Экзоскелет электродистанционный

Электродистанционный интерфейс экзоскелета

Prosthesis Alpha Leg Trailer

Экзоскелет электродистанционный — тяжёлый экзоскелет с электродистанционным интерфейсом, с помощью которого человек управляет руками и ногами экзоскелета без прямой механической связи с ним.

Общая информация[править]

Электродистанционный интерфейс реализуется с помощью копирующей отрицательной обратной связи, может быть реализован по следующим каналам:

по проводам,
по оптоволокну,
по радио,
по каналам:
- оптическому
- инфракрасному
- ультрафиолетовому
- рентгеновскому
- террагерцовому
по ультразвуковой (частоты до 1 МГц: трафик до 1 Мбит/с) или гиперзвуковой (механические волны частотой выше 1 МГц: трафик до сотен Мбит/с) линии обратной связи через акустическую линию из материала с высокой скоростью звука.
по гамма-лучам
по гиперзвуковому каналу через стенку
по нейтронному
по нейтринному
по мюонному каналу
в вакууме
- по ионному каналу
- по протонному каналу
- по каналу из пучков электронов

Человек механически управляет только управляющими экзоскелетами на своих руках, ногах. Управляющие экзоскелеты рук, ног соединены линией связи с туловищем большого экзоскелета. Управляющие экзоскелеты рук, ног по проводам (оптоволокну) силовой обратной связью передают углы, силы приводам рук, ног экзоскелета и обратно на человека силовую реакцию окружающей среды с большого экзоскелета.

Пропорциональные датчики силы, угла: в экзоскелетах рук, ног человека, в приводах рук, ног экзоскелета. Пропорциональный датчик плавно меняет цифру в выходном сигнале пропорционально входному действию. Пропорциональные датчики силы имеют короткий ход (тензодатчики) для уменьшения задержки управления экзоскелетом. Пропорциональный датчик силы: бесконтактный тензодатчик, оптоволоконный датчик, магнитный датчик, электростатический датчик, ультразвуковой датчик….

Человек жмет пропорциональные датчики силы (момента, давления) экзоскелета руки (ноги): датчики включая привод убегают от человека, по электропроводам двигая приводом на такой же угол руку (ногу) экзоскелета.

Приводами экзоскелета внешняя среда управляет человеком, если его сила в установленном масштабе (от линейки резисторов, конденсаторов, колебательных контуров или графика в софте) меньше сил приводов экзоскелета.

Это силовая обратная связь: можно сделать как копирующий манипулятор без компьютера и сложной электроники – так канадские разработчики построили электродистанционный экзоскелет Prosthesis. Южнокорейская фирма Korea Future Technology построила электродистанционный экзоскелет METHOD-1.

Силовая обратная связь соединяет части-А-В машины 2 каналами связи + 2 привода (актуатора) + 2 датчика угла (перемещения) + 2 датчика силы (момента, давления). Канал-1 разностью углов (перемещений) датчиков частей-А-В находит знак перемещения привода. По знаку канал-2 уравнивает цифры датчиков углов, сил двигая приводом часть машины, где меньше сила.

Без датчиков силы силовая обратная связь работает, но больше расход энергии, амплитуда паразитных колебаний; сила захвата, прижима резко колеблется 0-100 % при совпадении углов.

Силовую обратную связь называют электродистанционной системой управления. В списке функций: ограничения, калибровка, самодиагностика, тесты, отключение неисправного канала дублирования.

Для уменьшения задержки управления силовая обратная связь передает не 2, а 4 канала: угол (перемещение) + угловая скорость (скорость перемещения) + сила (момент, давление) + скорость изменения силы (момента, давления).

Экзоскелеты управляемые датчиками силы (момента, давления) делят на:

Однодатчиковые экзоскелеты: привод держит постоянной силу управляющего датчика-1 силы руки (ноги). Привод включает переход за верхний или нижний порог датчика-1. Обратный переход порога выключает привод. Вместо датчика-2 для обратного движения руки – короткоходная пружина.
Двухдатчиковые экзоскелеты: привод включает превышение порога разности сил управляющих датчиков сгибания и разгибания руки. Обратный переход порога выключает привод.

Скорость привода экзоскелета прямо пропорциональна:

скорости изменения силы
величине перехода силы за порог датчика силы

В герметичном отсеке (гермоотсек) экзоскелета электродистанционного экзоскелеты рук, ног человека соединены с экзоскелетом разъемом кабеля: хватит 2 провода на обратную связь, энергоподачу. Нет механических уплотнений движущихся деталей, нет гермосоединений трубопроводов.

Космонавт, водолаз через шлюз входит в гермоотсек, сервопривод герметизирует двери шлюза, экзоскелета. Электрозамки отсоединят экзоскелет от шлюза, работа в экзоскелете в шлеме кругового обзора. Стереокартинку, векторы звуков передают сферический экран шлема, многоканальная акустическая система шлема. После работы стыковка в обратном порядке.

Чтоб не гнать обратной связью 150 кадр/с из-за задержки «наклон головы – смена картинки» шлем закреплен в зажимной раме туловища. Сферический экран шлема максимального (руки пользователя снаружи экрана, чтобы не попали в кадр) диаметра для снижения вероятности морской болезни: головных болей, быстрой утомляемости пользователя от чрезмерного несоответствия (для мозга) расстояния «глаз – объект на экране» реальному расстоянию.

Гермоотсек экзоскелета электродистанционного защитит космонавта от вакуума, от плотных горячих атмосфер планет типа Венеры; от давления жидкой среды типа предполагаемого океана (фары, погружение сквозь лед с горячим радиоизотопным или атомным реактором внизу на длинном трос-кабеле) Европы (спутник Юпитера); пожарного и спасателя от горячей, ядовитой внешней среды горящих химических, атомных предприятий; водолаза от давления неограниченных глубин океана; солдата от отравляющих газов, радиоактивной внешней среды….

Экзоскелет электродистанционный с гермоотсеком (запас кислорода, поглотитель углекислоты) даст шахтеру шанс выжить в взрыве, обвале. В экзоскелете электродистанционном космонавты будут работать на планетах высокой гравитации: без приводов экзоскелета человек физически не потянет вес тела, скафандра, системы жизнеобеспечения, радиационной защиты.

Смертельную дозу радиации в скафандре космонавт наберет от космических лучей за 200ч, от солнечной бури за минуты. Гермоотсек экзоскелета электродистанционного можно защитить от космических лучей, солнечных бурь, от нейтронов, от рентгеновского и гамма излучений термоядерных взрывов так, как защищают от радиации близких атомных взрывов борткомпьютеры ядерных ракет: тонкое покрытие изотопами металлов гадолиний-157Gd, эрбий-167Er.

В космическом скафандре расход энергии человеком (его КПД=25%) 4 раз больше при 10-кратном уменьшении скорости работы. Экзоскелет электродистанционный в 4 раза снизит расход энергии космонавтом, в 10 раз (с перчаткой-экзоскелетом + силовой гироскоп экзоскелета) увеличит скорость работы.

Энергию приводов экзоскелет электродистанционный обеспечат по электрическому или оптокабелю (100кВт по 1кв/мм оптоволокна), аккумулятор солнечных батарей.

Часть разработчиков считает микротурбины лучшим энергоисточником военного, грузоподъемного (замена крана, погрузчика в помещениях с низким потолком), спасательного, пожарного, других экзоскелетов. Газотурбинный двигатель в 1,7 раз легче, вдвое компактнее поршневого двигателя равной мощности, в 10 раз быстрее запуск в мороз −40°С, в разы надежнее (цифры с танкостроения. Цифры с авиастроения более впечатляют), не дает вибрацию на экзоскелет. КПД газотурбинных двигателей превысил КПД дизелей в авиа и судостроении. Подводный экзоскелет: микротурбина на гидрореагирующем топливе или электромоторы с аккумулятором.

В режиме ожидания (приводы бесшумной точной наводки оружия, сетевая информационная система с датчиками, кондиционер, отопитель, стартер…) – вспомогательная микротурбина, другой энергоисточник.

Электродистанционный интерфейс с 4-кратным дублированием вытеснил другие виды интерфейса в последних поколениях военных, пассажирских самолетов. Электродистанционный интерфейс внедряет автомобилестроение: электронные педали газа, тормоза. Электродистанционный интерфейс экспериментальных экскаваторов позволяет оператору чувствовать руками в работе крупные камни в мягком (влажном) грунте, песке, иле, глине; увеличить производительность; при работе снизить вероятность разрушения городской подземной инфраструктуры, ускорить разрушение экскаватором ветхих зданий.

Реализм ощущений оператора, безопасность окружающим дает малое усиление в работе экзоскелета электродистанционного с небольшим весом. Больше груз – больше усиление: подъем неподъемного человеку груза. Крупные экзоскелеты помогут спасателям в разборах завалов безопасно приподнимать, оттаскивать бетонные плиты, элементы конструкций рухнувших зданий, защищая спасателей от падающих обломков.

Электродистанционный интерфейс экзоскелета снимет ограничения размеров, силы, скорости экзоскелета, повысит безопасность (фильтры ускорений, углов, угловых скоростей, угловых ускорений, сил, скоростей изменения сил; установки графика усиления обратной связи) работы оператора. Ожидают многократного превышения оборота рынка электродистанционных экзоскелетов над суммарным рынком остальных видов мобильных экзоскелетов из-за их ограничений грузоподьемности, функциональности.

Экзоскелета электродистанционного интерфейс как средство телеуправления андроидом

(патент 2134193RU А.Стрельцов 1997г) рассматривают госпрограммы освоения многокилометровых глубин океана принятые в Японии, России. На дне (5,6км) Тихого океана Япония, найдя месторождения редкоземельных металлов в 1000 раз превышающие разведанные (монополист Китай) мировые запасы, приняла госпрограмму освоения ресурсов морского дна: редкоземельные металлы, гидрат метана, нефть, газ…. Арктика: 30% мировых запасов нефти, газа: в Карском море 13млрд тонн нефти.

Вице-премьер Дмитрий Рогозин: Российский Фонд перспективных исследований ((аналоги: DARPA (США), DLR (Германия), GDA (Франция), SASTIND (Китай), DRDO (Индия), MAFAT (Израиль)) совместно с КБ «Рубин» работает над созданием спецтехники для Арктики. Инженеры создают роботизированные подводные города, осуществляющих разведку, освоение арктического шельфа... проект – особо перспективная двойная технология....

Домашний экзоскелетный электродистанционный интерфейс как средство телеуправления андроидом (костюм телеприсутствия) по криптозащищенной интернет-линии, позволяет рабочим, инженерам не выходя из дома дистанционно работать андроид-аватаром подводного города (разработка природных ресурсов: нефть, газ, редкоземельные металлы…) в многокилометровой глубине Северного ледовитого океана. Андроид подводного предприятия работает 24ч в сутки. Передача управления с костюма телеприсутствия-1 (оператор-1) к костюму телеприсутствия-2 (оператор-2): оператор-2 примет работу в режиме односторонней (от андроида) обратной связи. Костюм телеприсутствия-1 (оператор-1): усиление в направлении «оператор – андроид» плавно уменьшится (сигнализация + процентное усиление на экране) до нуля, в костюме телеприсутствия-2 (оператор-2) плавно растет (сигнализация + процентное усиление на экране) до 100 %.

Экзоскелетный электродистанционный интерфейс как средство телеуправления андроидом разрабатывает российская фирма «Андроидная техника». Планируют применить как костюм управления аватаром виртуальной реальности. Рыночный потенциал домашнего экзоскелетного электродистанционного интерфейса (в 3D-кардане с отдельным приводом и датчиком угла в каждой оси, с датчиком угла наклона в спине), как костюма виртуальной реальности в многопользовательских игровых, познавательных, профобразовательных (универсальный симулятор) и рекламных сайтах, на порядки превысит рыночный потенциал экзоскелетов как транспортного, грузоподъемного средства. Мировой рыночный потенциал домашнего экзоскелета, как костюма виртуальной реальности, как средства управления аватаром виртуальной реальности многопользовательских игровых, познавательных, профобразовательных (универсальный симулятор) и рекламных сайтов, обещает превзойти мировой рыночный потенциал автомобиля (60 % мировой промышленности: подрядчики, субподрядчики).

Сложные части экзоскелета электродистанционного и экзоскелетного электродистанционного интерфейса как средства телеуправления андроидом – это приводы и перчатка-экзоскелет с силовой обратной связью с кистью руки экзоскелета или с кистью руки андроида.

Перчатка-экзоскелет Festo

Перчатка-экзоскелет. НПО «Андроидная Техника»

Эту технологию в 2012г демонстрировала семейная фирма Festo: человек перчаткой-экзоскелетом силовой обратной связью по проводам управлял кистью руки робота.

Перчатка-экзоскелет фирмы «Андроидная Техника» управляет кистью руки андроида силовой обратной связью по радиоволнам или встречными модулированными лазерными лучами.

Главная проблема разработчиков экзоскелетов – задержка управления (время отклика, задержка срабатывания) приводом решена в андроиде Хонда Азимо: маховик (ротор электромотора на постоянных максимальных оборотах) + магнитореологическая муфта сцепления + редуктор. Магнитореологическая муфта сцепления андроида Азимо соединяет маховик с редуктором за 0,02сек – соответствует техусловиям безопасного управления экзоскелетом, определяемыми физиологией человека. Требуемую физиологией (безопасное пользование 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.

Для реверсивных машин (экзоскелет) задержка управления это половина времени цикла «разгон – торможение – реверсивный разгон – торможение» с учетом упругих деформаций, люфтов машины.

Задержка управления электродистанционным экзоскелетом равна времени задержки приводов управляющего экзоскелета оператора + время задержки отработки движения оператора экзоскелетом.

Экзоскелеты рук, ног экзоскелетчика в будущем заменит нейроинтерфейс. Общественную потребность в экзоскелете с электродистанционным интерфейсом создало в 1944г серийное производство электродистанционных копирующих манипуляторов: стрелок бомбардировщика B-29 по проводам дистанционно наводил на цель пулеметы. Технология вызвала мысль: человек в костюме с копирующими манипуляторами вешает на самолет бомбы, ракеты.

1-й экзоскелет электродистанционный в научной фантастике: 1897 год: «Война миров» Герберта Уэллса: марсиане покоряют Землю в бронированных гермоотсеках гигантских экзоскелетов электродистанционных. Затем гигантский экзоскелет «Диглатор»: Станислав Лем «Фиаско» (1987г).

1-е в России публичное изображение экзоскелета электродистанционного с его интерфейсом: обложка журнала «Техника молодежи» за ноябрь 1969 г.

1972 г.: экзоскелет электродистанционный показал японский TV-мультсериал «Mazinger Z». Продолжение: фильмы «Робот Джокс» (1989 г.), «Ниденион. Битва колоний», «Звездные войны», «Война миров», «Матрица. Революция», «Звёздный десант 3: Мародёр» (2008г), «Район № 9», «Аватар», «Тихоокеанский рубеж», «Мстители». По качеству художественной детализации запоминается гермоотсек пользователя экзоскелета с фильмов «Робот Джокс», «Тихоокеанский рубеж».

Экзоскелет электродистанционный иногда называют меха.