Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Концепция экзоскелета капсульного типа для аварийноспасательных операций

Зельцер А. Г.1 , Верейкин А. А.1, * , Гойхман А. В.1 , Савченко А. Г.1 , Жуков А. А.1 , Демченко М. А.1

УДК: 21.865.8, 623.445.1, 623.445.2

1 Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

Введение

Существующие на данный момент модели экзоскелетов представляют собой конструкцию рамного типа, имеющую минимум связей с телом человека. Так экзоскелет нижних конечностей BLEEX ремнями закрепляется на стопах, голенях и спине че- ловека-оператора, причём жёстко он крепится лишь к стопам.

Предлагается принципиально новая концепция исполнительного механизма (ИМ) экзоскелета, в основе которой лежит идея о том, что ИМ помимо увеличения физических возможностей человека должен обеспечивать и защиту его тела, что вполне обосновано в недетерминированных условиях проведения аварийно-спасательных операций. Поставлена задача обеспечить создание универсальной конструкции ИМ, которая позволит при необходимости создать линейку экзоскелетов, в число которых будет входить и вариант, предназначенный для ведения боевых действий. В этом случае силовой каркас заменяется бронекаркасом.

1. Определение взаимного расположения сочленений

В качестве предварительного этапа синтеза древовидной кинематической схемы ИМ экзоскелета были намечены активные и пассивные степени подвижности. Под активными понимают управляемые степени подвижности, а под пассивными – неуправляемые. Была получена предварительная схема размещения сочленений ИМ (рис. 1) и выбраны диапазоны изменения обобщённых координат в сочленениях, которые требуется уточнить в дальнейшем, ориентируюсь на предыдущие работы и антропометрические данные (в том числе предлагаемые модулем эргономического проектирования программного комплекса CATIA). Также определены предварительные размеры экзоскелета и расположение

узлов друг относительно друга. На данном этапе конструкция каркаса не прорабатывалась.

Рис. 1. Предварительная схема размещения сочленений ИМ экзоскелета

2. Проработка общей концепции исполнительного механизма

При проработке взаимного расположения основных узлов были выявлены проблемы, сопутствующие выбранной капсульной конструкции, связанные с жёсткой привязкой движений конструкции к движениям человека. Так для степени подвижности бедренного звена экзоскелета движение типа приведение-отведение (изменение крена), реализованное за счёт цилиндрического шарнира на основе стандартного подшипникового узла, приводит к проникновению звена ИМ в тело человека, что совершенно недопустимо. В современных образцах экзоскелетов проблемы такого рода решаются:

 удалением звена ИМ от тела человека в направлении, перпендикулярном к сагиттальной плоскости;

 назначением диапазона изменения обобщённой координаты сочленения, значительно меньше допустимого, определённого из антропометрических параметров;

 сильным разнесением в пространстве осей поворота сочленений, обеспечивающих изменение положения бедра по крену и тангажу.

Принятая ранее концепция не позволяет решать проблемы вышеперечисленными способами. Предложено решение, заключающееся в применении шарниров с виртуальны-

ми осями поворота, совпадающими с осями поворота соответствующих сочленений человека. Разработаны принципиальные схемы узлов, соответствующих принятой концепции. Остановимся подробнее на спине и бедре ИМ экзоскелета.

2.1 Степени подвижности спины

Спина человека обладает высокой подвижностью, однако концепция, положенная в основу современных образцов экзоскелетов, не позволяет в полной мере реализовать её подвижность. ИМ значительно ограничивает движения человека-оператора, соответствующие изменению положения спины по рысканию.

Размещение за спиной простого цилиндрического шарнира не решает проблемы (рис. 2). Позвоночник в данном случае является осью поворота, потому при размещении пары вращения вне тела, получим вторую, не совпадающую с первой ось, что может привести к повреждениям позвоночника и тела оператора.

Рис. 2. Кинематическая схема спины исполнительного механизма экзоскелета

Выходом из создавшейся ситуации является применение сочленения с виртуальной осью поворота, совпадающей с осью поворота спины человека, каковой является позвоночник. На рис. 3 приведено схематическое устройство спинного узла, представляющего собой направляющую качения, изогнутую по некоторому радиусу, соответствующему расстоянию до виртуальной оси поворота (поз. 1).

Рис. 3. Конструктивная схема реализации сочленения, обеспечивающего изменение рыскания спины человека оператора на основе цилиндрического шарнира с виртуальной осью вращения

2.2 Степени подвижности бедра

Сочленение, отвечающее за реализацию движения, обеспечивающего изменение положения бедра человека-оператора по тангажу, при изменении положения ноги человека по крену проникает в тело человека, тем самым, повреждая его. Решением данной проблемы является применение цилиндрического шарнира с виртуальной осью поворота (поз. 1, 2 на рис. 4).

Рис. 4. Конструктивная схема реализации сочленения, обеспечивающего изменение рыскания спины человека оператора

3. Достоинства и недостатки предложенной концепции

Предложенная общая концепция ИМ экзоскелета обладает рядом достоинств:

 уменьшенные габариты за счёт плотного прилегания ИМ к телу человекаоператора;

 в отношении основных движений человека удаётся реализовать принцип одно движение оператора – одно движение экзоскелета, т.е. изменение обобщённой координаты в сочленении ИМ адекватно изменению обобщённой координаты соответствующего сочленения человека. В современных же вариантах экзоскелетов изменению обобщённой координаты одного сочленения человека соответствует некоторая совокупность изменений обобщённых координат сочленений экзоскелета. Однако необходимо отметить, что данный принцип выполняется не для всех движений человека, в противном случае пришлось бы сильно усложнить конструкцию ИМ и довести число степеней подвижности экзоскелета до числа степеней подвижности человека, что на данном этапе развития техники не представляется возможным;

 некоторое упрощение системы управления за счёт реализации принципа одно движение оператора – одно движение экзоскелета;

 упрощённое освоение ИМ человеком-оператором;

 улучшенная эргономика;

 возможность модифицировать каркас во внешнюю несущую бронеконструкцию, предназначенную для защиты от различных ударных нагрузок;

 относительно облегчение конструкции за счет того что броня и каркас представляют собой единое целое;

 высокая жёсткость конструкции.

 Среди недостатков концепции можно отметить:

 увеличение степеней подвижности ИМ;

 усложнение конструкции сочленений;

 повышенное энергопотребление.

4. Разработанный исполнительный механизм экзоскелета нижних конечностей

Следующим этапом после принятия решения о применении виртуальных осей и проработки конструктивных схем сочленений ИМ является разработка кинематической схемы с учётом реальных и виртуальных осей вращения. Для получения точных геометрических размеров кинематической схемы ИМ экзоскелета было рассмотрено несколько способов решения:

 полный рентгеновский снимок тела оператора;

 сборка макета кинематической модели для её экспериментального уточнения.

Окончательно был выбран второй способ. При этом было решено совместить этапы разработки каркаса и сборки экспериментального макета. На рис. 5 представлен предварительный вариант ИМ экзоскелета нижних конечностей капсульного типа.

Преимущества предлагаемого исполнения ИМ экзоскелета:

 простое и удобное расположение сочленений, в том числе с виртуальной осью вращения;

 подходит для изготовления экспериментального макета кинематической схемы ИМ с целью уточнения геометрических размеров и размещения степеней подвижности;

 снятие с исполнительных двигателей, в качестве которых на данный момент рассматриваются пнево- и гидродвигатели с поступательным перемещением выходного звена, всех нагрузок кроме осевой, за счёт перемещения выходного звена по направляющей;

 исполнительный двигатель надёжно защищён от внешних механических воздействий кожухом, что особенно ценно при использовании в качестве исполнительных двигателей пневмомускулов. Это достигается за счёт введения дополнительного рычага, связывающего выходное звено исполнительного двигателя с ИМ (рис. 5);

 достигается повышение ресурса пневмомускулов за счёт того, что в процессе работы они не изгибаются.

Рис. 5. Предварительный вариант исполнительного механизма экзоскелета нижних конечностей капсульного типа

5. Силовая установка

Современные экзоскелеты могут обладать достаточной автономностью только лишь в случае низкой суммарной мощности исполнительных приводов, что сказывается, с одной стороны, на грузоподъёмности и скорости перемещения в пространстве, и на количестве управляемых степеней подвижности – с другой. Во многом в силу последнего фактора существующие на данный момент автономные ИМ представляют собой экзоскелеты только лишь нижних конечностей. Экзоскелет нижних конечностей BLEEX, использует в качестве основного источника энергии двигатель внутреннего сгорания (ДВС), вырабатывающий гидравлическую и электрическую энергии.

В настоящее время прорабатывается возможность использования ДВС, совмещённого с гидроили пневмонагнетателем. Это должно значительно уменьшить массогабаритные характеристики силового агрегата.

В современных образцах автономных экзоскелетов, оснащённых ДВС, двигатели располагаются за спиной оператора в крупногабаритных ранцах, что снижает подвижность поясничного отдела, но, в то же время, позволяет использовать более габаритный двигатель, попутно обеспечивая защиту спины. Возможно использовать принцип, который применяется на танках израильской армии “Меркава” . Двигатель располагается спереди, являясь дополнительной защитой экипажу. Для уменьшения габаритов костюма можно применить двигатель V-образной конфигурации с сильно увеличенным углом развала. Такая конфигурация позволит буквально распластать двигатель на поверхности груди или спины, тем самым значительно снизив габариты.

Заключение

Все высокоразвитые страны мира работают над проектами роботизированных экзоскелетов, оснащённых мощными исполнительными двигателями, предназначенных для использования, главным образом, в зонах ведения боевых действий и проведения аварий- но-спасательных операций. В РФ также ведутся разработки в этом направлении , однако на данный момент перспектива отечественных разработок представляется весьма туманной. Таким образом, существует острая необходимость проведения научных исследований и реализации технических проектов по данному направлению.

К настоящему времени определена концепция ИМ экзоскелета, проработаны некоторые конструкторские решения. Представлен метод, позволяющий произвести расчёт динамики ИМ с учётом реакций опорной поверхности, а в дальнейшем построить систему управления комплексом человек-экзоскелет. В качестве приоритетных направлений развития настоящего проекта выбрано параллельное проектирование двух вариантов ИМ, имеющих универсальную конструкцию каркаса, но отличающихся в части исполнительных приводов: гидроцилиндры и пневмомускулы. В настоящее время также идёт работа над экспериментальным макетом, который позволит дать оценку выбранным решениям.

Список литературы

1. Hanlon M. Raytheon XOS 2 Exoskeleton, Second-Generation Robotics Suit, United States of America. September, 2010. Режим доступа: www.gizmag.com/raytheon-significantly- progresses-exoskeleton-design/16479 (дата обращения 16.03.15).

2. Kazerooni H., Steger R. The Berkeley Lower Extremity Exoskeletons // ASME Journal of Dynamics Systems, Measurements and Control, Vol. 128, no. 1, pp. 14-25, March 2006. DOI: 10.1115/1.2168164. Режим доступа: (дата обращения 16.03.15).

3. Kazerooni H., Steger R., Huang L. Hybrid Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) // The International Journal of Robotics Research, Vol. 25, № 5-6, MayJune 2006, pp. 561-573. DOI: 10.1177/0278364906065505. Режим доступа: http://bleex.me.berkeley.edu/publications/ (дата обращения 16.03.15).

4. Sankai Y. Hal: Hybrid Assistive Limb based on Cybernics. // Global COE Cybernics, System and Information Engineering, University of Tsukuba. Режим доступа: http://sanlab.kz.tsukuba.ac.jp/sonota/ISSR_Sankai.pdf (дата обращения 16.03.15).

5. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семёнов С.Е., Каргинов Л.А., Кулаков Б.Б, Яроц В.В. Синтез кинематической схемы исполнительного механизма экзоскелета // Актуальные вопросы науки. –2014. – № XIII. – С. 68-76.

6. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е. Анализ и выбор кинематической структуры исполнительного механизма экзоскелета // Наука и образование:

электронное научно-техническое издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. – №7. С. 7293. DOI: 10.7463/0714.0717676. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/717676.html (дата обращения 16.03.15).

7. Merkava Mk. 4. Main battle tank. // Military-today. Режим доступа: http://www.militarytoday.com/tanks/merkava_mk4.htm (дата обращения 16.03.15).

8. “Боец-21” обгонит конкурентов? // Военное обозрение. Апрель, 2011. Режим доступа: http://topwar.ru/4198-boec-21-obgonit-konkurentov.html (дата обращения 16.03.15).

9. Лавровский Э.К., Письменная Е.В. О регулярной ходьбе экзоскелетона нижних конечностей при дефиците управляющих воздействий // Российский журнал биомеханики. – 2014. – Т. 18, №2. – С. 208-225. Режим доступа: http://vestnik.pstu.ru/biomech/archives/?id=&folder_id=3883 (дата обращения 16.03.15).

10. Основы теории исполнительных механизмов шагающих роботов // Ковальчук А.К., Кулаков Б.Б., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е., Яроц В.В. – М.: Изд-во Рудомино, 2010. –

11. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов С.Е., Яроц В.В., Верейкин А.А., Кулаков Б.Б., Каргинов Л.А. Метод проектирования пространственных древовидных исполнительных механизмов шагающих роботов // Инженерный вестник МГТУ Н.Э. Баумана. –

2014. – №11. – С. 6-10. Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/736600.html (дата обращения 16.03.15).

12. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Каргинов Л.А. Исследование динамики исполнительного механизма экзоскелета нижних конечностей с учётом реакций опорной поверхности // Наука и образование: электронное научно-техническое издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2014. – № 12. – С. 256-278. DOI: 10.7463/0815.9328000. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/745388.html (дата обращения 16.03.15).

13. Верейкин А.А., Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семёнов С.Е., Каргинов Л.А., Кулаков Б.Б, Яроц В.В. Динамика исполнительного механизма экзоскелета // Техника и технология: новые перспективы развития. – 2014. – № XIII. – C. 5-16.

14. Верейкин А.А. Расчёт исполнительных гидроцилиндров экзоскелета // Молодёжный научно-технический вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный журнал. – 2013. –

№ 5. – C. 11. Режим доступа: http://sntbul.bmstu.ru/doc/569290.html (дата обращения 16.03.15).

15. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семенов Д.Б. Концепция построения системы электрогидравлических следящих приводов двуногого шагающего робота // Наука и образование: электронное научно-техническое издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2010. –

Структурная формула молекулы хитина

Хитин — природное соединение из группы азотсодержащих полисахаридов. Химическое название: поли-N-ацетил-D-глюкозо-2-амин, полимер из остатков N-ацетилглюкозамина, связанных между собой b--гликозидными связями.

Основной компонент экзоскелета членистоногих и ряда др. беспозвоночных, входит в состав клеточной стенки грибов и бактерий.

История

В 1821 француз Генри Бракон, директор ботанического сада в Нанси, обнаружил в грибах вещество, нерастворимое в серной кислоте. Он назвал его фунгин. Чистый хитин впервые выделен из внешних оболочек тарантулов. Термин был предложен французским учёным А. Одье, исследовавшим наружный покров насекомых, в 1823 году.

Распространение в природе

Хитин — один из наиболее распространённых в природе полисахаридов — каждый год на Земле в живых организмах образуется и разлагается около 10 гигатонн хитина.

• Выполняет защитную и опорную функции, обеспечивая жёсткость клеток — содержится в клеточных стенках грибов.
• Главный компонент экзоскелета членистоногих.
• Также хитин образуется в организмах многих других животных — разнообразных червей, кишечнополостных и т. д.

Во всех организмах, вырабатывающих и использующих хитин, он находится не в чистом виде, а в комплексе с другими полисахаридами, и очень часто ассоциирован с белками. Несмотря на то, что хитин является веществом, очень близким по строению, физико-химическим свойствам и биологической роли к целлюлозе, в организмах, образующих целлюлозу хитин найти не удалось.

Систематика и характерные признаки членистоногих суммированы в таблице. По количеству видов тип Arthropoda самый многочисленный среди всех других. Более трех четвертых от общего числа всех известных видов - представители этого типа.

На долю одних только насекомых приходится более половины всех известных видов. Членистоногие освоили все местообитания на суше и в воде.

Основной план строения тела членистоноги х оказался чрезвычайно успешным, и в результате процесса, называемого адаптивной радиацией, от одной успешно эволюционировавшей предковой формы произошли разнообразные виды, заполнившие множество различных экологических ниш.

План строения тела у насекомых можно рассматривать как эволюционировавший план строения сегментированного тела аннелид. На этом примере отчетливо видно, как может быть использована метамерная сегментация. У древних членистоногих по всей длине тела располагались простые конечности, выполнявшие, вероятно, разнообразные функции, например, газообмен, добывание пищи, локомоция и распознавание разных сигналов. У современных членистоногих тенденция к более тонкой, по сравнению с аннелидами, специализации привела к появлению более сложных и более специализированных конечностей, с более выраженным разделением труда.

В наружном строении сегментация все еще прослеживается, но число сегментов становится меньше, чем у .

Ниже мы рассмотрим другие важные особенности членистоногих . Они в сочетании с упомянутой выше эволюцией сегментации делают понятным их процветание.

Экзоскелет. Кутикула.

Кутикула секретируется клетками эпидермиса. В состав кутикулы входит хитин - азотсодержащий полисахарид, очень напоминающий целлюлозу, которая служит опорным материлом клеточной стенки растений. Хитин отличается высокой прочностью на разрыв (его трудно разорвать, растягивая с двух концов). Связывание хитина с другими химическими соединениями может привести к изменению свойств экзоскелета. При добавлении минеральных солей, например (особенно солей кальция), экзоскелет может стать более твердым, как у ракообразных. Такое же действие оказывает и белок. Это создает возможность широкого разнообразия экзоскелетов по твердости, эластичности и жесткости. Гибкость кутикулы играет важную роль в суставах.

Наличие экзоскелета создает следующие преимущества:
1) он служит опорой, особенно на суше;
2) к внутренней поверхности экзоскелета прикрепляются мышцы, в частности те, которые участвуют в локомоции, включая полет;
3) служит защитой от физических повреждений;
4) покрывающий кутикулу восковой слой, вырабатываемый специальной железой в эпидермисе, предотвращает высыхание в наземных местообитаниях;
5) способность насекомых к полету, как и способность блох и саранчи к прыжкам, зависят от наличия в экзоскелете очень эластичного белка;
6) экзоскелет имеет низкую плотность, что очень важно для летающих животных;
7) наличие кутикулы создает возможность появления гибких суставов между сегментами;
8) экзоскелет может видоизменяться, образуя твердые челюсти, способные кусать, дробить, сосать или размельчать пищу;
9) местами экзоскелет может быть прозрачным, что обеспечивает проникновение света в глаза и возможность маскировки в воде.

- (ново лат., от греч. chiton хитон). Вещество, содержащееся во внешних покровах членистых животных, а также вообще в роговых частях тела. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ХИТИН главная составная часть … Словарь иностранных слов русского языка

ХИТИН - опорный полисахарид беспозвоночных (составляет основу наруж. скелета членистоногих) и компонент клеточной стенки грибов и нек рых зелёных водорослей. Линейный полимер из остатков N ацетил О глюкозамина, соединённых (? 1,4 гликозидными связями; в… … Биологический энциклопедический словарь

ХИТИН - ХИТИН, твердое, жесткое вещество, широко распространенное в природе; в частности, из него сделаны твердые панцири (ЭКЗОСКЕЛЕТЫ) ЧЛЕНИСТОНОГИХ, таких как крабы, насекомые, пауки и родственные им виды. Стенки ГИФ микроскопических трубочек грибов… … Научно-технический энциклопедический словарь

ХИТИН - полисахарид, образованный остатками аминосахара ацетилглюкозамина. Основной компонент наружного скелета (кутикулы) насекомых, ракообразных и других членистоногих. У грибов заменяет целлюлозу, с которой сходен по химическим и физическим свойствам… … Большой Энциклопедический словарь

ХИТИН - ХИТИН, хитина, муж. (от греч. chiton хитон) (зоол.). Вещество, из которого состоит твердый наружный покров членистоногих животных (насекомых, раков и т.д.). Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

Хитин - ЦИГЕЛЬНИКОВ Отчество от именования отца по его профессии: цигельник рабочий кирпичного завода (из нем. Ziegel кирпич). (Н). (Источник: «Словарь русских фамилий». («Ономастикон»)) … Русские фамилии

хитин - опорный полисахарид беспозвоночных (наружный скелет членистоногих) и компонент клеточной стенки грибов и некоторых зеленых водорослей. Линейный полимер из остатков N–ацетил–О–глюкозамина в клеточной стенке, образует (подобно целлюлозе, муреину)… … Словарь микробиологии

хитин - сущ., кол во синонимов: 1 полисахарид (36) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

ХИТИН - [χιτών (υитон) одежда, оболочка, скорлупа] единственный известный в природе азотсодер. полисахарид (см. Углеводы), аналог клетчатки. X. входит в состав наружных покровов многих беспозвоночных членистоногих, моллюсков … Геологическая энциклопедия

хитин - Водонерастворимый полисахаридный полимер, состоящий из N ацетил D глюкозоаминовых молекулярных единиц, формирующий экзоскелет насекомых, ракообразных и клеточную стенку грибов Тематики… … Справочник технического переводчика

Книги

• Научные основы химической технологии углеводов , . Предлагаемая читателю коллективная монография обобщает научные достижения последнего десятилетия в области химии углеводов. Впервые во взаимосвязи рассматриваются особенности структуры,… Купить за 1404 руб
• Технология полимеров медико-биологического назначения. Полимеры природного происхождения , Штильман М. И.. Настоящая книга является первым учебным изданием, комплексно отражающим современный уровень технологии производства важнейших природных высокомолекулярных соединений, находящих применение в…