книги из ГПНТБ / Хилл П. Наука и искусство проектирования. Методы проектирования, научное обоснование решений

И

/ — безразмерная характеристика телосложения, силы, выносливости (0,5^/<^1);

g — ускорение силы тяжести; а — некоторая постоянная;

и — горизонтальная составляющая скорости;

н0 = / ■g ■а — окончательная скорость движения перед на­ ступлением усталости;

у — пройденное расстояние;

t — время, измеряемое от момента ослабления мышц.

Эксперименты Крендела и результаты, полученные на низких частотах, хорошо согласуются с приведенным выше уравнением, следовательно,

V = н0(1 — е~'/а).

Уравнение такого вида описывает динамическую систе­ му, в которой источник энергии разряжается вследствие омических потерь.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ, ИМИТИРУЮЩИХ КОНЕЧНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Вряд ли человек сможет рукой согнуть стальной стер­ жень толщиной 8 мм так, как показано на фиг. 5.22. Мало­ вероятно также, что с помощью существующих инструмен­ тов можно согнуть стальной стрежень с такой же ловко­ стью, как это можно было бы сделать рукой. Итак, рука относительно слабый орган, а инструмент как продолжение руки не обладает ее ловкостью. Однако в настоящее время разработаны методы, обеспечивающие такое сочетание элементов системы «человек — машина», которое ранее было невозможно. Примером является механическая рука (см. фиг. 5.22), конструкция которой основана на допуще­ нии, что обычно при выполнении работы 45% усилий ло­ жится на большой палец, 20 % — на указательный, по 10 % на средний и безымянный и 15% — на мизинец. Так как на большой палец приходится основная часть усилий, его работу имитирует отдельная группа звеньев, а остальные пальцы в соответствии со степенью их участия в операции объединяются и образуют еще две группы звеньев. В точ-

Фиг. 5.22. Механическая рука.

ках вращения установлены шарнирные соединения. Уст­

гидравлический пли пневматический привод). Идея со­ стоит в том, что любое движение руки человека будет копироваться механической рукой с передачей к оператору по каналу обратной связи ощущения некоторого усилия. Такие системы имеют различные названия: копирующий манипулятор, механическая рука, кибернетическое антро­ поморфическое устройство и т. д.

Одной из первых попыток создания систем такого рода было создание дистанционных манипуляторов прямоли­ нейного типа, например гидромеханического манипулято­ ра фирмы «Дженерал электрик» и электромеханического манипулятора фирмы «Аргон». Эти системы эффективно копируют обычные движения оператора, выполняя их одновременно с оператором или с некоторым запаздыва­ нием; при этом сохраняется шесть степеней свободы, ха­ рактеризующих движения человека. Эксперименты под­ твердили возможность создания механических устройств, имитирующих движения конечностей и позволяющих поднимать и переносить грузы в 10—15 раз тяжелее, чем может поднять человек. Шагающие машины, подобные

Фиг. 5.23. Шагающая машина.

изображенной на фиг. 5.23, возможно, когда-либо позволят передвигаться по бездорожью на местности, где примене­ ние существующих транспортных средств невозможно.

Поскольку системами, усиливающими возможности че­ ловека и выполняющими различные манипуляции, опера­ тор управляет с помощью движений и путем приложения некоторых усилий, то необходимо обеспечить пространст­ венное соответствие между конечностями оператора и элементами машины. Однако учета только антропометри­ ческих и инженерно-психологических данных, на основе которых были приняты решения о первых конструкциях, уже недостаточно. Кинематика, динамика п теория управ­ ления системами тесным образом связаны с биомеханикой и характеристиками человека. Эти вопросы слабо освеще­ ны в литературе (если не считать литературы по проте­ зированию) .

Данные, полученные фирмой «Дженерал электрик» при выполнении программы «Аполлон» с помощью фото­

графических методов, в ближайшем будущем могут ока­ заться исключительно полезными при конструировании устройств, имитирующих движения конечностей человека. На фотографиях с многократной экспозицией прослежива­ ется выполнение ряда заданных операций. Съемка произ­ водилась в плоскости, перпендикулярной плоскости «фото­ аппарат— оператор», а регистрация движений более чем

водной плоскости выполнялась путем установки двух фо­ тоаппаратов в перпендикулярных плоскостях. Оптическая привязка достигается путем помещения в каждую шарнир­ ную точку (плечо, локоть, запястье, бедро, колено и ло­ дыжка) кружков из люминесцентного материала и соеди­ нения этих точек тонкой люминесцентной полоской. Затем оператора фотографируют на черном фоне с постоянной частотой экспозиции (например, в эксперименте, проведен­ ном фирмой «Дженерал электрик», было пять экспозиций

всекунду). Для получения из фотографии данных, кото­ рые могут быть использованы конструктором, применялся графический метод анализа. Графики дают представление о количественном описании кинематики тела, что необхо­ димо для инженеров, которые разрабатывают системы, усиливающие возможности человека. Использование по­ добных графиков свидетельствует о том, что биомеханика начинает применяться для решения широкого круга повсе­ дневных задач.

На фиг. 5.24 приведены данные для мужчин 5-го и 95-го процентнлей, поднимающих груз весом 13,6 кгс. Как и следовало ожидать, кривые имеют одинаковый характер, хотя конкретные значения указывают на большую силу у более крупного человека. Оба оператора поднимают груз весом 13,6 кгс на высоту 1,8 м за 4,5 с, однако мужчина 95-го процентиля поднимает груз более плавно, а мужчина 5-го процентиля поднимает его более резко. И хотя сум­ марная работа, выполненная каждым из них, одна и та же (фиг. 5.24, а), вследствие большей скорости подъема груза мужчина 5-го процентиля расходует больше энергии, что видно из фиг. 5.24, б.

На фиг. 5.25 приведены данные для мужчин 5-го и 95-го процентнлей, снимающих с платформы груз весом 13,6 кгс. Различие в форме кривой отражает различие в росте двух мужчин. В первые 2 с расстояние до земли сохраняется постоянным, так как человек подтягивает к себе груз, находящийся на платформе. Однако, когда груз оказывается на краю платформы, человек меньшего роста удерживает его от падения, а более высокий человек сразу же снимает груз с платформы, берется за него более удоб­ но и опускает на землю.

Фиг. 5.24. Данные для мужчин 5-го и 95-го процентплей, подни­ мающих груз весом 13,6 кгс.

Фиг. 5.25. Данные для мужчин 5-го и 95-го процентилѳй, снимаю­ щих с платформы груз весом 13,6 кгс.

«Требуется подсобник для выполнения монотонно по­ вторяющихся операций на морозе, в сильную жару, в атмо­ сфере вредных газов и зловонных испарений. Рабочий день 16—20 часов. Завтраки, отпуск и выходные дни не предоставляются. Ошибки в работе нетерпимы».

Работу такого рода в настоящее время легко выполня­ ют промышленные роботы, подобные роботам «Юнимейт», изготавливаемым фирмой «Юнимейшен». Робот «Юни­ мейт» — автономная движущаяся машина, оснащенная обу­ чающимся электронным устройством и автоматически выполняющая с помощью механической руки различные операции в условиях, опасных для жизни человека.

Робот «Юнимейт» имеет твердотельное цифровое запо­ минающее устройство. Его механическая рука, управляе­ мая гидравлической и пневматической системами, может протягиваться на расстояние более 2 м и свободно повора­ чиваться по трем направлениям. Она имеет вращающиеся запястье и кисть п может поднимать как самые легкие предметы, так и предметы весом до 45 кгс. Механическая рука поднимает предметы, переносит их на другое место, точно устанавливает, вырабатывает сигналы управления другими устройствами и принимает внешние сигналы для выполнения различных команд.

Обучение робота выполнению новой операции осуще­ ствляется путем однократного прохождения вручную всей рабочей программы. Последовательные этапы регистри­ руются в памяти нажатиями кнопки, при этом прежние команды стираются и робот получает новую программу, которая может повторяться бесконечно долго.

Наличие памяти у робота представляет собой одну из основных особенностей, отличающих робота от обычного автоматического устройства. Другая особенность робота — его способность управлять своими движениями и прп не­ обходимости их корректировать. Так, «Юнимейт» может быть запрограммирован для выполнения операций, кото­ рые отличаются от первоначального задания, путем внесе­ ния небольших изменений (или вообще без всяких изме­ нений), что важно для фирм, расширяющих производство или приступающих к выпуску новой продукции.

Характеристики робота «Юнимейт» (модель 2), изго­ тавливаемого фирмой «Юнимейшен», приведены на фиг. 5.27.

Хотя выше было сказано, что промышленный робот мо­ жет заменить человека при выполнении определенной ра­ боты, однако возможности этого устройства значительно ниже возможностей человека: робот не может рассуждать, не обладает ловкостью человека, его остротой зрения и

Сила, развиваемая при сжатии, достигает 136 кгс на конце каждого паль­ ца длиной 10 см. Источник питания — трехфазный переменный ток напря­

Дополнительные элементы: руки и пальцы для выполнения определен­ ных операций; чехлы для защиты от воздействия среды; устройства для автоматического определения местоположения руки; наружный воздуш­ ный компресор, подающий сжатый воздух при выполнении операций за­ хвата и зажима.

а — граница зоны действия пальцев при максимальном протягивании ру­ ки; б — граница зоны действия запястья при максимальном протягива­ нии руки; в — граница зоны действия пальцев при минимальном протя­ гивании руки; г — граница зоны действия запястья при минимальном про­ тягивании руки.

Фиг. 5.28. Использование робота на сборке автомобилей.

осязанием. Роботы, как правило, используются для выпол­ нения работы, которая для человека является утомитель­ ной, неприятной, однообразной и опасной для его здоровья.

Стоимость роботов равна 18—24 тыс. долл. В настоящее время роботы используются для выполнения самых раз­ личных функций.

Роботы устанавливаются перед раскаленным добела горном печи для термообработки тракторных деталей. Они работают по программе «поднять — нагреть — охладить — погрузить» по три смены в сутки без перерывов. Роботы работают у многотонных прессов, штампующих крупные детали корпусов автомобилей.

Роботы используются на сборке автомобилей для вы­ полнения операций, подобных изображенным на фиг. 5.28. Контактной сваркой робот присоединяет боковые элементы корпуса автомобиля к панели крыши. Самодвижущаяся тележка перемещает робота вдоль корпуса автомобиля, а затем его возвращает для сварки корпуса следующего авто­ мобиля.

Автомобильные фирмы изучают возможность примене­ ния роботов для окраски автомобилей. При этом возможна