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). Студент Уральского
Федерального
Университета
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 Подъемно-транспортные
механизмы и роботы.
Эксперты проекта:
Кожушко Герман Георгиевич – д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Подъемнотранспортные механизмы и роботы.
Рябов Павел Борисович – военный врач в звании подполковник, 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, экзоскелет – это робот, надеваемый
на человека, который увеличивает его физическую силу и выносливость. Ожидается, что с
помощью этих систем человек сможет переносить громоздкие грузы с высокой
скоростью, а также они помогут ему ориентироваться на незнакомой местности.
3
Возможности экзоскелетов:
1. Увеличение физической силы
2. Увеличение скорости
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 работоспособнее 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 (ГЛОНАСС), 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 680,39 кг она
4
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,
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. эргономика: 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
5
3. Современное состояние исследований и разработок в области реализации
проекта.
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
компания Lockheed
американская
Martin разработала
экзоскелет HULC (Human Universal Load
Carrier),
который
американским
должен
солдатам
в
помочь
переноске
грузов.
По заявлениям разработчиков,
при приложении минимальных усилий
человек сможет нести груз в 90кг. HULC
снижает
энергетические
организма,
а
человека
и
бортовой
соответствие
костюма
компьютер.
затраты
движений
обеспечивает
Литиево-
полимерных батарей хватает для одного
часа путешествия со скоростью 5км/ч с
грузом 90кг.
6
XOS Exoskeleton
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
практически
активности
движения
синхронны.
со
всех
пилота
Датчики
частей
тела
и
машины
мускульной
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.
Узким местом данной конструкции является
огромное
энергопотребление
движений пилота.
и
ограниченность
7
EXO-Wing
А вот это очень интересная разработка.
Этот экзокостюм не дает человеку сил или
выносливости, зато он позволяет летать. EXOWing 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.
8
Cyberdyne HAL
HAL
(Hybrid
вспомогательные
Asistive
Limb
конечности")
-
"гибридные
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
биоэлектрические
можно
зарегистрировать
слабые
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.
Технические характеристики:
Высота: 160см
Вес: 23кг (облегченный вариант - 15кг)
Питание: аккумуляторные батареи
(AC100V)
Время работы: 2ч 40мин при
нормальной нагрузке
9
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.
10
4. Сущность предлагаемой разработки.
Целью
данного проекта является разработка
действующего
экзоскелета,
облегчающего движения человека, управляемого с помощью миоэлектрических сигналов.
Разработанный
экзоскелет
будет
представлять
собой
усилитель
нижних
конечностей человека. Вдоль бедра и голени будут идти трубки (рейки) из алюминия,
соединенные шарниром в области коленного сустава, по принципу коленного ортоза. На
этом шарнире будет установлен сервопривод. Он будет усиливать движения в колене,
определяя, с помощью миоэлектродов и контроллера, «желание» совершить разгибание
или сгибание ноги. Миоэлектроды будут закреплены в области четырехглавой мышце
бедра и на бицепсе бедра. Электроды соединяются с контроллером, который обрабатывает
входящий сигнал и вычисляет необходимое усилие на сервоприводе. Эта конструкция
опирается на землю, благодаря чему, человек не будет чувствовать вес экзоскелета. Этот
костюм позволит ходить, приседать, подниматься по лестнице, и даже бегать с гораздо
меньшими затратами сил.
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);

Технико-экономическое обоснование.
5. Организация работ.
Участники проекта:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Инженер-механик (ММФ УрФУ, ММФ УрГУ) - 3 человека
Био-механик (Спортфак, УГМА) - 2 человека
Нейрофизик (УГМА) - 2 человека
Электронщик (РТФ) - 2 человека
Программист (РТФ) - 2 человека
Экономист (УрГЭУ) - 1 человек
Испытатель - 2 человека
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
6. Предстоящие затраты по проекту.
Затраты на реализацию проекта состоят из затрат на оборудование и материалы:

электропила по дереву и пластику – 1 шт;

многофункциональный инструмент Stern MDC - 135 – 1 шт;

паяльная станция – 2 шт;

ноутбуки – 2 шт;

стальные трубы;

контроллер – 2 шт;

силовые драйверы – 4 шт;

провода;

двигатели с редукторами (сервоприводы) – 8 шт;

блок питания;

аккумуляторы;

миоэлектроды;

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
Stern MDC - 135
1400
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
2
2160
2800
2
2
9360
24000
4
7232
Промэлектроника
300
4
1200
Промэлектроника
Промэлектроника
300
100
4
5 (м)
Итого:
1200
500
47372