РОБОТОТЕХНИКА

ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА

Конечно, нет серьезных оснований считать, что действия ро­бота должны приближаться к действиям человека. Тем не менее в некоторых случаях (например, когда необходимо управлять не­сколькими различными машинами, сконструированными пер­воначально для использования человеком) желательно, чтобы передаточная функция управления роботом приближалась к та­ковой у человека, заменяемого роботом. Все это относится к ро­боту общего назначения, используемому в среде, в которой про­текает деятельность человека.

Эксперименты показывают, что типичная передаточная функ­ция человека-оператора выражается как

Ї К П+гзР) ехо / г

^ 11 _1_ т. п( 4- Т~п ЄХР V йг) *

(1 +т1р)( +TsP)

Здесь Td — время задержки (время реакции человека); Td 0,2 с; Ті «а 10 с (низкочастотная стабилизация); Т.2 ^ 0,5 с (высокочастотная стабилизация); Т9 0,1 с (инерционное

запаздывание); К—коэффициент усиления; 2-f-100. Тем не менее все эти величины изменяются в широких пределах [4].

Для успешного выполнения задания коэффициент усиления К и постоянная Бремени Т3 должны частично регулироватся опера­тором, но в то же время должны сохраняться стабильность на вы­соких и работоспособность — на низких частотах.

Оказалось, что при угловой частоте выше 0,6 Гц амплитуда реак­ции падает до 18 дБ/окт. Следует отметить, что на частоте порядка 3 Гц имеется небольшой выброс, на котором обычно выбирается рабочая точка для управления силовым приводом самолета.

Более детальное исследование, относящееся к протезным устройства, было выполнено Орловым [29].

Для статического исследования задержки, вносимой чело­веком, полезно строить гистограмму числа событий в зависимости от задержки. Очень простое устройство, пригодное для подобных исследований, было создано Марклью [59] в Астонской киберне­тической лаборатории. Шаговый искатель, такой же, какие ис­пользуются на телефонных станциях, питается от сетевого источ­ника питаний частотой 50 Гц через простой однополуперйодный выпрямитель. Благодаря этому шаговый искатель делает один шаг за 1/50 с, т. е. один оборот в секунду. Таким образом, шаговый искатель можно использовать как непрерывно вращающийся 50-контактный переключатель. Исследуемый входной сигнал по­дается на ротор шагового искателя. К контактам переключателя подсоединены 50 конденсаторов. Каждый конденсатор соответ­ствует различной величине временной задержки. Если запуск шагового искателя совпадает с началом какого-либо процесса, например со стимуляцией нервной клетки, то движущийся кон­такт можно использовать для хранения результата па различных конденсаторах, причем каждый из них соответствует определен­ному моменту времени вплоть до 1 с от момента стимуляции. С по­мощью того же движущегося контакта можно затем извлекать информацию, хранимую на конденсаторах, для последующего воспроизведения, например на экране осциллографа или для фо­тографирования.

Можно также отметить, что в большинстве экспериментальных исследований мышечной деятельности животных и человека изу­чалась работа мышцы в линейной области. В то же время известно, что в критических ситуациях, когда работа мышцы происходит в нелинейной области, могут быть получены очень высокие ско­рости движения. Тэйлор высказал мнение, что ограничение иссле­дований маломасштабным участком линейной аппроксимации может затормозить развитие этой области исследования в целом [49].

3.2. ТРЕБОВАНИЯ К РАБОЧИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ РУКИ И КИСТИ [50-56, 60]

Предполагается, что минимальные требования к антипоморф" ной руке следующие.

1. Сгибание, вытягивание, отведение и приведение к верти­кали, проходящей через плечо (т. е. движение в двух плоско­стях).

2. Вращение в плече или, для удобства, в верхней части руки.

3. Движение локтя.

4. Сгибание в запястье.

5. Вращение в запястье.

6. Захватывание (или зажимание).

Было бы несомненным преимуществом, если бы конечности не­которых роботов могли двигаться естественным образом не только с точки зрения внешнего подобия человеку, но и с точки зрения управления и координации. Поэтому интересно изучить резуль­таты научных исследований функционирования конечностей че­ловека и получить эталон для сравнения с работой конечностей робота.

Максимальная угловая скорость, развиваемая в течение 1 с в суставах руки человека, порядка 2 рад/с, тогда как движения пальца и вращения в предплечье осуществляются в два-три раза быстрее. При подъеме массы в 5 кг максимальная скорость движе­ния уменьшается в два раза. В локте она несколько меньше 1,7 рад/с, а в предплечье — почти в два раза больше.

Интересно отметить, что маленькие дети могут не только «пролетать» мимо конечной позиции, но даже начинать движение в неправильній направлении. Мы не должны удивляться, столкнув­шись с подобными действиями необученного робота.

Предполагают, что для вращения ненагруженного локтевого сустава с частотой 3 Гц в полном диапазоне движения требуется величина статического момента в 70 Н-м. Приведенные здесь цифры дают исходные данные для формулирования инженерных требований к системе управления робототехнической рукой, способной к человекоподобным действиям.

Наиболее важная особенность кончиков пальцев человека — способность к деформации, которая помогает пальцам выполнять их функции. Напротив, относительная недеформируемость ногтей даст большое преимущество при поднятии маленьких предметов. Для передачи информации в центральную нервную систему очень важен также рычажный механизм ногтей. Робот с непластичной поверхностью пальцев и жесткими ногтями уступает человеку при выполнении многих операций.

Следует также отметить, что при выполнении более трудо­емких заданий, таких, как работа с молотком или отверткой, человек обычно использует одну руку для силовых действий,

а другую — в качестве направляющей. Поэтому желательно, чтобы робот имел по крайней мере две руки.

С точки зрения стандартизации и низкой стоимости желательно также, чтобы у робота были универсальные кисти рук. Тем не менее нет оснований отказываться от создания рук специального назначения, приспособленных для выполнения заданий, трудных для человека или вовсе ему недоступных. Необходимо также снаб­дить робот гнездами питания для подключения портативных электрических инструментов, которые он использует. Как и все другие части робота, кисти рук должны легко заменяться.

Основная трудность при улучшении динамических характери­стик руки робота вызвана противоречивыми требованиями к точ­ности позиционирования и необходимому времени позициони­рования. Поскольку любая система в той или иной степени ко­лебательная, для достижения высокой скорости позиционирова­ния следует стремиться к максимальному увеличению частоты собственных колебаний системы. В случае уравновешенной си­стемы поднимаемой роботом груз уравновешен весом робота. В этом случае время позиционирования возрастает с увеличением точности позиционирования. Для уменьшения колебаний могут использоваться демпферы различного вида, хотя при наличии электронного сервоуправления можно обеспечить соответствую­щую подстройку системы [11].

Было подсчитано [35], что число ежедневных движений про­теза руки человека порядка 2000, или 150 ООО циклов за трех­месячный период между профилактическими обслуживаниями. Рука робота должна быть в состоянии выполнять по крайней мере такое же число циклов между профилактическими обслужи­ваниями, однако следует стремиться к гораздо более высоким показателям.