Усилители человеческих возможностей

Берклевский скелет для нижних конечностей (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX))

Основная цель этого проекта – создание безбатарейного экзоскелета (exoskeleton), увеличивающего силу и выносливость людей. К такому экзоскелету предъявляются следующие требования: эргономичность, маневренность, механическая прочность, легковесность и долговечность.Первый экспериментальный экзоскелет состоит из двух силовых антропоморфных ног, блока питания и рамы, похожей на рюкзачную, к которой может быть прикреплен разнообразный груз. Прибор жестко присоединен к пилоту (человеку, на которого он надет) на ногах и, для предотвращения трения, более эластично в остальных местах. Экзоскелет позволяет человеку комфортно садиться на корточки, пригибаться, наклоняться в разные стороны, поворачиваться, ходить и бегать, поднимаясь и спускаясь со склонов, перешагивать препятствия и проползать под ними, в то же время неся снаряжение и оборудование.

Алгоритм управления

Достоинства экзоскелета складываются из двух составляющих: преимуществ человеческого разума, который является управляющей системой экзоскелета, и преимуществ конструкции, исполнительные механизмы которого обеспечивают силу, необходимую для выполнения задачи. Для управления системой не нужны ни джойстик, ни кнопки, ни клавиатура; пилот во время ходьбы становиться частью системы. Алгоритму управления не нужны ни какие бы то ни было вычисления, сделанные человеком, ни человеко-машинный интерфейс (например, датчики между ними). Контроллер, основываясь исключительно на вычислениях экзоскелета, оценивает (т.е. очень быстро вычисляет), как именно ему следует двигаться, чтобы человек ощущал как можно меньший вес.

Электроника

Код управления постоянно хранится на теле LAN (локальной сети). Платформа электроники использует высокоскоростную синхронную сеть с кольцевой топологией, где несколько электронных модулей могут храниться в кольце. Каждый модуль взаимодействует с несколькими датчиками и исполнительными механизмами. Данные, собранные каждым модулем, кодируются и передаются в цифровом виде компьютеру через кольцо. Это в некоторой степени похоже на то, как взаимодействуют несколько компьютеров локальной сети. Электроника экспериментального экзоскелета состоит из трех колец, два из которых (соединенные с ногами) включают пять модулей. Третье кольцо может быть выведено на графический пользовательский интерфейс для устранения неполадок и сбора данных или использовано для другой электроники или коммуникационного оборудования, которое не связано с экзоскелетом, но необходимо пилоту.

Конструкция

Конструкция экзоскелета отличается от обычных конструкций автоматизированных робототехнических систем по двух причинам: (1) прибор взаимодействует с человеком-оператором на физическом уровне и (2) прибор требует запаса прочности при работе в экстремальных условиях и средах. При выработке требований к экзоскелетону были использованы данные, полученные в ходе клинического анализа человеческой походки. Эти данные были применены для обеспечения кинематической гибкости достаточной, чтобы воспроизвести естественное динамическое движение. Кроме того, результаты этого анализа учитывались при создании архитектуры системы, подсистем исполнения и распределения энергии. Исследователи также определили требования "худшего случая", включая особенности груза, скорость и параметры рельефа. В лаборатории Беркли были созданы два экзоскелета различных размеров.

Источник питания

В идеале целью разработчиков экзоскелета было создание энергетически автономной системы, которую можно было бы перезаправлять в боевых условиях, т.е. таких систем энергоснабжения и исполнения, которые можно было бы применять в длительных операциях. Экзоскелет снабжен новейшим гибридным источником питания, который использует гидравлическую энергию для задач перемещения и электрическую энергию для вычислительных задач.

Работа над экзоскелетом продолжается, концентрируясь в настоящее время на задачах миниатюризации компонентов, разработке меньшего по размерам и более мощного источника питания и более быстрого и разумного контроллера.

Машины, шагающие с помощью человека (Human Assisted Walking Machines)

Целью этого проекта было создание механизма, который бы перетаскивал тяжелые грузы в изолированных пространствах на протяжении длительных периодов времени. В результате были выработаны технические нормы на проектирование, ограничивающие, в частности, количество исполнительных механизмов и датчиков, что увеличило бы прочность робота. Другое такое ограничение – система должна быть независимой, другими словами, она должна включать в себя систему энергоснабжения и контроллер. Предполагалось также уменьшить сложность автономного шагающего робота, вовлекая в его работу оператора. Результатом этого исследования стала двуногая шагающая конструкция, которая успешно передвигается по различным поверхностям, включая крутые склоны и лестницы. Кроме того, для обеспечения плавного управления скоростью и регулированием была использована механотронная система управления.

Электрические усилители человеческих возможностей (Electric Human Powered Extenders)

Эти приборы были разработаны для рабочих супермаркетов, у которых из-за постоянных подъемов тяжестей часто повреждается поясница. Этот электрический прибор состоит из двух рук и ног и был собран для перемещения ящиков. Надевая прибор, носильщик, перенося громоздкие, жесткие и неудобные предметы, ощущает лишь небольшую сосредоточенную нагрузку. Этот экстендер также может быть запрограммирован на следование по определенной траектории безотносительно точного направления, заданного самим пилотом. Например, пилоту необходимо перенести цилиндр к некоторой конечной точке. В этой ситуации экстендер может доставить цилиндр, двигая его по предварительно заданной траектории со скоростью, которая пропорциональная величине (но не точному направлению) силы рабочего на экстендере. Другими словами, в ситуации, когда пилот практически не обращает внимания на траекторию или на конечную точку назначения, экстендер все же доставит цилиндр к этой точке.

Электрические усилители человеческих возможностей – руки (Electric Human Powered Extenders (Arms))

В каждой руке есть шесть последовательно расположенных сочленений. Часть прибора, которая находится в контакте с руками человека, сделана из формованной резины и содержит пьезоэлектрические датчики усилия; она же служит интерфейсом оператора и системы. Запястные сочленения не являются силовыми и организованы в сферическую конфигурацию, в центре их осей находятся контактные части. Таким образом, размещение груза осуществляется приведением в действие первых трех силовых сочленений, в то время как ориентация конечного эффектора достигается посредством движений запястья, осуществляемых оператором. Запястье было сконструировано с вырожденной конфигурацией, учитывающей все возможные ориентации запястья в целевой зоне сервиса.

Электрические усилители человеческих возможностей – ноги (Electric Human Powered Extenders (Legs))

Каждая нога имеет четыре последовательные степени свободы, и в данном случае три дополнительные "ложные" степени свободы, которые используются в интерфейсе человека и системы. Так же, как и в руке, три первые сочленения – силовые. Для избежания необходимости длинной "ступни", обеспечивающей крутящий момент на "лодыжке" системы, ниже колена силовых приводов нет; последняя степень свободы ноги – роликовый контакт, находящихся между лодыжкой и землей. На лодыжке вращающиеся и линейные подшипники обеспечивают степень свободы, цель которой изолировать ножную педаль, прикрепленную к ступне оператора посредством велосипедной клеммы. Эта клемма, кроме того, предоставляет возможность вращательного движения ступни из стороны в сторону. Трехосный датчик усилия помещен между ножной педалью и лодыжкой. Передаточные рычаги, использованные в руках и ногах, были сконструированы из углеродных композиционных материалов, формованных вокруг структурного пенопласта. Алюминиевые вставки, связывающие композиционные передаточные рычаги, использованы для соединения конца каждого рычага с соответствующим исполнительным механизмом. Передаточные рычаги изогнуты так, чтобы не создавать помех оператору и остальной системе.

Гидравлические усилители человеческих возможностей (Hydraulic Human Powered Extenders)

Экспериментальный гидравлический экстендер с шестью степенями свободы был собран в U.C. Berkeley для разгрузки и загрузки самолетов. Полезный груз этого экстендера – 500 фунт-сил, а захват его зажимного устройства раскрывается до 30 дюймов. Два набора пьезоэлектрических датчиков усилий (один - между человеком и машиной, а второй - между машиной и грузом) измеряет силы для последовательного увеличения сил и отражения возникающих сил в системе. Три микрокомпьютера, связанных посредством параллельных плат ввода/вывода, управляют шестью осями экстендера. Этот экстендер похож на системы виртуальной реальности, которые могут моделировать силы, действующие на руки и корпус рабочего, силы, которые обычно отличаются от и являются гораздо меньшими, нежели силы, необходимые для передвижения груза. В этом простейшем поведении, когда рабочий использует предложенную помощь в виде прибора для передвижения груза, экстендер передает его/ее рукам, в виде естественной обратной связи, полунатурное значение текущего веса груза. Например, на каждые 100 фунтов груза, человек несет нагрузку в 5 фунтов, в то время как экстендер – 36 фунтов; человек чувствует вес груза, но гораздо меньший, нежели он ощущал бы без экстендера.

Тактильное устройство сопряжения с датчиками (Instrumented Haptic Interface Devices)

Тактильные устройства сопряжения – механизмы, которые управляются контактным усилием человеческой руки. Эти приборы – необходимые элементы механизмов виртуальной реальности. Они могут быть запрограммированы так, чтобы давать человеческой руке ощущение сил, связанных с разнообразными случайными движениями. Например, они могут давать человеку ощущение, что он/она управляет крупным предметом или давит на пружину или амортизатор. В общем случае эти приборы могут быть запрограммированы для любой силы, зависящей от траектории. Несколько ручных контроллеров отражения сил для телеробототехнических систем были сконструированы для проверки теоретических выкладок в сфере создания тактильных устройств сопряжения.

Источник: http://bleex.me.berkeley.edu/hel/projects.htm