РОБОТОТЕХНИКА

ХОЖДЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА

Представляет интерес рассмотреть функционирование человека при ходьбе для сравнения с шагающим роботом.

Если в качестве первого приближения рассматривать ногу человека как жесткий цилиндр длиной, скажем, 90 см, диаметром 12 см и с плотностью вещества 1,1 г/см3, то объем такой ноги будет приблизительно 10 000 см3, а масса порядка 11 кг. Это примерно соответствует данным взрослого мужчины, весящего 70 кг.

Уравнение движения такой упрощенной ноги

= —1,5 —-—sin 0,

dt2 длина

где 0 — угол отклонения ноги от вертикали, a g — ускорение силы тяжести. Для малых углов отклонения ноги от вертикали можно считать sin 0 ^ 0, и тогда недемпфированная собственная частота «качаний» ноги будет приблизительно равна

1г~ (1,5——

!я Ч длина /

2л

что дает около 2/3 кол/с, или, как это принято у военных, 80 шаг/мин.

Поскольку эта величина выражает собственную частоту «ка­чаний» ноги, более быстрая ходьба требует расходования допол­нительной энергии. Было предположено, что установка пружины

157

между ногами для увеличения собственной частоты качаний может увеличить скорость хождения без чрезімерного увеличения рас­ходуемой энергии.

Были сделаны попытки продолжить анализ такого рода с уче­том эффекта подъема и опускания центра тяжести при ходьбе, возникающего за счет работы ступней человека [7]. Помимо этого делались попытки доказать существование оптимальной скорости хождения у человека, чтобы определить минимальные затраты энергии.

- Размеры ног и ступней у человека принимаются фиксирован­ными. Незначительные изменения их размеров можно осуществить (например, созданием специальных ботинок), но только с условием, что при этом будет увеличена масса.

Для робота подобных ограничений не существует, и можно будет организовать работу его ног таким образом, чтобы достиг­нуть оптимальной эффективности при выполнении конкретного задания.

Механическая мощность, развиваемая человеком на отрезке времени в 30 мин, порядка 375 Вт и может возрастать до 1125 Вт на очень коротких временных интервалах.

Литература по работе мышц и расходованию энергии у чело­века при ходьбе рассмотрена Греве и Кавана [34], а обзор сов­ременного уровня знаний по относительному фазированию дей­ствий различных мышц ноги и ступни человека при ходьбе выпол­нен Полом [35]. Маккензи [37] рассмотрел работу коленного сустава при ходьбе, а особенности походки человека, в том числе и при спуске по ступенькам, были изучены Контини и др. [38, 39].

Франк [15—17, 24] указал на несколько очень интересных фак­тов, касающихся передвижения на ногах. Во-первых, необходим способ управления, зависящий от скорости, так как если при ма­лой скорости требуются небольшие или вовсе не требуются «ди­намические ощущения», то когда скорость возрастает, информация о состоянии тела становится необходимой. Во-вторых управление должно рассматриваться как составное — и непрерывное, и дис­кретное, так как ноги должны отрываться от земли и вновь уста­навливать контакт. Для того чтобы управлять шестью степенями свободы тела, потребуется по крайней мере шесть независимых управлений.

При теоретическом изучении возможности построения проте­зов ног, требующих только таких команд, как «Вперед», «Стоп», «Повернуть влево» и т. д., Вит предположил, что ступни при ходьбе, так же как и в положении стоя, только обеспечивают опорную по­верхность и средство для отталкивания с использованием лодыжки, но не выполняют стабилизирующую функцию [19]. Если это так, то размерЬі ступней не имеют значения. Подобные соображения приводят к шагающему устройству с поворотным исполнительным механизмом в бедре и телескопической ногой, приводимой в движе­ние линейным исполнительным механизмом. Необходимо только блокировать суставы лодыжек в положении стоя.

Для телескопического исполнительного механизма обычный гидравлический цилиндр, управляемый золотником, неэффекти­вен. Основное телескопическое действие ноги происходит, когда ступня поднята над землей и сила противодействия мала. Необ­ходим такой механизм, у которого эффективная площадь поверх­ности поршня увеличивается, когда противодействующая сила превышает некоторую величину.

В качестве первого шага на пути к созданию двуногой шагаю­щей машины Холл и Уитт успешно продемонстрировали устройство, которое могло стоять на своих двух ногах и шагать на месте [32]. Эти ноги не сгибались, но вытягивались и сокращались при по­мощи линейных исполнительных механизмов гидравлического действия.

После ранних попыток использовать для измерения углов на­клона маятник с большим периодом колебаний, образованный слегка эксцентрически закрепленным маховиком [19], стали при­спосабливать для этой цели гироскопы совместно с датчиками угла, встроенными в универсальный шарнир. Угловая скорость измерялась путем дифференцирования сигнала с последующей подачей на фильтр низких частот (10 Гц) для отделения высоко­частотного шума. Тем не менее из-за того, что гироскоп требует большого времени для запуска и потребляет значительную энер­гию, исследовали другое устройство, основанное на принципе дей­ствия полукружных каналов человека.

Для определения движений легкого масла, образующего вязкую среду и заполняющего изогнутую замкнутую медную трубку, использовали индуктивный тип датчика с Е-образным сердечни­ком. Ширина полосы пропускания этого искусственного полу­кружного канала от 0,02 до 30 Гц.

Когда описываемое двуногое устройство марширует на месте, можно быстро подложить деревянную чурку под одну из ступней без какой-либо задержки шага; тогда одна из ног удлиняется, в то время как другая укорачивается, чтобы компенсировать крайне неровный характер только что возникшей поверхности.

Каждая нога конструкции, описанной Никольсом и Уиттом, представляет собой два почти вертикально расположенных с не­большим промежутком стержня, раздельно шарнирно-прикреп­ленных к передней и задней частям «бедра» и к носку и пятке [33]. Было показано преимущество в несколько большем разнесении то­чек крепления к пятке и носку, чем точек крепления к бедру. Если бедра этого устройства слегка раскачивает из стороны в сторону человек, сидящий на нем верхом, то устройство идет вперед. Ноги приводятся в движение рычагами от платформы, на которой сидит человек (выражались сомнения в абсолютной необходимости этой связи для человека-оператора). Устройство демонстрирова­лось в действии человеком без ног, который оказался в состоянии передвигаться и был очень доволен обретенной способностью.

Работы, подобные этой, много обещают не только для примене­ний в протезах, но также для применения в роботе, что, в свою очередь, будет содействовать развитию протезирования. Робертс указал на то, что в то время как у большинства не обитающих в воде животных функции перемещения и поддержания веса обес­печиваются одним и тем же механизмом, в инженерных устрой­ствах принято решать эти две задачи раздельно [36]. Он показал моделированием, что коленный сустав человека построен таким образом, что совершенно стабильно поддерживает вес независимо от угла, под которым согнуто колено.