Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование экзоскелета. Монография
.pdf
121
7. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ
7.1. Международный стандарт ISO 13482:2014
Большое количество исполнений и различных конструкций
экзоскелетов, созданных на сегодняшний день и разрабатываемых на
перспективу, обуславливает необходимость введения их
классификации, основанной на наиболее характерных признаках [12].
Рассмотрим классификацию экзоскелетов по области применения:
1. Экзоскелеты для экстремальных областей применения. К
ним можно отнести экзоскелеты для военного назначения и
экзоскелеты для использования с целью предупреждения и
ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.
Достоинствами экзоскелетов данной области применения
являются возможности их использования не только для улучшения
защищенности бойца на поле боя, но и для улучшения всего
комплекса его характеристик. А также возможности для применения
экзоскелетов при разборе завалов вместо тяжелой техники, что будет
оставлять максимальные шансы для выживания спасаемых.
Основные недостатки экзоскелетов для экстремальных областей
применения связаны с тем, что они не полностью повторяют
биомеханику человека, накладывая, тем самым, существенные
ограничения на его движения.
Пример экзоскелета, относящегося к данной рассматриваемой
области представлен на рисунке 4.1.
2. Экзоскелеты для гражданских областей применения. Сюда
относятся, в основном, промышленные и медицинские экзоскелеты.
122
Рисунок 7.1 – Прототип экзоскелета Hercule
Следует отметить такие достоинства экзоскелетов второй
рассматриваемой области, как способность значительно
облегчить тяжелый физический труд работников в промышленности
и строительной отрасли, возможность в некоторых условиях с
успехом заменить тяжелую строительную технику, грузоподъемные
машины и механизмы. А также то, что применение экзоскелетов в
медицине позволяет не только ускорить реабилитацию пациентов, но
и на порядок увеличить шансы на восстановление подвижности
больных с проблемами опорно-двигательного аппарата. Несмотря на
эти достоинства, необходимо обратить внимание на недостатки, а
именно на недостаточность исследований вопросов рентабельности
123
применения экзоскелетов в различных отраслях промышленности и
строительной сфере и на необходимость внедрения принципиально
новых норм техники безопасности.
Специалисты робототехники из японской компании Cyberdyne
создали прототип экзоскелета, который получил название HAL (Hybrid
Assistive Limb), и в настоящее время ведут его тестирование. HAL – это
роботизированный костюм, работающий от аккумуляторов [13].
Пример такого экзоскелета представлен на рисунке 4.2. Он реагирует
на сокращения мышц того человека, на которого он надет. При этом
экзоскелет не просто помогает человеку двигаться, но и повышает
мышечную силу своего оператора. Вмонтированная в него
электроника может считывать и анализировать сигналы мозга
человека и с помощью определенных приводов преобразовывать их
в различные движения. Экзоскелет HAL является первым в своем роде
с точки зрения глубины интеграции между человеком и машиной, и
поэтому самой важной задачей, которую должны решить инженеры
компании Cyberdyne, является обеспечение его безопасности. Все
возможные риски рассмотрены специалистами еще в процессе
разработки устройства, но пока нет соответствующих законов и норм,
способных защитить пользователей.
В данной ситуации повысить доверие пользователей к новым
устройствам могут международные стандарты. Компания Cyberdyne
одной из первых в мире внедрила новый стандарт ISO 13482:2014
"Роботы и роботизированные устройства. Требования безопасности к
роботам для персонального ухода". Компания внедрила этот стандарт
еще в то время, когда работа над ним находилась на стадии проекта.
Внедрение нового стандарта ISO 13482:2014 было крайне
важным с точки зрения формирования нового рынка
роботизированных систем для персонального ухода, а также
обеспечения безопасности подобных устройств. Главным
преимуществом ISO 13482:2014 является то, что этот документ
способен открыть рынок для нового поколения роботов. До сих пор,
производители роботизированных устройств были обязаны
124
соблюдать жесткие правила безопасности, применяемые в
медицинской индустрии, но подобные правила не всегда подходят
для этой технологии. Таким образом, создавались рыночные
барьеры. Но активное распространение нового стандарта должно
изменить ситуацию к лучшему.
Рисунок 7.2 – Экзоскелет HAL-3
125
В международном стандарте ISO 13482:2014 «Роботы и
роботизированные устройства. Требования безопасности к роботам,
осуществляющим персональный уход» установлены требования и
указания к изначально более безопасной конструкции, приводятся
меры по обеспечению безопасности и информация по
использованию роботов, осуществляющих персональный уход, а
именно следующие три типа роботов: мобильный обслуживающий
робот; робот, помогающий выполнять физическую работу; робот,
переносящий
человека [14].
Такие роботы, как правило, выполняют задачи по улучшению
качества жизни предполагаемых пользователей, независимо от их
возраста и способностей. В данном документе описаны опасности,
которые связаны с использованием таких роботов, в нем также
приводятся требования к устранению или исключению рисков,
вызванных такими опасностями на приемлемом уровне. Здесь
рассматриваются возможности применения физического контакта
человека с роботом.
В настоящем стандарте представлены значительные риски и
описано, каким образом справляться с ними для каждого типа робота.
Данный документ ограничен роботами, которые ходят по земле.
В данном стандарте не рассматриваются:
1. Роботы, скорость передвижения которых составляет более
20 км/ч;
2. Игрушки-роботы;
3. Плавающие или летающие роботы;
4. Промышленные роботы, которые описаны в ISO 10218;
5. Роботы как медицинское изделие;
6. Военные роботы и роботы, применяющие силу.
126
7.2. Факторы опасности для оператора экзоскелета
Оператор экзоскелета подвержен опасности при прыжках с
внушительной высоты из-за повреждения внутренних органов за счет
того, что энергия воздействия не погашена [15].
Существуют статистические данные о силе ударов, которые
может выдержать человек, его скелет, суставы и внутренние органы.
В соответствии с этими данными необходимо гасить всю остальную
энергию. Далее рассмотрены некоторые способы диссипации
энергии:
1. Вставка специальных демпфирующих материалов, которые
будут гасить большую часть энергии;
2. Повышение надежности за счет компоновки пластин по
вертикали и горизонтали. Данный способ дает улучшение
эксплуатационных характеристик и повышение свободы движения в
процессе
использования.
В разрабатываемой модели экзоскелета необходимо
рассмотреть следующий фактор опасности для оператора: выход из
строя системы управления. Данный фактор чреват травмами любой
степени тяжести у оператора, от перелома и растяжения вплоть до
летального исхода. Оператор получает перечисленные травмы из-за
того, что при выходе из строя системы управления все составляющие
части рабочей конструкции экзоскелета могут начать действовать без
взаимодействия с пилотом, не подчиняясь его командам и совершать
движения, на которые человеческое тело не способно, в связи с чем
необходимо интегрировать дополнительные способы обеспечения
безопасности. Данная проблема решена путем ограничения
диапазонов изменения обобщенных координат сочленений в
кинематической схеме экзоскелета. Убраны степени подвижности, на
которые не способен человек. К примеру, каркас колена не будет
иметь возможности разогнуться более чем на 180 градусов. Если бы
127
каркас выдвинулся дальше, это привело к повреждениям коленного
сустава.
Данную систему безопасности можно реализовать несколькими
способами:
1. Введением механического ограничения. Метод является
наиболее логичным и простым в исполнении средством обеспечения
безопасности. Он заключается в том, что в исполнительный механизм
экзоскелета закладываются углы поворота, равные предельным
значениям углов поворота для суставов человека. Данная система
обеспечивает довольно высокие показатели безопасности пилота в
экзоскелете, однако у нее есть и существенный минус. Доходя до
предельных значений углов с некоторой силой, элементы механизма
изнашиваются и со временем выходят из строя. Исходя из минусов
механического способа обеспечения безопасности, его следует
использовать как резервный;
2. Введением ограничений, накладываемых программой
управления на степени подвижности человека. Данный способ
оптимален для штатного режима работы конструкции экзоскелета. Он
обеспечивает максимально плавное ограничение, не вводя силовые
приводы и исполнительный механизм в граничные положения и не
давая на них чрезмерную нагрузку. Но стоит помнить, что подобная
система безопасности, хотя и является основной, не должна являться
единственной, в связи с тем, что она не так надежна, как
механическая, и нуждается в страховке, которая заключается в
синхронном взаимодействии двух систем.
Выводы
В данной работе было обработано:
- технологии которые существуют на сегодня и применяются в
робототехнике и многих смежных отраслях.
128
- концепции создания элементов, частей и узлов конструкции
для реализации поставленной задачи.
- разработка механической части конструкции, а именно всех
частей и узлов, необходимых для обеспечения
работоспособности устройства с тестовой проверкой
пригодности предложенных конструктивных решений.
- направления дальнейшей работы созданием систем питания
и систем контроля, которые будут удовлетворять
поставленные условия и ограничения.
В разработке системы были достигнуты параметры:
Скорость движения пользователя с помощью системы по
расчетам составляет 6-7 км / ч.
Вес потенциального пользователя до 100 кг.
Система способна выполнять целый спектр движений, в
частности ходить, приседать, ходить по лестнице.
Вес оборудования составляет 50-55 кг.
Время автономной работы может быть фактически
неограниченным благодаря бензиновому генератору.
Шарниры системы имеют постоянный крутящий момент в 170
Нм при использовании шаговых двигателей Nema 34 с крутящим
моментом 13 Нм, при этом КПД крутящего момента составит около 165
Нм.
Ориентировочная стоимость (на основе стоимости стандартных
деталей / изделий и оценки ориентировочной стоимости
изготовления остальных деталей конструкции) 4500$.
Направления дальнейшей работы:
• Оптимизация окончательно принятых деталей с помощью
инструментов CAD в системе Inventor (инструмент «Генератор форм»)
и SolidWorks (Помощник выполнения анализа SimulationXpress)
• Изготовление и апробация отдельных узлов/модулей.
• Разработка систем контроля.
• Разработка системы питания.
• Разработка обшивки с шумоизоляцией.
129
• Подбор бандажных и крепежных систем для фиксации
пользователя к аппарату согласно потребностям.
130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе проведен анализ существующих способов построения
экзоскелетов, на основе которого выявляются особенности динамики
движения экзоскелета.
На основе уравнений Лагранжа-Максвелла была построена
модель динамики движения пятистепенного активного экзоскелета с
учетом взаимосвязанности динамики звеньев и зависимости
электрических параметров электропривода от координат
механической конструкции, которые приводят к появлению
пульсации моментов, недопустимых в экзоскелетах, применяемых в
реабилитационной медицине.
Пульсации моментов носят сложный нелинейный характер, что
затрудняет их компенсацию с помощью линейных регуляторов. В
работе показана потенциальная эффективность адаптивного
управления для снижения этих пульсаций при движении экзоскелета,
имитирующем ходьбу человека. Разработка таких адаптивных
регуляторов является следующим этапом, который позволит
реализовать сложные движения экзоскелета, что даст возможность
применять их в реабилитационной медицине.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]