ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Строятся машины, которые увеличивают физическую силу человека и сохраняют его способность к выполнению разнообразных дейстКроме большого значения для промышленности, такие машины открывают пути создания протезов для компенсации физических недостатков инвалидов. (Пер. И. Верещагина) Машины с руками из "Человеческие способности машин" Строятся машины, которые увеличивают физическую силу человека и сохраняют его способность к выполнению разнообразных действий. Кроме большого значения для промышленности такие машины открыли пути создания протезов для компенсации физических недостатков больных. [c.39] В мире техники производства все более укрепляется мнение, что существует множество областей, где нельзя эффективно использовать обычные мащины и где успех зависит от способности человека принимать рещения в меняющихся условиях. Обычно такие проблемы решают с помощью специализированных машин, приспособленных к одной определенной операции. Теперь, однако, очевидно, что скоро мы сможем создать аппаратуру, соизмеримую с человеком по гибкости и приспосабливаемости. Такие механизмы будут, в сущности, частью человеческого тела. Идеальная машина подобного рода должна повышать пределы допустимых физических нагрузок человека, не создавая помех для его физической и умственной деятельности. Такая машина должна быть человекоподобна, поскольку иначе человек, передавая свои движения машине, может управлять ее движениями не более чем для одной или двух степеней свободы. Но более подробно об этом ниже. [c.39] Правительство США в настоящее время финансирует проводимые фирмой Дженерал Электрик исследования и разработки, в результате которых, как надеются, будет создана машина, удовлетворяющая этим требованиям. [c.39] Журнал Продактс инжиниринг в номере от 25 марта 1968 года дал прекрасное описание работ фирмы Дженерал Электрик. Он в следующих словах излагает задачи, поставленные Ральфом Мошером, руководителем этого направления работ Разработать снабженный механическим приводом внешний скелет, который сможет носить человек.,. Создать шагающую машину, способную воспроизводить и усиливать движения рук и ног человека... Получить комплекс механических мускулов, в 25 раз сильнее мускулов человека... Обеспечить такое восприятие усилий человеком, словно он находится в прямом контакте с нагрузкой... Иметь силовую обратную связь... Высота системы может достигать 20 или даже 50 футов... В предварительной тренировке оператора нет необходимости . [c.40] Основная идея такой машины состоит в том, что привычные для человека способы передвижения но пересеченной местности н перемещения грузов сохраняются, но он приобретает способность развивать большие усилия. [c.40] Человек значительно лучше приспособлен для управления машинами, чем для выполнения тяжелой работы своими руками, главным образом потому, что он способен приспосабливаться к новым ситуациям и находить подходящие решения. Его можно рассматривать скорее как генератор решений, чем как рабочий механизм. Лучше всего он действует в естественном для него окружении, а в условиях неестественных его работа может резко ухудшаться. Так, например, тело человека по своей природе способно выполнять от 10 до 20 различных управляемых движений одновременно, в то время как при управлении механизмами человек может совершать одновременно не более двух движений. Основная причина такого различия в работе состоит в том, что человек вынужден приспосабливаться к неестественному для него способу работы, присущему почти всем машинам. Сохраняя свободу движений человека, усилитель силы значительно уменьшает потребность адаптации, позволяет ему работать естественным для него споссбом, что дает возможность использовать естественную гибкость движений человеческого тела. [c.41] Предварительные исследования, проведенные для оценки возможности реализации этой идеи, выявили четыре основных аспекта проблемы тип конструкции скелета усилителя тип приводных механизмов методы передачи движений человека усилителю для точного их воспроизведения и, наконец, вид обратной связи от суставов, необходимой для ощущения оператором развиваемых усилий. [c.41] В некотором отношении структура внешнего скелета сходна с ортопедическими устройствами и протезами в том, что те также позволяют увеличить мускульные усилия и внешнюю нагрузку. Обзор литературы по этому вопросу показывает, что почти все подобные устройства имеют суставные сочленения на шарнирах. Хотя некоторые из них имели скользящие стержни, позволяющие сдвигать центр вращения, такие устройства получили ограниченное распространение, видимо потому, что достигнутое улучшение имитации работы суставов человека не оправдывало дополнительного усложнения конструкции. В макете было решено применить также шарнирные сочленения, хотя они ограничивали число степеней свободы в каждом из суставов до трех или даже меньше. [c.42] Были разработаны три типа шарнирных соединений внешнего скелета, согласованные с движениями суставов человека. Поскольку одна из задач создания макета — определение минимально необходимого числа шарниров для выполнения определенных работ, в каждом шарнире предусматривался регулируемый стопор, позволяющий ограничивать размах движений. Каждый шарнир был оборудован датчиком, позволявшим непрерывно регистрировать положение сочленения. На рис. 1 показан общий вид конструкции внешнего скелета, состоящего из трех типов шарнирных соединений и одного скользящего сочленения для спины, обеспечивающего максимальную свободу движений оператора. Этот скелет имел 35 шарнирных и одно скользящее сочленение. [c.42] Внешний скелет закреплялся на операторе с помощью ремней, имевших двойное назначение они заставляли стержни внешнего скелета следовать за движениями человека и исключали лишние степени свободы стержней, встречавшиеся, когда оси двух или большего числа шарниров оказывались параллельны друг другу. Так, например, при выпрямленной руке оси шарниров вращения запястья и предплечья устанавливаются параллельно. Если человек при этом вращает руку, то без дополнительного крепления в локте часть скелета, заключенная между этими шарнирами, могла бы не следовать за движениями руки или даже могла бы вращаться в другом направлении. [c.42] Для проверки конструкции УММЧ и определения диапазона положений, угловых скоростей и ускорений шарниров был проведен ряд экспериментов. Для нижней части скелета (его ног ) типичными комплексами движений мы считали ходьбу, бег, подъем по лестнице и переноску грузов. Верхняя его часть ( руки ) должна была допускать переноску грузов, свободное движение плечами и управление транспортом. В результате испытаний было установлено, что человек с надетым внешним скелетом способен выполнять все работы, требуемые от усилителя силы. Внешний скелет не ограничивал заметно движений и не причинял оператору серьезных неудобств. [c.44] Убедившись в возможности реализации внешнего скелета, нам предстояло перейти к решению следующей задачи — созданию системы силового привода. В предварительно составленном проекте были выбраны плечи и руки, поскольку они представляют наибольшие конструктивные трудности. Силовой привод нужно было разместить на механизме, который воспринимает внешние нагрузки и позволяет человеку перемещать грузы. Питание привода осуществлялось от внешнего источника. Допустимая нагрузка на скелет была установлена исходя из компромисса между желаемым весом груза и необходимой свободой движений оператора. [c.44] Был произведен расчет усилий и напряжений в конструкции применительно к случаю, когда внешнюю нагрузку воспринимают руки. При этом диапазон механических нагрузок па элементы конструкции скелета определялся при всех положениях тела человека, возможных при подъеме грузов. Было установлено, что при внешней нагрузке 453,6 кг, прилагаемой к кисти с любого направления, перегрузки не превышают допустимых при сечении элементов конструкции в плече , равном 2,5 X 5 сл, и 2,5 X 2,5 см в предплечьи . Нагрузка 453,6 кг на каждую руку при любом ее положении оказалась достаточна для проверки возможности реализации концепции усилителя. [c.44] Основное назначение датчиков — обеспечить повторение движений оператора. Однако они имеют и другую функцию с их помощью оператор узнает, какое усилие и в каком направлении развивает механизм. По самой природе работы суставов человека неизбежны небольшие перемещения конечностей человека относительно элементов конструкции. Датчики не должны отмечать такие перемещения, чтобы не вызывать при этом нежелательных движений конструкции, иначе человек должен будет сознательно компенсировать такой люфт . [c.46] Избранная система датчиков для усилителя силы человека предполагала двухслойную структуру механизма. Внутренняя часть, жестко укрепленная на операторе, вынуждает внешнюю часть совершать следящие движения. На внешней части установлен силовой привод и она воспринимает механическую нагрузку. Силовое оборудование внутренней части обеспечивает только обратную связь к оператору. Датчики установлены на внешней части конструкции в сочленениях они воспринимают движения человека точно так же, как в макете внешнего скелета. В результате усилитель повторяет естественные движения оператора. [c.46] Конструкция управляющих клапанов в системе силового привода имеет некоторые особенности. Прежде всего клапаны должны быстро срабатывать независимо от нагрузки. Они должны также обеспечивать передачу части динамической нагрузки оператору и снимать с него статические нагрузки. [c.46] Усилитель способен развивать усилия и мощность, которые могут нанести ущерб объекту труда или самому оператору. Очень важно поэтому, чтобы оператор имел достаточное представление о величине развиваемых усилий и месте их приложения. Наиболее естественным способом была бы обратная связь в виде определенной доли прилагаемых усилий. Желательно, однако, чтобы эти усилия передавались человеку только тогда, когда это необходимо, и не вызывали бы ненужного утомления. Нужно также, чтобы человек не воспринимал собственный вес конструкции. Поэтому желательно, не передавать человеку по цепи обратной связи усилия с частотами спектра, меньшими определенной пороговой величины. Подавляя в обратной связи колебания низкой частоты, можно уменьшить утомление человека, не ослабляя при этом его осведомленности о выполняемой работе. [c.47] Работы, ведущиеся в Корнельской авиационной лаборатории, направлены на создание экспериментальных образцов орудий и средств, которые, реализуя идею усилителя силы, имеют ряд дополнительных особенностей. Усилитель силы мускулов, как многие полагают, можно использовать для оказания помощи больным, потерявшим полностью или частично работоспособность в результате болезней мышечной или нервной системы. К сожалению, основное условие для создания усилителя силы состоит в том, что его носитель должен постоянно чувствовать величину развиваемого усилия. Это требует создания системы силовой обратной связи. Такой усилитель не способен придать подвижность парализованной конечности, ибо для приведения в действие усилителя нужно приложить входное усилие. Поэтому по самому замыслу усилителя необходимо, чтобы его носитель обладал здоровой и полностью управляемой мускулатурой. Если больной не способен выполнять некоторое движение без усилителя силы, то он, естественно, не будет способен выполнять его и с помощью усилителя. Однако в настоящее время предпринимаются некоторые шаги, чтобы преодолеть это затруднение. [c.47] Такая конструкция может быть использована для физиотерапии и восстановления работоспособности инвалидов. Люди с парализованными конечностями не способны нормальным образом управлять их движением. В числе методов лечения применяются принудительные тренировочные движения, выполняемые с помощью медицинского персонала. Разрабатываемый замысел позволит программировать упражнения и даст возможность пациенту выполнять сложные комплексы упражнений. Лечащий врач нуждается в средствах измерения физического состояния пациента. Разрабатываемая аппаратура позволит проводить измерения во много раз лучше, чем это достижимо современными методами. Некоторые пациенты бывают способны двигать конечностями, однако они не могут контролировать их перемещения. Подобная аппаратура позволит исключить нежелательные движения. Внешний скелет с силовым приводом, разработанный для этого, был назван миотрон — составное слово, в котором слог мио означает мускул, а трон — электронный прибор. [c.48] Вернуться к основной статье