами, батареей питания и компьютером с возможностью беспроводной связи Рис. 1.4. И хотя все это весит достаточно много, человек не ощущает никакой нагрузки, поскольку она распределяется только в рамках экзоскелета. Система может увеличить мышечную силу рук и ног, например, позволит поднимать тяжести выше 40 кг, при этом для человека такая нагрузка окажется незаметной. Одними из самых важных элементов подобных конструкций являются биоэлектрические датчики, которые считывают импульсы, подаваемые от мозга к мышцам. Данные от этих сенсоров поступает в компьютер, где преобразуются в команды для силовых приводов экзоскелета.

Рис. 1.4. Схема расположения основных элементов системы

2. Художественно-конструктивный анализ аналогов

2.1. Power Loader

Недавно представленная инженерами Activelink (дочерняя компания Panasonic) модель экзоскелета Power Loader позволяет придать человеческому телу «нечеловеческие» способности. В состав этого механизированного комплекса весом 200 кг входят 18 моторов, мощности которых хватает на то, чтобы поднимать и передвигать объекты весом до 90 кг. Кроме того, облаченный в Power Loader человек может ходить, поворачиваться.

Рис. 2.1. Power Loader

Кстати, название своему детищу разработчики придумали не сами. Оно заимствовано из фильма «Чужой». Power Loader планируется применять в спасательных операциях, таких как разборы завалов после землетрясения. На рынок эта модель экзоскелета выйдет не ранее 2015 года.

2.2. Human Universal Load Carrier (HULC)

Разработан инженером из Калифорнии Рассдоном Энголдом (Russdon Angold) и его коллегами-инженерами из компании Berkeley Bionics. Первоначально компания представляла собой полностью независимую организацию, но вскоре разработками всерьез заинтересовалась Lockheed — один из нескольких крупнейших разработчиков и производителей вооружения в Соединенных Штатах Америки. С этого момента Lockheed и курирует разработку экзоскелета HULC.

Стоит взглянуть, что собой представляет экзоскелет, который вот-вот появится на поле боевых действий. Основой аппарата становятся две «ноги», изготовленные из легкого, но очень прочного титанового сплава. «Мышцами» экзоскелета становится гидравлическая систем, а в качестве источника энергии применяются литий-ионные аккумуляторные батареи. Возможности экзоскелета HULK действительно впечатляют — общий поднимаемый с его помощью человеком вес может достигать 140 кг. Единственное условие — необходимо правильно распределить нагрузку на аппарат. Например, на заднюю раму экзоскелета можно повесить груз весом до 100 кг, дополнительная нагрузку должна размещаться на плечах «Халка».

Важным параметром экзоскелета является время его автономной работы. И здесь аппарат HULK находится на достаточно высоком уровне — заряда аккумуляторных батарей хватит на движение со скоростью 4 километра в час в течение пяти часов. То есть, экзоскелет позволит совершить марш-бросок на расстояние до двадцати километров.

Рис. 2.2. Human Universal Load Carrier (HULC)

По сообщению компании Lockheed, экзоскелет HULK в данный момент находится на стадии доработки. И основное направление улучшений связано с работой аппарата в экстремальных условиях, но основная масса работ будет завершена к лету 2010 года. После этого можно начинать тестирование экзоскелета в полевых условиях, и в случае успеха, HULK появится на поле боевых действий.

2.3. Walking Assist Device

Компания Honda построила миниатюрный экзоскелет (Walking Assist Device), призванный помочь передвигаться людям с ослабленными мышцами и проблемами опорно-двигательного аппарата.
Новинка дебютирует на международной ярмарке оборудования для пожилых и инвалидов Barrier Free 2008, которая откроется в Осаке 25 апреля. Посетители выставки смогут сами проверить, насколько удобен в использовании новый аппарат.

Его миниатюрность — заслуга небольшой и лёгкой системы управления, а ещё — плоских бесщёточных электромоторов, также разработанных самой компанией (потренировавшейся в создании ходячего «железа» на поумневших ASIMO).

Работа над этим устройством началась в 1999 году, а сейчас аппарат должен пройти тест на «внимание» потенциальных потребителей (фотографии Honda).

Рис. 2.3. Walking Assist Device

Как говорится в пресс-релизе компании, оптимальную помощь аппарат рассчитывает, исходя из показаний датчика угла отклонения бедра.

Компания разработала три вариации Walking Assist Device, немного отличающиеся размерами, так, чтобы аппарат могли удобно пристроить на себе люди разного роста. Средний из «ассистентов» весит всего 2,8 килограмма. Два других — чуть больше и чуть меньше.

Работает экзоскелет от литиево-ионных батарей. Одной их зарядки хватает на два часа непрерывной ходьбы со скоростью 4,5 километра в час.

2.4. Novint XIO

Игровой манипулятор в виде «руки» экзоскелета. Kinect для Xbox 360 – недосягаемая технологическая вершина среди игровых контроллеров? Возможно, в настоящий момент это так, однако компания Novint работает над устройством, которое может изменить это мнение. Оно называется XIO и представляет собой роботизированную «руку», похожую на часть футуристичного экзоскелета.

Устройство надевается на руку и функционирует в качестве игрового манипулятора. XIO отслеживает движения руки, преобразуя их в действия подконтрольного игрового персонажа. А чтобы увеличить степень погружения в роль, гаджет оборудован механизмом силовой обратной связи, работа которого проявляется в виде вибраций.

Novint пока не сообщает для каких платформ, помимо ПК, предназначен XIO, да и цена еще не определена. Но контроллер изначально задумывался как коммерческий продукт, так что у прототипа есть все шансы добраться до покупателей. Компания также ожидает, что XIO будет использоваться в других целях, помимо гейминга. Сюда входит медицина, роботехника, научная визуализация, физические упражнения, тренировочные симуляции для военных.

Рис. 2.4. Novint XIO

2.5. Роботизированная рука Equipois x-Ar

Экзоскелеты создаются для увеличения мускульной силы человека и предназначаются главным образом для двух категорий пользователей: для тех, кому необходима реабилитация при заболеваниях опорно-двигательногоаппарата, а также для рабочих физического труда. При этом экзоскелет может покрывать не все тело, а только определенную его часть. Например, руку, как в случае с механизмом x-Ar от компании Equipois.

Рука-экзоскелет Equipois x-Ar предназначается для рабочих, которые по долгу службы постоянно имеют дело с тяжелыми предметами. Механизм надевается на руку и имеет поддерживающую конструкцию, которая пролегает вдоль всей спины. Таким образом, перемещения каждой тяжелой детали принимает на себя экзоскелет, а вес ее переносится непосредственно на пол. В результате производительность труда рабочего возрастает. И, наконец, данная разработка имеет существенное преимущество перед остальными коммерческими экзоскелетами — цену. Она составляет от двух до трех тысяч долларов, а в продажу машина поступит ориентировочно в апреле.

Рис. 2.5. Роботизированная рука Equipois x-Ar

2.6. ReWalk

Разработка Argo Medical Technologies призвана помочь паралитикам ходить, а люди, пережившие различные травмы, могут использовать ReWalk в качестве инструмента постепенной реабилитации. После клинических испытаний в США и Израиле устройство наконец-то готово к серийному выпуску – в январе экзоскелет будет продаваться в реабилитационных центрах по всему миру.

ReWalk весит всего 3,1 кг – в такой малый вес разработчикам удалось вместить две моторизованные «ноги» с сенсорами движения, все необходимые элементы для крепления к телу, рюкзак с управляющим компьютером и батарею. Последняя способна обеспечить три с половиной часа непрерывной работы, однако о времени перезарядки создатели не сообщают.

В 2008 году ReWalk оценивался создателями в $20 тыс., однако в действительности экзоскелет будет продаваться за $100 тыс. Может, для западной системы здравоохранения и страхования эта сумма не является значительной, но в наших реалиях позволить себе ReWalk смогут только самые обеспеченные люди.

Рис. 2.6. ReWalk

2.7. PowerSwim

В настоящее время развитие новейших технологий позволяет создавать электронно-механические устройства, способные существенно усилить природные возможности человека – экзоскелеты. В первую очередь эти устройства интересуют военных и именно для военных нужд ведется большинство разработок по теме экзоскелетов. По заказу агентства передовых исследований США (DARPA) уже создано несколько прототипов действующих экзоскелетов и ведутся работы по их доработке и внедрению. Успешные предварительные испытания этих прототипов натолкнули военных США на мысль создать также их подводные аналоги, позволяющие в перспективе увеличить скорость передвижения боевых пловцов под водой.

По заказу DARPA инженеры из института когнитивных способностей человека и машин (Institute for Human and Machine Cognition) начали работу над проектом, названным PISCES – Вспомогательный автономный экзоскелет для плавания (Performance Improving Self Contained Exoskeleton for Swimming). Разработки по теме PISCES отталкивались от успеха созданного ранее силами DARPA устройства, названного PowerSwim.

По своей сути PowerSwim представляет собой систему из двух плавников и корректирующего механизма. Корректирующий механизм устроен так, что при движении пловца под водой он заставляет эти плавники двигаться так же, как работают плавники рыб или хвост дельфина. В результате для передвижения под водой человек затрачивает гораздо меньше усилий и может плыть на 150% быстрее. Плавник PowerSwim позволяет боевому пловцу добраться до пункта назначения быстрее, сэкономив при этом кислород и силы.

Рис. 2.7. PowerSwim

В отличии от PowerSwim, система PISCES является полноценным экзоскелетом и не просто передает энергию движений человека на плавники, но и берет на себя часть этой работы. На настоящий момент разработано две концепции системы PISCES: первая направлена на усиление движений пловца в нижней части тела, а вторая идет чуть дальше, пытаясь имитировать те же движения, что используют для плавания пингвины и дельфины. Наиболее перспективной является вторая концепция, так как она задействует не только нижнюю, но и верхнюю часть тела пловца.

Военные из DARPA ожидают, что такой подход к подводному передвижению позволит боевым пловцам быстро, бесшумно и с минимальными потерями кислорода и сил подбираться к важным объектам противника. К сожалению, о технических характеристиках этой интересной и перспективной системы пока ничего не известно.

2.8. Художественно-конструктивный анализ прототипа

Японская компания Cyberdyne предложила использовать экзоскелет HAL (рис. 2.8.) для работы на атомных электростанциях, а также для разбора завалов на «Фукусиме-1». Моторизованные конечности позволят рабочим поднимать тяжелые объекты, а герметичный костюм обеспечивает при этом защиту от радиации. Сейчас для этих целей приходится использовать более сложные и громоздкие конструкции.

Рис. 2.8. Экзоскелет HAL

Представители Cyberdyne отметили, что новый вид экзоскелета HAL позволяет рабочему на месте аварии удерживать на себе вес вольфрамового защитного костюма не чувствуя его тяжести. Легкие защитные костюмы способны остановить лишь слабые формы излучения — их надевают не для создания общего барьера для радиации, а для того, чтобы взвешенные в воздухе изотопы не попадали на тело рабочего.

Полноценная защита, способная остановить радиацию, слишком тяжела для человека, поэтому при ликвидации последствий аварий надевают облегченные версии таких костюмов, а работы для каждого человека продолжаются очень короткое время, чтобы доза облучения была небольшой. Однако с экзоскелетом HAL рабочие смогут надевать защиту из тяжелых вольфрамовых пластин, которые останавливают даже излучение высокого уровня и позволяют увеличивать продолжительность выполнения заданий. На сегодняшний день это самый выгодный вариант для проектируемого изделия.

Технические характеристики:

Грузоподъемность экзаскелета составляет 80 кг;
Время работы – 6 часов;
Количество шарниров – 16;
Потребляет энергии – 50 ам\ч;
Вес – 30 кг;
Производится регулировка размерности;
Водонепроницаем;

3. Аналоги оборудования

3.1 Аккумуляторы

В разрабатываемом проекте рассматриваются аккумуляторы марки OPzS. На сегодняшний день классические свинцово-кислотные аккумуляторы OPzS в России и зарубежных странах изготавливаются в нескольких видах: моноблоками или отдельными элементами. Аккумуляторы OPzS это стандартные малообслуживаемые (требуют минимум временных и технических затрат на обслуживание) кислотно-свинцовые аккумуляторы с жидким электролитом.

Аккумуляторы OPzS — это панцирные аккумуляторы, которые имеют положительные пластины, отвечающие стандартам DIN 40736.1, ГОСТ Р МЭК 896—1-95 (МЭК 60896.1). Данный вид аккумуляторов предназначен для систем резервного энергопитания в промышленном оборудовании, телекоммуникационных системах, промышленных установках, атомных, гидро- и теплоэнергостанций до стандартных источников бесперебойного питания. По нормам VDE 0107 и VDE 0108 аккумуляторы OPzS служат источниками электрического тока в охранных системах.

Средний срок эксплуатации аккумулятора OPzS от компании «НПО ССК (SSK group)» составляет от пятнадцати до двадцати лет. Данный период является несомненным конкурентным преимуществом аккумуляторов от ССК. Также частота доливания воды в аккумулятор — один раз в 2—3 года, что позволяет максимально уменьшить затраты на обслуживание аккумуляторов OPzS. Полностью заряженный элемент подобного аккумулятора может храниться не менее шести месяцев до очередной подзарядки.

В некоторых ситуациях аккумуляторы OpzS могут обеспечить нагрузку постоянного тока в объеме 100%. При этом элементы таких аккумуляторов работают в параллельном режиме(резервном). При необходимости свинцовые аккумуляторы могут работать и в циклическом режиме при определенных его конфигурациях.

Аккумуляторы OPzS от компании ССК привлекают покупателей высокой надежностью и эффективностью работы, а также конкурентоспособной ценой. Для монтажа данных аккумуляторов не требуется дополнительных затрат времени и технических средств. Основной корпус свинцово-кислотного аккумулятора виды OpzS изготовлен из SAN пластика, который благодаря своей прозрачной основе позволяет контролировать уровень электролита(заполненность заряда, необходимость подзарядки аккумулятора). Электролит, который является основой аккумуляторов OPzS представляет собой водный раствор серной кислоты.
 
Область применения аккумуляторов: телекоммуникации; телефонные и телеграфные станции; системы мобильной и пейджинговой связи; системы космической связи; радиорелейные станции; бесперебойного питания UPS; томные, тепло- и гидроэлектростанции; трансформаторные подстанции электрических сетей; резервные системы солнечной энергетики; системы организации и управления воздушным движением; системы безопасности и оборонной промышленности; нефтегазовая и горнодобывающая промышленность; железные дороги. Общие характеристики аккумуляторов: Малообслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы серии OPzS компании SSK Group с положительными пластинами в панцирном исполнении предназначены для системы резервного энергопитания объекта. Аккумуляторы отличаются длительным сроком службы, свыше 20 лет, и могут применяться в циклическом и буферном режиме работы.

Особенности: классический аккумулятор с жидким электролитом; высокая надёжность и эффективность работы; малообслуживаемые; время хранения полностью заряженного элемента до подзаряда составляет 6 месяцев; частота долива воды 1 раз в 2-3года.

Трубчатая положительная пластина, выполненная по панцирной технологии из свинцово-сурьмяного сплава с низким содержанием сурьмы (не более 1,7%). Корпус изготовлен из прозрачного SAN пластика, что позволяет легко контролировать уровень электролита. Электролит представляет собой водный раствор серной кислоты плотностью 1,23гр/см?. Пробки выполнены пожаровзрывобезопасными. Борны выполнены из свинца с латунными вставками для улучшения проводимости. Сепаратор между положительными и отрицательными пластинами выполнен из микропористого, гофрированного материала. Межэлементные перемычки изготовлены из меди. Крепление перемычки к борну производится с помощью болтового соединения.

Рис. 3.1. Малообслуживаемый,свинцово-кислотный аккумулятор SSK Cерии OPzS

Малообслуживаемый, свинцово-кислотный аккумулятор SSK Cерии OPzS. Номинальное напряжение 2V,электролит плотностью 1,23 гр/см. куб. Срок службы более 20 лет.

H1- высота аккумулятора без выводных борнов;
H2 — высота аккумулятора с выводными борнами;
m1 — масса аккумулятора без электролита;
m2 – масса аккумулятора с электролитом

3.2. Шаговый электродвигатель

Шаговый электродвигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток подаваемый в одну из обмоток статора вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения.

Конструктивно шаговые электродвигатели состоят из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора, выполненного из магнито-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнито-твёрдого (магнитного) материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют получать бо́льший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных обмотках. Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами.

Статор гибридного двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов для 1.8 — 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов, когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть между ними.

Рис. 3.2. Шаговый электродвигатель

Ротор гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянный магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными полюсами, а зубцы нижней половинки — южными. Кроме того, верхняя и нижняя половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи.

3.3. Дыхательный аппарат замкнутого цикла

Аппараты предназначен для использования частями ГПС, МЧС, ВГСО, производственным персоналом и аварийно-спасательными формированиями предприятий с потенциально опасным производством. Позволяет выполнять работу и спасательные действия в течение длительного времени (до 5 часов), например, при тушении пожаров в тоннелях, больших складах, многоэтажных зданиях или при работе горноспасательных команд. Дыхательный аппарат MSA AirElite 5h — аппарат замкнутого цикла с регенерацией дыхательной смеси. Процесс регенерации происходит в сменных кассетах, заполненных перекисью калия KO2. При ее взаимодействии с углекислым газом и водяным паром из выдыхаемого воздуха происходит изотермическая реакция с поглощением углекислого газа и выделением кислорода. Выделившееся при этом тепло поглощается специальным материалом. Кроме того, регенерационный материал поглощает бактерии, а противопылевой фильтр — частицы. В результате, на вдохе получается очищенная, насыщенная кислородом, прохладная и сухая дыхательная смесь. Особенностью данной регенерации является то, что количество регенерированного кислорода прямо пропорционально интенсивности дыхания, но при этом количество выделенного кислорода всегда больше количества поглощенного.

Преимущества:

Продолжительное время защитного действия (до 5 часов).
Не требуется дополнительных охлаждающих устройств или веществ, а также баллонов с кислородом, насосов и дорогостоящих тестовых устройств.
Система зависит только от дыхания.
Простая безопасная конструкция.
Минимальное обслуживание.
Длительный период хранения.
Высокий комфорт при эксплуатации.
Электронное контрольное устройство со встроенным датчиком неподвижного состояния.

Рис. 3.3. Дыхательный аппарат замкнутого цикла

3.4. Сварочный аппарат

Однофазный сварочный аппарат ВМЕ 160 (ВМ 50.00.000) — это в данный момент, самая популярная модель инверторов серии ВМЕ. Этот сварочный аппарат сочетает в себе необходимые качества высококлассного инвертора, такие как: высокий процент продолжительности включения при максимальном токе (ПВ 70% при 160А), минимальные габаритные размеры, вес и многие другие. Инвертор дает более мягкую и эластичную дугу, а его удивительные рабочие характеристики, размеры, вес — являются большим преимуществом при работе на ответственных участках и на высоте. Аппарат стабильно работает даже от 4 кВт автономных генераторов – что весьма удобно при отсутствии электросети. Работу можно проводить любыми существующими электродами постоянного или переменного тока, вольфрамовыми, специализированными. Быстрое охлаждение сварочного аппарата происходит с помощью мощного вентилятора — уникальная система обдува позволяет работать инвертором в течение всего дня. При использовании дополнительного оборудования, сварочным инвертором ВМЕ 160, возможна работа в среде инертных газов (TIG сварка). Наш инвертор зарекомендовал себя как универсальный сварочный аппарат — он идеально подходит для работы, как любителей, так и профессионалов, незаменим в быту, при работах на садовых и дачных участках, прекрасно подходит для любого ремонта! Этот сварочный аппарат отличный подарок – для ваших отцов, друзей, коллег, товарищей. Уникальность сварочного аппарата ВМЕ 160 уже по достоинству оценили тысячи сварщиков-профессионалов и любителей по всей России и СНГ.

Рис. 3.4. Сварочный аппарат

4. Проектная ситуация

4.1. Работы по деблокированию пострадавших

Деблокирование пострадавших при проведении спасательных работ в условиях разрушения зданий представляет собой комплекс мероприятий, проводимых для обеспечения доступа к пострадавшим, высвобождения их из-под обломков строительных конструкций и из замкнутых помещений и использования путей их выноса (извлечения) из мест блокирования. В зависимости от местоположения пострадавших (под скальными, грунтовыми, земляными, снежными завалами, под селевыми отложениями; под обломками строительных конструкций; в замкнутых помещениях; на верхних этажах разрушенных зданий) работы по деблокированию имеют свои технологические особенности.

Пострадавших, находящихся под скальным, грунтовым, снежно ледяным завалом, деблокируют с помощью шанцевого инструмента и средств малой механизации. При этом необходимо в кратчайшие сроки (ввиду угрозы гибели пострадавших от удушья) обеспечить им доступ воздуха. При большом объеме спасательных работ в местах предполагаемого нахождения людей отрывается траншея или несколько траншей поперек схода снежной лавины (селя, оползня) для обеспечения их деблокирования. Нельзя широко применять инженерную технику при работах по деблокированию в грунтовых и снежно ледяных завалах, так как повышается вероятность нанесения дополнительных травм пострадавшим; использование техники в этих условиях возможно только при больших объемах работ и крайне ограниченном времени.

Рис. 4.1. Работы по деблокированию пострадавших

Выполнение работ по деблокированию осуществляется следующими действиями спасателей:
– прорываются лазы в грунтовом и снежно ледяном завале;
– устраиваются галереи в грунтовом и снежно ледяном завале;
– производится последовательная разборка завала;
– пробиваются проемы в железобетонных (бетонных) и кирпичных стенах и перекрытиях (покрытиях);
– осуществляется спуск пострадавших с верхних этажей через различные проемы или их вывод (вынос) по сохранившимся или восстановленным (укрепленным) лестничным маршам.

Пострадавших, находящихся в завалах, деблокируют с помощью шанцевого инструмента и средств малой механизации (СММ). В теле завала проделываются траншеи поперек схода снежной лавины, селя, оползня для установки мест наибольшего скопления людей и дальнейшего их деблокирования. Применение инженерной техники при проведении работ по деблокированию пострадавших, находящихся под грунтовым, снежно ледяным завалом, нежелательно, т.к. повышается вероятность нанесения дополнительных травм пострадавшим. Использование инженерной техники возможно только при большом объеме работ и ограниченном времени их проведения. В этих условиях для инженерной техники оборудуются площадки, насыпи (при селях, снежных лавинах) и проводятся заградительные работы по предотвращению дальнейшего смещения грунта, льда и снежных масс.

Устройство лаза в снежноледяном (грунтовом) завале производится методом расширения естественных полостей. Сущность метода заключается в увеличении объемов естественных полостей и пустот в теле завала за счет принудительного перемещения фрагментов завала на необходимое расстояние в заданном направлении с последующей его фиксацией при помощи элементов крепления. В таких условиях устраиваются прямолинейные или криволинейные ходы, позволяющие перемещаться спасателям и осуществлять извлечение пострадавших. Для этих работ применяется шанцевый инструмент и комплекты специальных средств и приспособлений (винтовые, пневматические и гидравлические домкраты большой грузоподъемности, расширители, портативные лебедки и др.).

Расширение полостей и пустот осуществляется в следующей последовательности:

– определяются геометрические размеры полости (ниши), размеры прилегающих обломков, углы их наклона относительно плоскости земли;

– выбираются направления и способы перемещения фрагментов завала;

– устанавливаются домкраты и различные приспособления, с помощью которых производится перемещение фрагментов завала необходимого объема и в заданном направлении. Фиксация перемещаемых фрагментов завала и укрепление свода лаза производится специальными элементами крепления (штангами с изменяющимися размерами и т.п.). Способы установки креплений, их количество и углы фиксированного положения обеспечивают устойчивость прилегающей части завала как в продольном, так и поперечном направлениях. Элементы крепления в лаз подаются вручную. При обнаружении в направлении устройства лаза крупных фрагментов завала выбирается кратчайшее расстояние их обхода с учетом размещения фрагментов. Резка арматуры производится специальными ножницами или другим оборудованием. Применение газовых резаков ограничивается по условиям возможного скопления газов и противопожарной безопасности. После обрезки арматуры оставшиеся хвостики заделываются заподлицо с сечением лаза.

Выбор мелких фрагментов и других структурных составляющих снежно ледяного завала, погрузка их в специальные емкости для последующей транспортировки, перемещение и выгрузка осуществляются вручную.

Работы по устройству лаза выполняются, как правило, специальной группой в составе командира группы и 4 х спасателей. При устройстве лаза применяются три способа расширения полостей:

1) Расширение в вертикальном направлении, для чего применяются домкраты большой грузоподъемности и различных конструкций; способ очень трудоемкий, так как связан с перемещением почти всей прилегающей к полости части завала.

2) Расширение полости в горизонтальном направлении; оно может осуществляться в одном направлении или быть двусторонним (обломки перемещаются в противоположных направлениях).

3) Расширение в сферическом направлении, когда перемещение фрагментов завала осуществляется по радиусам полусферы, центром которой является осевая линия лаза. Расширение может производиться как в полной полусфере, так и в ее части.

Рис. 4.2. Работы по деблокированию пострадавших

В ходе проведения работ по устройству лаза применяется комплексное сочетание различных способов и приемов для перемещения фрагментов завала и расширения полостей.

Сечение лаза в свету должно составлять не менее 0,5–0,6 м (углы поворотов – не более 90°) и обеспечивать возможность перемещения пострадавших на мягкой волокуше. В месте нахождения пострадавших сечение лаза по возможности должно быть увеличено до 0,8–1,0 м2 в свету в целях создания необходимых условий для оказания пострадавшему экстренной медицинской помощи и подготовки его к транспортировке .

Устройство галереи в снежноледяном (грунтовом) завале – это совокупность действий спасателей по деблокированию пострадавшего путем относительно прямолинейной проходки к нему в теле завала. Галереи устраиваются в случаях значительного (до 20 м) удаления пострадавшего от поверхности завала, когда его местонахождение известно точно или когда применение других способов деблокирования неэффективно (невозможно). В зависимости от структуры и характера завала и влияния других факторов выживания деблокирование может осуществляться проходкой по горизонтальной или наклонной галерее.

Устройство галереи предполагает выполнение следующих технологических операций:

– подготовительных работ;
– разработки массы завала по оси намеченной трассы проходки;
– установки креплений;
– деблокирования пострадавшего непосредственно в месте его нахождения.

Подготовительные работы включают выбор рабочего места и направления галереи, ограждение места производства работ попериметру или установка предупреждающих (запрещающих) знаков, подготовку рабочей площадки, аварийно спасательного инструмента, технических средств, элементов крепи.

Важной особенностью процесса разборки завала в целях деблокирования пострадавших является предотвращение (недопущение) смещения элементов завала и сохранение их в положении устойчивого равновесия. Это достигается поэтапной организацией работы. На первом этапе выполняются операции с ограниченным применением средств механизации, работа которых сопровождается значительными ударными нагрузками, сильной вибрацией и смещением (обвалом, падением) обломков. На втором этапе, когда работы ведутся в непосредственной близости к пострадавшим, применяется только ручной аварийно спасательный инструмент.

4.2. Промышленная авария

Повреждения, пожары, разрушения, уничтожение технических устройств или сооружений на промышленном объекте, происшедшие по конструктивным, производственным, технологическом или эксплуатационным причинам, а также по причине случайных и несанкционированных внешних воздействий, следствием которых могут быть человеческие жертвы, ущерб здоровью людей и природной среде, значительные материальные потери.

Эти ситуации, как правило, сопровождаются разливом технологических сред по промплощадке. В зависимости от скорости парообразования в результате теплоотдачи от твердой поверхности разлива и испарения по зеркалу разлива могут образовываться огромные взрывоопасные парогазовые облака.

Промышленные аварии в этой отрасли приводят к обострению экологической ситуации в регионе. Строительство объектов большой мощности при недостаточной проработке вопросов аспирации, вентиляции, пылегазоочистки приводит к постоянным аварийным выбросам в атмосферу значительного количества вредных веществ.

Аварии и катастрофы в большинстве случаев приводят к наиболее тяжелым экологическим последствиям.

Исследованиями реальных промышленных аварий установлено, что при сравнительно медленных разрушении емкостей и испарении жидкости образуется малое число крупных осколков, и взрывные волны при этом незначительны. Однако ситуации осложняются, если взрыв вызывается нагревом, при котором возможно появление огненного шара, подпитываемого топливом.

Исследования многочисленных промышленных аварий и катастроф еще раз убеждают нас в том, что масштабы и — тяжесть их последствий находятся в прямой зависимости от энергетических потенциалов ( занесенной энергии) технологических систем.

Исследованиями реальных промышленных аварий установлено, что при сравнительно медленных разрушении емкостей и испарении жидкости образуется малое число крупных осколков, и взрывные волны при этом незначительны. Однако ситуации осложняются, если взрыв вызывается нагревом, при котором, возможно появление, огненного шара, подпитываемого топливом.

Рис. 4.3. Промышленная авария

Исследования многочисленных промышленных аварий и катастроф еще раз убеждают нас в том, что масштабы и тяжесть их последствий находятся в прямой зависимости от энергетических потенциалов ( запасенной энергии) технологических систем.

При промышленных авариях скорости парообразования пролитых жидкостей могут достигать огромных размеров. Это обусловлено, во-первых, тем, что при авариях часто происходит разлив сжиженных газов и других жидкостей, имеющих температуру кипения ниже температуры окружающей среды, и, во-вторых, большими площадями, на которых может разлиться жидкость. В результате за незначительное время при теплоотдаче от твердой поверхности и испарении по зеркалу разлива образуются паровые облака.

При промышленных авариях скорости парообразования пролитых жидкостей могут достигать огромных размеров. В результате за незначительное время при теплоотдаче от твердой поверхности и испарении по зеркалу разлива образуются паровые облака.

Пожары при промышленных авариях вызывают разрушения сооружений вследствие сгорания или деформации их элементов от высоких температур. Действие высоких температур вызывает пережог, деформацию и обрушение металлических ферм, балок перекрытий и других элементов сооружений. Кирпичные стены и столбы, особенно внутренние, также деформируются. В кладке из силикатного кирпича при длительном нагревании до 500 — 600 С наблюдаются расслоение кирпича трещинами на отдельные ле-щадки и разрушение материала.

Пожары при промышленных авариях вызывают разрушение сооружений вследствие сгорания или деформации их элементов от высоких температур. Действие высоких температур вызывает пережог, деформацию и обрушение металлических форм, балок перекрытий, сосудов, трубопроводов и др. Кирпичные стены и столбы ( особенно внутренние) при длительном нагревании до 500 — 600 С разрушаются, а при 400 С теряют до 30 — 50 % прочности. Особенно опасны аварии на объектах нефтегазодобывающей промышленности и химических производствах.

Из всех возможных сценариев промышленных аварий на нефтепроводах наиболее экстремальными являются те, которые связаны с авариями, происходящими на территориях водосборных бассейнов крупных рек. Это связано как с тем, что нефть является одним из наиболее опасных загрязнителей элементов природной среды, особенно гидросферы, так и с тем, что она может распространяться по водотокам на значительные расстояния и оказывать негативное экологическое воздействие на больших территориях.

Конвенция о международных последствиях промышленных аварий, также подписанная в Хельсинки в марте 1992 г., охватывает вопросы предотвращения промышленных аварий, могущих иметь международные последствия, готовности к подобным авариям и борьбы с их последствиями. К основным обязательствам относятся сотрудничество и обмен информацией с другими сторонами конвенции. Детальной системой из тринадцати дополнений конвенции устанавливаются системы идентификации опасных видов деятельности, влекущих за собой международные последствия, а также предусматривается развитие оценки воздействия на окружающую среду ( EIA) на международном уровне ( в соответствии с вышеуказанной конференцией 1991 г. в Эспоо) и принятие решений о размещении потенциально опасных видов деятельности. К требованиям конвенции относятся также готовность к чрезвычайным ситуациям и доступность информации для общественности, а также для других участников конвенции.

Рис. 4.4. Промышленная авария

5. Задача проектируемого изделия

Для проведения конкретизации задачи, необходимо обозначить её границы. Для начала перечислим основные факторы: человеческий фактор, возможности современной техники, требования исходящие от ситуации.

Возможностей человека, время плодотворной, активной работы в экстремальных условиях не больше 5 часов. Из этого времени вычитаем приблизительно 2 часа на дорогу в место аварии из штаба и обратно. Остается 3 часа на выполнение миссии. Даже с самым преувеличенным подсчетом получается 1 час беспрерывной работы сварочного оборудования. Из этой цифры можно получить критерии аккумулятора равный 300 ампер в час. Аккумуляторы бывают разные и в данном случае надо уделить внимание массе.

Касаемо технической части, нужно отметить что на протяжение всей задачи будет преследоваться цель, сократить габаритность и массу оборудования на максимум. Отталкиваясь от прототипа, предельная грузоподъёмность составляет 80 кг.

Самый легкий аккумулятор, подходящий к этим критериям, весит приблизительно 30 кг, примером может, служит модель кислотного аккумулятора серии OPzS о котором ниже будет говориться подробнее. Таким образом, получена минимальная масса аккумулятора равная 30 кг.

Дальше проведем рассуждение об инверторе. Трансформатор не рассматривается, так как любая модель трансформатора имеет значительно больший вес и габаритные размеры, чем инвертор с такими же техническими характеристиками. Так как в данной проектной ситуации желательно преследовать меньший размер и габариты — хорошо подходит модель однофазного сварочного аппарата ВМЕ 160 (ВМ 50.00.000). Это в данный момент, самая популярная модель инверторов серии ВМЕ. Этот сварочный аппарат сочетает в себе необходимые качества высококлассного инвертора, такие как: высокий процент продолжительности включения при максимальном токе (ПВ 70% при 160А), минимальные габаритные размеры, вес и многие другие. Инвертор дает более мягкую и эластичную дугу, а его удивительные рабочие характеристики, размеры, вес — являются большим преимуществом при работе на ответственных участках.

Масса:2,5кг.
Габаритные размеры : 190 Х 240 Х 70 мм.

Дыхательный аппарат – это одна из ключевых звеньев системы. Дыхательный аппадат более габаритен и имеет сравнительно большой вес, по этому его компоновка в костюме ртебует к себе большего внимания.

Система управления и контроля, также привлекает к себе инновации, для упрощения и ускорения процесса работа оператора. Для получения информации используются маленький монитор и беспроводная связь. Для управления используются джойстики. Разрабатываемое изделие становится комплексом оборудования, тесно связанного по функционалу.

6. Конструктивный анализ

Рис. 6. Схема комплекса систем разрабатываемого изделия

В разрабатываемом изделии конструктивную часть можно рассматривать как комплекс систем находящихся в плотном контакте друг с другом. На рисунке 6. показаны все системы разрабатываемого изделия. 1 – центральная система, представлена компьютером и преобразователем мощности. С центральной системой связаны все элементы разрабатываемого изделия. Через компьютер проходят все операции, фиксируются, обрабатываются. Информация из компьютера поступает через беспроводную связь в штаб. К центральной системе питание подходит через тиристорный преобразователь, который в свою очередь является соединяющим звеном всей системы аккумуляторов – 7. Система аккумуляторов рассредоточена по всему костюму. От центральной системы питание расходится по другим системам. Также есть запасной аккумулятор, который питает систему в аварийной ситуации. Этот аккумулятор обеспечивает питанием экзоскелет и дыхательный аппарат, сварочное оборудование остается без питания. Также есть ещё один запасной аккумулятор, только для дыхательного аппарата. Он включается в критической, аварийной ситуации, когда по каким-то причинам система передвижения не работает или в случае завала. Система контроля и управления (8) представлена двумя джойстиками и монитором, а также системой связи: микрофон и наушники. К каждой руке подходит джойстик, с помощью которых идет управление всеми элементами системы. Оператор видит панель управления через мини-манитор и выбирает нужные ему функции и программы. А также может получать видеосигнал из штаба. Рама (3) и дополнительная рама (2) выполняют функцию основы, выдерживающей нагрузки. Элементы дополнительной рамы могут быть сняты или заменены, в случае если того требует ситуация. Сварочное оборудование (4) состоит из инвертора, катушки с дополнительным материалом и горелки. Сварочное оборудование является основным потребителем электроэнергии. Также со сварочным оборудованием тесно связано дополнительное оборудование, которое представлено шлифовальной машиной и механическим зажимом. Разрабатываемое изделие учитывает возможные модификации, а также перепрофилирование под другие функции; к примеру – грузопереноски, или разрушение бетонных конструкций.

6.1. Крепление шагового двигателя к раме

Рама, держащая всю конструкцию, выполняется из легкого и прочного металла (титан). Рама разбита на 20 отдельных частей (кости), согласно человеческому скелету, эти кости соединены 19 шаговыми двигателями — без редуктора. Вал двигателя крепится к одной коси, корпус двигателя к другой (рис 6.1.), таким образом, осуществляется вращение кости относительно другой.

Рис. 6.1 крепление шагового двигателя к раме.

1 — шаговый двигатель;
2 — держатель (предназначен для фиксации вала двигателя на обратной стороне второй кости);
3 — вал двигателя выполнен из прочного сплава стали рассчитанный на большие нагрузки, так как является частью конструкции и принимает на себя нагрузку. Радиус вала не менее 15 мм;
4 — отверстие в валу двигателя для держателя, предназначено для фиксации вала относительно второй кости;
5 — рама (кость А) имеет рёбра жесткости для увеличения технических характеристик;
6 — отверстия с резьбой проделанные в кости А для закрепления шагового двигателя к раме;
7 — сквозное отверстие в кости А для выла шагового двигателя;
8 — болт (4 шт) крепят шаговый двигатель к кости А;
9 — рама (кость Б).

6.2. Система проводов

К раме крепятся провода, соединяющие все оборудование экзоскелета (аккумуляторы, двигатели, дополнительный инструмент, датчики и т.д. ) с центром механизмом, которым является компьютер. В одном потоке с проводами также пущены трубки вентиляции, подающие непрерывно поток воздуха, который выполняет функцию охлаждения. На рис. 6.2. подробно рассмотрены все элементы системы проводов.

Рис. 6.2. Схема элементов системы проводов.

1 – аккумулятор;
2 – крепление аккумулятора к раме (к кости А);
3 — рама, кость А;
4 — гнездо(вход) аккумулятора обеспечивающее контакт с центром;
5 — провод отходящий от общего потока;
6 — отверстие проделанное для прохода провода на обратную сторону рамы (кости);
7 — вал шагового двигателя(зафиксированный держателем);
8 — участок гофры рассчитанный на сгиб;
9 — шаговый двигатель;
10 — рама, кость Б;
11- гофра.

Гофра фиксируется специальными креплениями (хомут), выполненными из листов жести, которые прикручиваются болтом в раму.

6.3. Регулятор размера

Рама экзоскелета, стремится повторить костное строение человека, очерчивая его по контуру тела. Также рама рассчитана на людей разного роста: от 1700мм до 1850мм. Эту возможность нам дают 15 регуляторов размера. На рисунке 6.3. описан принцип работы регулятора размера.

Рис. 6.3. регулятор размера, принцип работы.

1 — кнопка, меняющая режимы трансформации заблокировано/свободно ;
2 — трос соединяющий кнопку и механизм блокировки. Позволяет расположить кнопку в корпусе независимо от положения механизма;
3 — механизм блокировки, прижимает одну часть рамы к другой, таким образом, фиксирует положение костей;
4 — рама, кость;
5 — отверстие для статичного бруса кости Б;
6 ,9 — зубья на обеих частях рамы, обеспечивают жесткое крепление;
7 — сквозное отверстие в раме для вала двигателя;
8 — поперечный брус, блокирует отсоединение кости А от кости Б.

6.4. Рама

Рама экзоскелета, стремится повторить костное строение человека, очерчивая его по контуру тела. На рисунке 6.4. представлена рама (основная рама) (помечена белым цветом), дополнительная рама (помечена зеленым цветом), двигатели (помечено красным цветом). Дополнительная рама крепится к основной — разъёмным соединением. Этот ход применяется для увеличения мобильности изделия. В случае если функция, которую даёт дополнительная рама, не нужна её снимают с конструкции или заменяют на другую модель. Дополнительные рамы устанавливаются на руки, ноги, корпус. Корпус, в свою очередь, можно разделить на три части: передняя рама (обхватывает переднюю часть грудной клетки и живота человека), средняя рама (крепится непосредственно к основной раме и является основой для передней и задней рамы), задняя рама (обхватывает область рюкзака, защищая тем самым содержащееся там оборудование: дыхательный аппарат, инвертор, компьютер и т.д.) О дополнительной раме, более подробно, речь пойдет в следующем пункте. Основная рама разделена на 20 частей(костей), 15 из них имеют регулятор размера. При определение строения конструкции, количества суставов – преследовалась цель минимизировать число звеньев. Однако, в аналогах преобладающе используется 8 двигателей (локоть, плече, колено, бедро). Такой подход делает экзоскелет менее подвижным. В проекте ставится задача разработать экзоскелет для сварочных работ. Если проанализировать количество положений, поз для сварочных работ, можно сделать вывод, что необходимо увеличивать число степеней свобод. Если рассмотреть задачу стоящую перед экзоскелетоп, в случае если необходимо сделать упор на колено или вести сварочные работы лёжа, то обойтись 8-ю двигателями будет крайне сложно. Дополнительная рама руки крепится на разёмном соединение к основе. Имеет такие же функции как и рама ноги: упор и разрушение небольших препядствий. Рама руки подробно рассматриваться не будет.

Рис. 6.4. Рама дополнительная рама, двигатели.

6.5. Основная рама

Функция рамы заключается в предоставление надежной основы для закрепления остальных элементов костюма в согласованности с эргономическими требованиями. Защиту от ударов, высокой температуры и активных веществ, берёт на себя корпус, выполненный из композитного материала, предназначенного для ведения работ в экстремальных условиях. Основная рама выполнена из легкого и прочного металла (Титан). Рама имеет ребра жесткости, которые увеличивают её характеристики сопротивления нагрузкам. Также возможен вариант разработки экзоскелета с полой рамой это дает возможность поместить внутрь рамы провода и другие элементы костюма , одновременно защитить от повреждений и сэкономить пространство. В данном проекте рассматривается двутавровая рама, однако не отрицается использование и других видов рам. Вес рамы можно приблизительно назвать отталкиваясь от аналогов 20-30кг.

Рис. 6.5. Основная рама, составные части (кости).

Основная рама (рис. 6.5. ) состоит из частей (костей):
1 верхняя плечевая,
2 средняя плечевая,
3 нижняя плечевая,
4 локтевая,
5 верхнее бедро,
6 среднее бедро,
7 нижнее бедро,
8 коленная,
9 стопа,
10 верхняя позвоночная,
11 нижняя позвоночная,
12 поясничная.

6.6. Дополнительная рама корпуса

Как уже упоминалось выше, дополнительная рама корпуса состоит из 3х частей: передняя рама (обхватывает переднюю часть грудной клетки и живота оператора), средняя рама (крепится непосредственно к основной раме и является основой для передней и задней рамы), задняя рама (обхватывает область рюкзака, защищая тем самым содержащееся внутри неё оборудование: дыхательный аппарат, инвертор, компьютер и т.д.). Дополнительная рама корпуса, в данном проекте, выполняет функцию держащей, удерживающей основы, а не противоударной. Однако, если того требует ситуация на основную раму можно установить более прочную дополнительную раму. Но в ситуации рассматриваемой в этом проекте преследуется цель минимизировать вес всех элементов и так как противоударность не в приоритете, рассматривается легкая рама. Вес дополнительной рамы корпуса приблизительно равен 4-7 кг.

Рис. 6.6.1. Дополнительная рама, схема крепления

Дополнительная передняя рама корпуса в проекте рассматривается прежде всего как дополнительное пространство для размещения аккумуляторов. Её второй функцией является защита оператора от удара в грудь. Также на раму можно установить дополнительное оборудование такие как: фонарь, видеокамеру, тепловизет, микрофон, светоотражатель и т.д. Дополнительная передняя рама корпуса фиксируется на средней раме благодаря несложному креплению представляющий две рельсы (рис. 6.6.2.): малая и большая. Малая рельса 7, с рядом отверстий 6, входит в большую 3 и при помощи автофиксатора 2, в основе которого лежит пружина, закрепляет положение. Механизм 9 , приводится в действие нажатием кнопки 10, тем самым снимает фиксацию. Это дает возможность отрегулировать нужный нам размер. Также важно упомянут, что кнопка 10 соединена с механизмом 9 по средствам троса , использование которого дает возможность расположить кнопку в удобном месте с точки зрения эргономики. Передняя дополнительная рама имеет четыре точки крепления: две нижние и две верхние. Принцип крепления нижних и верхних одинаковый. На рисунке 6.6.2. изображено также дополнительное соединение: электропровод 1, вилка и розетка (штекер и гнездо) . Эко соединение обеспекивает контакт с аккумуляторами ( и с другой техникой если таковая установлена)

Рис. 6.6.2. фиксация передней дополнительной рамы к средней дополнительной, верхняя часть.

1 — электропровод,
2 — механизм автофиксатор,
3 — дополнительная средняя рама,
4 — Эс-образный вырез рамы,
5 — штекер и гнездо,
6 — отверстия для фиксации,
7 — малая рама, передняя дополнительная рама,
8 — трос,
9 — механизм снятия блокировки,
10 — кнопка.

Рис. 6.6.3. фиксация передней дополнительной рамы к средней дополнительной, нижняя часть.

1 дополнительная средняя рама,
2 механизм автофиксации,
3 Эс-образный вырез рамы,
4 малая рама, дополнительная передняя рама,
5 отверстия для фиксации,
6 механизм снимающий блокировку,
7 трос,
8 кнопка.

Дополнительная задняя рама корпуса выполнена также как и средняя и передняя рама из легкого металла. Имеет небольшое ребро жесткости. Рама в поперечном сечение эс-образна. Задняя рама повторяет пластику корпусы, практически сливаясь с нив в единую форму. Задняя рама крепится к средней при помощи нескольких замков расположенных по контуру соприкасающейся части рамы. Вторая часть этих замочков, представляет собой отверстие Т-обрасной формы, в продольном сечение, расположена на средней раме, позволяет зафиксироваться механизму замка. На задней раме все замки соединяются по средствам троса и представляют собой единую систему, центральным звеном которой является рычаг. Рычаг приводит всю систему в действие.

Рис. 6.6.4. схема задней дополнительной рамы.

1 средняя дополнительная рама;
2 катушка с дополнительным материалом;
3 задняя дополнительная рама;
4 верхняя позвоночная рама (основная рама);
5 инвертор;
6 дыхательный аппарат;
7 рычаг приводящий в действие систему замков;
8 замок (11 шт) фиксирует дополнительную заднюю раму.

Рис. 6.6.5. Схема работы замка

1 замочный вал;
2 вал для троса;
3 трос;
4 Т- образная часть механизма;
5 Т-образное отверстие;
6 основа крепящаяся к средней дополнительной раме.

Дополнительная рама ноги расположена в передней голенной части. Дополнительная рама здесь выполняет сразу несколько функций. Первая функция – обеспечение оператору надёжный упор коленом при ведение сварочных работ. Вторая – рама дает возможность наносить удары ногой для разрушения не больших преград, таких как двери , доски, тонкие бетонные плиты и т.д. Для обеспечения более удобного положения, рама состоит из двух частей: основная и колено. Отдельная часть колена соединяется с основной рамой по средствам специальной пластины из гибкого металла. Это дает возможность коленной части трансформировать своё положение в момент упора. Дополнительная рама ноги снимается, одевается, и фиксируется на основную раму таким же механизмом, как и в дополнительной передней раме, дающим возможность настраивать размер. Дополнительная рама ноги также рассматривается в данном проекте, как и остальные дополнительные рамы, как элемент конструкции, который можно снять в случае неактуальности.

Рис. 6.7. дополнительная рама ноги,схеме крепления.

1 основная рама;
2 механизм автоблокировки. В основе механизма лежит пружина;
3 Эс-образный вырез внутри рамы;
4 дополнительная рама ноги;
5 отверстия для обеспечения фиксации;
6 механизм снимающий блокировку;
7 трос соединяющий механизм снимающий блокировку и кнопку;
8 кнопка активирующая механизм снимающий блокировку.

6.8. Дыхательный аппарат

Дыхательный аппарат (рис 6.8. ) рассматривается в этом проекте как сменный элемент костюма. То есть – если того требует ситуация – дыхательный аппарат можно снять. Так как дыхательный аппарат предназначен для работы в месте с отравляющими газами, его актуальность пропадает при работе на открытом воздухе. Дыхательный аппарат крепится к костюму на специальных держателях. Дыхательный аппарат рассчитан на пять часов работы, это время как раз подходит к возможностям человеческого тела. После проведения работы в дыхательном аппарате нужно сменить регенеративные канистры (2 шт), так как они уже не пригодны к использованию.

Процесс регенерации происходит в сменных кассетах, заполненных перекисью калия KO2. При ее взаимодействии с углекислым газом водяным паром из выдыхаемого воздуха происходит изотермическая реакция с поглощением углекислого газа и выделением кислорода. Выделившееся при этом тепло поглощается специальным материалом. Кроме того, регенерационный материал поглощает бактерии, а противопылевой фильтр — частицы. В результате, на вдохе получается очищенная, насыщенная кислородом, прохладная и сухая дыхательная смесь. Особенностью данной регенерации является то, что количество регенерированного кислорода прямо пропорционально интенсивности дыхания, но при этом количество выделенного кислорода всегда больше количества поглощенного.

Дыхательный аппарат также подключен к центральной системе (компьютеру), получает питание. Вес аппарата составляет 15 кг.

Рис. 6.8. расположение дыхательного аппарата

Рис. 6.8. Дыхательный аппарат, схема

1стекло, одновременно выполняет функцию светофильтра,
2 дыхательная маска имеет встроенный мембранный микрофон,
3 шланг (2 шт) на вдох и на выдох,
4,6 трубка, дыхательный канал, внутри корпуса,
5 регенеративные канистры, сменные кассеты, время их работы – пять часов.
7 аварийный аккумулятор, срабатывает в случае непредвиденных ситуаций.
8 предохранительный клапан,
9 мешок для вдыхаемого воздуха,
10 воздухораспределитель.

6.9. Система вентиляции

Система вентиляции достаточно проста, состоит из баллона с азотом, регулятора давления, измерителя давления внутри балона, распределителя и гибких трубок соединяющих эти элементы. В баллон объемом 3 литра закачивается Азот до 400 атмосфер. Этого объема достаточно на пятичасовой период, затем баллон необходимо наполнить вновь. Компьютер получает сигналы от термодатчиков расположенных внутри и снаружи корпуса, анализирует ситуацию и если полученные данные не совпадают с таблицей данных заложенных в программу, подает сигнал оператору о возможных опасностях. Если данные совпадают с таблицей, то компьютер реагирует согласно программе. Реакция его в данном случае повысить или понизить подачу газа. Также в компьютер подается информация о давление внутри баллона. Дальше газ поступает по трубке в распределитель из которого выходит несколько трубок, которые расходятся по всему костюму.

Рис. 6.9.1. Место расположения баллона с Азотом(отмечено темно-серым кругом).

Рис. 6.9.2. Схема системы вентиляции

1,4 пневмотрубка;
2 пневмораспределитель – распределяет давление между отдельными каналами уходящих к оборудованию нуждающемуся в вентиляции;
3,6 провода питания и провода сигналов компьютера;
5 баллон – объём баллона составляет 3 литра, выдерживает давление в 400 атмосфер, заполняется Азотом;
7 регулятор и измеритель давления, Эта информация поступает в компьютер и подвергается обработке.

Потоки газа проходя через оборудование покидает корпус костюма через односторонние клапаны. Корпус разрабатывается с учетом герметичности, жидкость не должна попасть внутрь корпуса. Герметичность осуществляется благодаря силиконовым прокладкам расположенных в местах стыка деталей корпуса.

6.10. Система аккумуляторов

Система аккумуляторов строится исходя из ситуации. Ситуация требует минимально 1 час беспрерывной работы сварочного оборудования. Сюда можно прибавить энергию потребляемую экзоскелетом и другим оборудованием. Учитывая эти расходы аккумулятор должен содержать в себе от 300 ампер/час до 500ампер/час. Исходя из этих цифр, можно назвать массу и оббьем аккумулятора. Масса = 25-35 кг, оббьем = 15 – 20 литров. Нужно заметить, что в расчет брались самые малогабаритные аккумуляторы, примером может служить малообслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы серии OPzS 2V. Система расположение аккумуляторов по костюму не содержит в себе строгих критериев. Есть только рассуждения о расположение аккумуляторов, которые помогут приблизить разрабатываемый проект к лучшему варианту. Первым критерием расположения аккумуляторов является стремление снизить габаритность отдельных частей костюма для избежания неповоротливости. Второй критерий исходит из динамики человеческого тела. Более динамичные части тела, такие как кисти рук и стопы, освободить от дополнительного груза. Третий критерий — устойчивость, центр тяжести костюма должен стремиться вниз.

Рис. 6.10. Расположение аккумуляторов по корпусу экзоскелета

Поэтому желательно сместить основную часть аккумуляторов в нижнюю часть человеческого тела. Четвертый критерий – художественный образ. Исходя из вышеперечисленных критериев, устанавливаются грани для художественного образа. Однако, проведя анализ художественных образов, было замечено что выразительные и рационально оправданные пропорции часто совпадают. Это можно объяснить устоявшимся понятием прекрасного, исходящего от природных пропорций, в создание которой участвует естественный отбор, который, в свою очередь, диктует жесткие требования для выживания.

6.11. Сварочное оборудование

Сварочное оборудование в проекте не претерпевает существенных модификаций относительно аналогов. Ключевыми звеньями комплекта оборудования для сварочных работ являются: инвертор, катушка дополнительного материала, горелка.

Рис. 6.11.1 Схема расположения сварочного оборудования

На рисунке 6.11.1 показана схема расположения сварочного оборудования.

1 — невмотрубка, вентиляционный выход из инвертора.
2 – входящие: пневмотрубка – вентиляция, кабель питания исходящий от системы аккумуляторов, исходящий кабель подающий напряжение к горелке, исходящий кабеть подающий отрицательное напряжение (масса) к клешне дополнительного оборудования, входящий кабель информачионных сигналов компьютера.
3 – подающий механизм, приводит в движение проволоку дополнительного материала к горелке.
4 – отверстие в корпусе экзоскелета для выхода рубашки (гофры).
5 – инвертор, масса : 2,5 кг,габаритные размеры : 190 Х 240 Х 70 мм. Расположен максимально близко к основной раме.
6 – механизм для дополнительного материала, состоит из сменной кассеты, подающего механизма, механизма крепления кассеты.
7 – рубашка (гофра) служит защитной оболочкой для подаваемого дополнительного материала.
8 – кольцо – держатель. Направляет рубашку при сгибе локтя.
9 – двигатель (2 шт) приводящий в движение горелку или шлифовальную машину.
10 – рейка с зубчиками , является основой для горелки и шлифовальной машины, приводится в движение благодаря зубчато-реечной передачи.
11шлифовальная машина.
12 – горелка.
13 – сменная кассета с дополнительным материалом.
14 ячейка для сменной кассеты дополнительного материала.
15 — подающий механизм состоит из двух роликов , с приводом и прижимающим. К приводу подходят провода питания и сигналов компьютера.
16 – механизм фиксирующий кассету на свободно вращающемся валу.

Рис. 6.11.2. Схема элементов сварочного оборудования руки

На рисунке 6.11.2. показана схема расположения и работы элементов сварочного оборудования правой руки. Два верхних вида дают изображение в виде с верху (при Т-образной позе человека), нижний рисунок — вид сбоку.

1 – корпус экзоскелета выполненного из композитного материала защищающий внутренние механизмы от огня и активных веществ.
2 – плечевой шаговый двигатель.
3 – малый плечевой шаговый двигатель.
4 – рубашка (гофра) защищает проволоку дополнительного материала от излома и других помех.
5 – Основная рама экзоскелета, нижняя кость плеча, является конструктивной основой для оборудования.
6 – локтевой шаговый двигатель .
7 – зубчатая рейка, подвижная основа для инструмента (шлифовальная машина, горелка).
8 — рука оператора.
9, 10 – двигатель (2 шт) приводят в движение рейки по средствам зубчато-реечной передачи.
11 – провод питания шлифовальной машины.
12 – горелка.
13 — дополнительная рама руки.
14 – шлифовальная машина.
15 – корпус экзоскелета области дополнительных инструментов.
16 — инструменты в активном положение.

Принцип работы механизма выдвижных инструментов руки заключается в зубчато-реечной передачи. Благодаря этому прямолинейному движению экономится пространство занимаемое инструментами. На рис. 6.11.2. — 16 показано положение инструмента в активном положение, то есть когда инструмент выполняет работу. Инструмент крепится на рейке, которая имеет небольшой изгиб (арка) этот ход позволяет одновременно сэкономить пространство и зафиксировать инструмент в более удобном для работы положении. В механизме используются шаговые двигатели для минимизации процесса.

6.12. Монитор

В основе этого устройства лежит маленький монитор, который передаёт изображение 18 дюймового монитора с вполне хорошим разрешением картинки 720\ 580 пикселей. Этот монитор выполняется по новым технологиям и относительно недавно появился в новостях. Однако, уже поставляются промышленные заказы.

Изображение воспроизводимое монитором преломляется через линзы и создается эффект отдаленного изображения, удобного для человеческого глаза. Это мобильное устройство позволяет существенно сократить проблемность системы контроля и управления.

Монитор также предусмотрен на трансформацию за счет дугообразной рельсы с приводом электромотора маленького размера. Этот ход позволяет, если того требует ситуация, убрать монитор и обеспечить оператору максимальный визуальный контроль над ведением сварного шва.

Рис. 6.12. Схема расположения монитора в дыхательной маске

6.13. Маска

В основу дыхательной маски положен аналог без существенных изменений с конструктивной части. Исключением является специальное стекло-хамелион которое выполняет функцию светофильтра. Это стекло меняет свои свойства по пропуску света благодаря достаточно новым технологиям в области сварочного оборудования. Механизм светофильтра включается в момент попадания света на светочувствительный датчик. Маска выполнена из негорючего материала, устойчивого к ударам и внешним воздействиям. Автоматический светофильтр хамелеон делает работу сварщика более комфортной и практически исключает периодическое опускание и поднятие маски, что было неизбежно при работе с обычным тонированным стеклом. Современная сварочная маска — это технически сложное современное устройство, надежно защищающее работника от вредного излучения. Светофильтр изготовлен по принципу многослойности, где несколько слоев жидких кристаллов находятся между поляризационными пленками. Под напряжением жидкие кристаллы «выстраиваются» в определенном направлении, таким образом блокируя часть поляризованного света (рис. 6.13.)

Рис. 6.13. Принцип работы светофильтра хамелеон

Следует также заметить, что наибольшую опасность при дуговой сварке составляют невидимое излучение в ультрафиолетовом и инфракрасном спектре. Даже неисправный светофильтр – «хамелеон» обеспечивает постоянную защиту от этих излучений благодаря постоянному УФ, ИК фильтру (защита основана на частичном отражении УФ, ИК лучей специальным слоем – фильтром).

Источником питания для схемы управления светофильтра могут служить заменяемые батареи (обычно литиевые элементы – «таблетки») и/или солнечные батареи.

6.14. Дополнительный инструмент

Дополнительным инструментом называется любой инструмент фиксирующийся специальным креплением на левой руке. Здесь рассматривается зажим для плоских объектов (балка, доска, плита, лист металла и т.д.), также могут быть взяты в набор зажимы для цилиндрических тел (труб).

Рис. 6.14. Схема зажима для плоских тел

7. Эргономический анализ

Эргономический анализ, в данном случае, следует начать с разбора ситуации в целом и её отдельных частей. Можно выделить три основные части: до проведения работы, во время и после. Где проходят границы между этими частями? Разбирать эту задачу стоит начать с центра, то есть в момент выполнения работы.

Максимальная длительность работы, на которую рассчитан экзоскелет, составляет пять часов. Эта оптимальная цифра между техническими возможностями и возможностями человека. Пятичасовой труд в экстремальной среде это максимальная нагрузка для среднего человека, потом уже наступает утомление, и число ошибок превышает требуемый коэффициент. Так как одно из преимуществ разрабатываемой модели экзоскелета является возможность проводить сварочные работы в местах, в которые сложно доставить оборудование, делается упор на расстояние которое, преодолевает оператор. В настоящих аналогах ещё нет возможности бегать, но быстрый шаг способны предоставить почти все. Средняя скорость человека идущего быстрым шагом = 7-8 км\ч по ровному грунту, но так как ситуация рассматривается экстремальная, лучше придерживаться прогулочного шага = 4-6км\ч. Также в расчет берём сварочную работу. Оборудование (аккумуляторы) рассчитано на 1 час беспрерывной работы – это достаточно большая цифра, так как работа сварочного оборудования составляет приблизительно 1\5 от общего времени работы при проведения сварочных работ. Таким образом, время работы можно приблизительно разделить на путь туда и обратно (2 часа) и сварочные работы (3 часа), с учетом достаточно большой погрешности.

Так как работы проводятся, прежде всего, в экстремальных условиях и подвергать эту ситуацию четкой структуризации — дело затруднительное. В преодоление пути, перед оператором встают задачи, сохранять равновесие, даже не смотря на то что ландшафт может быть непредсказуемым, от узких тоннелей до резких подъемов. В этой ситуации, с точки зрения эргономики, нужно придать костюму большое количество свобод, для маневренности. А также сместить центр тяжести как можно ниже для обеспечения устойчивость. Этого можно добиться за счёт аккумуляторов, которые преобладающе будут размещены ниже пояса. Однако, одно решение может встать в противоречие другому – увеличивая устойчивость – снижаем манёвренность – следовательно нужно извлечь среднее, оптимальное решение, удовлетворяющее и первый вектор и второй. В этой ситуации, решению задачи, может помочь хороший аналог. Аналогом послужила тенденция выработанная природой по размещению жира по телу у животных и людей. Тенденция проста — дополнительная масса стремится занять менее подвижные места, места меньше подвергающиеся деформации и при этом как можно ближе к центру тела: бёдра, живот. С конструктивной точки зрения, этот вопрос тоже рассмотрен в пункте система аккумуляторов. В вопросе по преодолению пути также рассматриваются такие проблемы как, небольшие препятствия и грунт. Препятствиями могут быть доски, дерево, двери, мебель а также тонкие бетонные стены и многое другое. С этим родом препятствий может помочь встроенные в корпус дополнительные рамы в руках и ногах, рассчитанные на удары.

7.1. Транспортировка

Так как экзоскелет не предусмотрен на рассоединение, его размер для перевозки достаточно габаритен, поэтому используются небольшие грузовые машины или вертолет. Перевозиться экзоскелет закреплённый в подвешенном состоянии в грузовом помещение за крепления, расположенных в области плечей.

Рис. 7.1. фиксация экзоскелета во время перевозки

Для предотвращение качания и колебаний во время перевозки, экзоскелет также прижимают ремнями к внутренней стенке корпуса транспорта. Или любой другой неподвижной поверхности. На Рис. 7.1. изображена схема крепления экзоскелета во время транспортировки.

1 – стальные устройство для регулирования длинны троса, способно выдерживать груз 500 кг,
2 – балка, основа, рама – часть корпуса транспортного средства, рассчитанная на большие нагрузки.
3 – Отверстие с резьбой – вход для дыхательного аппарата.
4 – карабин, полуавтоматизированное средство крепления, рассчитанное на большие нагрузки, выполнен из прочного сплава стали.
5 – стальной трос. 6 – стальное подвижное кольцо, при неиспользование прилегает к корпусу.
7 – стальное кольцо крепится к основной раме по средствам дополнительной средней рамы.

7.2. Команда операторов

Команда состоит из 3х подкоманд:

центральный оператор (2-3 человека)– человек одевающий экзоскелет,
первая команда операторов работающих над одеванием, настройкой, снятием, транспортировкой костюма (2-3 человека);
вторая команда свою работу ведёт параллельно с основным оператором: следит за биологическим, психологическим и др. состояниями основного оператора, а также за состоянием костюма и проведением самой работы (2-5 человека).

7.3. Фиксация сенсоров

Фиксация сенсоров производится перед одеванием экзоскелета. провода исходящие от сенсоров сходятся в единый узел, который крепится на поясе провода исходящие из него позднее подключают к экзоскелету. Провод исходящий из центральной системы (компьютера), можно скрепить с проводом сенсоров двумя путями. Либо в области пояса, либо в области шеи.

Сенсоры фиксируются на теле человека согласно схеме показанной на рисунке 7.3. Каждый отдельный сенсор отвечает за свою команду посылаемую компьютеру. Сенсор крепится в точном месте улавливая сигнал исходящий от мышцы. Современные разработки в этой области позволяют улавливать очень слабые сигналы. Сигнал который улавливает сенсор исходящий от мышц появляется ещё до того как мышца приведена в движение. Быстрая работа всех звеньев этой цепи (сенсор – компьютер — двигатель) позволяет добиться синхронности.

Также сенсоры располагаются на стопе оператора. Эти сенсоры считывают давление. Таким образом компьютер анализируя эту информацию определяет устойчивость, центр тяжести оператора и всего экзоскелета.

7.3. Схема расположения сенсоров по телу оператора

7.4. Одевание\снятие экзоскелета

Одевание и снятие экзоскелета производится отдельной командой операторов, имеющих необходимые знания и навыки для выполнения данной задачи. Так как экзоскелет, в полностью укомплектованном состояние, весит приблизительно 55 кг, два (три) оператора отсоединяют костюм от прижимных ремней транспортного и устанавливают костюм на лавку или стул в положение сидя. Основной оператор садится на это место так чтобы его тазобедренный сустав совпадал с суставами экзоскелета( рис. 7.4. ) . затем операторы первой команды фиксируют ноги основного оператора. Фиксация ног начинается со стоп. Для крепление стопы взят аналог с крепления сноуборда. Это крепление состоит из 2х затяжек: затяжка для носка, и затяжка для стопы.

Рис. 7.4. Начальная стадия процесса одевания экзоскелета

Так как экономия времени может стать одной из основных задач, работу по одеванию костюма могут проводить сразу два (три) оператора, параллельно ведя операции с симметрично расположенными элементами.

Затем производится регулировка размера кости экзоскелета по отношению к пропорциям основного оператора. Эта регулировка может быть произведена заранее, если параметры оператора были уже зарегистрированы.

Рис. 7.5. Схема креплений стопы

1 – отверстие в которое заходит затяжной ремень;
2 – регулятор длинны стопы;
3 – нога оператора;
4 – специальная пластина состоящая из четырёх сегментов, защищает верхнюю часть стопы от ударов;
5 – гибкий (растягивающийся) ремень. крепится к основной раме;
6 – носок, прижимает носок оператора к экзоскелету.

Затем крепится дополнительная рама ноги (рис. 7.6.). Затем стыкуются набедренные ремни и пояс.

Рис. 7.6. Фиксация дополнительной рамы ноги

Выполняется крепление грудной (передней) части корпуса. Одевается и снимается передняя часть корпуса по простому алгоритму. Оператор отвечающий за костюм до (и после) проведения операции, простым прямолинейным движением подводит переднюю часть корпуса к основной части корпуса, стараясь состыковать крепления (система креплений рассмотрена в главе конструктивный анализ, дополнительная рама корпуса, передняя дополнительная рама).

Вначале стыкуются верхние крепления(область ключицы), затем крепления расположенные в области пояса.

Рис. 7.7. Крепление ремней

Ремни плеча имеют такую же конструкцию замка, как набедренные ремни. Этот замок называется фастекс. В сидячем положение оператора производится закрепление ремней, затем оператор может встать.Шлем одевается в самом конце. В начале одевается дыхательная маска. Затем крепятся дыхательные шланги к дыхательному аппарату. Уже после одевается шлем и стыкуется с маской на креплениях.

7.5. Положение оператора при ведение сварочных работ.

При изготовлении различных конструкций возникает необходимость выполнения сварки не только в нижнем, но и в других пространственных положениях. Различают следующие пространственные положения швов: нижнее, т. е. такое, когда шов расположен горизонтально в горизонтальной плоскости; вертикальное, когда швы расположены вертикально в вертикальной плоскости; горизонтальное, при котором швы расположены горизонтально в вертикальной плоскости; потолочное, т. е. такое, при котором швы выполняются на потолке. Промежуточные положения условно относят к одному из выше названных, в соответствии со схемой, приведенной на рис. 7.5.

рис. 7.5. Схема пространственного расположения сварных швов

Выполнение вертикальных швов является более трудным, чем в нижнем положении, вследствие возможного стекания расплавленного металла под действием силы тяжести. Сварка вертикальных швов выполняется при перемещений электрода снизу вверх или сверху вниз. Наиболее удобной для выполнения является сварка снизу вверх. При этом дуга возбуждается в самой нижней точке шва и как только образуется ванна расплавленного металла, электрод отводится несколько вверх и располагается углом вперед. При этом затвердевший металл образует подобие полочки, на которой удерживаются капли металла. При сварке сверху вниз дуга возбуждается в верхней точке шва; при этом электрод располагают перпендикулярно к поверхности. По образовании картера электрод наклоняют под углом 10—15o так, чтобы дуга была направлена на наплавленный металл. Выполнение сварки сверху вниз значительно труднее сварки снизу вверх, поэтому везде, где это возможно, следует вертикальную сварку производить при перемещении электрода снизу вверх.

При сварке вертикальных швов с целью улучшения условий формирования все время должна поддерживаться короткая дуга, а поперечные колебания должны иметь меньшую амплитуду с тем, чтобы ширина валика не превышала 1,5—2,0 диаметра электрода. Вертикальная сварка листов с разделкой кромок выполняется в основном с соблюдением тех же правил, что и сварка в нижнем положении. Величина сварочного тока при сварке в вертикальном положении должна быть снижена на 15—20% по сравнению со сваркой в нижнем положении, а диаметр электрода не должен превышать 4—5 мм. Вертикальную сварку стыков с Х-образной подготовкой кромок с целью уменьшения деформаций целесообразно выполнять одновременно с двух сторон в две дуги (двумя сварщиками).

Сварка горизонтальных швов по своему выполнению труднее сварки вертикальных швов и требует от сварщика более высокой квалификации. При сварке стыковых швов с разделкой обычно применяют V-образную или К-образную подготовку со скосом одной кромки. При наплавке верхних уширенных валиков поперечные перемещения конца электрода совершают под углом около 45o по отношению к оси шва, что облегчает отложение наплавленного металла. При сварке горизонтальных швов на вертикальной плоскости сварочный ток и диаметр электрода ограничивается теми же значениями, что и при сварке вертикальных швов. Сварка потолочных швов по своему выполнению является наиболее трудной, так как сила тяжести в этом случае препятствует переносу металла с электрода в сварочную ванну, а расплавленный металл ванны стремится стечь вниз.

Для того чтобы силы, способствующие переносу металла с электрода в шов, и силы, удерживающие расплавленный металл ванны от вытекания (силы поверхностного натяжения, газы, образующиеся при плавлении электрода, электромагнитные силы, неравномерная напряженность электрического поля, газовое дутье при сварке толстопокрытыми электродами), преодолели силу тяжести, необходимо, чтобы объем сварочной ванны и вес расплавляемого металла был невелик. Для этого сварку в потолочном положении производят при сварочном токе на 20—25% меньше, чем при сварке в нижнем положении. Кроме того, при сварке потолочных швов диаметр электрода следует выбирать, как правило, на 1 мм меньше, чем для сварки в нижнем положении, и не более 4 мм. Для облегчения условий переноса капель металла с электрода в шов сварка в потолочном положении должна производиться при самой короткой дуге. Пониженные режимы при сварке в потолочном положении и неудобство выполнения сварки резко снижают производительность сварщика. Поэтому везде, где это возможно, потолочной сварки следует избегать и располагать изделия таким образом, чтобы швы сваривались в нижнем положении. Однако при монтажных работах и при сварке крупногабаритных изделий проведение сварки некоторых швов в потолочном положении является неизбежным. Швы, выполненные в потолочном положении высококвалифицированными сварщиками с соблюдением всех правил, обладают теми же механическими свойствами, что и аналогичные швы, выполненные в нижнем положении.

7.6. Эргономический анализ степеней свободы

В разрабатываемом изделие 19 шарниров, которые дают возможность оператору выполнять все функции требуемые проектной ситуацией. Важно заметить, что в аналогах экзоскелета всего 8 шарниров с двигателями. В разрабатываемом изделие подвижность существенно расширина. Есть возможность поворачивать корпус по вертикальной оси на 30 градусов в обе стороны. А также ноги и руки получили тоже приводы для вращения вдоль оси (рис 7.6. ).

Рис. 7.6. Эргономический анализ степеней свободы

Все шарниры имеют ограничитель согласно эргономическим характеристикам человеческого тела. Конечно человек в экзоскелете существенно теряет легкость движения, но если смотреть на технические перспективы ближайшего десятилетия, ситуация существенно наполняется позитивными прогнозами. Новшества в мире технологий появляются постоянно и всего за несколько лет модели экзоскелета проэволюционировали существенно.

Рис. 7.6.1 Схема положений оператора при ведение работы

8. Художественное решение разработанного проекта

Художественный образ проистекает из логической цепочки, рассуждений -результат системного решения задачи, исходящий из требований к изделию: прежде всего выполнение заданных функций, повышение технических характеристик. Также необходимо раскрыть функцию, цель художественного образа. Ведь художественный образ вызывает у зрителя ассоциативный поток и в какой-то степени формирует его реакцию на объект. Ассоциации, как бы это не казалось странным, имеют достаточно сформированный принцип во всем мире и является в какой-то степени предсказуемым. Если рассматривать экзоскелет это прежде всего тесный контакт человека с техникой. Используя фразу «человек есть мера всех вещей», то возникает вопрос – как человек «очеловечивает» технику, а конкретней экзоскелет?

В мире фантастики этот принцип уже достаточно давно укоренился и смело забегает в будущее. Выше уже упоминалось о том что именно в фантастическом произведение романа Ивана Ефремова «Туманность Андромеды» описывался принцип работы экзоскелета, ещё за долго до его появления в реальности. В техногенном мире фантастики уже практически невозможно представить героя без технических элементов (Рис. 8.1.). Техника становится верным помощником человека в его стремление покорить вселенную.

Рис. 8.1. Аналоги художественного образа из мира фантастики

В человеческой культуре, с самого его появления замечена одна особенность, которую можно выразить в контексте данной задачи. Эту особенность можно обозначить словом – отождествление. Человек отождествлял себя с выразительными проявлениями окружающего мира, таким образом пытался перенять эти качества себе. Воздух, огонь, вода, камень, лев, гром, орёл, ветер. – все эти и многие другие образы легко вызывают, практически у любого человека, символические ассоциации (Рис. 8.2.). Не даром, в основу художественного образа разрабатываемого изделия берётся бог огня – Сварог. Этот языческий бог славян, повелевал огнём и металлом, обучил людей кузнечному делу. Такой глубокий подтекст поможет сформировать устойчивую концепцию для разрабатываемого изделия.

Рис. 8.2. Символические образы из мира живой природы

Обратимся к этимологии понятия «техника». Первоначально (античность и средневековье) греческому «techne» соответствовало латинское «arts». Вплоть до начала нового времени различали семь «artes mechanical» (механические искусства) и семь «artes liberalis» (свободные искусства). Современное понимание термина «техника» имеет определенную преемственную связь с классическим его пониманием. Как же соотносятся техника и искусство? В чем их сходство и в чем отличие? Немецкий философ X. Бек полагает, что сравнение с искусством позволяет точнее раскрыть сущность техники. «На современном уровне знания, как известно, — пишет X. Бек, — отличают строительную технику от строительного искусства, технику живописи от искусства живописи, технику любви от искусства любви, различают технику и искусство руководства людьми, технику ведения войны, игры на фортепиано, ведения бесед и т.д. Если общее в них заключается в том, что постоянно существующее естественно заданное изменяется или же формируется согласно определенной цели, то отличающее их друг от друга относится к принципиальному смыслу поставленных целей. Если мы имеем в виду искусство, то цель здесь явно заключается в выражении или образном отражении определенного идейного содержания; в технике же речь идет главным образом о пользовании природой.

Рассуждая о экзоскелете как об относительно новом явление в культуре человечества можно оттолкнуться от автомобилей, которые тоже в момент своего появления вызывали шок и недоумение у непросвещённого зрителя.

Содержание каждой машины выражается в определенных взаимодействиях ее органов, в ее целесообразности и соответствии тем задачам, для выполнения которых она предназначена. Одновременно машина воплощена в материальную форму, которая является таким же необходимым атрибутом, как кинематическая и динамическая сущность. Однако форма машины может не совпадать и даже оказаться в противоречии с ее функцией: она варьируется в довольно широких пределах, в частности включает различные элементы декора. В истории машин можно наметить несколько этапов развития формы. На раннем периоде развития машин форма конструктивна, т.е. элементы конструкции являются элементами формы, и зависит исключительно от выполняемых машиной операций. Затем, по мере развития машинной техники, внешняя форма как бы приобретает некоторую автономность.

8.1. Первый этап развития проекта

На первом этапе проектирования велся активно поиск актуальной ситуации. В самом начале рассматривались самые разные виды применения экзоскелета, начиная от развлекательных, заканчивая военными проектами. Затем было принято решение остановиться на строительной задаче. Так так экзоскелет позволяет расширять возможности человека, также было принято рассматривать ситуацию в экстремальной среде. Одним из вариантов развития данного проекта был — строительство в антарктиде. Это концепция в которой предусматривались трудности возникающие при низких температурах.

Рис. 8.3. Первые концепции развития проекта

8.2. Второй этап развития проекта

На втором этапе была конкретезирована проектная ситуация и согласована с технической стороной разрабатываемого изделия. Били уточнены различные детали в достаточно большом количестве. Модель находилась в уже устойчивой концепции.

Рис. 8.4. Второй этап проектирования

На втором этапе проектирования были обозначены перспективы третьего этапа.

8.3. Третий этап развития проекта

Это заключительный этап, в котором ведется уточнение деталей и более глубокая проработка задачи. Ситуация уточняется до мелочей, а также рассматриваются различные варианты развития событий, таких как аварийная ситуация. На этом этапе были также произведены некоторые инновации (примером может служить маска сварщика и монитор). Детали были упрощены и доведены до более функционального состояния. Основной объем работы ведётся по компоновке оборудования и пластики корпуса. Дизайн корпуса также вводит некоторые коррективы в расположение оборудования.

Рис. 8.5. Третий этап проектирования

9. Заключение

На основание поставленной задачи была произведена проектная разработка изделия. В результате были получены все необходимые качества изделия. Эти качества доведены до достаточно высокого уровня выполнения своих функций.

Возможность проведения сварочных работ в экстремальных условиях благодаря использованию экзоскелета. А также предусмотрены функций которые востребованы около ситуативными обстоятельствами. Помимо функции проведения сварочных работ, была также рассмотрена возможность перепрофилировать проект под другие функции. Примерами могут являться функции: резка металла, переноска груза, проведение строительных работ, пожарных работ и многих других. Также была выполнена задача по поиску областей применения экзоскелета в новых или недостаточно широко раскрытых.

Для решения поставленной задачи был собран материал по новым технологическим возможностям. Собранная информация была активно использована в разработке проектируемого изделия. Также сбор информации позволил создать виденье перспективы развития данной области человеческой деятельности.

Дополнительной задачей можно считать попытку возрождения культурных истоков России. Были проведены поиски по этой направленности. Результатом этой работы можно считать достаточно ярко акцентированную концепцию дизайна на старорусской культуре.

Также можно отметить что поставленная задача проекта в настоящий момент в мире достаточна актуальна. Активно ведутся разработки во многих странах мира, в разных направленностях человеческой культуры. Если взглянуть на тенденции развития в данной области, то можно с достаточной уверенностью заявить, что экзоскелет в относительно короткий период времени может повторить сценарий технической и эстетической эволюции, как это в своё время сделал автомобиль, в предметном мире человека.

Библиографический список

1. Элла Григорьевна Цыганкова, А.Н.Боголюбов — «У истоков дизайна»,2010г.
2. А.С. Кошевицкий, В.М. Смирнов – «Философия техники» 2007.
3. Ковешникова, Н. А., Дизайн: история и теория: Учеб. Пособие. – М.: Омега-Л, 2005.
4. Дональд А. Норман Дизайн промышленных товаров— Санкт-Петербург, 2008
5. Михайлов С.М., Кулеева Л. М. М69 Основы дизайна: Учеб. для вузов/ Под ред. С.М. Михайлова.- 2-е изд., М:»Союз Дизайнеров», 2002
6. Рунге В.Ф.Основы теории и методологии дизайна. 2003
7. Кочегаров Б.Е. Промышленный дизайн: Учеб. пособие.Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006.
8. Саяльников П.М. Бунаренко Л.С. — оборудование для МЧС 2009
9. Никишин Д.П. – Робототехника XXI. Учебник для вузов, 2008.
10. Семёнов Т.К. — Наука и техника. Санкт-Петербург, 2008

Приложение 1 — аналоги

Приложение 2 — поисковые эскизы.

Приложение 3 – макет

Приложение 4 – варианты графической подачи

Дополнительные материалы

Категория: Дизайн проекты | 184 комментария »

Комментарии