Читать книгу Экзоскелеты человека: введение - - Страница 3

1.1. Что такое робот и зачем нам разбираться в его устройстве

Когда мы рассматриваем экзоскелет как активное робототехническое устройство, важно понимать его в контексте общей робототехники. Фактически полный активный экзоскелет – это разновидность шагающего робота, внутри которого находится человек. Робот не существует сам по себе: он синхронизируется с намерениями пользователя и движется совместно с ним. Именно поэтому знание общей структуры роботов необходимо, прежде чем переходить к обсуждению экзоскелетов.

Чтобы понимать возможности и ограничения экзоскелетов, нужно уметь разбирать структуру любого робота. В инженерной практике принято выделять пять ключевых подсистем. Это не строгий стандарт, но удобная логическая схема, позволяющая анализировать любые робототехнические устройства – от промышленных манипуляторов до медицинских экзоскелетов.

1.2. Пять основных подсистем робота

С инженерной точки зрения робот – это совокупность функциональных подсистем, каждая из которых решает свой практический набор задач.

Двигательная система

Это подсистема, отвечающая за создание движения. В нее входят приводы, мотор-редукторы, силовые механизмы – все, что обеспечивает перемещение звеньев робота или изменение его положения в пространстве. В экзоскелете двигательная система создает движущие усилия, которые помогают человеку ходить, поднимать груз или выполнять другое действие.

Манипуляционная система

Манипуляционная часть – это система звеньев и сочленений, обеспечивающая геометрию и кинематику движения. У промышленных роботов она управляет инструментами, у хирургов – манипуляторами для операций. У экзоскелета ее роль – создание кинематической структуры, повторяющей или расширяющей анатомию человека.

Информационно-измерительная система (сенсоры)

Задача – получить данные о состоянии машины и внешней среды. Сюда относятся датчики положения, силы, угловой скорости, давления, биологические сенсоры (например, ЭМГ), и любые другие измерительные элементы. Без сенсоров робот «слеп» и «глух»: он не знает ни о положении своих суставов, ни о взаимодействии с человеком.

Система управления

Это вычислительная часть, принимающая решения. В нее входят алгоритмы стабилизации, планирования движения, распознавания событий. Система управления анализирует информацию от сенсоров и задает приводам необходимые действия. Именно здесь определяются точность, плавность и безопасность работы устройства.

Система коммуникации

Она обеспечивает обмен данными между роботом, оператором, внешними устройствами или другими роботами. Это могут быть кабельные, беспроводные или сетевые протоколы. В экзоскелете она отвечает за связь с компьютером, пользовательским интерфейсом или клиническим программным обеспечением. Все пять подсистем вместе формируют целостную архитектуру робота. Если одна часть работает нестабильно – страдает весь комплекс.

1.3. Как классифицируют роботов

Роботы – чрезвычайно разнообразная группа устройств. Чтобы упорядочить это множество, применяют несколько независимых классификаций. Ни одна из них не является исчерпывающей; каждая лишь подчеркивает определенную инженерную логику.

Классификация по назначению

Эта классификация наиболее широка и практична. Обычно выделяют:

– универсальные роботы. Могут выполнять широкий спектр задач. Пример – роботы-манипуляторы с возможностью перенастройки;

– специализированные роботы. Адаптированы под определенный тип работ и ограничены заданными условиями;

– узкоспециализированные роботы. Созданы строго под одну функцию. Например, экзоскелет для переноски грузов или экзоскелет для восстановления походки после инсульта.

Экзоскелеты чаще всего относятся ко второй и третьей группе, поскольку их назначение определяется конкретной медицинской, рабочей или военной задачей.

Классификация по техническим параметрам

Здесь учитывают:

– тип приводов (электрические, гидравлические, пневматические);

– грузоподъемность;

– число степеней свободы;

– кинематическую схему;

– диапазоны скоростей и ускорений.

Этот критерий важен при сравнивании экзоскелетов разных производителей.

Классификация по системе управления

Роботы отличаются по уровню автономности и характеру алгоритмов:

– с ручным управлением;

– полуавтоматические;

– автоматические;

– интеллектуальные системы с адаптивным управлением;

– роботы с программно-целевым контролем;

– роботы с высокоточным управлением (например, хирургические).

Разные сферы требуют различной точности. Сравните: погрузчик может работать с сантиметровой погрешностью, хирургический робот – с субмиллиметровой.

1.4. Экзоскелет как особый тип робота

Активный полный экзоскелет удобно представлять в виде шагового робота, внутри которого находится человек. Экзоскелет не просто выполняет движение; он синхронизируется с пользователем, подает усилие строго в нужный момент, корректирует траекторию и обеспечивает безопасность при выполнении задач.

Такое устройство сочетает все пять подсистем робота, но дополняется специфической задачей – совместным движением человека и машины. Именно поэтому экзоскелеты представляют собой одну из наиболее сложных робототехнических систем.

Контрольные вопросы

1. Какие части можно условно выделить в промышленном роботе и, в принципе, в любом роботе?

2. Как можно классифицировать роботов?

3. Какую роль выполняет коммуникационная система в архитектуре экзоскелета?

4. Классифицируя роботов по назначению, можно условно выделить следующие типы:

5. Как условно можно представить активный экзоскелет человека?