Система управления группой боевых роботов

Экзоскелет
Студенческие инженерные соревнования по
робототехнике
05 октября – 14 декабря 2010 года
2
Название проекта.
«Экзоскелет»
Руководители проекта:
Фоменко Александр Викторович (19 лет).
Федерального
Университета
Студент Уральского
Радиотехнического
факультета,
специальность «Информационные системы и технологии». Контактная
информация: xanderfomenko@gmail.com, тел. +7 950 64 88 525
Куратор проекта:
Жегульский Владимир Павлович - К.т.н., доцент кафедры ПТМ и Р ММФ УРФУ
Эксперты проекта:
Кожушко Герман Георгиевич – Д.т.н., профессор, зав. кафедрой ПТМ и Р ММФ УРФУ
Рябов Павел Борисович – доктор медицинских наук, заместитель директора
Железнодорожной больницы Свердловской области.
Контактная информация: тел. 3583851
1. Аннотация.
На сегодняшний день человеку необходимо решать множество задач, для
выполнения которых ему порой не хватает ресурсов его тела. В этих делах человеку
может помочь технология экзоскелета. По сути своей, экзоскелеты – это роботы,
надеваемые на человека, которые увеличивают его физическую силу и выносливость.
Ожидается, что с помощью этих систем человек сможет переносить громоздкие грузы с
большой скоростью, а также они помогут ему ориентироваться на незнакомой местности.
Возможности экзоскелетов:
1. Увеличение физической силы
2. Увеличение скорости
3
3. Увеличение выносливости
4. Прыжки на большую высоту и расстояние
5. Защита от механических повреждений и РХБ защита
6. Пилотируемый полёт
Экзоскелеты могут быть применены в:
1. Медицине
2. Военной сфере
3. Сфере ЧС
4. Строительстве
5. Сфере отдыха и туризма
6. Логистике
7. Любой работе, требующей тяжелого физического труда
Самое перспективное направление развития экзоскелетов на сегодняшний момент
– медицина. Эта технология может подарить новую жизнь людям с ограниченными
физическими возможностями. Например, при параличе или полном отсутствии нижних
или верхних конечностей экзоскелет может компенсировать этот недостаток. А так же он
может пригодиться для восстановления людей с ослабленными мышцами, или для людей
престарелого возраста.
Очень перспективны экзоскелеты и в военной сфере. Став сильнее, солдаты тем
самым станут и выносливее и смогут преодолевать большие дистанции. Кроме того, они
смогут чинить тяжелое оборудование, которое иначе было бы невозможно привести в
рабочее состояние. Экзоскелеты будут также оборудованы датчиками и встроенными
приемниками системы глобального позиционирования (GPS), с помощью которых
солдаты будут двигаться к заданной точке по неизвестной местности. Вдобавок ко всему
этому, специалисты разрабатывают компьютеризированные ткани, которые будут следить
за режимом работы сердца и дыханием солдата.
В
1960-е
гг.
компания
General
Electric
разработала
электрическую
и
гидравлическую конструкцию под названием Hardiman, однако при ее весе в 1500 фунтов
она была неэффективна. В настоящее время используются более легкие материалы
(например, углеродное волокно), однако проблемы все же остаются. Экзоскелет состоит
из 5 элементов, без которых его работа немыслима: структура, энергия, управление,
4
исполнительные механизмы и биомеханика. Ниже приведены некоторые из проблем, с
которыми столкнулись специалисты:
1. конструкционные материалы: экзоскелет должен быть сделан из прочного,
легковесного и гибкого материала, который, к тому же, должен защищать и
себя, и солдата от вражеского огня;
2. источник питания: экзоскелет должен работать как минимум 24 часа без
дозаправки, блок питания также должен входить в систему; одной из наиболее
сложных задач будет создание бесшумного двигателя;
3. управление: средства управления системой должны быть максимально
удобны, чтобы пользователь мог свободно функционировать;
4. исполнительные механизмы: проблемы те же, что и с управлением –
пользователь должен иметь возможность плавных и бесшумных движений;
5. биомеханика: разработчики должны создать сочленения такие, которые будут
похожи на человеческие, так как если солдат в битве будет ограничен в
движениях, то для него эти ограничения будут фатальны.
Подводя итог, можно сказать, что экзоскелет должен во многом походить на
человека в его манере двигаться, чутко реагировать на человеческие движения.
2. Информация о заявителе.
Фоменко Александр Викторович, 19 лет, студент Уральского Федерального
Университета Радиотехнического факультета, специальность «Информационные системы
и технологии».
Адрес: 620137, г. Екатеринбург, ул. Блюхера 55а, кв. 69, тел. +7 950 64 88 525,
xanderfomenko@gmail.com
4. Современное состояние исследований и разработок в области реализации
проекта. Новизна предлагаемого подхода по сравнению с известными.
5
Power Loader
Данный экзоскелет разработан японской компанией и представляет собой
массивную конструкцию (~230кг) из алюминиевого сплава. Он позволяет поднимать и
перемещать грузы весом до 100кг. Человек как бы вставляется в робота, и управляет этим
костюмом посредством специальных джойстиков. Решение весьма интересное, но не
самое, на мой взгляд, удачное. Power Loader предполагается использовать как помощь
рабочим на складах, доках, шахтах. Свое имя экзоскелет получил благодаря сходству с
подобным устройством из фильма "Чужие".
HULC
Известная американская компания Locheed Martin разработала экзоскелет HULC
(Human Universal Load Carrier), который должен помочь американским солдатам в
переноске грузов.
6
По заявлениям разработчиков, при приложении минимальных усилий человек
сможет нести груз в 90кг. HULC снижает энергетические затраты организма, а
соответствие движений человека и костюма обеспечивает бортовой компьютер. Литивополимерных батарей хватает для одого часа путешествия со скоростью 5км/ч с грузом
90кг.
XOS Exoskeleton
7
Экзоскелет XOS от компании Sarcos (ныне компания принадлежит Raytheon)
выглядит действительно грозным и без человека похож на человеческий скелет.
Он увеличивает силу человека и позволяет с минимальной затратой сил
переносить тяжелые физические нагрузки. XOS обладает продвинутой системой связи
человека с механической частью, благодаря чему движения пилота и машины практически
синхронны. Датчики мускульной активности со всех частей тела передают информацию
на бортовой компьютер (находится на спине экзоскелета), который координирует все
действия экзоскелета. В результате этого человек практически не испытывает усталости
при физических нагрузках.
8
Узким местом данной конструкции является огромное энергопотребление и
ограниченность движений пилота.
EXO-Wing
9
А вот это очень интересная разработка. Этот экзокостюм не дает человеку сил или
выносливости, зато он позволяет летать. EXO-Wing от Atair выполнен из качественных
композитных материалов и настолько легок, что почти не чувствуется за спиной! Вместе с
тем, конструкция крыльев необычайно прочна, а пара микротурбин вкупе с крыльями
позволяют человеку планировать в воздухе на несколько километров.
10
Cyberdyne HAL
HAL (Hybrid Asistive Limb - "гибридные вспомогательные конечности") представляет
собой внешний каркас для человеческого тела, предназначенный для повышения
мускульных усилий.
Когда человек пытается двигаться, мозг посылает электрические импульсы к
мышцам. Когда они доходят до мышц, на коже можно зарегистрировать слабые
биоэлектрические сигналы. Специальные датчики считывают эти сигналы с кожи, а
компьютер анализирует, какой силы необходимо совершить действие. Необходимое
количество энергии поступает к сервомоторам, и они выполняют необходимое действие.
11
Технические характеристики:
Высота: 160см
Вес: 23кг (облегченный вариант - 15кг)
Питание: аккумуляторные батареи (AC100V)
Время работы: 2ч 40мин при нормальной нагрузке
12
Надо сказать, что костюм компенсирует свои вес, и поэтому тяжесть костюма не
ощущается. Предполагается, что Cyberdyne HAL поможет людям со слабыми мышцами
полноценно передвигаться; также возможно использование костюма в сферах
деятельности, связанных с тяжелым физическим трудом.
Это, на мой взгляд, наиболее интересный вариант экзоскелета: начато его
серийное производство и он находится в доступной продаже. Цена - $4200.
Российская разработка.
В нашей стране тоже ведутся кое-какие разработки в этой сфере. На 2015 год
заявлен выпуск новой боевой экипировки для российской армии под названием "Боец-21",
на эти цели из бюджета выделено около $35млн. "Боец-21" должен весить всего 22
килограмма (вес нынешней экипировки - 36кг), в него войдут усовершенствованные
системы поражения, защиты, управления, жизнеобеспечения и энергообеспечения. Для
пущей эффективности планируется добавить в экипировку элементы экзоскелета (по всей
видимости, нечто вроде американского HULC), которые снимут часть нагрузки с опорнодвигательного аппарата бойца. Также экипировка будет содержать новейшую броню,
созданную с применением нанотехнологий. Предполагается, что "Боец-21" будет
использоваться военнослужащими ВДВ, сухопутных войск и морской пехоты.
13
5. Сущность предлагаемой разработки.
Целью данного проекта является разработка действующего экзоскелета или его
элемента(конечности), управляемой с помощью миоэлектрических сигналов.
Для достижения цели проекта ставятся следующие задачи:
1. Освоить метод управления миоэлектрическими токами
2. Разработать конструкцию экзоскелета
3. Сборка и наладка работы экзоскелета
4. Разработка алгоритмов движения
5. Программирование управляющего микроконтроллера
Ожидаемыми результатами проекта являются:

Экзоскелет или элемент экзоскелета

3D-модель экзоскелета в Solid Works 2010;

Проектно-сметная документация (согласно стандартам ISO 15288, ISO 15926);

Справка и открытый код системы;

Технико-экономическое обоснование.
6. Права на интеллектуальную собственность.
7. Конкурентные преимущества.
8. Рынок сбыта.
9. Порядок коммерциализации результатов разработки.
На данном этапе разработки коммерциализация результатов разработки не
предполагается.
10. Организация работ.
Участники проекта:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Инженер-механик (ММФ УрФУ, ММФ УрГУ) - 3 человека
Био-механик (Спортфак) - 2 человека
Нейрофизик (УГМА) - 2 человека
Электронщик (РТФ) - 2 человека
Программист (РТФ) - 2 человека
Экономист (УрГЭУ) - 1 человек
Эксперты проекта:
План работы:
Подгруппы
механика
электропривод
электроника
моделирование
экономика
П
В
05.10-12.10
С Ч П С
В
П
В
12.10-19.10
С Ч П С
В
П
В
19.10-26.10
С Ч П С
В
П
В
26.10-02.11
С Ч П С
В
П
В
02.11-09.11
С Ч П С
В
П
В
09.11-16.11
С Ч П С
В
П
В
16.11-23.11
С Ч П С
В
П
В
23.11-30.11
С Ч П С
В
П
В
30.11-07.12
С Ч П С
В
П
В
07.12-14.12
С Ч П С
В
Исследование рынка
Исследование мирового
оборудования, подбор
опыта, проектирование
аппаратной корзины,
конструкции экзоскелета
покупка(заказ) материалов
Проверка всего активного
оборудования, подробный
план-схема подключения,
сборка отдельных
функциональных
аппаратных модулей,
сборочные и
пусконаладочные работы
Сборка отдельных
функциональных
аппаратных модулей,
тестирование,
пусконаладка
Доработка системы,
Интеграция модулей,
окончательная сборка всех
тестирование всей системы
частей, документирование
Подготовка
презентации
Осмысление результатов
ОДИ 7, создание
документации
Подготовка презентации,
планирование следующих
соревнований
Знакомство с темой,
Выбор двигателей,
проектирование силового создание силового
драйвера
драйвера
Проверка всего активного
оборудования, подробный
план-схема подключения,
сборка отдельных
функциональных
аппаратных модулей,
сборочные и
пусконаладочные работы
Сборка отдельных
функциональных
аппаратных модулей,
тестирование,
пусконаладка
Доработка системы,
Интеграция модулей,
окончательная сборка всех
тестирование всей системы
частей, документирование
Подготовка
презентации
Осмысление результатов
ОДИ 7, создание
документации
Подготовка презентации,
планирование следующих
соревнований
Проверка всего активного
оборудования, подробный
план-схема подключения,
сборка отдельных
функциональных
аппаратных модулей,
сборочные и
пусконаладочные работы
Сборка отдельных
функциональных
аппаратных модулей,
тестирование,
пусконаладка
Доработка системы,
Интеграция модулей,
окончательная сборка всех
тестирование всей системы
частей, документирование
Подготовка
презентации
Осмысление результатов
ОДИ 7, создание
документации
Подготовка презентации,
планирование следующих
соревнований
Проектирование схемы
экзоскелета на бумаге
Разработка 3D модели в
(план), подготовка готовых
SolidWorks ( ? )
рабочих чертежей,
составление сметы
Разработка 3D модели в
SolidWorks ( ? )
Сдача 3D модели, отчёты
Подготовка презентации
Подготовка презентации
Подготовка
презентации
Осмысление результатов
ОДИ 7, создание
документации
Подготовка презентации,
планирование следующих
соревнований
Исследование
экономических выгод от
внедрения технологии
"Экзоскелет"
Исследование
экономических выгод от
внедрения технологии
"Экзоскелет"
Разработка
экономического
обоснования
эффективности решения
Разработка схем
монитизации, получения
прибыли
Разработка схем
монитизации, получения
прибыли
Разработка бизнес-плана,
коммерческого
предложения
Подготовка
презентации
Осмысление результатов
ОДИ 7, создание
документации
Подготовка презентации,
планирование следующих
соревнований
Распределение
обязанностей, наблюдение
за исполнением и
маршрутизация … в случае
не исполнения,
руководство группой
разработки ПО
Распределение
обязанностей, наблюдение
за исполнением и
Организация, управление, Организация, управление, Организация, управление,
маршрутизация … в случае планирование, подготовка планирование, подготовка планирование,
не исполнения,
статьи
статьи
публикация статьи
руководство группой
разработки ПО
Подготовка
презентации
Осмысление результатов
ОДИ 7, создание
документации
Подготовка презентации,
планирование следующих
соревнований
Исследование рынка
оборудования (датчиков),
подбор аппаратной
корзины, покупка(заказ)
электронных элементов
Распределение
обязанностей, наблюдение
за исполнением и
руководитель группы маршрутизация … в случае
не исполнения,
руководство группой
разработки ПО
Исследование
существующей модели
контроллера на предмет
соответствия нуждам, или
проектирование и
изготовление своего
ОДИ-7
11. Состояние и источники инвестирования в реализацию проекта.
Предполагается, что спонсором данного проекта выступит Уральский федеральный
университет (УРФУ).
12. Предстоящие затраты по проекту.
Затраты на реализацию проекта состоят из затрат на оборудование и материалы:

электропила по дереву и пластику – 1 шт;

многофункциональный инструмент Dremel 400 Series DIGITAL (400-4/80) – 1 шт;

паяльная станция – 2 шт;

ноутбуки – 2 шт;

стальные трубки – 4 шт;

контроллер – 2 шт;

силовые драйверы – 4 шт;

провода;

двигатели с редукторами (сервоприводы) – 8 шт;

блок питания;

аккумуляторы;

электроды – 8 шт;

коленный ортоз – 4 шт;

локтевой ортоз – 4 шт;

голеностопный ортоз – 4 шт;
Смета проекта:
покупка
электропила по
дереву и пластику
Мини дрель
паяльная станция
ноутбук
игрушечные
радиоуправляемые
танки
платы для
контроллеров
платы для силовых
драйверов
провода
описание, фирма
цена, руб
дисковая ДП 1500, 1500 Вт,
d=200 мм, СМС-УРАЛ
2160
Dremel 400 Series DIGITAL
(400-4/80)
5200
LS DIGI-60, АТОН (ООО
ПКФ АТОН)
4680
12000
Танк 005671-D р/у+ак
(коробка) КНР, Планета
игрушек
1808
кол-во,
шт
стоимость, руб
1
2160
1
5200
2
2
9360
24000
4
7232
Промэлектроника
300
4
1200
Промэлектроника
Промэлектроника
300
100
4
5 (м)
Итого:
1200
500
47372