Датчики, приводы экзоскелетов

Датчики, приводы экзоскелетов — составные части экзоскелетов.

Датчики экзоскелетов[править]

Датчики экзоскелетов — пропорциональные датчики угла, силы (давления) соответствующие требованиям быстродействия, сверхкороткого хода, надежности.

Чем больше пружинит зажим, конструкция экзоскелета, тем больше задержка управления движением. Для уменьшения задержки управления экзоскелетом необходимы быстродействие приводов экзоскелета + сверхкороткий ход датчиков, уменьшающий мертвый ход рук, ног в надувных (чтобы не растирать до крови руки, ноги) зажимах рук, ног.

К мертвому ходу датчиков силы, зажимов рук, ног добавляется мертвый ход сил упругости конструкции экзоскелета, который компьютер экзоскелета ликвидирует алгоритмом противофазной работы приводов экзоскелета в отрицательной обратной связи с датчиками.

Для борьбы с вибрацией приводов экзоскелета, для плавности хода (у плавно работающих приводов меньше вес, расход энергии) экзоскелета необходимы пропорциональные датчики экзоскелета. Для датчиков силы (термин соответствует конструкциям из тросов, тяг) этим требованиям соответствуют тензодатчики, работающие на сдвиге фазы между опорной частотой и частотой прошедшей через удлиняющийся от силы проводник или оптоволокно с зеркальным торцем. Измерительный проводник или оптоволокно с зеркальным торцем могут быть встроены (4-кратное дублирование как в авиации) внутрь углепластиковых, наноуглеродных, кевларовых, зайлоновых композитных конструкций экзоскелета в стадии изготовления.

Экзоскелету электродистанционному кроме датчиков силы нужны датчики угла. Подходят большинство бесконтактных датчиков угла. Чем выше быстродействие привода экзоскелета, тем меньше требования к точности датчиков угла.

Приводы экзоскелетов[править]

Приводы экзоскелетов — приводы соответствующие требованию: быстродействие + сила + реверс.

К ним относятся узкая группа приводов — безинерционные реверсивные (дающие задний ход) приводы. Самый быстродействующий, самый точный (малы ускоряемые массы) привод экзоскелетов — пневмопривод благодаря малой массе, рекордным разгонно-тормозным параметрам, отсутствию проблем с охлаждением. Пневмопривод может представлять собой магнитореологические муфты сцепления на валу маховика с постоянными оборотами, вращаемого пневмотурбиной. Муфты сцепления через редуктор двигают тросы (тяги) экзоскелета.

Волновые редукторы (КПД=82 %) шумны, дороги, недолговечны — ожидается переход на дешевый бесшумный долговечный привод «винт — гайка скольжения», который втрое легче волнового редуктора: у гайки нагрузка равномерно распределена на немалую упорную поверхность 3-9 витков резьбы, у волнового редуктора вся многотонная в толчке нагрузка экзоскелета давит на два зуба.

Привод это двигатель + трансмиссия. Функцию трансмиссии пневмопривода кроме редуктора выполняет так же накопленная маховиком турбины энергия.

В отличие от зубчатых редукторов винтовые и тросовые редукторы не создают помех автомату стабилизации силы (автомат отрицательной обратной связью уравнивает знак роста силы привода с знаком задаваемым пользователем + другие алгоритмы) привода.

Вариант привода «винт — шариковая гайка» несовместим с высокооборотным маховиком.

Необходимость пневмопривода в компрессоре увеличивает вес экзоскелета. Переход с пневмотурбины на газовую турбину многократно уменьшит вес привода. Токсичный выхлоп газотурбинного двигателя усложняет применение экзоскелета в помещении с людьми, где преимущества у гибридной (с аккумулятором) микротурбины или электропривода.

Электропривод может представлять собой магнитореологические или электрореологические муфты сцепления на валу маховика, в роли которого ротор электродвигателя. Муфты сцепления через редуктор (винт — гайка скольжения) двигают тросы или тяги экзоскелета.

Приводы в отрицательной обратной связи с датчиками силы пользователя экзоскелета, что позволяет создавать экзоскелеты без борткомпьютера и сложной электроники на основе простых автоматов. В гибридном приводе экзоскелета ДВС дублирует электродвигатель с аккумулятором.

Требуемую физиологией (пользование экзоскелетом без обучения) человека задержку управления экзоскелетом не больше 0,1сек определяет средняя частота (альфа-ритм мозга) опроса мозгом пропорциональных биодатчиков силы, удлинения мышц человека 10Гц. С остальными задержками цепи отрицательной обратной связи от привода экзоскелета требуется быстродействие (задержка управления) примерно 0,08сек.

Задержка управления это время разгона приводом части машины до максимальной скорости и последующего торможения до нуля с учетом упругих деформаций, люфтов машины. Для реверсивных машин (к ним относится костюм виртуальной реальности) задержка управления это половина времени цикла «разгон — торможение — реверсивный разгон — торможение» с учетом упругих деформаций, люфтов машины.