Экзоскелет (робототехника)
Экзоскелет — робот со следящим приводом, управляемый человеком, соединенным зажимами с роботом.
Экзоскелет[править]
Человек управляет экзоскелетом:
- пропорциональными датчиками силы (момента, давления). Человек жмет датчики силы рук, ног: датчики включая привод убегают от человека двигая экзоскелетом. Пропорциональный датчик плавно меняет цифру выходного сигнале пропорционально входному действию. Экзоскелет может иметь систему пружин для быстродействия приводов, защиты от падения. Датчики угла (перемещения) не нужны.
- миодатчиками: слабые миотоки (0,1В на коже; задержка прихода сигнала от мозга 0,1сек) мышц на коже рук, ног электроусилителями двигают приводы экзоскелета.
- по проводам через управляющие экзоскелеты рук, ног: экзоскелет электродистанционный.
- через нейроинтерфейс. Напряжение сигнала от мозга 0,01В.
Экзоскелеты управляемые датчиками силы (момента, давления) делят на:
- Однодатчиковые экзоскелеты: привод держит постоянной силу 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 датчика сгибания руки (ноги) и датчика разгибания руки (ноги). Обратный переход порога выключает привод.
Скорость привода экзоскелета прямо пропорциональна:
- скорости изменения силы в датчике силы
- величине перехода силы за порог датчика силы
В экзоскелете с отдельными управляющими экзоскелетами рук, ног внешняя среда управляет человеком, если его сила в установленном масштабе (от линейки резисторов, конденсаторов, колебательных контуров или графика в софте) меньше сил приводов экзоскелета.
История[править]
1960г: General Electric начала разработку 1-го в мире активного экзоскелета — Hardiman (1965г 18 степеней свободы рук, ног) для авианосцев, подводных работ, атомных электростанций. С силой человека 4,5кг Hardiman поднимал рукой 110кг (1965г), потом 340 кг при весе руки с гидронасосом 680 кг. 1971г: проект закрыт: чрезмерны вес, задержки приводов.
2007г: фирма Sarcos создала 1-й в мире работоспособный активный экзоскелет — XOS, конструктор Стивен Якобсен.
2007г: Sarcos с экзоскелетом XOS куплен корпорацией Raytheon.
Привод[править]
Приводы японских экзоскелетов скопированы с андроида Honda Asimo (прыгает с аккумулятором на 1 ноге): электромотор-маховик постоянного вращения крутит 2 магнитореологические муфты сцепления. Магнитореологическая муфта сцепления-1 включает волновый редуктор-1: тянет трос сгибателя руки (ноги) экзоскелета. Магнитореологическая муфта сцепления-2 включает волновый редуктор-2: тянет трос разгибателя руки (ноги) экзоскелета. Муфты работой в постоянной малой противофазе управляемой компьютером, компенсируют упругие деформации экзоскелета, зазоры в приводе: задержка управления 0,02сек в разы меньше гидропривода, на 50 % экономичнее.
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.
Часть разработчиков считает микротурбины лучшим энергоисточником военного, грузоподъемного, спасательного, пожарного экзоскелетов. КПД газотурбинных двигателей выше КПД дизелей в авиа и судостроении. В режиме ожидания (приводы бесшумной наводки оружия, сетевая информационная система с датчиками, кондиционер, отопитель, стартер…) вспомогательная микротурбина или аккумулятор. Подводный экзоскелет: микротурбина на гидрореагирующем топливе; электромоторы с аккумулятором.
Применение[править]
Экзоскелеты доставят снаряды зениток на крышах по лестницам зданий. В городских боях важна способность экзоскелетов нести броню, тяжелые пулеметы, боезапас.
Реализм ощущений оператора, безопасность окружающим дает малое усиление в работе с небольшим весом. Больше груз — больше усиление. После марш-броска 60 км солдат в экзоскелете идет в бой неуставшим.
С 2010г в продаже экзоскелет «HAL-5»: работает 2,5ч, вес 23 кг, руки поднимут 40 кг, ноги 80 кг; конструктор Есиюки Санкаи.
«HAL» 1-й в мире бионический экзоскелет: слабые миотоки (0,1В задержка 0,1сек) мышц на коже рук, ног электроусилителями (приводы) двигают экзоскелет. Ожидают экзоскелеты с нейроинтерфейсом: приводы экзоскелета двигают сигналы выходных (от мозга) нервных волокон, выходящих с межпозвоночных отверстий позвоночника. Их снимут бесконтактные (решат проблему отторжения электродов) датчики с усилителями. Инвалиды в седле шагающего экзоскелета двигают руками, ногами. Сигналы датчиков силы (тактильные сигналы робокожи протеза кисти в экзоскелете) экзоскелета компьютер переведет в биоформат импульсов мозга, направит в входные нервные волокна рук, ног в позвоночнике. Индуктивная (емкостная) наводка параллельным электродом в нервном волокне серии СВЧ-импульсов решит проблему отторжения электродов. Каждая серия СВЧ-импульсов с пологим передним фронтом, крутым задним фронтом СВЧ-импульса, наводит в нервном волокне одиночный импульс.
Интерфейс «нервные волокна — экзоскелет» обеспечит инвалиду требуемую физиологией (безопасное пользование без обучения) человека задержку управления экзоскелетом не больше 0,1сек, определяемую средней частотой (альфа-ритм мозга) опроса мозгом пропорциональных биодатчиков силы, удлинения мышц человека 10Гц.
Экзоскелет ExoAtlet от «Экзороботикс»: ручное переключение софта без прямого управления шагами человеком в реальном времени, без обратной связи приводов с миодатчиками, без силомоментной обратной связи работающих рук инвалида с ногами экзоскелета.
Экзоскелет НИИ «Институт живых систем» Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского: разработчики планируют управлять сигналами (углы, угловая скорость, векторы, перемещения) гироскопа на спине.
ОАО «ЦНИИТОЧМАШ» представил экзоскелет наводки стрелкового оружия.
Экзоскелеты разрабатывают: Япония, Корея, США, Франция, Израиль, Россия, Китай. В Женеве прошла Олимпиада инвалидов Cybatlon с наградами для пилотов, разработчиков экзоскелетов.
В космосе[править]
Экзоскелет можно встроить в скафандр: на планетах высокой гравитации без приводов экзоскелета человек физически не тянет вес скафандра, радиационной защиты. Экзоскелет в скафандре в 4 раза снизит расход энергии космонавтом, в 10 раз (с перчаткой-экзоскелетом) увеличит скорость работы.
Проблемы интеграции экзоскелета с скафандром, защиты от опасной внешней среды, управления огромными (меха) экзоскелетами решит экзоскелет электродистанционный (электродистанционный интерфейс):
в нём прямая механическая передача силы, угла, момента на руки, ноги экзоскелета заменена передачей по проводам, по оптоволокну [по радио, по оптическому, инфракрасному, ультрафиолетовому, рентгеновскому, террагерцовому каналу, по гамма-лучам, по гиперзвуковому (>1МГц) каналу через стенку, по нейтронному, по нейтринному, по мюонному каналу, по протонному или ионному каналу в вакууме…].
В гермоотсеке экзоскелета электродистанционного экзоскелеты рук, ног человека соединены с экзоскелетом электроразъемом. Нет механических уплотнений движущихся деталей, гермосоединений труб. Космонавт, водолаз входит в гермоотсек, сервопривод герметизирует двери шлюза, экзоскелета. Электрозамки отсоединят экзоскелет от шлюза. После работы стыковка в обратном порядке.
Гермоотсек экзоскелета электродистанционного защитит космонавта от вакуума, от атмосфер планет типа Венеры; от жидкой среды типа океана (погружение сквозь лед с горячим радиоизотопным или атомным реактором внизу на трос-кабеле) Европы (спутник Юпитера); пожарного, спасателя от среды горящих химических, атомных предприятий; водолаза от давления глубин океана; солдата от отравляющих газов, радиоактивной внешней среды…
Экзоскелет электродистанционный с гермоотсеком (система жизнеобеспечения) даст шахтеру шанс выжить в взрыве метана, обвале. Ожидают превышения оборота рынка экзоскелетов электродистанционных над суммарным рынком остальных мобильных экзоскелетов (ограничена функциональность).
Экзоскелет как средство телеуправления андроидом
(патент 2134193RU А.Стрельцов 1997г) рассматривают госпрограммы освоения дна океана принятые в Японии, России. На дне (5,6км) Тихого океана Япония найдя месторождения редкоземельных металлов в 1000 раз больше разведанных мировых запасов, приняла госпрограмму освоения ресурсов дна: редкоземельные металлы, гидрат метана, нефть, газ… Арктика: 30 % мировых запасов нефти, газа: в Карском море 13млрд т нефти.
Вице-премьер Дмитрий Рогозин: Российский Фонд перспективных исследований совместно с КБ «Рубин» работает над созданием спецтехники для Арктики. Инженеры создают роботизированные подводные города, осуществляющих разведку, освоение арктического шельфа…
Домашний экзоскелет как костюм телеприсутствия управляющий андроидом на расстоянии до 6000 км по криптозащищенной интернет-линии, позволит рабочим, инженерам работать аватар-андроидом подводных городов. Андроид подводного предприятия работает 24ч в сутки. Передача управления с костюма-1 телеприсутствия (оператор-1) к костюму-2 телеприсутствия (оператор-2): оператор-2 примет работу в режиме односторонней (от андроида) обратной связи. Костюм-1 телеприсутствия (оператор-1): усиление в направлении «оператор — андроид» плавно уменьшится (сигнализация + процентное усиление на экране) до нуля, в костюме-2 телеприсутствия (оператор-2) плавно растет (сигнализация + процентное усиление на экране) до 100 %.
Экзоскелет телеуправления андроидом разрабатывает НПО «Андроидная техника». Планируют применить как костюм виртуальной реальности. Рыночный потенциал домашнего экзоскелета (в 3D-кардане с приводами + датчик угла в каждой оси + датчик угла наклона на спине) как костюма виртуальной реальности многопользовательских игровых, познавательных, профобразовательных (универсальный симулятор), рекламных сайтов на порядки превысит рыночный потенциал экзоскелета 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), рекламных сайтов обещает превысить рыночный потенциал автомобиля.
Перчатку-экзоскелет с силовой обратной связью с кистью руки робота, демонстрировала фирма Festo в 2012 г. Перчатка-экзоскелет НПО «Андроидная Техника» может управлять кистью 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 требуемой физиологией (безопасное пользование экзоскелетом без обучения) человека задержке управления экзоскелетом не больше 0,1сек, определяемой средней частотой (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.
Экзоскелеты в масс-культуре[править]
1-й экзоскелет научной фантастики: 1897г: «Война миров» Герберта Уэллса: марсиане покоряют Землю в гермоотсеках гигантских экзоскелетов. 1954г: роман Джона Элмквиста «Том Свифт и его реактивный морпех». 1957г: Иван Ефремов «Туманность Андромеды». 1959г: Роберт Хайнлайн «Звездный десант». 1969г: 1-е в России публичное изображение экзоскелета: журнал «Техника молодежи», ноябрь 1969 г. 1972г: 1-й мультфильм с экзоскелетом: японский мультсериал «Mazinger Z». 1979г: экзоскелет подводный: Дэвид Брин «Sundiver». 1989г: экзоскелет электродистанционный: фильм «Робот Джокс».
1-й экзоскелет в кино: «Сидящие в засаде» (1967г). Далее: «Робот Джокс» (1989г), «Ниденион. Битва колоний», «Бросок Кобры», «Чужие», «Звёздный десант 3: Мародёр» (2008г), «Железный человек», «Район № 9», «Матрица. Революция», «Аватар», «Война миров», «Прометей», «Мстители», «Дети шпионов 4D», «Тихоокеанский рубеж», «Элизиум: Рай не на Земле» (2013), «Грань будущего» (2014), «Робокоп» (2014г).
Экзоскелет в компьютерных играх: «Warhammer 40000», «Call of Duty: Advanced Warfare», «StarCraft», «Fallout», «Halo», «STALKER», «Мастер Чиф», «Section 8», «Chaser: Вспомнить всё», «Bet on Soldier», «Metal Gear Solid», «Чужой против Хищника», «Killzone 3», «Vanquish», «Операция Silent Storm», «F.E.A.R. 3», «Chrome», «Red Faction: Armageddon», «Mass Effect 3», «C&C: Red alert 3», «Parkan», «Lost Planet», «PlanetSide», «BioShock Infinite», «Half-Life», «Санитары подземелий», «Wolfenstein», «Crysis».
См. также[править]
- Экзоатлет
- Костюм телеприсутствия
- Костюм виртуальной реальности
- Перчатка виртуальной реальности
- Диглатор
Ссылки[править]
- http://exoatlet.ru
- https://symbionix.ru/ru/
- http://youtube.com/watch?v=NZl5Q9UocqI
- http://youtube.com/watch?v=pQYCQgh_37A#t=77
- https://www.youtube.com/watch?v=Re6P7WP2N5w
- http://youtube.com/watch?v=-37jQwgHaLA
- http://youtube.com/watch?v=S7J-4IWPGYQ
- http://cyberneticzoo.com/?page_id=2626
- http://projectrho.com/public_html/rocket/manamplifier.php#id--Man_Amplifier
 ↑ [+] | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Теория |
Мехатроника • Обратная связь (отрицательная, силовая (силомоментная), тактильная) • Силовое телеприсутствие • Тактильно-силовое телеприсутствие • Тактильный пиксель | ||||||||
| Приборы | |||||||||
| Роботы |
| ||||||||
| Связанные термины |
Групповая робототехника • Устройство телеприсутствия • Киборг • Шагоход • Мех (бронетехника) | ||||||||
| Прочее | |||||||||
