robot avatar, робот-аватар
   
  

Web cайт посвящён роботу-космонавту ФЕДОРу - это откровенный троллинг.

   
 

The method of Streltsov's of compulsory angular orientation of a head and pelvis of the person-operator in the support mechanism, which we uses for remote control a humanoid robot avatar.

 

 

Способ Стрельцова принудительной угловой ориентации головы и таза человека-оператора в механизме подвеса, применяемого для дистанционного управления антропоморфным роботом-аватаром.

 

 The Web page is written on materials of the application for the invention.                         Web страница написана по материалам заявки на изобретение. ©  

Version of 18 February 2019


The invention have relation to area of a robotics and can be used, for example, in rescue operations, in the space industry, in a diving business etc.

Technical result: increase of quality of management by the anthropomorphous robot avatar.

Essence of the invention: the data on angular orientations of a head and a pelvis concerning a thorax of the anthropomorphous robot avatar are transferred by a liaison channel to the watching support mechanism, which gives to a head and a pelvis of the person - operator similar angular orientations concerning a thorax of the person - operator, in turn the person - operator, doing force influences by the own head and the pelvis on internal surfaces of a helmet and panties, can change of the angular orientations of a head and a pelvis of the robot.

 

In a neck of the person is present 7 vertebras (accordingly several the muscle, responsible for movements, fastens to everyone the such by vertebra) - it all and allows the person to incline and turn a head. It is rather complex system, both in the mechanics, and in a signals of management, you can see a drawing # 1

 

Изобретение относится к области робототехники и может быть использовано, например, в спасательных операциях, в космической индустрии, в водолазном деле и т.д.

Технический результат: повышение качества управления антропоморфным роботом-аватаром.

Сущность изобретения: данные об угловых ориентациях головы и таза относительно грудного отдела антропоморфного робота-аватара передаются по каналу связи на следящий механизм подвеса, который придает голове и тазу человека-оператора аналогичные угловые ориентации относительно грудного отдела человека-оператора, в свою очередь человек-оператор оказывая силовые воздействия своей головой и своим тазом на внутренние поверхности шлема и трусов может необходимым образом изменять угловые ориентации головы и таза робота.

В шее человека имеется 7 позвонков (соответственно к каждому такому позвонку крепится по нескольку мышц, ответственных за их движения) – все это позволяет человеку наклонять и поворачивать голову. Это весьма сложная система, как по механике, так и по сигналам управления, см. фигуру № 1

   

 

Drawing # 1.

   
   

- The drawing is taken from the Internet, where I show of a skeleton of a neck department (seven neck vertebras are painted over by the red color), a tiltings of a head forward and back is shown on a drawing # 2.

 

– изображение взято из Интернета, где показаны скелет шейного отдела (семь шейных позвонков закрашены красным цветом), наклон головы вперед и назад показан на фиг. № 2.

   

 

Drawing # 2.

   
   

Many bones and muscles of a neck of the person simultaneously take part in these movements by a head - the system has 24 degrees of freedom.

Two drawings from the Internet are given below for show of a kinematics of bones of a neck of the person at tiltings of a head forward - back:

 

В этих движениях головой одновременно принимают участие много костей и мышц шеи человека – система обладает 24 степенями свободы.

Ниже приведены два рисунка из Интернета, показывающие кинематику костей шеи человека при наклонах головы вперед - назад:

   

                       

   

A similar complex system of a large number of vertebrae (spinal ridge) and the appropriate set of muscles used by nature and to carry out the movements of the lower body (pelvis) of the person relative to the thorax. The skeleton of the person is below shown, the spine and a neck I outline round by a red marker.

 

Аналогичная сложная система из большого числа позвонков (спинной хребет) и соответствующий набор мышц используется природой и для осуществления движений нижней части тела (таза) человека относительно грудной клетки - ниже показан скелет человека, хребет и шея обведены красным маркером.

   

   
   

However, manufacturers of anthropomorphic robots are unlikely to consider it possible to massively use in the manufacture of their products mechanical joints with absolutely the same complex kinematics and complex control systems as in the human body (a large number of degrees of freedom in mechanics and control of matched signals).


Therefore it is expedient to consider other more simple kinematic schemes for creation the anthropomorphous robots, for providing tiltings and turns of a head and a pelvis of the robot concerning a thorax (torso) of the robot.


The conditional kinematic scheme of joints of a neck of the robot (a skeleton of a neck department of the anthropomorphous robot) is submitted on a drawing # 3

 

Однако изготовители антропоморфных роботов едва ли сочтут возможным массово применять при изготовлении своей продукции механические сочленения с абсолютно такой же сложной кинематикой и сложной системой управления как в человеческом теле (большое число степеней свободы по механике и по управляющим согласованным сигналам).

Поэтому целесообразно рассмотреть другие более простые кинематические схемы для создания антропоморфных роботов, обеспечивающие наклоны и повороты головы и таза робота относительно грудной клетки (торса) робота.

Условная кинематическая схема суставов шеи робота (скелет шейного отдела антропоморфного робота) представлена на фигуре № 3.

   

 

Drawing # 3.

   
   

The neck of the robot is submitted by axes of rotation with symbols designations D, C, F; G - later mathematical calculations with the corners having the similar e symbols designations will be submitted. Some lines on drawing, representing rigid elements of a skeleton of a neck of the robot, in places of crossing have a thickening - by it is designated a moment, what such lines have of a real crossing in space in the given place and have rigid connection, and on the contrary, lines, which on drawing at a crossing not have of a thickening, are not crossed in space.

The "Triangle", designated by symbols R-L-N, is a torso (a thorax) of robot (R - a Right shoulder, L - a Left shoulder, N - a Navel, a stomach). The kinematic pairs the first order: D (located in the basis of a neck of the robot) and C (located in the basis of a skull of the robot) provide tiltings «forward - back» heads of the robot - these tiltings correspond to tiltings «forward - back» heads of the person, as represented on a drawing # 2.

The axis F have location in the basis of a skull of the robot crosswisely to axis C, allowing the robot to tilt its head from side to side in the direction of the left or right shoulders - shake its head. (On a drawing # 3 I conditionally show of head of the robot, his face, above a crossing of axes C, F, G, but in a reality the point of crossing of these axes will be inside a head of the robot - in the basis of his skull.) For the person such movements - rotations around of axis F have look as tiltings of a head aside to the left - to right shoulders how it is shown on a drawing # 4.

 

Шея робота представлена осями вращения с буквенными обозначениями D, C, F; G – позже будут представлены математические выкладки с углами, имеющими такие же буквенные обозначения. Некоторые линии, изображающие жесткие элементы скелета шеи робота, в местах пересечения имеют утолщение – этим обозначается, что пересекающиеся линии имеют в пространстве в данном месте жесткое соединение, и напротив, линии, при пересечении которых утолщения нет, не пересекаются в пространстве.

«Треугольник», обозначенный буквами R-L-N, - это торс (грудной отдел) робота (R - правое плечё, L - левое плечё, N - пупок (Navel), живот). Кинематические пары первого порядка: D (расположенная в основании шеи робота) и C (расположенная в основании черепа робота) обеспечивают наклоны «вперед – назад» головы робота – эти наклоны соответствуют наклонам «вперед – назад» головы человека, изображенным на фигуре № 2.

Крестообразно к оси C в основании черепа робота располагается ось F позволяющая роботу наклонять голову из стороны в сторону в направлении левого или правого плеч - покачивать головой. (На фигуре № 3 голова робота, лицо, условно показана выше пересечения осей C, F, G на деле же точка пересечения этих осей будет находиться внутри головы робота - в основании его черепа.) Для человека такие движения-повороты вокруг оси F выглядят как наклоны головы влево - вправо в сторону плеч, так, как это показано на фигуре № 4.

   

 

Drawing # 4.

   
   

(Generally speaking, at the person all vertebras of a neck participate in an tilting of a head "to the left - to the right". For an anthropomorphic robot controlled in copying mode, it will be possible to get by with one joint in the base of the robot's skull - for this have reasonable reasons, about which I will told below.)

One more axis of rotation G is a perpendicular to axes C and F, she provides turns of a head of the robot on the left - to the right. At the person such movements of a head - correspond to turns "on the left - to the right" around of a vertical axis of a head, how you can see on a drawing # 5.

 

(Вообще говоря, у человека в наклоне головы влево - вправо участвуют все позвонки шеи. Для антропоморфного робота, управляемого в копирующем режиме можно будет обойтись одним суставом в основании черепа робота – для этого есть разумные основания, о которых будет сказано ниже.)

Ещё одна ось G вращения, перпендикулярная осям C и F, обеспечивает повороты головы робота налево–направо. У человека такие движения головы – соответствуют поворотам «налево - направо» вокруг вертикальной оси головы, см. фигуру № 5.

   

 

Drawing # 5.

   
   

Because here is discussed the question of creation of the anthropomorphous robot, which repeating (copying) movements of the person - operator, and a question of creation of the control by this robot by means of a costume, then from the very beginning is is necessary to emphasize an important point - movements of bodies of the person: tiltings and turns of a head, bendings - turns of a back and movement of finitenesses have restrictions on amplitude of angles. So, for example, turns "on the left - to the right" heads of the person are made in a range approximately ± 450 - this nuance is displayed on a drawing # 5.

The attempts to exceed in managing costume natural anatomic restrictions of amplitude of movement of joints by the person - operator is of danger of a mutilation or even carries death.

Some people, possessing natural talent and persistently training, develop greater flexibility of a body. The amazing result!:

 

Т.к. здесь обсуждается вопрос создания антропоморфного робота, повторяющего (копирующего) движения человека-оператора, и вопрос создания управляющего этим роботом костюма, то с самого начала следует подчеркнуть важный момент - движения органов человека: наклоны и повороты головы, сгибания-повороты спины и движения конечностей имеют ограничения по амплитуде углов. Так, например, повороты «налево-направо» головы человека заключены в диапазоне примерно ± 450 – этот нюанс отображен на фигуре № 5.

Попытки превысить в управляющем костюме естественные анатомические ограничения амплитуды движения суставов несёт опасность получения человеком-оператором увечья или даже смерть.

Некоторые люди, обладая природным даром и упорно тренируясь, развивают чрезвычайно большую гибкость тела. Поразительный результат!:

 
       
   

Looking at these photos, I even distantly do not represent a design of a exoskeleton and the support mechanism for this actress. Where we could connect a rod, for support her in a space?! - Especially it is evidently visible on extreme, right-hand, photo - at this young woman "simply is not present a back!"

However in the support mechanism we shall be compelled to be guided  by flexibility of the average statistical person and even of a elderly person, at which a mobility of joints is appreciably less. Our task is more modest - to provide to the average statistical person-operator operating the robot, mobility (flexibility of joints), comparable with a work in a semi-rigid survival suit or in a medieval armour. As a result of it we will get of the remote control anthropomorphous robot avatars, which will have a plasticity of the average person, what is quite enough for remote execution of a various sort of industrial works and of a rescues operations. Any extraordinary flexibility is not stipulated in the exoskeleton and in a support mechanism.

 

Thus, because of human anatomy similar average restrictions on amplitudes of turns of joints will be observed and at the anthropomorphous robot repeating movements of the person-operator.

 

(For completely INDEPENDENT anthropomorphous the robot with an artificial intellect of such restrictions is not present - for such independent robot the situation of turns of a head and other finitenesses on any angle  basically is possible - you can look at this account of a fight of two terminators, the adventures of Gummi bears and others.

 

Глядя на эти фотографии, я даже отдалённо не представляю конструкцию экозскелета и механизма подвеса для этой артистки. Куда мы могли бы подсоединить стержень, подвешивающий её в пространстве?! - Особенно это наглядно проявляется на крайней, правой, фотографии - у этой молодой женщины "просто нет спины!"

Однако мы в экзоскелете и в механизме подвеса будем вынуждены ориентироваться на гибкость среднестатистического человека и даже пожилого человека, у которых подвижность суставов существенно меньше. Наша задача скромней - обеспечить среднестатистическому человеку-оператору, управляющему роботом, мобильность (гибкость суставов), сопоставимую с работой в полужестком скафандре или в средневековых латах. В результате этого получится дистанционно управляемый антропоморфный робот-аватар, обладающий пластикой среднестатистического человека, что вполне достаточно для дистанционного выполнения различного рода промышленных работ и спасательных операций. Никакой экстраординарной гибкости в экзоскелете и механизме подвеса не предусмотрено.

Таким образом, из-за анатомии человека аналогичные среднестатистические ограничения по амплитудам поворотов суставов будут наблюдаться и у антропоморфного робота, повторяющего движения человека-оператора.

(Для полностью АВТОНОМНОГО антропоморфного робота с искусственным интеллектом таких ограничений нет - для такого автономного робота в принципе возможна ситуация поворотов головы и других конечностей на любой угол - смотрите на этот счёт битву терминаторов, приключения мишек Гамми и др.:

  

 

          

  

But for a distantly controlled anthropomorphous robot, which executing copying movements of the person, restriction of movements in amplitude are necessary.)

The thorax (torso) of anthropomorphous robot can make turns and a tiltings concerning of the bottom department (of pelvis) with the help of such kinematic circuit of a belt department, how it is shown on a drawing # 6 - a skeleton of a belt department of the anthropomorphous robot. (The lines, crossed on a drawing without a thickening, have no mechanical crossing.)

 

Но для дистанционно управляемого антропоморфного робота, копирующего движения человека, ограничения движений по амплитуде необходимы.)

Грудной отдел (торс) антропоморфного робота может совершать повороты и наклоны относительно нижнего отдела (таза) с помощью такой кинематической схемы поясного отдела, как это показано на фигуре № 6 – скелет поясного отдела антропоморфного робота. (Линии, пересекающиеся на фигуре без утолщения, не имеют пересечения.)

   

 

Drawing # 6.

   
   

The line, which marked by symbols R-L, - is a pelvis of the robot, or, more precisely, it is a line of fastening of legs of the robot, hip femoral joints of the robot, to a pelvis) . Torso N of the anthropomorphous robot can make turns "on the left - to the right" concerning a pelvis around of a vertical line by means of axis G. Turns of details around of axes D and C give for the robot an opportunity to bend down forward - back. The turns around of axis F give to the robot an opportunity to incline torso to the left - to the right concerning pelvis - for a person such movements are shown on a drawing # 7.

 

Линия, отмеченная буквами R-L, - таз робота, точнее это линия крепления ног робота, бедренных суставов робота, к тазу). Торс N антропоморфного робота может совершать повороты «налево-направо» относительно таза вокруг вертикальной линии за счет поворота оси G. Повороты деталей вокруг осей D и C обеспечивают роботу возможность нагибаться вперед-назад. Повороты вокруг оси F обеспечивают роботу возможность наклонять торс влево - вправо относительно таза – для человека такие движения показаны на фигуре № 7.

   

 

Drawing # 7.

   
   

In principle nothing extraordinary in the similar device of a neck or a lumbar department of the anthropomorphous robot not.

In present time is important another: what we can try to reproduce similar kinematics schemas of axes of rotation and in the support mechanism, used for management by the anthropomorphous robot. However we should take care thus of, that axes of rotation of a mechanisms management (the manager exoskeleton), which put on on the person, in a reality would not pierce a body of the person - operator managing the robot. Only geometrical continuations of axes (virtual axes) of the external mechanisms environmental of the person - operator can conditionally "pierce" a body of the person - operator.

Exosceleton, put on on the person - operator for management by the robot, conditionally we shall share into three parts.

The first part: “vest” is a rigid structure, shaped like a T-shirt or vest, covering the chest area of the human operator’s body, with mobile mechanisms attached to it, which covering the upper limbs (hands) of the human operator, so that the person can move his hands and thanks to this, remotely control the manipulators of the robot in copying mode, as well as receive power and tactile sensations from the robot via communication channels. In the patent specification for the invention # 2134193 ru there is an appropriate drawing (# 85) with the image of the shaded waistcoat and an internal ring of the support mechanism. This image from the patent # 2134193 is required to us now for the further logic constructions, therefore I reproduce this image here as a drawing # 8.

 

В принципе в подобном устройстве шеи или спинного поясничного отдела антропоморфного робота нет ничего экстраординарного.

Важно другое, что мы можем попытаться воспроизвести аналогичные кинематические схемы осей вращения и в механизме подвеса, применяемого для управления антропоморфным роботом. Однако нам придется при этом позаботиться о том, чтобы оси вращения механизмов управлении (управляющего экзоскелета), надеваемых на человека, в реальности не протыкали бы тело человека-оператора, управляющего роботом. Тело человека-оператора могут «протыкать» только геометрические продолжения осей (виртуальные оси) внешних механизмов, окружающих человека-оператора.

Экзоскелет, надеваемый на человека-оператора для управления роботом, условно разделим на три части.

Первая часть: «жилет» - жесткая конструкция, по форме напоминающая майку или жилет, охватывающая грудную область тела человека-оператора, с закрепленными на ней подвижными механизмами, покрывающими верхние конечности (руки) человека-оператора, таким образом, что человек может двигать своими руками и благодаря этому дистанционно управлять в копирующем режиме манипуляторами робота, а также получать от робота по каналам связи силовые и тактильные ощущения. В описании патента на изобретение № 2134193 ru имеется соответствующая фигура (№ 85) с изображением заштрихованного жилета и внутреннего кольца механизма подвеса. Это изображение из патента № 2134193 нам понадобится для дальнейших логических построений, поэтому я это изображение воспроизвожу в качестве фигуры № 8.

   

 

Drawing # 8.

   
   

The second part of exoskeleton: "helmet" - a headgear which is put on on a head of the person - operator, with devices of display visual and the audioinformation received from the robot by liaison channels, a radio intercom, …, with an opportunity to operate movements of a head of the robot and feedback by a force (tactile) from the robot on a head of the person - operator.

And the third part of an exoskeleton is: "trousers" - the mechanisms covering of the bottom part of a body of the person - operator - the pelvis area and the bottom finitenesses (legs) with an opportunity to operate movements of the bottom finitenesses (pediculators) of the anthropomorphous robot and to receive from the bottom finitenesses of the robot of a force (tactile) sensations. In present our primary goal: the second and a third of a parts of an exoskeleton (a helmet and trousers) to attach movably to the support mechanism with an opportunity of compulsory their movements concerning a thorax (concerning a waistcoat).

At present time the experts at development of a distantly controlled anthropomorphous robots do not give due attention to a question of management of a head of robots, and also the bottom part of a body (pelvis) of the robot. (Besides it, the majority of researchers, apparently, have no correct notion about designing of a force exoskeletons.) Usually an experts suggest putting on the head of a human operator, controlling a robot, simple virtual reality spectacles, showing the operator a visual image from the cameras-eyes of the robot. Experts think, that the person - operator, turning the head, can turn and a head of the robot - you can see of the photos below where we see simple spectacles of a virtual reality on heads of people - operators, and in some cases absence of management of a pelvis - operators sit on chairs, operating only the top part of a body of the robot:

 

Вторая часть экзоскелета: «шлем» - головной убор, надеваемый на голову человека-оператора, с устройствами отображения визуальной и аудиоинформации, получаемой от робота по каналам связи, радиопереговорным устройством,…, с возможностью управлять движениями головы робота и обратной силовой (тактильной) связью от робота на голову человека-оператора.

И третья часть экзоскелета: «брюки» - механизмы, покрывающие нижнюю часть тела человека-оператора - тазовую область и нижние конечности (ноги) с возможностью управлять движениями нижних конечностей (педикуляторов) антропоморфного робота и получать от нижних конечностей робота силовые (тактильные) ощущения. Наша основная задача: вторую и третью части экзоскелата (шлем и брюки) прикрепить подвижно к механизму подвеса с возможностью принудительных движений их относительно грудного отдела (относительно жилета).

В данное время специалисты при разработке дистанционно управляемых антропоморфных роботов не уделяют должного внимания вопросу управления головой роботов, а также нижней части тела (таза) робота. (Кроме того, большинство исследователей, по-видимому, не имеют правильного представления о конструировании силовых экзоскелетов.) Специалисты предлагают надевать на голову человека-оператора, управляющего роботом, простые очки виртуальной реальности, демонстрирующее оператору визуальное изображение с камер-глаз робота. Специалисты предполагают, что человек-оператор, поворачивая свою голову, может поворачивать и голову робота - смотрите фигуры ниже, где мы видим на головах людей-операторов простые очки виртуальной реальности, и в ряде случаев отсутствие управление тазом - операторы сидят на стульях, управляя только верхней частью тела робота:

   

   

    

 

   
   

However defect such simple (without feedback by a force from the robot to the person ) control systems of a head of the robot is so, that the external forces influences rendered on a head of the robot, are not transferred to a head of the person - operator. Thus situations are possible when external force influences are tilting or turn a head of the robot while the head of the person - operator be in former position - it causes discrepancy of the videoimage received by the person - operator and can entail mistakes in management by a robot. For example, the head of the person - operator managing the robot, have a turn to the right, but the head of the robot under influence of external force influences have turn to the left, thus the person - operator wrongly can think, that the image, observably by him, is on the right from the robot, but in actually it is on the left yet.

Besides, the power effects on the head of the human operator are necessary for unloading the muscles of the human neck. As an example, demonstrating this situation can be considered long time work of the robot in a horizontal position-here are the drawings № 76 and № 75 from the description of the patent for the invention # 2134193 Ru. Let's say that the working environment requires a long time horizontal position of the robot, you can look of a drawing № 9.

 

Однако недостаток таких простых (без обратной силовой связи от робота к человеку) систем управления головой робота состоит в том, что внешние силовые воздействия, оказываемые на голову робота, не передаются на голову человека-оператора. При этом возможны ситуации, когда внешние силовые воздействия наклоняют или поворачивают голову робота, в то время как голова человека-оператора остаётся в прежнем положении – это вызывает несоответствие видеоизображения получаемого человеком-оператором и может повлечь ошибки в управлении роботом. Например, голова человека-оператора, управляющего роботом, повёрнута направо, а голова робота под воздействием внешних силовых воздействий повернута налево, при этом человек-оператор может ошибочно полагать, что наблюдаемое им изображение находится справа от робота, тогда, как в действительности оно находится слева.

Кроме того, силовые воздействия на голову человека-оператора необходимы для разгрузки мышц шеи человека. В качестве примера, демонстрирующего такую ситуацию можно рассмотреть длительную по времени работу робота в горизонтальном положении – приведу здесь изображения № 76 и № 75 из описания патента на изобретение № 2134193 Ru. Допустим, что рабочая обстановка требует длительного по времени горизонтального положения робота, фиг. № 9.

   

 

Drawing # 9.

   
   

In this case and the person - operator should have horizontal position during of it of a long time - see drawing # 10.

 

В этом случае такое же длительное по времени горизонтальное положение должен будет занимать и человек-оператор см. фиг. № 10.

   

 

Drawing # 10.

   
   

Thus, for better remote control by the robot it is necessary to transfer from the robot of a force influences to a head of the person - operator, and also, if necessary, with the help of force drives compensate weight of a head of the person and weight of the equipment dressed on on a head, i.e. to carry out an unloading a neck of the person.

For the further understanding of the declared method in the beginning we shall consider the problem «Internal and external influence on a lamellar armour». Let we admit, what the person is dressed in a medieval armour - in a lamellar armour:

 

Таким образом, для более качественного дистанционного управления роботом необходимо передавать от робота силовые воздействия на голову человека-оператора, а также, при необходимости, с помощью силовых приводов компенсировать вес головы человека и вес надетого на голову оборудования, т.е. осуществлять разгрузку шеи человека.

Для дальнейшего понимания заявленного способа вначале рассмотрим вопрос «Внутреннего и внешнего воздействия на латные, пластинчатые, доспехи». Допустим, человек одет в средневековые латы - в пластинчатые доспехи:

   

   

Drawing # 10'.

   

At attempt to lift a hand the person will do of influences by a surface of the hand (by a skin) on an internal surface of an armour. In turn external factors influence an external surface of a lamellar armour. Thus, a medieval metal armour (exoskeleton) act as an intermediate layer between the person and external force influences. Thus the factor of amplification the such medieval a exoskeleton-armour is equal 1 - metal plates do transfer efforts in the ratio one to one rendered by the person to external subjects, but in too time and the metal plates transfer external force influences to the person.

Now suppose that a person is wearing a modern power exoskeleton that allows him to lift heavy loads - the gain of such an exoskeleton is greater than one. If a person tries from the inside to act directly on the power elements of the exoskeleton in order to make such an exoskeleton move, as before when the person cooperated with a medieval armour, then a powerful exoskeleton may not feel this influence and not react. The analogy here such: the powerful modern crane, which lifts a multiton cargo, and the person, which tries controlling by this powerfull crane, by way directly pulling for a hook or cords - the crane will not react in any way on such twitchings. As an example, you can consider a photograph of the execution by means a cranes - as though condemned men did not twitchings on cords (as though did not pull a cord downwards) to lower an arrow of the crane they cannot do it:

 

При попытке поднять руку человек воздействует поверхностью своей руки (кожей) на внутреннюю поверхность доспехов. В свою очередь внешние факторы воздействуют на наружную поверхность латных доспехов. Таким образом, средневековые металлические латы (экзоскелет) выступают своеобразной прослойкой между человеком и внешними силовыми воздействиями. При этом коэффициент усиления такого средневекового экзоскелета-доспехов равен 1 - металлические пластины в соотношении один к одному передают усилия оказываемые человеком на внешние предметы, в тоже время внешние силовые воздействия металлические пластины передают человеку.

Теперь допустим, что на человека надет современный силовой экзоскелет, позволяющий поднимать тяжелые грузы, – коэффициент усиления у такого экзоскелета больше единицы. Если человек попытается изнутри воздействовать непосредственно на силовые приводы экзоскелета для того, чтобы заставить двигаться такой экзоскелет, как до этого человек взаимодействовал со средневековыми доспехами, то мощный экзоскелет может это воздействие не почувствовать и никак не отреагировать на него. Аналогия здесь такая: мощный современный подъемный кран поднимает многотонный груз, а человек пытается управлять этим подъемным краном, непосредственно дергая за крюк или тросы – подъемный кран на такие подергивания никак не отреагирует. В качестве примера можно рассмотреть фотографию казни с помощью подъёмных кранов - как бы повешенные не брыкались на веревках (как бы не тянули веревку вниз) опустить стрелу крана им не удастся:

   

   

Everyone understand, that for management of the modern powerful crane not it is enough to pull with force of cables - necessary to press by easy movement of a hand a button or do turn of the little lever on a control panel.

Thus, it becomes obvious, that and for management by a modern powerful force skeleton with factor of amplification more unit it is necessary inside between a body the person and an external force drive of skeleton put the an intermediate elastic sensitive managing element.

This sensitive element will be "button" (the trigger, joystick), by easy pressing on which will allow the person comfortably from within to operate force drives of a powerful exoskeleton.

Similar principle of management, by means of an internal sensitive element, it is necessary to use and for the organization of movements of the helmet which was dressed on on a head of the person - operator, you can see drawing # 11, where I show of the section of the simplified circuit of the device of a helmet.

 

Все понимают, что для управления современным мощным подъемным краном не достаточно с силой дергать за тросы - необходимо легким движением руки нажать на кнопочку или повернуть рычажок на пульте управления.

Таким образом, становится очевидно, что для управления мощным силовым экзоскелетом с коэффициентом усиления больше единица необходимо внутрь между телом человеком и внешним силовым приводом экзоскелета встроить промежуточный деформируемый, чувствительный управляющий элемент.

Этот чувствительный элемент будет «кнопочкой» (триггером, джойстиком), легкое нажатие на которую позволит человеку изнутри комфортно управлять силовыми приводами силового экзоскелета.

Аналогичный принцип управления, посредством внутреннего чувствительного элемента, необходимо задействовать и для организации движений шлема, надетого на голову человека-оператора, см. фиг. № 11, где показан разрез упрощенной схемы устройства шлема.

   

 

Drawing # 11.

   
   

The helmet consists of two rigid bell-shaped elements # 1 and # 2 nested in one another.

Before the eyes of a human operator, device #. 3 for displaying video information received via communication channels from a robot. (It should also be mentioned that there should be a hole in the helmet to facilitate breathing, located at the nose and mouth of the human operator — attention is not focused on this moment at this point, the hole is not displayed on the figures, although it is assumed that it is.)

 

Elastic material # 4 is located between the rigid bell-shaped elements of the helmet (it is conventionally shown in the figure by springs), which allows the bell-shaped rigid elements to slightly shift relative to each other under the force effects of the human operator’s head. There are also two types of sensors between the hard bell-shaped elements of the helmet: pressure sensors # 5 (the figure shows a painted oval: there are eight pieces in the helmet — two in front of a human operator, two at the back of the head and four on the sides of the head, two on the right and two on the left). Another sensor, marked with the number 6 in the figure, is located on the crown of the head of the human operator, this sensor measures small relative rotations of the hard bell-shaped elements of the helmet.

 

Thus, the system formed by the internal rigid bell-shaped structural element of helmet # 2, elastic filler # 4 and sensors # 5 and # 6 forms a sensitive control element.

 

A small force effect exerted by the head of the human operator on the internal rigid bell-shaped element # 2 causes its displacement relative to the external bell-shaped element # 1. This small relative displacement of bell-shaped elements is measured by sensors, which determine the direction of action and the magnitude of the force of rotation or tilt of the head of a human operator. After that, the electronics gives the appropriate commands to the power drives of the external rigid bell-shaped element of the helmet, and the helmet inclines or turns in the direction where the force effect of the head of the human operator is directed.

 

Fixing the head of a human operator in the inner space of a rigid bell-shaped helmet element is achieved not only by using a chin strap attached to element # 2 (the belt is not shown in figure # 11), but also using the sealed pneumatic swelling element # 7 (internal volume of the pneumatic element swelling the designs are shaded with points - these chaotic points are like gas molecules).

 

After the man-operator, before starting work, wears a helmet on his head, fastens his chin strap, and determines that his eyes are opposite the video display device # 3, gas is supplied in the pneumatic element # 7 of the helmet under a certain pressure, the magnitude of which is fixes the head of a human operator, but does not squeeze it too much.

 

Next - under the pneumatic swelling element # 7, closer to the head of the human operator, there is a layer # 8 consisting of a fibrous substance (straw, plastic bast whisp, etc.) this element is shaded with chaotic lines in the figure.

 

Шлем состоит из двух жестких вложенных один в другой колоколообразных элементов № 1 и № 2.

Перед глазами человека – оператора размещается устройство № 3 отображения видеоинформации, получаемой по каналам связи от робота. (Также следует упомянуть, что в шлеме для облегчения дыхания должно быть отверстие, расположенное на уровне носа и рта человека-оператора – в рамках данной работы на этом моменте не акцентируется внимание, отверстие не отображается на фигурах, хотя подразумевается, что оно есть.)

Между жесткими колоколообразными элементами шлема находится упругий материал № 4 (на фигуре он условно показан пружинками), позволяющий колоколообразным жестким элементам слегка смещаться друг относительно друга под силовыми воздействиями головы человека-оператора. Также между жесткими колоколообразными элементами шлема размещаются датчики двух типов: датчики давления № 5 (на фигуре показаны закрашенным овалом: их в шлеме восемь штук – два перед лицом человека-оператора, два на затылке и четыре по бокам головы, два справа и два слева), ещё один датчик, на фигуре отмечен цифрой № 6, располагается на макушке головы человека-оператора, этот датчик измеряет небольшие относительные вращения жестких колоколообразных элементов шлема.

Таким образом, система, образованная внутренним жестким колоколообразным конструктивным элементом шлема № 2, упругий заполнитель № 4 и датчики № 5 и № 6 образует чувствительный управляющий элемент.

Небольшое силовое воздействие, оказанное головой человека-оператора на внутренний жесткий колоколообразный элемент № 2, вызывает его смещение относительно внешнего колоколообразного элемента. Это небольшое относительное смещение колоколообразных элементов измеряется датчиками, которые определяют направление действия и величину силы поворота или наклона головы человека-оператора. После чего электроника дает соответствующие команды на силовые приводы внешнего жесткого колоколообразного элемента шлема, и шлем наклоняется или поворачивается в том направлении, куда направлено силовое воздействие головы человека-оператора.

Фиксация головы человека-оператора во внутреннем пространстве жесткого колоколообразного элемента шлема достигается не только применением подбородочного ремня, прикреплённого к элементу № 2 (на фигуре № 11 ремень не показан), но также с помощью герметичного пневматического раздувающегося элемента № 7 (внутренний объем раздувающегося пневматического элемента конструкции заштрихован точечной штриховкой – эти хаотичные точки как бы молекулы газа).

После того, как человек-оператор перед началом работы наденет на голову шлем, застегнёт подбородочный ремень, и определит, что его глаза находятся напротив устройства отображения видеоинформации № 3, в пневматический элемент № 7 шлема подается газ под определенным давлением, величина которого такова, что фиксирует голову человека-оператора, но не слишком сильно сдавливает её.

Далее - под пневматическим раздувающимся элементом № 7, ближе к голове человека-оператора, находится слой № 8, состоящий из волокнистого вещества (солома, пластиковая мочалка, и т.п. - на фигуре этот элемент заштрихован хаотичными линиями).

   

   

The purpose of layer number 8 - thermoregulation and sweating - through this layer we can pump air at a certain temperature and humidity and thereby cool or heat the head of a human operator. (For example, during the filming of RoboCop, the weather was hot and the main actor Peter Weller, dressed in a tight robo-policeman costume, initially experienced severe overheating up to 380 C, close to fainting, losing weight due to sweating a kilogram per day. Shooting a film under such conditions was physically impossible. The position was saved by hoses that, with the compressed air, which unnoticed by the audience connected to the robot-policeman’s costume and ventilating the space between the actor’s body and the costume).

 

Similarly, and in our case, it is possible to pump air of a certain temperature and humidity between the airtight coating # 7 and the head of the human operator into the porous fiber layer # 8, thereby controlling the perspiration and achieve a comfortable temperature.

 

Well, directly to the surface of the head of the human operator is adjacent the device of neural interface # 9, which allows to take an encephalogram, - a cap made of breathable fabric, which has contacts and wires embedded (shaded with a triangular hatching).

 

Now the world is quite actively discussing the topic of controlling anthropomorphic robots through a neural interface. In fact, the neural interface technology does not allow to fully manage anthropomorphic robots in full due to their complexity and lack of feedback, but the neural interface can be used to control non-critical additional secondary equipment, as well as to switch different modes. It was this possibility of controlling additional secondary equipment and some modes of operation, and led me to integrate the neural interface into the helmet. (For example, a neural interface can be used to switch modes of a two-legged walk of an anthropomorphic robot. If the surface on which the robot goes is more or less even, then the human operator can, with a neural interface, switch the robot's walk to automatic mode - the robot will walk on a flat surface and the human operator will not have to move its legs in the controlling suit - see the information on my Web site: http://streltsovaleks.narod.ru/WalkingRobots.htm - ( I posted it on the Internet "not just like that" ). All that remains in this case to do the human operator is to observe the characteristics of the underlying terrain and mentally, if required, give the command to the robot to change the direction of walking — turn right or left. And in such an automatic mode, the copying anthropomorphic robot will move until the human operator deems it expedient to take control - for this, it will be enough for the human again using the neural interface to give the appropriate mental command.

 

 

It is possible to use other methods to control the robot, including without using automatic modes. But in this case it would be expedient to divide the labor of the managerial staff, depending on qualifications. Assume that one human operator is a deficient specialist - a highly qualified welder, and another human operator who controls a remote anthropomorphic robot does not know how to use welding. Suppose, for example, the task is to send the robot somewhere far away and eliminate the accident - to carry out welding work at the workplace. Then we can use a low-skilled human operator as a “pedestrian for long distances” - he will bring his remotely controlled anthropomorphic robot to his place of work with his legs and then transfer the control of the robot to a more qualified specialist - a welder. After the completion of welding, the remote control of an anthropomorphic robot is again transferred to an employee with low qualifications - he will be able to return the robot to its original location, and the scarce welder already in this time can control some other robot elsewhere ...)

 

 

It should also be noted that the internal inflating pneumatic volume used in the helmet for fixing the human head (and further on in the text and in the pants of the exoskeleton for fixing the pelvic area of the person and other parts of the body) is convenient in that the helmet (panties) will not be much dangle. The internal inflating volume allows tightly wearing the same large helmet (pants) on different sized heads (on the lower parts of the body). Without the use of pneumatics, it would be difficult to select individual rigid helmets and pants exactly the size for the operators, which would exactly fit the size - too large a collection of these rigid elements would be required.

 

To set the spatial orientation of the head of a human operator (tilts and turns relative to the torso), a manipulator can be used, taking its origin in the satchel behind the back of a human operator and carrying out force movements of the helmet. A simplified diagram of such a manipulator is shown in figure # 12.

 

Назначение слоя № 8 – терморегуляция и потоудаление – через этот слой можно прокачивать воздух определенной температуры и влажности и тем самым охлаждать или обогревать голову человека-оператора. (Например, во время съемок фильма «Робокоп» была жаркая погода и главный актер Питер Уэллер, одетый в плотный костюм робота-полицейского, первоначально испытывал сильный перегрев до 380С, близко к обмороку, теряя в массе из-за потоотделения по килограмму в день. Снимать фильм при таких условиях было физически невозможно. Положение спасли шланги, с жатым воздухом незаметно для зрителей подключаемые к костюму робота-полицейского и вентилирующие пространство между телом актера и костюмом).

Так же и в нашем случае можно закачивать воздух определенной температуры и влажности между герметичным покрытием № 7 и головой человека-оператора в пористый волокнистый слой № 8 тем самым регулировать потоотделение и добиваться комфортной температуры.

Ну, и непосредственно к поверхности головы человека-оператора примыкает устройство нейроинтерфейса № 9, позволяющее снимать энцефалограмму, – шапочка из «дышащей» ткани, в которую встроены контакты и провода (заштриховано треугольной штриховкой).

Сейчас в мире довольно активно обсуждается тема управления антропоморфными роботами посредством нейроинтерфейса. На самом деле технология нейроинтерфейса не позволит качественно управлять антропоморфными роботами в полном объеме по причине их сложности и отсутствия обратной связи, но нейроинтерфейс возможно использовать для управления некритическим дополнительным второстепенным оборудованием, а также для переключения различных режимов. Именно это, возможность управления дополнительным второстепенным оборудованием и некоторыми режимами работы, и побудила меня интегрировать нейроинтерфейс в шлем. (Например, нейроинтерфейс можно использовать для переключения режимов двуногой ходьбы антропоморфного робота. Если поверхность, по которой идёт робот более-менее ровная, то человек-оператор мысленным приказом с помощью нейроинтерфейса может переключить ходьбу робота в автоматический режим – робот будет сам идти по ровной поверхности и человеку-оператору не придется двигать ногами в управляющем костюме – смотрите информацию на моем Web сайте: http://streltsovaleks.narod.ru/WalkingRobots.htm - (не «просто так» я же его размещал в Интернете). Всё что останется в этом случае делать человеку-оператору – это наблюдать за характеристиками подстилающей местности и мысленно, если это требуется, отдавать команду роботу изменить направление ходьбы - повернуть направо или налево. В таком автоматическом режиме копирующий антропоморфный робот будет двигаться до тех пор, пока человек-оператор не сочтёт целесообразным взять управление на себя – для этого человеку опять же с помощью нейроинтерфейса будет достаточно отдать соответствующую мысленную команду.

Можно для управления роботом использовать и другие методы, в том числе и без использования автоматических режимов. Но в этом случае будет целесообразно разделение труда управляющего персонала в зависимости от квалификации. Допустим, один человек-оператор является дефицитным специалистом - сварщиком высокой квалификации, а другой человек-оператор, управляющий дистанционным антропоморфным роботом, не умеет навыков использования сваркой. Пусть, например, стоит задача отправить робота куда-то далеко и устранить аварию - провести на рабочем месте сварочные работы. Тогда мы можем использовать человека-оператора с низкой квалификацией в качестве «пешехода на дальние дистанции» - он доведёт своими ногами дистанционно управляемого антропоморфного робота до места работы, а затем передаст управление роботом более квалифицированному специалисту – сварщику. После завершения сварочных работ дистанционное управление антропоморфным роботом опять передается сотруднику с низкой квалификации – он сможет вернуть робота на место исходной дислокации, а дефицитный специалист-сварщик в это время может управлять каким-нибудь другим роботом в другом месте…)

Так же следует отметить, что внутренний раздувающийся пневматический объем, применяемый в шлеме для фиксации головы человека (а далее по тексту и в трусах экзоскелета для фиксации тазовой области человека и других частей тела) удобен тем, что шлем (трусы) не будут сильно хлябать. Внутренний раздувающийся объём позволяет на разные по размеру головы (на нижние части туловища) плотно надеть один и тот же шлем (трусы) большого размера. Без использования пневматики было бы трудно подобрать для разных по объему операторов индивидуальные жесткие шлемы и трусы, точно соответствующие размерам – потребовалась бы слишком большая коллекция этих жестких элементов.

Для задания пространственной ориентации головы человека–оператора (наклонов и поворотов относительно торса) может использоваться манипулятор, берущий своё начало в ранце за спиной у человека-оператора и осуществляющий силовые движения шлема. Упрощенная схема такого манипулятора показана на фигуре № 12.

   

 

Drawing # 12.

   
   

Where we see a human operator with a hard helmet on his head with a device that demonstrates an optical image (the device is virtual spectacles, placed in front of the human operator's eyes). A manipulator consisting of a system of rigid rods, made with the possibility of forced rotation relative to each other at certain angles, fits behind a rigid helmet. The specified mechanical manipulator originates in the knapsack behind the human operator - in the figure at the point “O”. Any forward and backward tilts of the human operator’s head are set by changing the values of the angles “O”, “A”, ”B” in the movable joints (in the joints “O”, “A”, “B”) of the manipulator.

 

It should be noted that drawing 12 shows the elements of the manipulator, responsible ONLY for tilting the head of the human operator back and forth. Mechanisms that allow you to turn your head left and right and tilt your head toward the shoulders: toward the right shoulder or toward the left shoulder, are not yet considered here, so as not to complicate the mathematical construction given below. The mechanisms responsible for turning the head and leaning towards the shoulders (two additional joints) will be discussed later.

 

Now consider the mathematics that allows you to calculate the values of the angles "O", "A", "B", which are necessary for setting a particular tilt forward - backward of the head of a human operator. For this purpose, we redraw drawing 12, removing the irrelevant, distracting elements from it — this is done in order to simplify the examination (I deleted the images of the human operator and the helmet) - see drawing # 13.

 

Где мы видим человека-оператора, на голову которого надет жесткий шлем с устройством, демонстрирующим оптическое изображение (устройство - виртуальны очки, размещено перед глазами человека-оператора). Сзади к жесткому шлему подходит манипулятор, состоящий из системы жестких стержней, выполненных с возможностью принудительного вращения друг относительно друга на определенные углы. Указанный механический манипулятор берет свое начало в ранце за спиной у человека-оператора - на рисунке в точке ”O“. Любые наклоны вперед-назад головы человека оператора задаются изменением значений углов ”O“, ”A“, ”B“ в подвижных сочленениях (в суставах ”O“, ”A“, ”B“) манипулятора.

Следует отметить, что на фигуре № 12 показаны элементы манипулятора, ответственные ТОЛЬКО за наклоны вперед-назад головы человека оператора. Механизмы, позволяющие поворачивать голову вправо-влево и наклонять голову в сторону плеч: к правому плечу или к левому плечу, здесь пока что не рассматриваются, чтобы не усложнять приведенные ниже математические построения. Механизмы, ответственные за повороты головы и наклоны в сторону плеч (два дополнительных сустава) будут рассмотрены позже.

Теперь рассмотрим математику, позволяющую вычислять значения углов ”O“, ”A“, ”B“, необходимых для задания какого-то конкретного наклона вперед – назад головы человека-оператора. Для этих целей перечертим фигуру № 12, удалив из нее несущественные, отвлекающие, элементы – это делается для того, чтобы упростить рассмотрение (я удалил изображения человека-оператора и шлема) – см. фиг. № 13.

   

 

Drawing # 13.

   
   

For further calculations, at the base point of the “O” manipulator, enter the coordinate system X, O, Y.

We know the values:

The vector l is the length of the neck of the human operator - the distance from the base of the neck (point "D") to the base of the skull (point "C");

The vector r is the distance from the base of the skull of a human operator to the nape of the helmet, this distance is slightly larger than the radius of the helmet circumference that is worn over the head of the human operator;

We also know the lengths of the rigid elements of the manipulator h and e, as well as the distance vector b, drawn from the base of the manipulator (point O) to the base of the neck of the human operator (point D).

Task:

Find the mathematical formulas required for calculating the value of three quantities - angles O, A and B  in movable joints (in O, A and B joints) of the manipulator, which together allow you to uniquely set the back and forth tilts of the head of a human operator (parameters - angles D and C). Those, we know the angles D and C, we need to find formulas for calculating the values of the angles O, A, B.

The direction of counting of most angles will be chosen counterclockwise, as is customary in mathematics.

Next, draw the figure number 14:

 

Для дальнейших вычислений в точке основания манипулятора ”O“ вводим систему координат X,O,Y.

Известные нам величины:

Вектор l - длина шеи человека-оператора — расстояние от основания шеи (точка ”D“) до основания черепа (точка ”C“);

Вектор r – расстояние от основания черепа человека-оператора до затылка шлема, это расстояние немного больше радиуса окружности шлема, надеваемого на голову человеку-оператору;

Нам также известны длины жестких элементов манипулятора h и e, а также расстояние вектор b, проведенный от основания манипулятора (точка O) до основания шеи человека-оператора (точка D).

Задача:

Найти математические формулы, необходимые для вычисления значение трех величин - углов O, A и B в подвижных сочленениях (в суставах O, A и B) манипулятора, которые в совокупности позволяют однозначно задавать наклоны вперед-назад головы человека-оператора (параметры-углы D и C). Т.е. нам известны углы D и C, необходимо найти формулы для вычисления величин углов O, A, B.

Направление отсчета большинства углов выберем против часовой стрелки, как это традиционно принято в математике.

Далее начертим фигуру № 14:

   

 

Drawing # 14.

   
   

From figure number 14 it can be seen that in the coordinate system X, O, Y:

 

Из фигуры № 14 видно, что в системе координат X,O,Y:

   

   

In the components:

 

В компонентах:

   

   

Then the square of the length of the vector OB is:

 

Тогда квадрат длины вектора OB равен:

   

   

Further, knowing the square of the length of the vector OB and using the cosine theorem for the triangle OAB, we can find the value of the desired angle A:

 

Далее, зная квадрат длины вектора OB и воспользовавшись для треугольника OAB теоремой косинусов можно найти величину искомого угла A:

   

   

Now we will find the value of the auxiliary angle u - the slope of the vector OB with respect to the X axis of the coordinate system X, O, Y introduced by us:

 

Теперь найдем значение вспомогательного угла u - наклон вектора OB по отношению к оси X введенной нами системы координат X,O,Y:

   

   

From figure 14, it can be seen that the second auxiliary angle V can be found from the triangle OAB using the sine theorem:

 

Из приведенной фигуры № 14 видно, что второй вспомогательный угол V можно найти из треугольника OAB с помощью теоремы синусов:

   

   

Now we can calculate the value of the second desired angle O:

 

Теперь можно вычислить величину второго искомого угла O:

   

   

Thus, we were able to find general formulas for calculating two of the three desired angles. Next we derive formulas for calculating the value of the third angle. To do this, we use another figure number 15.

 

Таким образом, мы смогли найти общие формулы для вычисления двух из трех искомых углов. Выведем формулы для вычисления значения третьего угла. Для этого воспользуемся ещё одной фигурой № 15.

   

 

Drawing # 15.

   
   

From the figure shown it can be seen that the angle B can be obtained from the triangle ABC using the cosine theorem.

But for this, it is first necessary through the components in the coordinate system X, O, Y to express the square of the length of the vector AC:

 

Из приведенной фигуры видно, что угол B можно получить из треугольника ABC с помощью теоремы косинусов.

Но для этого вначале необходимо через компоненты в системе координат X,O,Y выразить квадрат длины вектора AC:

   

   

From here we get the angle B:

 

Отсюда получим угол B:

   

   

This formula for calculating the value of angle B is correct, provided that the joint B of the manipulator is below the AC vector (point B is to the left of AC vector if the observer will look from point A along AC vector). However, there are cases (see previous figures number 13 and number 14) when the joint B of the manipulator is above the vector AC (point B is to the right of the vector AC, if the observer will look from point A along the vector AC) - in this case, angle B is necessary to calculate by another formula.

To make the appropriate corrections to the calculations of the value of the angle B, we find the slope of the vector AC relative to the X axis of the coordinate system X, O, Y, as the slope tangent.

The distance between points A and C on the X axis is written as:

 

Эта формула для вычисления значения угла B правильная, при условии, что сустав B манипулятора находится ниже вектора АС (точка B находится левее вектора AC, если наблюдатель будет из точки A смотреть вдоль вектора AC). Однако возможны случаи (см. предыдущие фигуры № 13 и № 14), когда сустав B манипулятора находится выше вектора AC (точка B находится справа от вектора AC, если наблюдатель будет из точки A смотреть вдоль вектора AC) – в этом случае угол B необходимо вычислять уже по другой формуле.

Для внесения соответствующих поправок в вычисления значения угла B найдем наклон вектора AC относительно оси X системы координат X,O,Y, как тангенс угла наклона.

Расстояние между точками A и C по оси X запишется так:

   

   

The heights of point A and point C in relation to the X axis:

 

Высоты точки А и точки С по отношению к оси X:

   

   

Thus, the tangent k of the angle of inclination of the vector AC with respect to the axis OX is equal to:

 

Таким образом, тангенс k угла наклона вектора AC по отношению к оси OX равен:

   

   

Then the equation of a straight line, passing along the vector AC, in the XOY coordinate system:

 

Тогда уравнение прямой, проходящей вдоль вектора AC, в системе координат XOY:

   

   

where:

 

где:

   

   

- the projection of the vector C on the X axis - a quantity depending on the angle D. In further calculations, it is assumed that Cx <0 - the neck is shorter than the distance from the base of the neck to the base of the manipulator O.

Therefore, if point B (the joint B of the manipulator) is above the vector AC (point B lies to the right of the vector AC, if you look at it from point A along the vector AC), then the inequality holds in accordance with formula # 5:

 

- проекция вектора C на ось X - величина, зависящая от угла D. В дальнейших вычислениях предполагается, что Cx < 0 – шея короче, чем расстояние от основания шеи до основания манипулятора O.

Следовательно, если точка B (сустав B манипулятора) находится над вектором AC (точка B лежит справа от вектора AC, если на неё смотреть из точки A вдоль вектора AC), то в соответствии с формулой № 5 выполняться неравенство:

   

   

where: OBy and OBx - components of the vector OB, obtained earlier (see formulas # 1). If inequality # 15, which has just been written down, is fulfilled, then the calculation of the angle B should be made according to the formula:

 

где: OBy и OBx – компоненты вектора OB, полученные ранее (см. формулы № 1). Если только что записанное неравенство № 15 выполняется, то вычисление величины угла B следует производить по формуле:

   

   

where B is the value previously obtained in formula # 9.

All of the above mathematical formulas are easy to transform into the corresponding simple algorithm.

Thus, we obtained the necessary formulas that allow us to calculate the values of the angles O, A, B, and thus we are able to forcibly set the forward-backward tilts of the head of the human operator to the angles D and C, see drawing # 2, with the help of a manipulator, locating in a knapsack behind the back of a human operator.

Now let us consider the technical possibilities for tilting the head of a human operator in the direction of the left or right shoulders, similar to those shown in drawing # 4.

Such inclinations for the helmet (and accordingly for the head of the human operator who controls the robot) can be set by forcing tilting the helmet around the geometric axis by means of rotation from the back of the head to the face of the person through the base of the operator’s human skull, see drawing # 16.

 

где B – значение, ранее полученное в формуле № 9.

Все эти вышеприведенные математические формулы легко трансформировать в соответствующий простой алгоритм.

Таким образом, мы получили необходимые формулы, позволяющие вычислять значения углов O, A, B и тем самым имеем возможность принудительно задавать наклоны вперед-назад головы человека-оператора на углы D и C, см. фиг. № 2, с помощью манипулятора, берущего начало в ранце за спиной у человека-оператора.

Теперь рассмотрим технические возможности для осуществления наклонов головы человека-оператора в сторону левого или правого плеч, подобных тем, как это изображено на фигуре № 4.

Задать такие наклоны для шлема (и соответственно для находящейся в нем головы человека-оператора, управляющего роботом) можно путем принудительных поворотов шлема вокруг геометрической оси вращения, проходящей от затылка к лицу человека через основание черепа головы человека оператора, см. фиг. № 16.

   

 

Drawing # 16.

   
   

Figure number 16 is a modification of figure number 12 - the axis “F” is added on it, i.e. In the construction of the manipulator supporting the helmet, it is necessary to add another joint between the joint “B” and the helmet. This joint will tilt the helmet and the head of the human operator enclosed in it towards the shoulders.

One could try to add another degree of freedom to the manipulator device (axis of rotation) at point “O” of the manipulator (on drawing 16, this additional axis of rotation is also shown, but with dashed lines - arrows).

 

Indeed, in the man the entire neck is involved in the inclinations of the head in the direction of the shoulders of a person and, it would seem, it would be logical to provide more mobility to the design of the anthropomorphic robot and to the control device one more moving element. However, this may be redundant. The fact is that the helmet will still be quite large. And on the shoulders of the human operator who controls the robot, there will be mechanisms (drives) of the exoskeleton responsible for organizing the movements of the hands of the robot. And no matter how we try to press the mechanismes to the human body and make them compact, they will still “be bulging by steel muscles on the shoulders of the human operator”. Therefore, additional degree of freedom (additional mechanical axis of rotation) may be useless - a helmet, with its greater mobility, will simply rest (collide) in other elements of the controlling suit and we will not in reality get any increase mobility of head, but only excessive complication of the robot design and management mechanisms.

Thus for a human operator, there is a slight limitation in mobility (no axis of rotation at the base of the neck), howewer it does not greatly affect to individual sensations of person-operator, because in the helmet uses elastic elements (the elastic layer between the hard bell-shaped details of the helmet and the pneumatic fixation of the head). Therefore, between the head of the human operator and the helmet, there will be an “the elastic backlash”, which eliminates the sensation of limited mobility in the control mechanism.

 

The turns of the helmet and the head of the human operator left-to-right around the vertical axis of the body, similar to those shown on drawing # 5, are set by adding another axis of rotation G to the helmet, which is located in the crown of the head (in the perietal) see drawing # 17, where the final kinematics schema of a manipulator for the helmet movements (of the head of the human operator) is shown.

 

Фигура № 16 является модификацией фигуры № 12 – на ней добавлена ось “F”, т.е. в конструкцию манипулятора, поддерживающего шлем, необходимо добавить ещё один сустав между суставом ”B“ и шлемом. Этот сустав и будет наклонять шлем и заключенную в него голову человека-оператора в сторону плеч.

Можно было бы попытаться добавить в устройство манипулятора ещё одну степень свободы (ось вращения) в точке ”O“ манипулятора (на фигуре № 16 эта дополнительная ось вращения также показана, но пунктирными линиями - стрелками).

Действительно, в наклонах головы в сторону плеч у человека участвует вся шея и, казалось бы, будет логично для обеспечения большей подвижности, в конструкцию антропоморфного робота и в управляющее устройство внести еще по одному подвижному элементу. Однако это может оказаться излишним. Дело в том, что шлем все-таки будет иметь довольно большие размеры. А на плечах человека-оператора, управляющего роботом, окажутся механизмы (приводы) экзоскелета, ответственные за организацию движений рук робота. И как бы мы не пытались прижать приводы к телу человека и сделать их компактными они всё равно будут «бугриться стальными мышцами на плечах человека-оператора». Поэтому ещё одна степень свободы (еще одна механическая ось вращения) может оказаться бесполезной – шлем, при его бо’льшой подвижности, просто упрётся в другие элементы управляющего костюма и мы в реальности не получим никакого увеличения подвижности головы, а только излишнее усложнение конструкции робота и механизмов управления.

Для человека-оператора небольшое ограничение в подвижности (отсутствие оси вращения в основании шеи) по индивидуальным ощущениям не сильно скажется по причине того, что в шлеме используются упругие элементы (упругий слой между жесткими колоколообразными деталями шлема и пневматическая фиксация головы). Поэтому между головой человека-оператора и шлемом возникнет «упругий люфт», который нивелирует ощущение ограничения подвижности в механизме управления.

Повороты шлема и головы человека-оператора налево-направо вокруг вертикальной оси тела аналогичные тем, которые изображены на фигуре № 5, задаются добавлением в конструкцию шлема еще одной оси вращения G, которая расположена в темени (на макушке) шлема см. фигуру № 17, где изображена окончательная кинематическая схема задания движений шлема (головы человека-оператора).

   

 

Drawing # 17.

   
   

Thus, by changing the values of the angles O, A, B, F and G in the joints of the manipulator supporting the helmet, you can set the necessary orientation of the head of the human operator. In turn, the human operator, exerting a force on the helmet from inside, can change spatial orientation own head and spatial orientation of the head of an anthropomorphic remote-controlled robot avatar.

 

The use of the manipulator allows you to take into account the individual characteristics of the body structure of any human operator - stoop, short or long neck, taking into account the amplitude of the angles of flexion of the joints and adjust individually to each person. However, the manipulator shown on drawing # 17 has drawbacks, so later two more devices with cardan supportes, will be shown, which providing the necessary spatial orientation of the helmet.

 

It is also possible to organize the left-to-right helmet (and the human operator’s head) turns around the vertical axis not by setting the rotation axis on the top of the helmet, but by installing the rotation system (a sektor bearing) in the itself helmet at the skull base of the human operator. This will make the helmet look more compact - the top axis of the helmet will not stick out the axis of rotation, but this technical solution will complicate the design of the helmet. - Here the main thing for the head is to observe the principle: at first we tilt the head in relation to the body (in relation to the thoracic section), and then turn to the right or left.

 

Note: after submitting an application for an invention to Rospatent, I looked for analogues on the Internet. On one of the sites of manufacturers of medical equipment found a sector bearing, which allows for head turns. This medical equipment itself is intended only for the suspension of the head of a disabled person and does not allow to fully define all head movements:

 

Таким образом, путем изменения значений углов O, A, B, F и G в суставах манипулятора, поддерживающего шлем, можно задать необходимую ориентацию головы человека-оператора. В свою очередь человек-оператор оказывая изнутри силовые воздействия на шлем, может изменить его пространственную ориентацию и пространственную ориентацию головы антропоморфного дистанционно управляемого робота-аватара.

Применение манипулятора позволяет учитывать индивидуальные особенности строения тела любого человека-оператора – сутулость, короткую или длинную шею, учёт амплитуды углов сгибания суставов и подстраиваться персонально под каждого человека. Однако манипулятор, изображенный на фигуре № 17, имеет недостатки, поэтому позже будет показана ещё две устройства с кардановыми подвесами, обеспечивающие необходимую пространственную ориентацию шлема.

Также есть возможность организовать повороты налево-направо шлема (и головы человека-оператора) вокруг вертикальной оси не путем установки оси вращения на макушке шлема, а установив на уровне основания черепа человека-оператора систему поворота в сам шлем – секторный подшипник. Это сделает внешний вид шлема более компактным – сверху на макушке шлема не будет выпирать ось вращения, однако подобное техническое решение усложнит конструкцию шлема. - Здесь главное для головы соблюдать принцип: вначале наклоняем голову по отношению к телу (по отношению к грудному отделу), а затем поворачиваем направо или налево.

Примечание: уже после подачи заявки на изобретение в Роспатент я поискал в Интернете аналоги. На одном из сайтов производителей медицинской техники нашёл секторный подшипник, позволяющий осуществлять повороты головы. Само это медицинское оборудование предназначено только для подвеса головы инвалида и не позволяет полноценно задавать все движения головы:

   
   

   
   

Also, after submitting an application for an invention, I found on the Internet information about the development of the 80s of the last century under the GreenMan program, what there was also a manipulator connected to the helmet, but it did not exert a force on the head, but performed only measuring functions - he tracked the position of the head:

 

Также после подачи заявки на изобретение я нашёл в Интернете информацию о разработках 80-тых годов прошлого века по программе GreenMan, там также к шлему подсоединялся манипулятор, но он не оказывал на голову силового воздействия, а выполнял только измерительные функции - отслеживал положение головы:

   

   
   
   

Now we will consider the question of set the necessary turns and tilts of the lower section of the exoskeleton responsible for the movement of the pelvis (panties) of a human operator. One of the variants of such a device is presented below; see drawing # 18.

 

Теперь рассмотрим вопрос задания необходимых поворотов и наклонов нижнего отдела экзоскелета, ответственного за движения таза (брюк) человека-оператора. Один из вариантов такого устройства представлен ниже см. фиг. № 18.

   

 

Drawing # 18.

   
   

Where two projections of the device are shown at once: top - left view, bottom - front view. Hard pants number 1 (something like the feminine medieval "Belt of Allegiance":

 

Где показаны сразу две проекции устройства: сверху - вид слева, снизу - вид спереди. Жесткие трусы № 1 (нечто подобное женскому средневековому «Поясу верности»:

   

   

However, for modern divers working in hard deep-sea suits, metal pants are no stranger - this is a photo, where President D.A. Medvedev do "handshake" (more precisely "legshake") with a rigid diving suit:

 

Впрочем, для современных водолазов, работающих в жестких глубоководных скафандрах, к металлическим штанам не привыкать - вот фотография, где президент Д.А. Медведев "здоровается за ногу" с жестким водолазным скафандром:

   

   
   

By the way, we are possible carry out the exoskeleton panties only partially hard ones - made the rigid elements of the panties in their upper part are important for us - from the belt to the hips (the belt), and between the legs you can skip the element from the usual elastic fabric).

To the hard exoskeleton panties, worn on a human operator, are behind, near the tailbone, attached to the O'A'B'F' manipulator, which is similar in design and mathematics to the manipulator, described above, for tiltings forward-backward of the head of the human operator, wearing a helmet (also in figure 18, the manipulator has a similar letter designations, but only with a strokes, as in the previous drawings with numbers 12 - 17).

Element # 2, shown on drawing # 18, is the inner ring of the bearing inserted into the aforementioned small ring of the suspension mechanism described in the patent for the invention # 2134193 ru (see drawing 8 where the corresponding image from the description of the patent # 2134193 ru is reproduced). If now the device shown on drawing # 18 will is added to the image on drawing # 8, then we get the following axonometric image: see drawing # 19.

 

Можно, кстати, трусы экзоскелета выполнить жесткими частично – нам важны жесткие элементы трусов в их верхней части - от пояса до бёдер (именно пояс), а между ног можно пропустить элемент из обычной эластичной ткани).

Жесткие трусы экзоскелета, надеваемые на человека-оператора, имеют сзади, в районе копчика, крепление к манипулятору O’A’B’F’, аналогичному по принципу устройства и математике манипулятору, рассмотренному выше для задания наклонов вперед-назад головы человека-оператора, одетую в шлем (поэтому на фигуре № 18 манипулятор имеет тоже буквенные обозначения, но только со штрихами, что и на предыдущих фигурах №№ 12 – 17).

Деталь № 2, показанная на фигуре № 18, - внутреннее кольцо подшипника, вставленное в уже упоминавшееся малое кольцо механизма подвеса, описанного в патенте на изобретение № 2134193 ru (смотрите фиг. № 8, где воспроизведено соответствующее изображение из описания патента № 2134193 ru). Если теперь к изображению на фигуре № 8 добавить устройство, изображенное на фигуре № 18, то получится следующее аксонометрическое изображение: см. фиг. № 19.

   

 

Drawing # 19.

   
   

Where we see that the human operator is wearing the # 1 rigid underpants that control the angular orientation of his pelvis relative to the thoracic section (relative to the vest), as well as the # 2 ring, which can be forced to rotate around the axis of the overlying ring, with the ability to rotate the lower body (pelvis) around the vertical axis of the body of a human operator at an angle G - its changes are determined by human anatomy and are limited to a range of ± 450. The O'A'B'F' manipulator is not shown in drawing # 19, because in this perspective, it is closed from us by the body of a human operator.

 

The panties, worn on the human operator, how and the head helmet consist of two rigid bell-shaped elements nested in each other, with openings for threading the legs. The outer hard (power) bell-shaped element of the underpants is attached to the manipulator O'A'B'F' in the tailbone of the human operator from the back side, and the inner rigid bell-shaped element of the briefs is designed to determine the force effects exerted by the operator’s body (pelvis) on the inner surface of the pants. It should also be noted that the outer rigid bell-shaped element of the underpants is the basis for the trousers of the controlling exoskeleton — it is to him from the back the power mechanisms attached for the movements of the lower limbs (thighs) of exoskeleton. Between two rigid layers of underpants, there is an elastic filler and sensors that determine the force effects exerted by the body of the human operator on the inner surface of the underpants. As well as in the headgear, the inflating pneumatic hermetic volume is used for fixing the pelvic area of a human operator in panties, and for thermoregulation closer to the body - a porous fibrous layer with the possibility of air blowing. Until now, everything was similar to the device of the helmet, so I will limit myself to a verbal description, and I will not give mathematical formulas, since They were discussed above. The manipulator by means changes angles O’, A’, B’ of the exoskeleton underpants, and a change of the angle F’, all it allow of the panties do tilting from side to side and forward-back relative to the thoracic section, as shown on drawing # 7.

 

However, in the underpants of the neural interface device, of course, not, but it is possible that there is a diaper on the body of a human operator. (It is likely that remote-controlled anthropomorphic robots will be used in emergency situations - when eliminating some man-made disasters like the Fukushima or Chernobyl accidents. In an emergency situation, the operator will probably no have a time to often take off a control costume and go to toilet for the committing of natural needs. Therefore, the use of diapers is recommended. - these are the destiny of professions: cosmonaut, diver, rescuer, fireman, military fighter pilot ...)

 

It would seem that if there are close analogies in the design of the helmet suspension and the pelvis suspension, then we can already use the full analogue, for example, to turn the head to the left - to the right around the vertical axis of the body using a mechanism as shown on a drawing # 20.

 

Где мы видим, что на человека-оператора надеты в составе управляющего экзоскелета жесткие трусы № 1, задающие угловую ориентацию его таза относительно грудного отдела (относительно жилета), а так же видим кольцо № 2, выполненное с возможностью принудительного вращения вокруг оси вышележащего кольца, т.е. с возможностью поворачивать нижнюю часть тела (таз) вокруг вертикальной оси тела человека-оператора на угол G - его изменения определяются анатомией человека и ограничены диапазоном ± 450. Манипулятор O’A’B’F’ на фигуре № 19 не показан, т.к. в данном ракурсе он закрыт от нас телом человека-оператора.

Трусы, надеваемые на человека-оператора, также как и головной шлем состоят из двух вложенных друг в друга жестких колоколообразных элементов, с отверстиями для продевания ног. Наружный жесткий (силовой) колоколообразный элемент трусов со стороны спины крепится к манипулятору O’A’B’F’ в районе копчика человека-оператора, а внутренний жесткий колоколообразный элемент трусов предназначен для определения силовых воздействий, оказываемых телом (тазом) человека-оператора на внутреннюю поверхность трусов. Так же следует заметить, что наружный жесткий колоколообразный элемент трусов – основа для брюк управляющего экзоскелета – именно к нему со стороны спины крепятся силовые механизмы, ответственные за движения нижних конечностей (бедер) экзоскелета, надеваемого на человека-оператора. Между двумя жесткими слоями трусов находится упругий наполнитель и датчики, определяющие силовые воздействия, оказываемые телом человека-оператора на внутреннюю поверхность трусов. Также как и в головном шлеме для фиксации тазовой области человека–оператора в трусах используется раздувающийся пневматический герметичный объем, а для терморегуляции ближе к телу - пористый волокнистый слой с возможностью продувки воздуха. До сих пор все было аналогично устройству шлема, поэтому я ограничусь словесным описанием, и не буду приводить математических формул, т.к. они были рассмотрены выше. Манипулятор с помощью изменений углов O’, A’, B’ задает наклоны трусов экзоскелета вперед-назад, а изменение угла F’ задает покачивание трусов из стороны в сторону относительно грудного отдела, как это изображено на фигуре № 7.

Однако, в трусах устройства нейроинтерфейса, конечно, нет, зато возможно наличие на теле человека-оператора памперса. (Вполне вероятно, что дистанционно-управляемые антропоморфные роботы будут использоваться в чрезвычайных ситуациях – при ликвидации каких-нибудь техногенных катастроф наподобие аварии на Фукусиме или в Чернобыле. В условиях ЧС человеку-оператору, вероятно, будет некогда часто снимать костюм управления, чтобы сходить в туалет для отправления естественных надобностей. Поэтому и рекомендуется использование памперса – это издержки профессий: космонавта, водолаза, спасателя, пожарного, летчика военного истребителя…)

Казалось бы, если в конструкции подвеса шлема и подвеса таза есть близкие аналогии, то можно тогда уже использовать полный аналог, например, поворачивать голову налево - направо вокруг вертикальной оси тела с помощью такого механизма, как изображено на фигуре № 20.

   

 

Drawing # 20.

   
   

However, for the head it will be disadvantageous from the energy point of view - it will be necessary to forcibly turn not only the helmet, but also the manipulator. Also, when turning the head in many cases, it is necessary to change its inclination, any turn of the head will have to recalculate and set new angles O, A, B, F in the movable joints of the manipulator. In addition, the manipulator will require to reserve the angular sector of 900 for its movements, of course, this sector will be located behind the human operator, but the hands of the human operator, albeit with a small probability, may be unsuccessful in this sector. Thus, it is advisable for the head to first set the inclinations relative to the chest, and only then turn the head left-right around the G axis located on the top of the helmet as shown on drawing # 17 (or use the sector bearing, built in helmet at the base of the human skull of the operator for turning around the axis G).

 

For the lower limbs of the controlling exoskeleton, the method of rotation around the vertical axis G of the thoracic region, similar to that shown on drawing # 17, is unacceptable - the anatomy of people is such that the legs of a person will not allow location of the axis of rotation to be established between them (at the bottom of the underpants) . Therefore, for the lower section of the exoskeleton there is only one possibility: first, to rotate the entire lower section of the exoskeleton, and then using the manipulator to set the inclination of the exoskeleton pants, as shown on drawings 18 and 19. (Attention: the kinematics schemes of the neck and lumbar section of an anthropomorphic robot, shown on drawings 3 and 6, coincide with the kinematics schemes, shown on a drawings 18 and 19. - For the heads of the robot and the human, we first set the inclination and then rotation about of the thorax. For pelvises departments of a robot and human initially need given by the relative rotation of the thoracic, and then do she tilt. This coincidence is not accidental -. I specifically sought it, because it the only way to achieve compliance with the human operator moves and remote-controlled robot).

 

With such an organization of the turns of the head or lower extremities (pelvis) of the exoskeleton, the vertebrae of the human operator’s spine will experience small usually turns relative to each other, as is the case in natural conditions. Because the turns are transmitted through the system of intermediate elements to the final element - to the head or to the pelvis, in the process of which the long sections and the spine (neck or waist section) are evenly twisted - each vertebra rotates only on a small angle relative to the other vertebra.

 

Однако для головы это будет невыгодно с энергетической точки зрения – придется принудительно поворачивать не только шлем, но ещё и манипулятор. Также при повороте головы во многих случаях придется изменять её наклон, т.е. при любом повороте головы придется пересчитывать и задавать новые углы O, A, B, F в подвижных сочленениях манипулятора. Кроме того, манипулятор потребует зарезервировать для своих перемещений угловой сектор в 900, конечно, этот сектор будет располагаться за спиной у человека-оператора, но руки человека-оператора, пусть и с небольшой вероятностью, могут неудачно оказаться в этом секторе. Таким образом, для головы целесообразно вначале задавать наклоны относительно груди, а уже потом поворачивать голову налево-направо вокруг оси G, расположенной на макушке шлема как это было показано на фигуре № 17 (или использовать встроенный в шлем на уровне основания черепа человека-оператора секторный подшипник для поворотов вокруг оси G).

Для нижних же конечностей управляющего экзоскелета метод поворота вокруг вертикальной оси G грудного отдела, подобный изображенному на фигуре № 17, неприемлем – анатомия людей такова, что ноги человека не позволят установить между ними (на дне трусов) ось вращения – там просто нет для этого места. Поэтому для нижнего отдела экзоскелета есть только единственная возможность: вначале осуществить поворот всего нижнего отдела экзоскелета, а затем манипулятором задать наклон трусов экзоскелета, так, как это изображено на фигурах № 18 и 19. (Вообще кинематические схемы устройства шеи и поясничного отдела антропоморфного робота, изображенные на фигурах № 3 и № 6 совпадают с кинематическими схемами, изображенными на фигурах № 18 и 19. – Для голов робота и человека мы вначале задаем относительно грудного отдела наклон, а затем поворот. Для тазовых отделов робота и человека вначале задается поворот относительного грудного отдела, а затем уже наклон. Это совпадение отнюдь не случайно – я специально добивался его, т.к. только так можно добиться соответствия движений человека-оператора и дистанционно управляемого робота).

При такой организации поворотов головы или нижнего отдела конечностей (таза) экзоскелета позвонки хребта человека-оператора будут испытывать небольшие обычные повороты друг относительно друга, как это происходит в естественных условиях. Потому что повороты передаются через систему промежуточных элементов на конечный элемент – на голову или на таз, в процессе чего длинные участки и хребта (шея или поясной отдел) равномерно скручиваются – каждый позвонок поворачивается лишь на небольшой угол относительно другого позвонка.

Consider a possible device for measuring the measurement of internal power effects for the headgear and for pants. Sensors of different types working on different physical principles are possible here - it does not matter much. As an example, I will consider the use of capacitor sensors in a headgear, see a drawing # 21, which shows the cross sections of the elements of the helmet of interest us at a level above the eyes of the human operator.

 

Рассмотрим возможное устройство датчиков измерения внутренних силовых воздействий для головного шлема и для трусов. Здесь возможны датчики разных типов, работающих на разных физических принципах – особого значения это не имеет. В качестве примера я рассмотрю в головном шлеме использование конденсаторных датчиков, см. фиг. № 21, где показано сечения интересующих нас элементов шлема на уровне выше глаз человека-оператора.

   

 

Drawing # 21.

   
   

Where: the number 1 is the cross-section of the outer bell-shaped force element of the helmet, let it be made of a dielectric (a plastic). The cross-section of the internal rigid collocated element of the helmet is marked as # 2 - made of metal. The internal volume between these rigid bell-shaped elements of helmet # 1 and # 2 is filled with elastic material on draving # 21, how and on drawing # 11, it is conventionally indicated by springs # 4. Sensors (in figure # 11, they were designated # 5) are represented by plates capacitors - one plate for each sensor. The second 'plate' of each such sensor-capacitor is an internal rigid metal bell-shaped element of a head helmet. Under the influence of the force of the head of the human operator, the inner metal element is displaced relative to the capacitor plates-sensors # 5. At the same time, the capacitance of the sensor-capacitors changes. You can bring an electronic circuit (she is in the description of the patent for invention # 2134193 ru), which will determine the direction of displacement of the internal rigid metal bell-shaped element by changing capacitance capacitances and thereby determine the direction and magnitude of the force effects exerted by the human operator on the inner surface of the helmet.

 

The helmet uses 8 such sensors - this makes it possible to determine the need to change the angle at the base of the neck and / or at the base of the skull, see drawings # 22 and # 23.

 

Где цифрой № 1 обозначено сечение внешнего колоколообразного силового элемента шлема пусть он будет изготовлен из диэлектрика (пластик). Сечение внутреннего жесткого коллоколообразного элемента шлема обозначено № 2 - изготовлен из металла. Внутренний объем межу этими жесткими колоколообразными элементами шлема № 1 и № 2 заполнен упругим материалом на фигуре № 21 он, как и на фигуре № 11, условно обозначен «пружинками» № 4. Датчики (на фигуре № 11 они обозначались № 5) представлены обкладками конденсаторов – по одной обкладке на каждый датчик. Вторая обкладка каждого такого датчика-конденсатора – это внутренний жесткий металлический колоколообразный элемент головного шлема. Под воздействием силовых усилий головы человека-оператора внутренний металлический элемент смещается относительно конденсаторных обкладок-датчиков № 5. При этом изменяется ёмкость конденсаторов-датчиков. Можно привести электронную схему (она есть в описании патента на изобретении № 2134193 ru), которая позволит по изменению емкостей конденсаторов определять направление смещения внутреннего жесткого металлического колоколообразного элемента и тем самым определять направление и величину силовых воздействий оказываемых человеком-оператором на внутреннюю поверхность шлема.
В шлеме используются 8 таких датчиков – это дает возможность определять необходимость изменения угла в основании шеи и/или в основании черепа, смотрите фиг. № 22 и № 23.

   

 

Drawing # 22.

   
   

On drawing # 22, the internal forces created by the head of the human operator (shown by arrows) are directed to one side (back) - this gives the control electronics the idea to turn the helmet around the base of the neck in the direction of the forces (i.e. change the angle D by means the manipulator, see drawing # 13).

 

На фигуре № 22 внутренние силы, созданные головой человека-оператора (показаны стрелками), направлены в одну сторону (назад) – это дает управляющей электронике основание повернуть шлем вокруг основания шеи в направлении действия сил (изменить с помощью манипулятора угол D, см. фиг. № 13).

   

   

Drawing # 23.

   
   

In figure # 23, the internal forces exerted by the human head (shown by arrows) act on different sensors in the opposite direction — this gives the control electronics the idea to turn the helmet around the base of the skull (change the angle C using the manipulator, see drawing # 13).

 

Obviously, it is possible to design the operation of control electronic logic circuits in such a way that, based on the readings of sensors # 5, they can simultaneously make turns of the head around the D and C axes, rather than separately. Thus, we provide a natural style of head movement, but here I’m already not discussing this issue.

 

It should be borne in mind that the helmet also has to take into account the reciprocal small turns of the bell-shaped rigid elements around the vertical axis of the helmet (this is necessary in order to be able to turn the head left-right around the vertical axis). Sensor # 6 is used for this, see drawings # 11, 22, 23. The problem is that the hard bell-shaped elements of the helmet not only can rotate relative to each other around the vertical axis of the head on a small angle, but they can also be slightly perpendicular move to this axis of rotation. Therefore, simply using a digital angle sensor will not work here - first you have to take care that perpendicular displacements do not affect its operation. This question boils down to the problem of transferring rotation from one shaft to another non-axial shaft. For this problem in engineering practice, solutions have long been found using, for example, an angular hinge:

 

На фигуре № 23 внутренние силы, оказываемые головой человека (показаны стрелками), действуют на разные датчики в противоположном направлении – это дает управляющей электронике основание повернуть шлем вокруг основания черепа (изменить с помощью манипулятора угол C, см. фиг. № 13).

Очевидно, что есть возможность спроектировать работу управляющих электронных логических схем таким образом, что они на основе показаний датчиков № 5 позволят одновременно осуществлять повороты головы вокруг осей D и C, а не по отдельности. Тем самым мы обеспечиваем естественный стиль движения головы, но здесь этот вопрос я здесь уже не обсуждаю.

Следует учитывать, что в шлеме также приходится учитывать взаимные небольшие повороты колоколообразных жестких элементов вокруг вертикальной оси шлема (это необходимо что бы иметь возможность поворачивать голову налево-направо вокруг вертикальной оси). Для этого используется датчик № 6, см. фигуры № № 11, 22, 23. Проблема в том, что жесткие колоколообразные элементы шлема не только могут вращаться друг относительно друга вокруг вертикальной оси головы на небольшой угол, но они еще могут и немного смещаться перпендикулярно к оси вращения. Поэтому просто использовать цифровой датчик угла поворота здесь не получится – предварительно придется позаботиться о том, что бы перпендикулярные смещения не влияли на его работу. Данный вопрос сводится к задаче передачи вращения с одного вала на другой несоосный вал. Для данной проблемы в инженерной практике уже давно найдены решения с помощью, например, углового шарнира:

   

   
   

or by means a cross muff:

 

или крестовой муфты:

   

   

or by means other devises:

 

или другими методами:

   

   
   

But in our case, we can offer two more solutions to this issue.

This can be done as follows, see drawings # 24 and 25:

 

Но в нашем случае можно предложить ещё два варианта решения данного вопроса.

Это можно сделать следующим образом, см. фиг. №№ 24 и 25:

   

   

Drawing # 24.

   
   

Drawing 24 shows the image that we will see if we look into the helmet when all internal elements are removed from it, including the internal rigid bell-shaped element # 2.

On the inner surface of the bell-shaped element of the helmet # 1 at its top, a guide track is made (figuratively speaking “rails”) in figure # 24 this track is marked with the direction Q-Q1, the moving element T1 (“cart”) can move along the track on the sprung rollers. On the movable element T1, there are also guides ("rails") installed in the Z-Z1 direction, perpendicular to the Q-Q1 direction.

The second movable element T2, can be displaced on the sprung rollers along the surface of the trolley T1 (along the “rails”) in the Z-Z1 direction, perpendicular to the direction Q-Q1. And already to the “trolley” T2 and to the top of the inner bell-shaped rigid element # 2 of a helmet the digital rotation angle sensor # 6 is mounted. This scheme eliminates the effect of small mutual displacements of the hard-fiber-shaped elements of the # 1 and # 2 helmets on the rotation angle sensor.

The bottom, on a drawing # 25, is an axonometric image of this carts together with arcuate guide-rails (this image is, of course, conditional - it only demonstrates the principle of operation).

 

На фигуре № 24 представлено изображение, которое мы увидим, если заглянем в шлем, когда из него удалены все внутренние элементы, включая внутренний жесткий колоколообразный элемент № 2.

На внутренней поверхности колоколообразного элемента шлема № 1 в его вершине делают направляющую колею (условно говоря «рельсы») на фигуре № 24 эта колея отмечена направлением Q-Q1, вдоль колеи может двигаться на подрессоренных роликах подвижный элемент T1 («тележка»). На подвижном элементе T1 также имеются направляющие («рельсы»), установленные в направлении Z-Z1, перпендикулярном направлению Q-Q1.

Второй подвижный элемент T2, может смещаться на подрессоренных роликах по поверхности тележки T1 (по «рельсам») в направлении Z-Z1, перпендикулярном направлению Q-Q1. И уже к «тележке» T2 и к вершине внутреннего колоколообразного жесткого элемента № 2 крепится цифровой датчик угла поворота № 6. Такая схема позволяет исключить влияние небольших взаимных смещений жестких клолоколообразных элементов шлема № 1 и № 2 на работу датчика угла поворота.

Нижнее, на фигуре № 25, приводится аксонометрическое изображение тележек вместе с дугообразными направляющими-рельсами (это изображение, конечно, условно – оно только демонстрирует принцип работы).

   

 

Drawing # 25.

   
   

Now consider the organization work of the sensors for the exoskeleton panties. Sensors of linear relative displacements of rigid bell-shaped elements of underpants do not make sense to viewe - they may be similar to those we considered above for a headgear (see above drawings # 21 - 23 and explanations to them).

The problem arises in the placement and arrangement of sensors that determine the angle of mutual rotation of rigid bell-shaped nested elements that make up the exoskeleton panties. If before we could insert a rotation angle sensor into the top of the helmet in the headgear, then there is no place for it in the underpants (at the bottom of the underpants) exoskeleton - the legs of the human operator interfere for it. Therefore, it is necessary to solve the problem of determining the angle of mutual rotation of rigid bell-shaped elements of exoskeleton pants in another way - see drawing # 26.pan>

 

Теперь рассмотрим организацию работы датчиков для трусов экзоскелета. Датчики линейных относительных смещений жестких колоколообразных элементов трусов рассматривать нет смысла – они могут быть аналогичны тем, что мы рассмотрели выше для головного шлема (смотрите выше фигуры №№ 21-23 и пояснения к ним).

Проблема возникает в размещении и устройстве датчиков, определяющих угол взаимного поворота жестких колоколообразных вложенных элементов, образующих трусы экзоскелета. Если в головном шлеме мы могли вставить датчик угла поворота в макушку шлема, то в трусах (на дне трусов) экзоскелета для этого нет места – мешают ноги человека-оператора. Поэтому придется решать проблему определения угла взаимного поворота жестких колоколообразных элементов трусов экзоскелета иным образом – см. фиг. № 26.

   

 

Drawing # 26.

   
   

On drawing # 26, two circles # 1 and # 2, having one center, are sections of nested rigid bell-shaped elements of exoskeleton panties.

The number 1 indicates the external power (attached to the manipulator) bell-shaped element of exoskeleton pants, the number 2 indicates the internal bell-shaped element of pants, the displacements and turns of which relative to the external rigid element # 1 allow determining the direction and magnitude of the force effects exerted by the human operator on the inside surface of the pants.

The gears # 3 and # 3’, mounted on the axis of the angle-turn sensors, are pressed from two sides to the rigid bell-shaped element # 2 by means of spring pushers # 4.

 

The peculiarity of spring pushers # 4 is that the angle-turn sensors and gears # 3 and # 3' can only be displaced along the axes of the "spring" # 4 (on a drawing # 26 such displaces con be only the horizontal direction), and they cannot move in perpendicular directions (on drawing # 26 they can not be displaced in the vertical direction). (A similar effect is achieved through the use of hinges - we can, for example, in our apartment, open or close the front door hinged on hinges - turn the door around the vertical axis. The door can even be spring loaded - it can close itself after it has been opened. But we can not also easily move the door in perpendicular directions - up or down, if, of course, the door hinges are made correctly, with fixings.)

 

Thus, certain small turns or displacements of the internal rigid bell-shaped element pants # 2 relative to the bell-shaped element # 1 cause the rotation of the gears # 3 and # 3’, mounted on the axis of the angle-turn sensors, as it shown on drawings # 27 and # 28.an>

 

На рисунке № 26 две окружности № 1 и № 2, имеющие один центр, – сечения вложенных жестких колоколообразных элементов трусов экзоскелета.

Цифрой № 1 обозначен внешний силовой (присоединяемый к манипулятору) колоколообразный элемент трусов экзоскелета, цифрой № 2 - внутренний колоколообразный элемент трусов, смещения и повороты которого относительно внешнего жесткого элемента № 1 позволяют определить направление и величину силовых воздействий оказываемых человеком-оператором на внутреннюю поверхность трусов.

Шестеренки № 3 и № 3’, насаженные на оси датчиков угловых поворотов, с двух сторон прижимают к жесткому колоколообразному элементу № 2 посредством пружинных распорок № 4.

Особенностью пружинных распорок № 4 является то, что датчики угловых поворотов и шестеренки № 3 и № 3’ могут смещаться только вдоль осей «пружин» № 4 (на фигуре № 26 в горизонтальном направлении), и не могут двигаться в перпендикулярных направлениях (на фигуре № 26 не могут смещаться в вертикальном направлении). (Подобный эффект достигается за счет применения петель – мы можем, например, в своей квартире открывать или закрывать входную дверь, подвешенную на петли - осуществлять поворот двери вокруг вертикальной оси. Дверь может быть даже подпружиненной – самостоятельно закрываться после того, как её открыли. Но мы не можем также легко смещать дверь в перпендикулярных направлениях – вверх или вниз, если, конечно, дверные петли сделаны правильно, с фиксаций.)

Таким образом, определенные небольшие повороты или смещения внутреннего жесткого колоколообразного элемента № 2 относительно колоколообразного элемента № 1 вызывают вращения шестеренок № 3 и № 3’, насаженных на оси датчиков угловых поворотов, как это показано на фигурах № 27 и 28.

   

                                                                   

   

Drawing # 27.

 

Drawing # 28.

   
   

The displacement of the details of pants # 2 in the direction perpendicular to the line drawn between the sensors of the corner turns causes the gears of sensors # 3 and # 3' to turn in opposite directions. Turning the pant detail number 2 causes the gears of sensors # 3 and # 3' to rotate in one direction. Using mathematical formulas, it is possible to calculate the amount of displacement and rotation of the bell-shaped element # 2 relative to the bell-shaped element # 1. Let be the angle of rotation of the first gear# 3, be the angle of rotation of the second gear # 3'.

Then the linear displacement is calculated by the formula:

 

Смещение детали трусов № 2 в направлении перпендикулярном линии, проведенной между датчиками угловых поворотов, вызывает поворот шестерёнок датчиков № 3 и № 3’ в противоположные стороны. Поворот детали трусов № 2 вызывает поворот шестерёнок датчиков № 3 и № 3’ в одном направлении. С помощью математических формул можно вычислить величину смещения и поворота колоколообразного элемента № 2 относительно колоколообразного элемента № 1. Пусть - угол поворота первой шестеренки № 3,   - угол поворота второй шестеренки № 3’. Тогда линейные смещения вычисляется по формуле:

   

   

The turns:

 

Повороты:

   

   

Where and are the coefficients depending on the radii of the circles # 2 and # 3 and the characteristics of the elastic filler between the rigid bell-shaped elements of the pant (helmet) design.

These formulas allow you to track linear displacements and turns of the rigid inner bell-shaped element of exoskeleton panties.

It is also possible, instead of mechanical sensors with gears, to use optical sensors similar to those responsible for the operation of an optical computer mouse — press their “as door” (as was discussed above) to the surface of the internal rigid bell-shaped element of exoskeleton panties - mathematics (formulas 17 and 18) while remaining the same. It is also possible to use optical sensors in a similar way to determine the turns of the internal rigid bell-shaped element of the helmet relative to the external rigid element (in this case, there is no need to use the "rails" and carts shown on drawings # 24 and # 25).

 

Thus, we reviewed the fundamental decisions on the creation of all the important elements necessary for organizing support for the headgear and lower extremities (pelvis) of the exoskeleton used to control a remote anthropomorphic robot.

 

However, it is possible to abandon the manufacture of a large-diameter rolling bearing, which was depicted on a drawings # 18 and # 19. But this would require modifying the design of the inner ring of the body suspension mechanism of the human operator, what described in the patent for Invention # 2134193 ru.

 

It should be emphasized that all the mathematics described in patent number 2134193 u, describing the work of the global support mechanism of the whole body of a human operator, is correct and therefore will remain the same. The changes relate only to the inner ring of the support mechanism, a ring that in the support mechanism closest to the human operator’s body. Here I shall referred once again to drawing # 8, which taken from the description of the patent for invention # 2134193 ru.

 

A new kinematics diagram of the inner ring of the body support mechanism of a human operator, allowing the local power drive of a virtual reality helmet worn on the human head, and the local power drive of the exoskeleton elements responsible for the lower body (trousers) is presented in figure # 29.

 

Где    и    - коэффициенты, зависящие от радиусов окружностей № 2 и № 3 и характеристик упругого заполнителя между жесткими колоколообразными элементами конструкции трусов (шлема).

Эти формулы позволяют отслеживать линейные смещения и повороты внутреннего жесткого колоколообразного элемента трусов экзоскелета.

Возможно, также вместо механических датчиков с шестерёнками использовать оптические датчики, аналогичные тем, которые отвечают за работу оптической компьютерной мыши – прижать их «дверно» (как было рассмотрено выше) к поверхности внутреннего жесткого колоколообразного элемента трусов экзоскелета – математика (формулы 17 и 18) при этом останется той же. Также можно аналогичным образом использовать оптические датчики и для определения поворотов внутреннего жесткого колоколообразного элемента головного шлема относительно внешнего жесткого элемента (в этом случае отпадает необходимость использовать «рельсы» и тележки, изображенные на фигурах №№ 24 и 25).

Таким образом, мы рассмотрели принципиальные решения по созданию всех важных элементов, необходимых для организации поддержки головного шлема и нижних конечностей (таза) экзоскелета, применяемого для управления дистанционным антропоморфным роботом.

Однако есть возможность отказаться от изготовления подшипника качения большого диаметра, который был изображён на фигурах № 18 и № 19. Но для этого придется модифицировать конструкцию внутреннего кольца механизма подвеса тела человека-оператора, описанного в патенте на изобретение № 2134193 ru.

Следует особо подчеркнуть, что вся математика, изложенная в патенте № 2134193 ru, описывающая работу глобального механизма подвеса всего тела человека-оператора, правильна и поэтому останется прежней. Изменения касаются только внутреннего кольца механизма подвеса, кольца, которое в механизме подвеса ближе всего расположенного к телу человека-оператора ещё раз сошлюсь на фигуру № 8, взятую из описания патента на изобретение № 2134193 ru.

Новая кинематическая схема внутреннего кольца механизма подвеса тела человека-оператора, позволяющая осуществить локальный силовой привод шлема виртуальной реальности, надеваемого на голову человека, и локальный силовой привод элементов экзоскелета, ответственных за нижнюю часть тела (брюки), представлена на фигуре № 29.

   

 

Drawing # 29.

   
   

The plane of the inner rigid ring No. 1 of the support mechanism should now be parallel to the vertical axis of the human operator, surrounding it from the top, below and on the sides. Axis-protrusions # 2 and # 3, with respect to which this inner rigid ring of the support mechanism rotates (and, accordingly, the common tiltings back and forth of the whole body of a human operator), are still located, as in patent # 2134193 ru, to the left and right of the body of human operator.

The hard "rear arc" # 4 have location behind the human operator perpendicular to the plane of the inner ring of the support mechanism (perpendicular to the human body). She originating on the axes of the inner ring of the suspension mechanism, see drawing # 30, which shows the axonometric view of the inner ring of the support mechanism, rear view.

 

Плоскость внутреннего жесткого кольца № 1 механизма подвеса теперь должна быть параллельна вертикальной оси человека-оператора, окружая его сверху снизу и по бокам. Оси-выступы № 2 и № 3, относительно которых происходит вращение этого внутреннего жесткого кольца механизма подвеса (и соответственно общие наклоны вперед-назад всего тела человека-оператора), расположены по-прежнему, как и в патенте № 2134193 ru, слева и справа от тела человека-оператора.

За спиной у человека-оператора перпендикулярно плоскости внутреннего кольца механизма подвеса (перпендикулярно телу человека) располагается жесткая «заспинная» дуга № 4, берущая начало на осях-выступах внутреннего кольца механизма подвеса, см. фигуру № 30, где показан аксонометрический вид внутреннего кольца механизма подвеса вид сзади.

   

 

Drawing # 30.

   
   

From the middle of the rear arc # 4 in the direction of the center of the entire system is the rod # 5, which rests on the satchel of the thoracic section of the exoskeleton control. Forced turns in space of all this rigid construction “axes-projections - inner ring of the support mechanism - rear arch - rod - satchel" allow to set the forced spatial orientation of the thorax of the exoskeleton - i.e. the overall spatial angular orientation of the body of the human operator, see drawing # 31 (top view) and number 32 (axonometric projection).

 

Из средины заспинной дуги № 4 по направлению к центру всей системы идет стержень № 5, который упирается в ранец грудного отдела экзоскелета управления. Принудительные повороты в пространстве всей этой жесткой конструкции «оси-выступы – внутреннее кольцо механизма подвеса – заспинная дуга – стержень – ранец» позволяют задавать принудительную пространственную ориентацию в пространстве грудного отдела экзоскелета – общую пространственную угловую ориентацию тела человека-оператора см. фигуры № 31 (вид сверху) и № 32 (аксонометрическая проекция).

   

 

Drawing # 31.

   
   

 

Drawing # 32.

   
   

The drawing # 32 shows: the inner ring of the support mechanism # 1, the rear arc # 4, the rod # 5, and the human operator. Also shown on drawing # 32 is the O-A-B manipulator, which sets the forward-backward inclination of the helmet (of the head of a human operator).

However, in order not to complicate the image, drawing # 32 (and the following drawings) does not show the elements that sets the parameter F - the head of the human operator left tilts to the right to the left and right shoulders, and also the element G that turns the head around the vertical axis of the head at angle G, see drawing # 17 - it is assumed that these elements are by default, but just on drawing # 32 and subsequent they are not shown.

The rotation of the lower limbs of a human operator (exoskeleton underpants ) around the vertical axis of the body human is carried out by means a rigid arc (let's call it "vertical arc"), made with the possibility of forced rotation on limited angles around the axes-protrusions G - G', located at the end of the arc, see drawing # 33.

 

На фигуре № 32 показаны: внутренне кольцо механизма подвеса № 1, заспинная дуга № 4, стержень № 5 и человек-оператор. Также на фигуре № 32 показан манипулятор O-A-B, задающий наклоны вперед-назад шлема (головы человека-оператора).

Однако, чтобы не усложнять изображение, на фигуре № 32 (и на последующих фигурах) не показаны элемент, задающий параметр F - наклоны головы человека-оператора налево – направо к левому и правому плечам, а также элемент G, поворачивающий голову вокруг вертикальной оси головы на угол G, смотри фигуру № 17 – предполагается, что эти элементы есть по умолчанию, просто на фигуре № 32 и последующих они не показаны.

Поворот нижних конечностей человека-оператора (брюк экзоскелета) вокруг вертикальной оси тела осуществляется жесткой дугой (назовем её «вертикальная дуга»), выполненной с возможностью принудительного вращения на ограниченные углы вокруг осей-выступов G - G’, имеющихся на конце дуги, см. фиг. № 33.

   

 

Drawing # 33.

   
   

These axes-protrusions of the vertical arc are inserted into the holes G-G’, which are located on the inner ring of the support mechanism above the head and below the legs of the human operator, see drawing # 32. Forced turns of a vertical arc around G-G´ axes-projections on angles of limited amplitude around the vertical axis of the body of a human operator allow for turning the lower part of a person’s body relative to its thorax. Also on the arc there is a rod on which the lower O'-A'-B'-F' manipulator is mounted, which is responsible for tilting the exoskeleton's underpants forward - backward, to the left - to the right, see drawings # 34 (side view) and # 35 (axonometric view).

 

Эти оси-выступы вертикальной дуги вставляются в отверстия G - G’, имеющиеся на внутреннем кольце механизма подвеса сверху над головой и снизу под ногами у человека оператора, см. фиг. № 32. Принудительные повороты вертикальной дуги вокруг осей-выступов G - G´ на ограниченные по амплитуде углы вокруг вертикальной оси тела человека-оператора позволяют осуществлять повороты нижней части туловища человека относительно его грудного отдела. Также на дуге имеется стержень, на котором крепится нижний манипулятор O’-A’-B’-F’, ответственный за наклоны трусов экзоскелета вперёд - назад, налево - направо, см. фигуры № 34 (вид сбоку) и № 35 (аксонометрический вид).

   

 

Drawing # 34.

   
   
 
 

This picture is a link for downloading a drawing file made in AutoCAD, if anyone has a program, they can familiarize themselves with this 3D drawing - twist it in space and look in different projections.

Этот рисунок является ссылкой для скачивания файла-чертежа, выполненного в программе AutoCAD, - все желающие при наличии программы могут подробно ознакомиться с этим 3D чертежом – покрутить его в пространстве и посмотреть в разных проекциях.

 
 

Drawing # 35.

   
   

Thus, a variant of the support mechanism was considered here, in which the angular orientations of the head and pelvis of the human operator relative to the thorax are set using manipulators, and thanks to the vertical arc. So we can to avoid using a large-diameter bearing.

 

Probably, it is this type of support of the head and pelvis of the body of a human operator that will be most widely used due to the simplicity of the device.

However, the manipulators discussed above have a serious drawback - there is a danger of their malfunctioning, see drawing # 36.

 

Таким образом, здесь был рассмотрен вариант механизма подвеса, в котором угловые ориентации головы и таза человека-оператора относительно грудного отдела задаются с помощью манипуляторов, а благодаря вертикальной дуге удаётся избежать использование подшипника большого диаметра.

Вероятно, именно такой тип подвеса головы и таза тела человека-оператора найдет наиболее широкое применение в силу простоты устройства.

Однако, манипуляторы, рассмотренные выше, имеют серьёзный недостаток – существует опасность их неправильного срабатывания, смотрите фигуру № 36.

   

 

Drawing # 36.

   
   

Where I show a possible failure in the mode of operation of the manipulator, responsible for imparting the necessary spatial orientation of the helmet - the separation of the head of the human operator.

Of course, to prevent such fatal consequences, a number of measures can be taken, for example, to limit the power characteristics of the manipulator to such an extent that it cannot cause serious injury. However, the power limitation may adversely affect the dynamic characteristics of the robot control system. We also can apply multiple duplication in the calculation of angles and in control signals, duplication of sensors angles rotation, etc. (For example, each angle measurement sensor may contain three independent, parallel, conventional angle measurement sensors — simultaneously display three readings. And if all three readings match, then this “triple sensor” works fine. However, if the readings of the triple sensor are differ, then it will be a signal to the technical staff that the sensor needs to be replaced urgently. In general, it is advisable to use such the triple sensors of angle measurement in all joints of the control exoskeleton that is in contact with the body of human operator.) But in any case, albeit with a low probability, the harm with the use of manipulators remains, because in such a design it is difficult to foresee purely mechanical limitations of the amplitudes of the angles of rotation of the joints of the manipulator.

 

Therefore, we will consider other technical possibilities for imparting the necessary angular orientation relative to the thorax for the helmet and lower limbs (trousers) of the exoskeleton used to control a remote anthropomorphic robot avatar.

To begin, I must point out that the support mechanism, which I described in patent number 2134193 ru, is essentially a modified cardan suspension (my support mechanism is certainly more complicated than the classical cardan suspension described in 1550 by Italian engineer D. Cardano, but this not less, it is a gimbal gimbal, as in the plural it uses ring-frames with axes-projections located perpendicularly). We are now interested only in the internal frame-ring of the my support mechanism described in patent number 2134193 ru - it sets the global orientation of the whole body of a human operator. It is with respect to this frame-ring and the thorax of the human operator rigidly fixed in it that it will be necessary to tilt and turn the head and the pelvis (the lower limbs of the person). We will proceed as follows: we will place smaller local cardan suspensions , responsible for the movements of the head and pelvis of the human operator relative to the thorax, inside the this small ring of the global support mechanism.

 

Drawing 37 is a general front view of such an inner ring of the global support mechanism.

 

Где показан возможный сбой в режиме работы манипулятора, ответственного за придания необходимой пространственной ориентации шлема – отрыв головы человека-оператора.

Конечно, для предотвращения столь фатальных последствий можно принять ряд мер, например, ограничить силовые характеристики манипулятора до такой степени, что он не сможет нанести серьезную травму. Однако, ограничение мощности может негативно сказаться на динамических характеристиках системы управления роботом. Можно применить многократное дублирование в расчетах углов и в управляющих сигналах и т.д. (Например, каждый датчик измерения углов  может содержать в себе по три независимых, параллельных, обычных датчиков измерения углов - одновременно выдавать три показания. И если все три показания совпадают, то такой “тройной датчик” работает нормально. Однако если  показания тройного датчика станут отличаться, то это для технического персонала будет сигналом о том,  что датчик необходимо срочно заменить. Вообще такие тройные датчики измерения углов желательно применять во всех суставах управляющего экзоскелета, контактирующего с телом человека-оператора.) Но в любом случае, пусть и с малой вероятностью, нанесение вреда при использовании манипуляторов остается, т.к. в такой конструкции сложно предусмотреть чисто механические ограничения амплитуд углов поворотов суставов манипулятора.

Поэтому рассмотрим другие технические возможности придания необходимой угловой ориентации относительно грудного отдела для шлема и нижних конечностей (брюк) экзоскелета, применяемого для управления дистанционным антропоморфным роботом.

Для начала я должен указать, что механизм подвеса, описанный мной в патенте № 2134193 ru, по сути дела является модифицированным кардановым подвесом (этот подвес, безусловно, сложней классического карданового подвеса, описанного в 1550 году итальянским инженером Д. Кардано, но это, тем не менее, карданов подвес, т.к. в нём во множественном числе используются кольца-рамки с осями-выступами расположенными перпендикулярно). Нас сейчас интересует только внутренняя рамка-кольцо механизма подвеса, описанного в патенте № 2134193 ru – она задает глобальную ориентацию всего тела человека-оператора. Именно относительно этой рамки-кольца и жестко закрепленного в ней грудного отдела человека-оператора и будет необходимо наклонять и поворачивать голову и таз (нижние конечности человека). Мы поступим следующим образом: разместим внутри малого кольца механизма подвеса меньшие по размеру локальные кардановы подвесы, ответственные за движения головы и таза человека-оператора относительно грудного отдела.

Фигура № 37 - общий вид спереди такого внутреннего кольца механизма подвеса.

   

 

Drawing # 37.

   

Vertical arc number 6 this time passes in front of a human operator.

 

On drawings 38 and 39, axonometric projections of the ring of the support mechanism and the human operator placed inside it, are shown (other elements of the construction here are not considered yet).

 

Вертикальная дуга № 6 в этот раз проходит перед человеком-оператором.

На фигуре № 38 и 39 представлены аксонометрические проекции кольца механизма подвеса и человека-оператора, помещенного внутрь него, (другие элементы конструкции пока не рассматриваются).

   

 

Drawing # 38.

   
   

 

Drawing # 39.

   
   

In places where the ring # 1 of the suspension mechanism has axle-projections # 2 and # 3, rear arc # 4 starts at the back of the human operator, from which two radial rods # 5 and # 5' start towards the center of the suspension mechanism and abut against the backpack of the human operator. (Rods # 5 and # 5 'converge on the back of a human operator at an angle of about 1000. The use of two supporting rods and the angle between them are due to the fact that when using local cardan hangers, some of the details of these mechanism in the process of bending and turning the spine or bending neck of heads could intersect with a single rod perpendicular to the back. To prevent this from happening, two rods are used, the angle between which is approximately 1000, let me remind you that the rotation of the human pelvis relative to the thoracic region is within ± 450, so that at 1000 a small angle margin is obtained. It is also possible to use not straight rods, but some elements that are more complex in geometry, but I will not discuss this question here.) All these elements: the inner ring of the support mechanism, the arc, rigid rods and the thorax of the exoskeleton are a single rigid system, in such a way that a forced change in orientation in space of the inner ring of support mechanism # 1 inevitably causes the same changes in orientation in space and the thorax of the exoskeleton, i.e. change in the spatial orientation of the body of the human operator as a whole. Also on the inner surface of ring # 1 there are rigid elements D and D’ with corresponding holes D and D’ located along line of the base of the neck of the human operator.

 

Hard arc, see drawing # 40, have axes-projections D-D’, made with the possibility of forced rotation arc through the angle D around the axis D-D’, it is used for inclining the head of a human operator by angle D in the base of the neck. Also this arc have openings C-C'.

 

В местах, где у кольца № 1 механизма подвеса имеются оси-выступы № 2 и № 3, берёт начало дуга № 4, заходящая за спину человека-оператора, из которой в направлении к центру механизма подвеса берут начало два радиальных стержня № 5 и № 5’, упирающиеся в наспинный ранец человека-оператора. (Стержни № 5 и № 5’ сходятся на спине человека-оператора под углом примерно в 1000. Использование двух поддерживающих стержней и величина угла между ними обусловлены тем, что при использовании локальных кардановых подвесов некоторые детали этих подвесов в процессе сгибаний и поворотов спины или наклонов головы назад могли пересекаться с одиночным перпендикулярным спине стержнем. Чтобы этого не произошло, используется два стержня, угол межу которыми примерно 1000,– напомню, что поворот таза человека относительно грудного отдела находится в пределах ±450 так, что при 1000 получается небольшой запас по углу. Возможно также использовать не прямые стержни, а какие-то более сложные по геометрии элементы, но этот вопрос здесь я обсуждать не буду.) Все эти элементы: внутреннее кольцо механизма подвеса, дуга, жесткие стержни и грудной отдел экзоскелета представляют собой единую жесткую систему, таким образом, что принудительное изменение ориентации в пространстве внутреннего кольца механизма подвеса № 1 неизбежно вызывает такие же изменения ориентации в пространстве и грудного отдела экзоскелета, т.е. изменение пространственной ориентации тела человека-оператора в целом. Также на внутренней поверхности кольца № 1 имеются жесткие элементы D и D’ с соответствующими отверстиями D и D’, расположенными на уровне основания шеи человека-оператора.

Жесткая дуга, см. фиг. № 40, с осями-выступами D - D’ и отверстиями C – C’, выполненная с возможностью принудительного вращения на угол D вокруг оси D-D’, применяется для наклонов головы человека-оператора на угол D в основании шеи.

   

 

Drawing # 40.

   
   

This arc is inserted with its axes D, D ’protrusions into the holes D and D’ of the same name of the corresponding elements of the inner ring of the suspension mechanism. The distance from the protrusion axes D – D’ and the openings C – C’ is equal to the length of the neck of the human operator — from the base of the neck to the base of the skull. This distance D-C on the arc can be adjusted individually for each human operator (in this article with already big volume, the issues of adjusting the distances and rotation angles of details are not considered, but it is assumed that this possibility exists).

The next rigid element of the construction is “crossed arcs”, see drawing # 41, this element formed by an arc with axes-protrusions C-C’ and an arc perpendicular to it, ending with axis F.

 

Она вставляется своими осями выступами D, D’ в одноименные отверстия D и D’ соответствующих элементов внутреннего кольца механизма подвеса. Расстояние от осей-выступов D - D’ и отверстий C – C’ равно длине шеи человека-оператора - от основания шеи до основания черепа. Это расстояние D-C на дуге может регулироваться, индивидуально для каждого человека-оператора (в данной работе вопросы регулирования расстояний и углов поворотов деталей не рассматриваются, но предполагается, что такая возможность существует).

Следующий жесткий элемент конструкции «скрещенные дуги», см. фиг. № 41, образован дугой с осями-выступами C-C’ и перпендикулярной к ней дугой, оканчивающейся осью F.

   

 

Drawing # 41.

   
   

The geometric axes C-C’ and F intersect at the base of the skull of a human operator. To demonstrate this, figure 42 is shown.

 

Геометрические оси C-C’ и F пересекаются в основания черепа человека-оператора. Для демонстрации этого приводится фигура № 42,

   

 

Drawing # 42.

   
   

where a helmet is shown, worn on the head of a human operator, together with crossed arcs. Forced rotation of crossed arcs around the axes of the protrusions C-C' at an angle C will set head of the human operator at the base of the skull tilt on angle C, and the compulsory turns of the helmet around the F axis at angle F will tilt the helmet to the left or right shoulder - see drawings number 42, number 2, number 3 and number 4.

 

Bellow on drawing 43 already shows an axonometric rear view of the helmet, crossed arcs C-C’-F and arc D-D’.>

 

где изображен шлем, надеваемый на голову человека-оператора, совместно со скрещенными дугами. Принудительный поворот скрещенных дуг вокруг осей выступов C – C’ на угол C будет задавать наклон вперед – назад головы человека-оператора в основании черепа на угол C, а принудительные повороты шлема вокруг оси F на угол F будут наклонять шлем (голову человека-оператора) к левому или правому плечу – смотрите фигуры № 42, № 2, № 3 и № 4.

На фигуре № 43 представлен аксонометрический вид сзади на шлем, скрещенные дуги C-C’- F и дугу D-D’.

   

 

Drawing # 43.

   
   

After by means of the mechanisms examined here the helmet (the head of the human operator) is properly tilted relative to the thorax on the D, C and F angles, we already can easy to turn the helmet (and the human operator’s head) on the angle G , see drawing 5. However, the rotation of the head through the angle G is easily realized, see drawing # 17, therefore, as mentioned above, in order not to clutter the images, here the drawings do not show the structural elements responsible for turning the head of a human operator to the left - right around the vertical axis of the head.

 

Consider the question of the angular orientation of the lower part of the body of a human operator relative to the thoracic.

First of all, the lower body is rotated by forcibly rotating the vertical arc G-G ’at a limited angle G around the axis G-G’, however now the vertical arc # 6, unlike the simple support mechanism with manipulators, see drawings # 29, 34, 35, is in front of a human operator, see drawing # 44.

 

После того, как шлем (голова человека-оператора) будет должным образом наклонен относительно грудного отдела посредством рассмотренных здесь механизмов на углы D, C и F несложно повернуть шлем (и голову человека-оператора) на угол G, см. фиг. № 5. Однако, поворот головы на угол G легко осуществляется, см. фиг. № 17, поэтому, как было указано выше, чтобы не загромождать изображения, здесь на фигурах не показаны конструктивные элементы, ответственные за повороты головы человека-оператора налево – направо вокруг вертикальной оси головы.

Рассмотрим задание угловой ориентации нижнего отдела тела человека-оператора относительно грудного отдела.

Прежде всего, задается поворот нижней части тела путем принудительного поворота вертикальной дуги G-G’, на ограниченный угол G вокруг оси G-G’, при этом вертикальная дуга № 6 теперь, в отличие от простого механизма подвеса с манипуляторами, см. фиг. №№ 29, 34, 35, находится перед лицом человека-оператора, см. фиг. № 44.

   

 

Drawing # 44.

   
   

Such a front arrangement of the vertical arc is chosen to make room for the human operator for the operation of other mechanisms behind the back of human.

On drawing # 44, it can be seen that the arc of a smaller radius of curvature D – G’ – D’ is rigidly fastened with a vertical arc. Drawings of the vertical arc in different angles are presented in the figures: # 45 (front view), 46 (side view), 47 (axonometric projection), 48 and 49 (axonometric projections of the relative position of the vertical arc and the body of a human operator from different angles).

 

Такое переднее расположение вертикальной дуги выбрано, чтобы освободить место за спиной человека-оператора для работы других механизмов.

На фигуре № 44 видно, что с вертикальной дугой жестко скреплена дуга меньшего радиуса кривизны D–G’–D’. Изображения вертикальной дуги в разных ракурсах представлены на фигурах: № 45 (вид спереди), 46 (вид сбоку), 47 (аксонометрическая проекция), 48 и 49 (аксонометрические проекции взаимного расположения вертикальной дуги и тела человека-оператора с разных ракурсов).

   

                                          

   

Drawing # 45.

 

Drawing # 46.

   

 

                                

   

Drawing # 47.

 

Drawing # 48.

   
   

 

Drawing # 49.

   
   

The drawing # 50 shows an axonometric image of the relative position of the inner ring of the support mechanism # 1, the human operator and the vertical arc — the vertical arc # 6 by means own axes-projections G’ and G is inserted into the holes G’ and G of the inner ring of the support mechanism.

 

На фигуре № 50 показано аксонометрическое изображение взаимного расположения внутреннего кольца механизма подвеса № 1, человека-оператора и вертикальной дуги – вертикальная дуга № 6 своими осями-выступами G’ и G вставлена в отверстия G’ и G внутреннего кольца механизма подвеса.

   

 

Drawing # 50.

   
   

Next in the device uses a rigid arc D’-C’-C-D, see a drawing # 51

 

Далее в устройстве используют жесткую дугу D’-C’-C-D, см. фиг. № 51.

   

 

Drawing # 51.

   
   

She is inserted by the axes-projections D’ and D into the holes D’ and D on the vertical arc # 6, see drawing # 52.

 

Её вставляют осями-выступами D’ и D в отверстия D’ и D на вертикальной дуге № 6, см. фиг. № 52.

   

 

Drawing # 52.

   
   

Forced turns of the D’-C’-C-D arc around the D’-D protrusion axes at angle D relative to the vertical arc # 6 set the tilting "to front-back" of the lower section of the human body in the belt, just below the thorax.

 

Holes C and C’ in the D’-C’-C-D arc are selected individually for each human operator, so that the distance D-C is equal to the distance between the waist section and the pelvis of the human operator.

 

Then in the device uses a detail, which consisting of two arcs, rigidly fastened in such a way that they create in space an intersection of the geometric axes C-C' and F', see drawings # 53 (front view), # 54 (side view), # 55 (axonometric image).

 

Принудительные повороты дуги D’-C’-C-D вокруг осей-выступов D’-D на угол D относительно вертикальной дуги № 6 задают наклон вперед-назад нижней части тела человека-оператора в районе пояса, чуть ниже грудного отдела.

Отверстия C и C’ в дуге D’-C’-C-D подбирают индивидуально для каждого человека-оператора, таким образом, что расстояние D-C равно расстоянию между поясным отделом и тазом человека-оператора.

Затем в устройстве используют деталь, состоящую из двух дуг, жестко скрепленных таким образом, что они создают в пространстве пересечение геометрических осей C-C' и F’, см. фигуры № 53 (вид спереди), № 54 (вид сбоку), № 55 (аксонометрическое изображение).

   

 

Drawing # 53.

   
   

 

   

Drawing # 54.

 

Drawing # 55.

   
   

The forcing turn of this detail on an angle C around the protrusion axes C’-C relative to the arc D’-C’-C-D in the holes C’-C sets tilt "to front-back" the exoskeleton pants (of the human operator’s pelvis) at an angle C.

 

The forced rotation of the exoskeleton pant by the angle F around the rod-axis F ’, see drawing # 56, sets the pant slopes (pelvic area of the human operator) to the left - to the right, see drawing # 7, at an angle F relative to the thoracic region.

 

Принудительный поворот этой детали на угол С вокруг осей-выступов C’-C относительно дуги D’-C’-C-D в отверстиях C’-C задает наклон вперед-назад трусов (таза человека-оператора) на угол C.

Принудительный поворот трусов экзоскелета на угол F вокруг стержня-оси F’, см. фиг. № 56, задает наклоны трусов (тазовой области человека-оператора) налево - направо, см. фиг. № 7, на угол F относительно грудного отдела.

   

 

Drawing # 56.

   
   

Different angles of such an inner ring of the support mechanism with a insert cardan drives are presented on drawing # 57 (side view), # 58 (axonometric front view) and # 59 (axonometric rear view).

 

Разные ракурсы такого внутреннего кольца механизма подвеса с кардной передачей представлены на фигурах № 57 (вид сбоку), № 58 (аксонометрический вид спереди) и № 59 (аксонометрический вид сзади).

   

 

Drawing # 57.

   
   

 

Drawing # 58.

   
 
 

This picture is a link for downloading a drawing file made in AutoCAD, if anyone has a program, they can familiarize themselves with this 3D drawing - twist it in space and look in different projections.

Этот рисунок является ссылкой для скачивания файла-чертежа, выполненного в программе AutoCAD, - все желающие при наличии программы могут подробно ознакомиться с этим 3D чертежом – покрутить его в пространстве и посмотреть в разных проекциях.

 
 

Drawing # 59.

   
   

The inner ring of the support mechanism, which has just been described, with the gimbal drives for transmitting forces to the helmet and lower limbs of the exoskeleton embedded in it, allows to limit the amplitudes of the angles of the details by means of mechanical stops (screwed bolts), - mechanical adjusting the device operation individually for each human operator (in the process of putting on equipment), making such a suspension mechanism safer compared to a support mechanism that uses manipulators, see drawings # 36 and # 35.

 

Thus, we considered all the details of the inner ring of the support mechanism, allowing to set the spatial orientation of the head and lower extremities of the human operator relative to the thorax, in accordance with the kinematics diagrams of an anthropomorphic robot, which discussed on drawings # 3 and # 6.

 

The question arises: is it possible to create a greater number of degrees of mobility with the help of force transmission through the al devices on the helmet and pelvis, as was the case when discussing drawing # 16 (addet degrees mobility shown by dotted lines)?

Yes, perhaps - the author of this application for an invention conducted a study of this issue. But the design of the inner ring with the cardan divices for transfer of force to the head and pelvis in this case acquires a very complex structure - a kind of “prison lattice” is obtained, which makes it difficult for a human operator access his workplace, especially considering that there will be yet the five external rings around inner ring of the support mechanism. Equipment manufacturers are unlikely to agree on the manufacture of such a device. Moreover, it only makes sense if the design of a remote-controlled robot is complicated by the addition of two joints. However, for purely illustrative purposes, I cite here several figures of such an intricate (with a large number of degrees of freedom) inner ring of the support mechanism, with gimbal transmission of forces on the head and lower limbs, but without a detailed description of the work of the device, see drawings # 60 (front view), 61 (side view), 62 (axonometric view of front view), 63 (axonometric view of rear view).

 

Описанное только что внутренне кольцо механизма подвеса с встроенными в него кардановыми подвесами передачи усилий на шлем и нижние конечности экзоскелета позволяет ограничить амплитуды углов деталей посредством механических ограничителей (вкрученных болтов), настраивая работу устройства индивидуально для каждого человека-оператора (в процессе надевания аппаратуры), что делает такой механизм подвеса более безопасным по сравнению с механизмом подвеса, в котором используются манипуляторы, см. фиг. № 36 и № 35.

Таким образом, мы рассмотрели все детали внутреннего кольца механизма подвеса, позволяющие задавать пространственную ориентацию головы и нижних конечностей человека-оператора относительно грудного отдела, в соответствии с кинематическими схемами антропоморфного робота, рассмотренными на фигурах № 3 и № 6.

Возникает вопрос: возможно ли с помощью передачи усилий через карданов подвес на шлем и таз создать большее количество степеней подвижности, как это было при обсуждении фигуры № 16 (показано пунктирными линиями)?

Да, возможно, - автор данной заявки на изобретение провел исследование этого вопроса. Но конструкция внутреннего кольца с кардановыми подвесами передачи усилий на голову и таз в этом случае приобретает очень сложную структуру - получается своеобразная «тюремная решетка», затрудняющая доступ человеку-оператору на его рабочее место, особенно если учитывать, что вокруг будут ещё пять колец, окружающих внутренне кольцо механизма подвеса. Производители оборудования едва ли согласятся на изготовление подобного устройства. Тем более что это имеет смысл только в том случае, если и конструкция дистанционно управляемого робота будет усложнена, добавлением двух суставов. Однако в чисто иллюстративных целях я привожу здесь несколько фигур такого усложненного (с большим числом степеней свободы) внутреннего кольца механизма подвеса с кардановой передачей усилий на голову и нижние конечности, но без подробного описания работы устройства, см. фигуры № 60 (вид спереди), 61 (вид сбоку), 62 (аксонометрия – вид спереди), 63 (аксонометрия – вид сзади).

   

 

Drawing # 60.

   
   

 

Drawing # 61.

   
   

 

Drawing # 62.

   
 
 

This picture is a link for downloading a drawing file made in AutoCAD, if anyone has a program, they can familiarize themselves with this 3D drawing - twist it in space and look in different projections.

Этот рисунок является ссылкой для скачивания файла-чертежа, выполненного в программе AutoCAD, - все желающие при наличии программы могут подробно ознакомиться с этим 3D чертежом – покрутить его в пространстве и посмотреть в разных проекциях.

 
 

Drawing # 63.

   
   

In such a complicated cardan mechanism, frames with a deformed plane are used - the geometric axes of rotation intersect at right angles in them, but to avoid collisions with rods that suspend the thorax of the human operator, the planes of the frames had to be sorted into different levels - therefore I use deform frames, see drawing # 64.

 

В таком усложнённом кардановом механизме используются рамки с деформированной плоскостью – в них геометрические оси вращения пересекаются под прямым углом, но чтобы избежать столкновений со стержнями, подвешивающими грудной отдел человека-оператора, плоскости рамок пришлось разнести на разные уровни – деформировать, см. фиг. № 64.

   

 

Drawing # 64.

   
   

Also in the complicated cardan mechanism, crossed arcs are used, used to separate the axes of rotation at different heights, see drawing # 65.

 

Так же в усложненном кардановом механизме используются скрещенные дуги, применяемые для разделения осей вращения на разные высоты, см. фиг. № 65.

   

 

Drawing # 65.

   
   

In conclusion, it remains to add that the method of placement of sensitive elements inside the control exoskeleton, considered here, along with other measures, is indispensable for ensuring quality control of remote copying robots.

To be continued...

 

 

 

 

 

В заключение остаётся добавить, что рассмотренный здесь способ размещения чувствительных элементов внутри управляющего экзоскелета, наряду с другими мерами обязателен для обеспечения качественного управления дистанционными копирующими роботами.

Продолжение следует...




   
Other my Web sites  Другие мои Web сайты 
   

The promised continuation:

 

Обещанное продолжение:

 

The method of Streltsov's for management in a copying regime by a extremities of the anthropomorphous robot avatar.

 

 

Способ Стрельцова управления в копирующем режиме конечностями антропоморфного робота-аватара.

 

 The Web page is written on materials of the application for the invention.                         Web страница написана по материалам заявки на изобретение. ©  

Version of 18 May 2019


  

Изобретение относится к робототехнике и может найти применение в промышленности, при ликвидации катастроф, в подводных работах, в космической индустрии, в военном деле и т.д.

Технический результат: улучшение качества управления конечностями антропоморфных роботов-аватаров.

Постановка проблемы: многочисленные презентации существующих антропоморфных роботов-аватаров, управляемых дистанционно в копирующем режиме, демонстрируют плохую точность движения конечностей роботов. В качестве примера моих слов можно посмотреть соответствующий видеоролик про робота ФЕДОРа:

   

   
  

Естественно, что при таком плохом управлении руками робота не приходится говорить об интуитивном управлении манипуляторами вслепую - на пробных тренировках сотрудники Роскосмоса смогли выполнить элементарную операцию - закрепить карабин страховочного фала ВСЕГО ЛИШЬ“ за 12 минут:

   

   
  

Понятно, что мериться с подобной рукожопостью, т.е. робастностью нельзя.
Вероятно, поэтому в Севастопольском университете были заказаны новые продвинутые руки для ФЕДОРа (хотя перед этим заявляли, что ФЕДОР метко стреляет из пистолетов и даже делает уколы):

   

   
  

Странно, что российские специалисты не могут справиться с этой проблемой, ведь над этой задачей работали уже много лет назад - вот статья о манипуляторах из журнала "Наука и жизнь" за 1973 год:

   

   
  

Но, как бы там ни было, если проблема есть, то её надо решать.

   
  

Поэтому данное изобретение и направлено на устранение проблем управления в копирующем режиме конечностями антропоморфных роботов-аватаров.

  

В заявке на изобретение будет рассмотрены разные узлы антропоморфных роботов и управляющего костюма, а также приведено описание целевой функции алгоритма управления конечностями. Начнём с бедренных суставов.

  

Договоримся далее для жестких элементом управляющего экзоскелета использовать терминологию, применяющуюся для названия жестких деталей пластинчатых рыцарских доспехов, см. фиг. № 10'.

   
  

Перед нами стоит задача придать нужную пространственную (угловую) ориентацию набедренника управляющего костюма (экзоскелета) относительно трусов (относительно таза человека-оператора, управляющего роботом-аватаром).

Для силовых экзоскелетов данная проблема обычно решается таким образом, что силовой привод, ответственный за махи ногами вперед – назад, см. фиг. № 66:

   

   

Drawing # 66.

   
   
  

размещается в экзоскелете по бокам от человека, на линии, проходящей через бедренные суставы, см. фиг. № 67, где показан экспериментальный силовой экзоскелет американской фирмы ”Sarcos“ (вид спереди и сзади):

   

   

Drawing # 67.

   
  

Однако для дистанционного управления антропоморфным роботом-аватаром такая схема размещения суставов, ответственных за махи ногами, не очень подходит. Т.к. это делает излишне «широкие бедра» в системе человек-оператор - робот  – если робот будет худосочным, то человек-оператор не сможет залезть в набедренный карман (в верхние карманы брюк робота), т.к. суставы, размещающиеся в экзоскелете по бокам бедер, не позволят человеку-оператору поместить свою руку (и соответственно манипулятор робота) в область пространства расположения верхних карманов брюк. Т.е. боковое положение суставов, ответственных за махи ногами вперед-назад, сужает рабочее пространство, которое в основном располагается СПЕРЕДИ И ПО БОКАМ от человека-оператора, ну, и соответственно, спереди и по бокам от робота.

Кроме того, боковое расположение суставов уменьшает область раздвижения в стороны ног человека-оператора. Средний показатель раздвижения ног у обычного человека 40-450, см. фиг. № 68:

   

   

Drawing # 68.

   
  

Однако,  некоторые люди (гимнасты или, например, балерина Волочкова) демонстрируют больший угол раздвижения ног, см. фиг. № 69:

   

   

Drawing # 69.

   
  

Поэтому, размещение силовых приводов по бокам будет мешать раздвижению ног робота.

(При использовании, например, в бедренных суставах боковых креплений силовых приводов, нам не удалось бы сделать такой шпагат, который демонстрирует Волочкова на фиг. № 69, т.к. боковые силовые приводы бедренных суставов неизбежно вонзились бы очень глубоко с боков в тело человека-оператора.)

 

  

Наша задача состоит в том, чтобы обеспечить в системе „управляющий костюм – антропоморфный робот-аватар” максимальную подвижность всех суставов, в том числе и ног. И максимального освобождения рабочего пространства спереди и по бокам человека-оператора. Поэтому используем другие способы задания угловой ориентации ног относительно трусов экзоскелета без использования в бедренных суставах бокового крепления силовых приводов.

Смоделируем работу бедренного сустава в управляющем экзоскелете (движение набедренника относительно жестких трусов экзоскелета) с помощью трех осей вращения (разумеется, аналогичную кинематическую схему осей разумно использовать и в конструкции дистанционно управляемого  антропоморфного робота). Оси вращения, ответственные за разведение ног в стороны (см. фиг. № 68), расположим со стороны спины человека-оператора на ягодицах, см. фиг. № 70.

   

   

Drawing # 70.

 
  

Где в левой части фигуры № 70 изображен человек, вид со спины. Зелёные кружки на ягодицах, указывают расположение осей вращения, ответственных за разведение ног в стороны.
В правой части этой фигуры № 70 изображен человек в профиль с жестким набедренником на левой ноге - это полый жесткий цилиндр, в который продета нога человека. На уровне ягодицы человека от набедренника в правую сторону (за спину человека) отходит ось вращения, повороты вокруг которой задаёт отведение в сторону жесткого набедренника и помещенной в него ноги человека-оператора, см. фигуры: № 10', № 68  и № 71.

   

 

Drawing # 71.

 
  

Маховое движение ноги в бедренном суставе на угол α относительно оси X, как показано на фиг. № 66, задается с помощью трехзвенного манипулятора, крепящегося к жестким трусам экзоскелета за спиной у человека-оператора, см. фиг. №. 72.

   

   
 

Drawing # 72.

 
  

В дальнейшем этот манипулятор будем называть «Бедренный манипулятор».
Подвижный конец
ε бедренного манипулятора, удерживает набедренник ноги за раздвигающую ось. При этом в процессе работы подвижный конец манипулятора описывает в пространстве дугу, центром которой является бедренный сустав человека точка „O”, см. фиг. № 72.
Точка O' бедренного манипулятора крепится к жестким трусам экзоскелета. (Конструкция жестких трусов манипулятора ранее  рассмотрена в другой  моей заявке на изобретение - описание этой технологии было представлено на этом сайте выше.)

Аксонометрическое изображение условной кинематической схемы бедренного манипулятора показано на фигуре № 73  – нога человека продевается в полый жесткий цилиндр – набедренник вдоль оси  Z.

   

   

Drawing # 73.

   
  

Далее приводятся несколько кинематических схем   манипулятора – фигуры №№ 74 - 78, показывающие взаимные угловые ориентации стержней, составляющих манипулятор, при разных значениях угла α.  Для упрощения математических выкладок мы пока не будем принимать во внимание  коленный сустав (считаем, что нога человека выпрямлена и „загипсована” в колене – движется только бедренный сустав). Однако для наглядного отображения пространственного положения стопы выпрямленной ноги относительно бедренного сустава на фигурах используется ботинок.

 

 

              

   

Drawing # 74.                                                                                      Drawing # 75.

   
   

       

   

Drawing # 76.                                                                                      Drawing # 77.

   
   

   

Drawing # 78.

   
  

Фигура № 74 показывает момент максимального задирания ноги вверх (максимальный мах «вперед» ногой). Для человека такая ситуация характеризуется левым изображением на фигуре № 66.

Фигура № 75 показывает момент максимального отведения бедра (ноги) назад за спину. Для человека такая ситуация характеризуется правым изображением на фигуре № 66.

 На фигуре № 76 вертикальное положение ноги (сравните с фигурой № 72).  

Для дальнейших геометрических построений будем измерять длины всех элементов бедренного манипулятора (длины всех стержней и пр.) в единицах «радиуса ягодицы»  .
 

Далее я сделаю несколько предположений по длине и функциям изменения углов в манипуляторе (данные построения используются мной только для примера, демонстрирующего возможность осуществления заявленных здесь идей, другие специалисты могут предложить иные параметры манипуляторов).
 

На фигуре № 77 показано направление отсчёта углов между стержнями в бедренном  манипуляторе.

Для вычисления длины стержня   перечертим фигуру № 74, где я показал момент максимального задирания ноги вверх, удалив из неё отвлекающие элементы, таким образом, мы получим фигуру № 78.

Пусть расстояние O-O’ межу осью поворота бедра O и основанием бедренного манипулятора O’ равно 1.5
·. При этом линия O-O’ задрана вверх на 300 по отношению к горизонтали. Длина вектора-стержня также равна 1.5·. Длина вектора-стержня  равна . Длина вектора-стержня  должна быть такой, чтобы обеспечивать при соответствующих углах поворота элементов бедренного манипулятора весь диапазон маха ноги, т.е. необходимо обеспечить для бедра выполнение условия: -600 < α <1200 - смотрите фигуры № 66, № 72 — № 77.

Итак, пусть нога при махе вперед задрана максимально вверх, тогда стержни бедренного манипулятора окажутся в конфигурации представленной на фигуре № 78. Пусть стержни-вектора ,  и   будут касательными к окружности ягодицы радиуса   (по возможности максимально прижаты к телу человека-оператора). Найдем величину угла
φ  между прямой  εO' и вектором , при которым вектор   будет касательным в точке касания Θ к окружности радиуса  с центом в точке O. Если нам будет известна величина угла φ, то мы с учётом всех известных нам других величин сможем найти координаты точки  γ по отношению ко всем другим точкам фигуры № 78. Для этого рассмотрим прямоугольный треугольник OΘO'  (угол Θ в точке касания окружности - прямой). Длина гипотенузы O-O’ равна 1.5·, длина катета равна 1·. Таким образом, угол  φ равен:

 

   

   
   
  

Примечание: здесь и далее в описании изобретения я использую в записи действительных чисел очень длинную последовательность десятичных знаков после запятой. Казалось бы, это излишне -  достаточно указать первые три знака после запятой, сделав округление. Однако в процессе составления демонстрационной верификационной программы на VB-6 выяснилась очень сильная чувствительность к количеству знаков после запятой – при уменьшении точности мне не удавалось получить правильные  формы графиков, ранее полученных в программе Excel. Поэтому я и применяю в описании заявки на изобретение «избыточную» точность.

  

Далее с помощью математических формул и геометрических построений можно найти длину вектора-стержня .
Можно показать, что на фигуре № 78 длина отрезка
Ωγ, перпендикулярного отрезку εO', равна:

   

   
  

Далее с учётом длин и параллельности отрезков Ωγ и получаем, что в нашем частном случае, показанном на фигуре № 78, вектор параллелен отрезку εO'.
Из этого с учётом значения в выражении № 19 получаем длину стержня манипулятора:

   

   
  

Теперь найдем из фигуры № 78 диапазоны изменения углов β, γ, δ, ε в зависимости от угла α (граничные условия).
Для условия, что
α = - 600 - минимум (нога задрана вверх).

Тогда угол
γ на фигуре № 78 равен:

   

   
  

Другие углы:

   

   
   
  

Рассмотрим противоположный случай, когда бедренный сустав максимально отводит ногу назад за спину α = 1200 - для этого необходимо воспользоваться фигурой № 75.

  

У нас есть треугольник εδγ со сторонами, длины которых известны. В этом случае для нахождения углов можно воспользоваться теоремой косинусов для треугольников.

Запишем:

   

   
  

Тогда угол γδε  вычисляется как арккосинус:

   

   
  

Тогда для фигуры № 75 с учётом направления и начал отсчётов углов:

   

   
  

Угол:

   

   
  

С помощью треугольника γεδ получаем угол:

   

   
  

И угол:

   

   
  

Запишем (в первом приближении) формулу для функции ε = ε(α) в виде линейной функции:

   

   
  

По граничным значениям углов можно прогнозировать предварительные формы графиков функций углов: β=β(α), γ=γ(α), δ=δ(α) - см. фиг. № 79.

   

   

Drawing # 79.

   
  

Теперь путем математических вычислений найдем более точные зависимости данных функции от угла-параметра α, таким образом, чтобы подвижный сустав бедренного манипулятора точно описывал вместе с набедренником дугу-окружность вокруг ягодицы человека-оператора (вокруг точки „О” - см. фигуры №№ 72 – 77).

Идея состоит в следующем:

Пусть угол
α выступает в качестве параметра.
Угол
ε получаем, как функцию, однозначно заданную от угла α, см. формулу № 20. (На данном этапе мы имеем некоторый произвол в выборе этой зависимости - вначале выбираем график в виде прямой линии, потом, после получения формул, можно будет «поиграть» этой функциональной зависимостью по своему усмотрению, таким образом, чтобы выполнялись граничные условия, и графики функций не имели горбов или впадин).

С учётом того, что все стержни и расстояния в бедренном манипуляторе имеют постоянное длину, мы, зная значение угла
α и функциональную зависимость от него угла ε = ε(α), можем найти с помощью матричных операций и другой математики координаты точки δ в системе координат X’,Y’,Z’. Тогда у нас получится треугольник O'γδ длина сторон, которого известна, см. фиг. № 80 (длину вектора O'δ вычисляем через компоненты в системе координат X’Y’Z’).

   

   

Drawing # 80.

   
  

Далее с помощью теоремы косинусов из треугольника O'γδ получаем значение угла γ, а также с учетом известных компонент (угла) вектора O'δ в системе координат X’,Y’,Z’ и значения угла δO'γ, полученного с помощью теоремы косинусов из треугольника O'γδ, вычисляем (как сумму) значение угла β.

Теперь, зная угол β, мы можем вычислить положение точки γ, её координаты в с.к. X’,Y’,Z’. Также нам в с.к. X’,Y’,Z’ известны координаты точки ε. Получаем треугольник εδγ, см. фиг. № 81,

 

   

   

Drawing # 81.

   
  из которого с помощью теоремы косинусов получаем значение угла δ.
   
  

Теперь подробней.

Координаты точки ε в системе координат XYZ задаются формулами:

   

   
   
  

Для нахождения координат точки δ в системе координат XYZ введём дополнительно две системы координат:  в точке ε и в точке O, совпадающей с началом отсчета системы координат XYZ, см. фиг. № 82:

   

   

Drawing # 82.

   
  Координаты точки δ в системе координат :
   

   
  Тогда координаты точки δ в системе координат :
   

   
  Матрица для перехода от системы координат к системе координат XYZ:
   

   
  получается из геометрических построений, приведенных на фиг. № 83:
   

   

Drawing # 83.

   
  

Для удобства нахождения матрицы мы воспользуемся следующим приёмом - будем считать, что система координат XYZ поворачивается вокруг системы координат на угол α. (В действительности, конечно, всё наоборот – это система координат вместе с векторами и поворачивается вокруг с.к. XYZ, однако мы можем использовать предложенный здесь приём, т.к. это более удобно для восприятия и на правильность дальнейших вычислений этот приём не влияет).

Таким образом, координаты точки δ в в системе координат XYZ равны матричному произведению:

   

   
  

Для преобразования координат точек при переходе из системы XYZ в систему координат X’Y’Z’ используем следующие формулы, получаемые из фиг. № 84:

   

   

Drawing # 84.

   
  Где «Икс» координата увеличивается на величину, равную:
   

   
  Таким образом:
   

   
  «Зет» координата уменьшается на величину, равную:
   

   
  Т.е.
   

   
  

С помощью выведенных формул в программе Excel проведено моделирование – построены графики функций см. фиг. № 85:

   

   

Drawing # 85.

   
  

Как видно линии всех графиков гладкие (нет резких изломов). Однако на двух графиках для углов γ и δ имеются экстремумы (вершина и впадина), где первые производные будут испытывать изменение знака. Это означает, что в процессе работы сустава во время маха ногой два стержня манипулятора будут совершать в пространстве циклические движения, т.е. в то время, когда нога совершает движение только в одном направлении, два стержня манипулятора вначале будут двигаться в одном направлении, а затем в другом направлении. Иначе говоря, будет наблюдаться смена направления движений стержней манипулятора в средине маха ногой. Однако такие циклоидные движения стержней манипулятора нежелательны, т.к. могут привести к замедлению движения ноги в средине её траектории.

Поэтому постараемся устранить этот нежелательный эффект. Для этого у нас есть возможность, о которой я писал выше, - немного «поиграть» с формой графика функции ε = ε(α). В процессе моделирования в программе Excel чисто эмпирически удалось определить, что для этого из первоначально линейной функциональной зависимости для угла ε = ε(α) (см. формулу № 20) необходимо вычесть функцию:

   

   
  

После введения данной поправки приращения всех графиков уже не будут менять знак (первые производные графиков функций не будут равны нулю ни в одной течке - нет перегибов), см. фиг. № 86:

   

   

Drawing # 86.

   
  Окончательные формулы для вычисления углов:
   

   
   

   
   
  

где:

   

   
   

   
   

   
   
  

Где:

- квадрат расстояния между точками ε и γ (суставами манипулятора), см. фиг. № 81.

Координаты точки γ в с.к. X’,Y’,Z’:

   

   
   
  

Тогда:

   

   
  

Таким образом, были получены в аналитическом виде все функции углов β, γ, δ, ε, как функции от угла α. Проделанные вычисления верифицированы путем компьютерного моделирования – была составлена соответствующая программа в VB-6, демонстрирующая повороты набедренника бедренным манипулятором в зависимости от значений углов β, γ, δ, ε, как функций от угла α:

   

   
  

Следует учитывать, что у человека бедренный сустав является шаровым, см. фигуру № 87:

   

   

Drawing # 87.

   
  

В силу такой анатомии бедренный сустав человека кроме махов вперед-назад и отведения в сторону позволяет поворачивать ногу (колено, голень и стопу) вокруг оси бедра см. фиг. № 88:

   

   

Drawing # 88.

   
  

В человеческом скелете такие движения, как показано на фигуре № 88, реализуются именно вращениями бедренной кости в шаровом суставе относительно таза.

Однако в нашем случае, в управляющем экзоскелете и в антропоморфном роботе, такие движения придётся организовать иначе: вращениями бедренного отдела ноги вокруг своей оси (т.е. вращение в управляющем экзоскелете и ноге робота будут происходить не в бедренном суставе таза, а немного ниже, вокруг оси набедренника и вокруг «кости» бедра робота). Для этого поместим в цилиндрическую гильзу набедренника экзоскелета цилиндр меньшего диаметра, который будет поворачиваться вместе с коленным суставом, голенью и стопой человека-оператора, см. фиг. № 89, где представлена принципиальная схема, набор, оборудования, надеваемого на бедро человека в управляющем экзоскелете (в данном случае на левую ногу человека):

   

   

Drawing # 89.

   
  

Номером 1 на фигуре № 89 обозначен – ранее рассмотренный цилиндрический набедренник, приводимый в движение бедренным манипулятором. Этот набедренник обеспечивает угловую ориентацию ноги в бедренном суставе (махи вперед-назад ногой и отведение её в стороны). № 2 – внутренняя металлическая цилиндрическая деталь, соосная набедреннику, обеспечивающая повороты вокруг оси бедра – те движения, которые представлены на фигуре № 88. Для обеспечения взаимных осевых вращения между деталями № 1 и № 2 имеются подшипники (на приведенной фигуре подшипники качения обозначены маленькими кружками без цифрового указания – на данной фигуре и так уже очень много деталей и цифр и добавлять еще цифры не желательно, просто при просмотре данного изображения надо иметь ввиду, что маленькими кружками обозначены шарики подшипников качения). Номером 3 обозначен силовой привод позволяющий поворачивать друг относительно друга вложенные соосные цилиндры № 1 и № 2.
Далее, для определения величины силовых воздействий оказываемых человеком для вращения вокруг оси бедренной кости используется ещё один вложенный металлический цилиндр № 4, он может вращаться на небольшие углы относительно детали № 2 опять же с помощью подшипников качения – между ними показаны шарики подшипников.
Упругий заполнитель № 5 (на фигуре условно обозначен пружинкам) расположен между соосными деталями № 2 и № 4. Датчики № 6 угловых поворотов измеряют небольшие взаимные повороты соосных цилиндрических деталей № 2 и № 4, что позволяет определять величину вращательного силового воздействия (момента сил) и его направление.
Затем идёт пневматический раздувающийся объем № 7, осуществляющий упругую фиксацию ноги человека-оператора в набедреннике. Волокнистый слой № 8 отвечает за потоотделение и терморегуляцию. Номерами 9 обозначены петли, выступающие из детали № 4, вокруг которых будет происходить сгибание коленного сустава. Номером 10 обозначена ось сгиба колена. Силовой привод № 11 позволяет сгибать человеку-оператору ногу в колене, а также получать человеком тактильные ощущения от воздействий, оказываемых на голень робота.

 

  

Примечания:

   
  
  1. Предполагается, что аналогичная схема (набор деталей) может использоваться в наплечнике управляющего костюма.

  2. На фигуре № 89 механизмы, окружающие бедро, кажутся очень громоздкими по сравнению с самим бедром. Здесь необходимо учитывать, что фигура № 89 используется для демонстрации принципа работы и пропорции используемых элементов искажены – элементы, которые важны, изображены больших размеров, менее важные (бедро) сделаны меньше. В реальной конструкции, конечно, будет необходимо добиваться, что бы механизмы, навешанные на бедро и другие конечности, были по возможности миниатюрными и не бугрились бы на ноге стальными мышцами. В частности: силовые приводы № 3 и № 11 на фигуре № 89 изображены по разные стороны от бедра ноги. Это сделано только для удобства рассмотрения принципа работы оборудования. В реальной же конструкции управляющего экзоскелета эти силовые приводы будут располагаться с одной стороны ноги – на внешней поверхности бедра, благодаря чему железные штаны экзоскелета между ногами и сзади будут иметь меньшую толщину см. фиг. № 90. Где изображены набедренники на обеих ногах человека-оператора, применяющиеся на фигуре цифры, такие же, как у соответствующих деталей на фигуре № 89.

   

   

Drawing # 90.

   
  
  1. Датчики, используемые в работе набедренника и других устройств данной заявки на изобретение не бистабильные (не работают только в режиме «включено – выключено»), а пропорциональные.  Я заостряю здесь на этом внимание, только потому, что после публикации в Интернете материалов предыдущей заявки на изобретение  из-за непонимания мне сделали замечание по этому поводу. На самом деле  пропорциональность датчиков очевидна - это «опция по умолчанию», я просто не акцентировал на этом внимание, т.к. о пропорциональности датчиков речь шла уже в моём патенте на изобретение № 2134193 ru 20-летней давности, который является предшественником этой Web страницы.

   
  

Таким образом, в управляющем костюме и в антропоморфном роботе кинематическая схема бедренного сустава будет иметь следующую структуру (левая нога), см. фиг. № 91.  

   

   

Drawing # 91.

   
  

Где ось R-L – образует в тазу  антропоморфного робота линию, на которой расположены бедренные суставы.
Повороты  детали № 1 вокруг этой оси задает махи вперед-назад левой ноги антропоморфного робота, аналогичные махам совершаемые человеком – см. фиг. № 2.
У детали № 1 имеются боковые выступы, образующие ось  h-h’ (для обозначения используется первая буква от английского „ hip joint ” – бедренный сустав), которая перпендикулярна оси вращения R-L. Повороты вокруг этой оси детали № 2 позволят роботу отводить ногу в сторону (выполнять абдукцию)  - см. фигуры № 4, № 5 и № 7, где показаны аналогичные движения ног человека.
Повороты детали № 3 вокруг оси T-T’ (от английского „ thign” - бедро) детали № 2 позволят роботу осуществлять ротацию коленного сустава (ось k-k’ от английского „ knee ” - колено) и голени (S-S’) ноги – см. аналогичные движения ног человека – фиг. № 24.  

Такая кинематическая цепь бедра робота (и управляющего костюма) эквивалентна кинематической паре третьего класса, т.е. обычному шаровому суставу бедра человека – см. фиг. № 87.  

Также и предложенная здесь конструкция бедренного сустава для управляющего костюма с бедренным манипулятором и другими устройствами (см. фиг. № 72, № 73, № 89) повторяет кинематическую цепь изображенную на фигуре № 91, что позволит человеку-оператору свободно выполнять обычные движения ногой в бедренном суставе.

 


   
  

Теперь рассмотрим важный вопрос: устранения плохой робастности конечностей в системе управляющий костюм – антропоморфный робот-аватар.

Выше я  уже демонстрировал видеоролик, где журналист в качестве оператора управляет руками робота-аватара ФЕДОР. При этом заметны сильные несоответствия движения рук оператора и манипуляторов робота – руки человека-оператора сведены вместе (условно говоря, человек-оператор хлопает в ладоши) а в это же время манипуляторы робота ещё остаются разведенными в стороны.
В указанном видеоролике про робота-аватара ФЕДОР это явление изготовители робота назвали «Робастность».
При таком сильном несовпадении положений конечностей человека-оператора и робота не приходится говорить об интуитивном управлении манипуляторами робота (об управлении руками “в слепую”, “на ощупь”). Нам не удастся выполнить с закрытыми глазами тест “Закройте глаза и дотроньтесь указательным пальцем до кончика носа” - теряется весь смысл антропоморфности робота.

На самом деле термин „Робастность“ не очень подходит к данному явлению. На мой взгляд, здесь более правильно будет употреблять иную терминологию из биологии: „Подростковая неуклюжесть“. Это официальный термин - по наблюдению педиатров, когда подросток начинает очень быстро расти, обычно это происходит в процессе или после пубертатного периода, и двигательные нервные центры мозга не успевают адаптироваться к быстро удлиняющимся конечностям ребенка. В это время у подростков наблюдается неуклюжесть движений (особенно если подросток ведет малоподвижный образ жизни - не занимается активно спортом, а только играет в стрелялки на компьютере).

Нечто аналогичное „подростковой неуклюжести“ мы на самом деле видим и при управлении роботом ФЕДОР и другими копирующими роботами. Взрослый человек привык (за время своей сознательной жизни, а это много лет) к своим конечностям, в мозгу этого человека уже „жестко записаны данные“ – длина рук, ширина плеч... А потом человек быстренько надевает на себя экзоскелет и пробует управлять антропоморфным роботом, у которого отношение «ширина плеч/длина конечностей» иное. И вуаля! – для человека, смотрящего глазами робота через очки виртуальной реальности на руки робота, возникает дисбаланс - резкое несовпадение положений конечностей. - Человеческие проприоцепторы, расположенные в суставах, на подсознательном уровне сообщают человеку (и они его не обманывают!), что пространственное положение его конечностей относительно грудной клетки такое-то, а через очки виртуальной реальности человек видит, что пространственное положение конечностей робота (которые он отождествляет со своими руками) – другое. В результате возникают проблемы при управлении руками робота. По сути дела мы видим классическое проявление синдрома „подростковая неуклюжесть“!

На фигурах № 92, № 93, № 94 демонстрируется эта ситуация.

   

   

Drawing # 92.

   
  

На фигуре № 92 изображен вид сверху на человека-оператора и антропоморфного робота. Номером (1) обозначены: туловище человека-оператора (закрашенное изображение с круглой головой) и корпус робота (незакрашенное изображение, голова - квадратная), номерами 2 отмечены: плечевые суставы, № 3 – локтевые суставы, № 4 – кисти рук и кисти манипуляторов. Я взял здесь № 1 в скобки: (1), что бы акцентировать тот факт, что на фигуре № 92 ширина плеч человека и робота приведены к одному масштабу. (Для нас в дальнейшем при рассмотрении решения проблемы „Подростковая неуклюжесть“ очень важное значение будет иметь понятие «отношение: ширина плеч / длина рук». Робот, например, может быть очень большим - высотой в 2-3 этажа или маленьким – 50 сантиметров, также и люди-операторы могут иметь разную высоту и пропорции конечностей тела. Для нас сейчас важно выбрать какой-то «репер» для построения математической теории. Так вот, таким репером как раз и будет «отношение: ширина плеч/длина рук» при этом ширина плеч человека и робота будут в нашем рассмотрении приводиться к одному масштабу, т.е. после умножения на коэффициент пропорциональности будут изображаться на фигурах одинаковой длиной. Скобки вокруг № 1 на фигуре № 92 как раз и обозначают, что длины плеч человека и робота условно равны после умножения на коэффициент пропорциональности).

Когда руки вытянуты вдоль линии плеч, как это показано на фигуре № 92, на первый взгляд никаких проблем нет – вроде бы так всё и должно быть.

Далее фигура № 93 - руки человека и робота вытянуты вперед – вроде бы тоже всё нормально.

   

   

Drawing # 93.

   
  Теперь рассмотрим фигуру № 94.
   

   

Drawing # 94.

   
  

И вот здесь нас уже ждёт сюрприз – несовпадение пространственного положения конечностей – “Подростковая неуклюжесть”!
Мы видим на фигуре № 94, что человек, левое изображение, свёл вместе кисти рук (условно говоря «хлопнул в ладоши»), а схваты манипуляторов робота – см. правое изображение на фигуре № 94, не пришли в соприкосновение!
Притом, что все углы поворотов плечевых и локтевых суставов на обоих изображениях на фигуре № 30 одинаковые – при создании этого рисунка я пользовался программой AutoCAD и тщательно контролировал, чтобы углы в локтевых и плечевых суставах на левом и правом рисунках были одинаковые.
Проблема заключается в том, что для человека и для робота отношение величин «ширина плеч / длина конечностей» в данном случае разные, это и приводит к подобным последствиям.

Конечно, можно было бы попытаться решить проблему Подростковой неуклюжести, подстраивая длину конечностей робота, дистанционно удлиняя или укорачивая их, пропорционально длине конечностей конкретного человека-оператора. Подстраивать пришлось бы именно длину конечностей робота, т.к. менять длину конечностей человека-оператора не представляется реальным. В принципе такое решение проблемы Подростковой неуклюжести возможно - ведь существуют подъемные краны, у которых может меняться длина стрелы. Однако для большого числа конечностей антропоморфного робота это может оказаться проблемой – сильно усложняет конструкцию, делает её более хрупкой. Производители роботов едва ли согласятся с таким вариантом. Поэтому придётся искать другие возможности решения проблемы Подростковой неуклюжести.

Сформулируем некоторые ключевые положения, необходимые для устранения явления Подростковой неуклюжести антропоморфных манипуляторов, управляемых в копирующем режиме.

   
  
  1. В копирующих системах, имеющих одинаковые пропорции механизмом и одинаковую кинематику механических узлов, явление Подростковой неуклюжести не возникает. Подростковая неуклюжесть возникает, только в том случае, если управляющий и следящий механизмы имеют существенно разную кинематику и разные геометрические пропорции деталей.

  2. Очень важный момент: Кисть или cхват — «Основной рабочий инструмент» руки человека и манипулятора робота. Поэтому для устранения Подростковой неуклюжести необходимо точно определять (задавать) пространственное положение кисти человека относительно торса человека, соответственно для робота также необходимо точно определять (задавать) пространственное положение кисти (схвата) манипулятора относительно корпуса робота. При этом для устранения Подростковой неуклюжести (далее по тексту применяется сокращение „ПН” ) необходимо чтобы именно кисти рук человека и схваты манипуляторов робота всё время имели одинаковые угловые ориентации в пространстве относительно тела человека и относительно корпуса робота. Линейные же смещения должны быть пропорциональными (иметь постоянный масштабный коэффициент – в зависимости от соотношения линейных размеров робота и человека-оператора).

  3. Пространственные положения локтя человека и локтя робота могут в любой момент времени незначительно отличатся друг от друга – в нашем случае это не критично — главное обеспечить выполнение условия № 2 – одинаковое угловое положение кистей робота и человека-оператора относительно корпуса. При этом желательно чтобы локоть человека и локоть робота находились в одной плоскости – т.е. желательно обеспечить параллельность осей сгибания соответствующих локтевых (коленных) суставов человека и робота. Фиксировать конечности человека-оператора внутри управляющего костюма можно с помощью раздувающихся пневматических элементов. Это обеспечит нежесткое крепление и даст небольшой упругий люфт – поэтому человек не ощущает в полной мере точное положение локтевого (коленного) сустава управляющего костюма.

  

Таким образом, концепция управления копирующими манипуляторами изменилась в сравнение с теми методами, которые описаны в патенте на изобретение № 2134193 ru. Если раньше мы добивались совпадения углов и равенство противоположно направленных моментов сил в соответствующих суставах манипулятора и суставах управляющего экзоскелета – этот режим характерен, когда пропорции человека-оператора и робота совпадают. То теперь, с учётом не совпадения пропорций человека и робота, приходится в качестве основной целевой функции использовать совпадение пространственных положений и ориентации кистей рук и схватов манипуляторов относительно корпуса.

Рассмотрим способ устранения ПН с использование только этих трех условий. На фигуре № 95 представлен вид сверху на управляющий экзоскелет (закрашенное желтым изображение) с человеком-оператором, подключенным к экзоскелету (человек в данном случае представлен контурным изображением с круглой головой).

 

   

   

Drawing # 95.

   
  

В данном случае экзоскелет имеет очень широкие плечи – значительно шире, чем плечи человека-оператора. Также у данного управляющего экзоскелета непропорционально длинные конечности – значительно длинней рук человека-оператора. Человек-оператор управляет манипуляторами такого экзоскелета только за кисти. - На кисти человека-оператора надеты перчатки с системой датчиков, позволяющих определять направление внутренних силовых воздействий (вращательные и ЛИНЕЙНЫЕ), оказываемых человеком оператором на кисти-перчатки управляющего экзоскелета.
Здесь я могу сослаться на уже имеющийся экзоскелет с подобной системой управления – следования руки экзоскелета за кистью человека-оператора, см. фиг. № 96.

   

   

Drawing # 96.

 
  

Пример такого типа управляющего экзоскелета с широкими плечами и длинными конечностями мы уже видели, см. фиг. № 67, также можно посмотреть видео из Интернета, где показано что управление происходит именно за кисти рук:

   

          

   
  

Дистанционно управляемый робот для такого способа управления представлен на фигуре № 97 – вид сверху.

   

   

Drawing # 97.

   
  

Он имеет абсолютно те же геометрические пропорции, что и управляющий экзоскелет, надетый на человека-оператора – такую же большую ширину плеч и большую длину конечностей. Соответствующие углы в суставах управляющего экзоскелета и робота одинаковые, поэтому угловое и пространственное положение кистей (схватов) робота и угловое и пространственное положение кистей рук человека-оператора относительно корпуса полностью совпадают — явление ”Подростковая неуклюжесть” отсутствует.

Следует сделать два важных замечания: корпус робота на фигуре № 97 имеет форму отличную от управляющего экзоскелета показанного на фиг. № 95, корпус робота выпячивается вперед по сравнению с экзоскелетом, пространственно перекрывая грудную клетку человека-оператора – это сделано для того, чтобы вертикальная ось вращения корпуса робота совпадала с вертикальной осью вращения грудной клетки человека (не экзоскелета, а именно человека!) и соответственно ось вращения головы человека-оператора совпадала с осью вращения головы робота – на фигурах № 95 и № 97 положение этих осей условно отмечено крестиками.
Также на фигуре № 97 кружками отмечены пространственные положения глаз-видеокамер в голове робота – их положение относительно торса робота должно совпадать с положением глазных яблок человека-оператора относительно грудной клетки. Если глаза человека и видеокамеры робота будут находиться на относительно разных расстояниях от кистей их рук и схватов манипуляторов, то это вызовет дополнительный дисбаланс в управление верхними конечностями.
Поэтому необходимо добиться, чтобы пропорции сторон трапеций L-R-E
R-EL, образованных плечами L-R и глазами ER-EL, для человека и для робота совпадали, см. фиг. № 98.

   

   

Drawing # 98.

   
  

Также приходится учитывать, что шея робота и шея человека-оператора могут быть устроены по разному.
У робота в шее может быть минимальное количество стержней-«костей» и «суставов» задающих пространственное положение головы и глаз-видеокамер, см. фиг. № 99.

   

   

Drawing # 99.

   
  

Где изображен условный «скелет» антропоморфного робота. При наклонах головы робота положение линии его глаз ER — EL отслеживаются относительно корпуса робота (относительно системы координат XYZ).

  

Тогда как у человека в шее 7 позвонков. И голова человека (основание его черепа) при наклонах описывает в пространстве относительно груди не сферу, а параболоид. Поэтому при наклонах голов видеоизображение получаемое от робота может «прыгать» перед глазами человека-оператора. Чтобы избежать таких смещений видеоизображения необходимо сделать видеокамеры робота подвижными – немного смещающимися «вверх-вниз» вдоль вертикальной оси головы робота, когда робот наклоняет голову, см. фиг. № 100:

   

   

Drawing # 100.

   
  

Где № 1 обозначено бронированное наружное покрытие (кожух) головы антропоморфного робота – это может быть, например, шлем головы космического робота; № 2 – иллюминатор, выполненный из оптически прозрачного материала; № 3 – видеокамера-глаз робота, способный совершать небольшие принудительные линейные смещения по трем осям: вправо-влево, вверх-вниз, к нам - от нас (перпендикулярно плоскости фигуры № 100).

 

  

Также с помощью линейных движений видеокамер-глаз робота можно в процессе одевания на человека-оператора управляющего костюма регулировать расстояние между глазами робота под конкретного человека-оператора (с учётом масштабного коэффициента отношения размеров робота к размерам человека).

Недостатком управляющего экзоскелета с широкими плечами и длинными конечностями, а также антропоморфного робота с пропорциональными рассмотренному экзоскелету геометрическими пропорциями, является значительные длиннорукость, длинноногость и широкоплечесть робота – он будет слишком громоздкий, что может затруднить его эксплуатацию в тесных пространствах. Если, например, создать антропоморфного робота, с гипертрофированными конечностями, превышающими по своим пропорциям длину рук и ног любого человека, то этом может вызвать проблемы при управлении этим роботом обычных транспортных средств, рассчитанных на управление среднестатистическим человеком, робот будет упираться коленями в приборную доску – проблемы с нажиманием на педали, задевать рулевую колонку… Кроме того, локтевые (и коленные) суставы такого робота могут иметь пространственное положение сильно отличающееся от пространственного положения локтей и колен человека-оператора – это создает дополнительные затруднения при управлении роботом.

Поэтому далее мы будем рассматривать управляющий экзоскелет с параметрами более приближёнными к средним анатомическим пропорциям человека и дистанционно управляемого в копирующем режиме антропоморфного робота-аватара с пропорциями и размерами среднего человека.

Примечание:

Сейчас в Интернете стали встречаться рассуждения о том, что скоро каждый человек сможет купить или арендовать антропоморфного робота-аватара и управлять им чуть ли не собственного дома - такие заявления в целях саморекламы делают некоторые фирмы производящие роботов телеприсутствия.
Но, скорее всего, этого не будет. Во всяком случае, не будет так просто, как об этом заявляют производители примитивных роботов телеприсутствия, т.к. антропоморфные роботы-аватары могут представлять серьёзную опасность для общества, если управление ими попадёт в руки террористов или анонимных неадекватных личностей, ведь уже есть примеры использования беспилотных квадракоптеров боевиками ИГИЛ – экстремистской организации, запрещенной в РФ.
В силу этого, вероятно, антропоморфными роботами-аватарами будут управлять профессиональные операторы из охраняемых специализированных сертифицированных организаций. Частные лица, впрочем, тоже смогут управлять роботами-аватарами, но не напрямую и не анонимно, а также через промежуточную сертифицированную организацию, где за их действиями будет наблюдать контролирующее лицо, которое в любой момент сможет перехватить управление, если действия частного лица, управляющего роботом-аватаром, начнут выходить за рамки закона или здравого смысла. Ну, и соответственно раз в цепь управления будет задействован человек-контролер (модератор), то аренда антропоморфных роботов-аватаров для частных лиц будет дорого стоить. Возможно, что для управления антропоморфным роботом-аватаром придётся получать разрешение, как на владение оружием.
Вероятно, также, что организации, предоставляющие услуги дистанционного управления антропоморфными роботами-аватарами, будут стараться укомплектовать свой штат людьми средних анатомических пропорций. Объясняется это тем, что у людей разная анатомия тела. Да, мы люди в подавляющем своём большинстве антропоморфны, но у кого-то короткая шея; кто-то сутулый (горбатый); у кого-то длинные или, наоборот, короткие руки; длинные или короткие ноги; кто-то малорослый, а кто-то очень упитанный или, наоборот, очень худой. Производителям роботов трудно будет для каждого человека индивидуально подобрать робота-аватара с идентичными особенностями строения (пропорциями) – короткие руки, длинная шея, косолапые ноги. Особенно это очевидно, если антропоморфный робот-аватар находится в одиночестве где-то далеко в труднодоступном месте, например, в тайге за сотни километров, а управление роботом производится посменно разными людьми-операторами из столицы. По техническим причинам на первом этапе производители роботов-аватаров, скорее всего, будут стремиться к изготовлению унифицированных роботов одинакового размера, из совершенно одинаковых взаимозаменяемых деталей. Поэтому антропоморфные роботы-аватары, вероятно, (во всяком случае, в первое время) будут одинакового размера и пропорций.
В то время как управляющие экзоскелеты-костюмы придется подгонять под конкретного человека-оператора, под его анатомию, рост, длину шеи, рук, ног, комплекцию. Именно поэтому организации, предоставляющие услуги по дистанционному управлению роботами-аватарами, несомненно, будут стараться принимать на работу людей-операторов определенных размеров, чтобы меньше времени перенастраивать оборудование. Это объективные причины - в наше время, например, тоже есть определенные ограничения на анатомию и здоровье кандидатов для разных профессий: в танкисты стараются не брать очень высоких или толстых людей – им будет трудно поместиться в танк. Так же и в пилоты военных истребителей не берут очень тучных людей. В водолазы не берут людей, страдающих астмой, нарушением сердечной деятельности, клаустрофобией и рядом других нарушений. Аналогично и на людей-операторов, управляющих антропоморфными роботами-аватарами, будет накладываться ограничения – соответствие претендентов среднестатистическим пропорциям.

Исходя из вышесказанного, будем в дальнейшем считать, что человек-оператор, дистанционно управляющий стандартным антропоморфным роботом-аватаром, имеет примерно средне статистические анатомические пропорции (с небольшими допустимыми отклонениями от нормы).

Здесь необходимо рассмотреть три варианта:
 

  
  1. Пропорции человека-оператора и управляемого им робота-аватара полностью совпадают. Это очень редкий случай, но он может встречаться в практике.

  2. Руки человека-оператора длинней (при пересчёте масштабов) манипуляторов робота-аватара.

  3. Руки человека-оператора короче (при пересчёте масштабов) манипуляторов робота-аватара.

  

В первом случае управление конечностями робота-аватара самое простое – необходимо добиваться совпадения углов в суставах манипуляторов и суставах управляющего костюма экзоскелета. Работа алгоритма для этого случая была мной кратко описана более 20 лет назад в патенте на изобретение № 2134193 ru – http://deepdivertech.narod.ru/rd.htm#sensors.

Теперь кратко рассмотрим второй и третий варианты, которые будут встречаться значительно чаще, а именно: несовпадение пропорций человека-оператора и робота-аватара. (Здесь я далее описываю только лишь самый общий принцип работы алгоритма для управления манипуляторами – подробно нет смысла его рассматривать, т.к. он сильно зависит от конкретной конструкции, механики, манипуляторов и управляющих рукавов экзоскелета. Поэтому у разных производителей оборудования в зависимости от механики алгоритм будет немного отличаться, но во всех случаях останется общим принцип, и именно этот принцип я здесь описываю и патентую. Конечно, я мог бы привести описание конструкции, механики, “продвинутых” манипуляторов – я уже давно прорабатывал этот вопрос – результаты есть, но это очень объемная информация, которая будет патентоваться отдельно, т.к. её трудно интегрировать в данную заявку и в формулу изобретения).

Итак, учитываем, что человек-оператор в процессе управления роботом должен будет следить за пространственным положением своих основных рабочих инструментов рук – за кистями своих рук и схватами манипуляторов, а также то, что положение локтевых суставов менее важно. Вводим следующие правила, которых должны будут придерживаться технический персонал, настраивающий оборудование, и электронная логика оборудования управления роботом:

  
  • Если отношение длины рук к ширине плеч у человека-оператора меньше отношения длины манипуляторов антропоморфного робота к ширине плеч робота, то мы в процессе управления роботом всегда немного сгибаем локтевые суставы манипуляторов робота.

  • И наоборот, если отношение длины рук к ширине плеч у человека-оператора больше длины манипуляторов антропоморфного робота к ширине плеч робота, то мы всегда немного сгибаем локтевые суставы рукавов костюма управления.

  

Коротко говоря – немного сгибаем то, что относительно длинней.
 

  

Данные правила демонстрируется фигурами № 101, № 102 и № 103.

   

   

Drawing # 101.

   
  

На фигуре № 101 показан вид сверху на ситуацию, когда руки человека-оператора, всклоченного в экзоскелет управления (верхнее изображение с круглой головой), и антропоморфного робота (нижнее изображение с квадратной головой) разведены в стороны вдоль линии плеч. Пропорции человека таковы, что руки человека-оператора немного длинней манипуляторов робота и электроника управляющего костюма подгибает их в локтевых суставах. При этом в результате подгибания кисти человека-оператора и схваты робота находятся на одном и том же расстоянии относительно корпусов человека и робота.

На следующей фигуре № 102 человек-оператор и робот вытянули свои конечности вперед – более длинные руки человека (левое изображение) снова немного согнуты в локтях силовыми приводами управляющего экзоскелета.

   

   

Drawing # 102.

   
  

На фигуре № 103 человек-оператор и робот свели кисти рук вместе – для наглядности изображения человека-оператора и робота наложены друг на друга:

   

   

Drawing # 103.

   
  

Во всех трёх рассмотренных выше случаях за счет сгибания в локтях более длинных рук человека-оператора пространственные положения кистей рук и схватов манипуляторов относительно грудной клетки (корпуса робота) совпадают – эффект ПН устранён.

При использовании такого способа подавления эффекта ПН проприоцепторы, расположенные в руках человека-оператора, будут сообщать подсознанию человека, что кисти его рук (основные рабочие инструменты рук) по отношению к грудной клетке имеют определенное положение и такое же пространственное положение по отношению к торсу робота будут занимать и кисти манипуляторов робота. В результате не будет возникать диссонанса в управлении манипуляторами. Ну, а к тому, что видимое человеком через очки виртуальной реальности положение локтей у робота и ощущаемое у человека проприоцепторами положение локтей немного разное, человеку-оператору придётся привыкнуть и игнорировать это обстоятельство.

(Здесь можно рассмотреть следующие примеры из практики, подтверждающие справедливость моих рассуждений: на праздничных мероприятиях выступают артисты в надувных костюмах с очень объемными раздувшимися рукавами, так что визуально актёры не могут точно визуально определить, где у них в данный момент находится локоть, однако это не мешает им выполнять программу концертного выступления: «три прихлопа, два притопа» - они всё равно могут хлопать в ладоши, свободно манипулировать различными предметами, т.е. они всё равно имеют возможность отследить положение своих кистей - главных инструментов рук. Вот, в качестве примера, надувной костюм «Стриптизерша» - см. фиг. № 104:

   

   

Drawing # 104.

   
  

Или другой пример с надувным костюмом, где человеку также визуально трудно точно определить положение своих локтевых суставов, - трехболтовое водолазное снаряжение:

   

   
  

Ну, или можно рассмотреть ещё один пример из практики – это работа водолаза на ощупь в мутной воде или в абсолютной темноте (в болотной тине) – когда рук совсем не видно:

   

   
  

В этих примерах пространственное положение локтей рук отслеживается людьми не визуально, а только подсознательно - благодаря проприоцепторам, расположенным в суставах конечностях.

Для нас же главная цель обеспечить работу основных рабочих инструментов рук – кистей, правильно позиционировать их относительно корпуса, так чтобы их визуальное положение и положение, определенное проприоцепторами, совпадало.)

Таким образом, в рамках рассматриваемых нами задач не слишком важно, что визуальные пространственные положения локтей робота будет немного отличаться от пространственных положений локтей, ощущаемых проприоцепторами человека. Человек-оператор сможет от этого абстрагироваться. Тем более что в управляющем костюме фиксация локтевых суставов человека осуществляется пневматическим раздувающимся манжетами, что создаёт упругий люфт. Важно то, что мы сможем в нашем «карнавальном костюме робота-аватара» решить главную проблему: правильно задавать пространственное положение кистей манипуляторов относительно корпуса робота и тем самым устранить эффект Подростковой неуклюжести.

Возникает вопрос: как быстро вычислять значения углов в суставах рук управляющего экзоскелета и в суставах манипуляторов робота, если они имеют разную кинематику (или хотя бы разные по длине)?

Здесь помимо разной кинематики манипуляторов робота и рук человека появляется ещё одна проблема, называемая «Маневренность манипулятора». В книге «Прикладная механика», Г.Б. Иосилевич, Г.Б. Строганов, Г.С. Маслов, Москва, 1989 г. мне удалось найти определение этого понятия:
 

  

„…«Маневренность манипулятора» - число его степеней свободы при неподвижном схвате. Маневренность манипулятора характеризует возможность кинематической цепи манипулятора занимать неоднозначные положения при одном и том же положении схвата”.
 

  

Приведенное ниже подвижное gif изображение демонстрирует явление "Маневренность манипулятора" на примере человеческой руки, согнутой в локте. Положение кисти руки и плеча постоянны, а согнутый локтевой сустав описывает в пространстве дугу окружности (если изображение застыло - следует обновить данную Web страницу):

   

   
  

Т.е. становится понятно, что во многих случаях при согнутом локтевом суставе одно и тоже пространственное положение кисти руки (схвата манипулятора) относительно корпуса может быть задано очень большим набором значений углов в суставах руки и манипулятора.

Возникает вопрос – как из этого большого набора быстро выбрать оптимальную комбинацию углов сгибания и поворотов суставов с тем, что бы обеспечить максимально эффективное задание необходимого пространственного положение руки (манипулятора)?

Для решения этой задачи придётся выполнить некоторые геометрические построения в пространстве – здесь рассматривается только общая идея решения проблемы. Далее для упрощения рассмотрения буду изображать только фигуры левых верхних конечностей.

Введём полярные системы координат: Θ, φ, r в плечевых суставах робота и человека-оператора. Если пространственные положения схвата робота и кисти руки человека-оператора в координатах Θ, φ, r  СИЛЬНО отличаются, например, на величину угла больше 20 или на 2 условных линейных единицы измерения расстояния.

(Здесь надо было задать какие-то численные параметры для определения критерия «сильное отличие». Я произвольно взял не очень большие величины: при различии в угловой ориентации руки и манипулятора на угол меньше 20 их пространственная ориентация визуально будет совпадать, при бо’льшем же значении угла, например, 250, отличия в угловой ориентации руки и манипулятора уже будут визуально заметны. Небольшая единица расстояние: «2 условные линейные единицы измерения расстояния» – необходимы для определения расстояния в сферических координатах (где одна координата из трёх является расстоянием), для руки человека в данном случае «2» может означать 2 миллиметра, а для робота, если его линейные размеры, например, в 10 раз больше размеров среднестатистического человека, «2» может означать 2 сантиметра).

При сильном несовпадении относительно корпусов положений кисти руки и схвата манипулятора данные механизмы необходимо свести вместе – заставить их двигаться навстречу друг-другу.
 

  

Фигура № 105 демонстрирует эту ситуацию:

   

   

Drawing # 105.

   
   
  

Где даны виды сверху на человека-оператора и робота при СИЛЬНОМ несовпадении пространственных положений кисти человека-оператора в управляющем костюме – левое изображение с круглой головой, и схвата манипулятора робота-аватара, правое изображение с квадратной головой.
(Такая ситуация может возникнуть, в частности, в первоначальный момент, сразу после того, как человек-оператор только надел на себя управляющий костюм и приступил к управлению роботом, который пока находится в застывшем положении.)

  

В этом случае логическим схемам электроники, управляющей работой системы, будет необходимо выбрать в пространстве Θ, φ, r точку, в направлении к которой силовые приводы будут сводить вместе кисть руки человека-оператора и схват манипулятора робота, см. фигуры. № 106, № 107:

   

   

Drawing # 106.

   
  

На фигуре № 106 показано, что мы вводим для человека-оператора и для робота сферические координаты Θ, φ, r с началами отсчётов в их плечевых суставах.

   

   

Drawing # 107.

   
  

Фигура № 107 – наложение двух изображений: человека-оператора, одетого в управляющий костюм, рука - закрашенное изображение, и манипулятор робота незакрашенное контурное изображение. Сводить вместе кисть руки и схват манипулятора будем в точке ν (отмечена крестиком), расположенной в пространстве Θ, φ, r посредине между кистью человека и том. Зная, текущие, начальные, координаты кисти и схвата (они вычисляются по углам, измеренным датчиками в суставах) вычислить положение точки ν не составит труда. Стрелками показаны направления движений кисти и схвата к этой точке. Разберём ситуацию подробней.

На фигуре № 108 рассматриваемая ситуация представлена только для руки человека-оператора.

   

   

Drawing # 108.

   
  

Возникает вопрос: «Как быстро вычислить новые углы поворотов суставов рукава управляющего костюма, которые позволят перевести кисть руки из текущего положения в точку ν

Ответ, на этот вопрос следующий: необходимо построить сферу, с радиусом, равным длине запястья, и центром в точке ν. А вокруг плеча человека построить сферу с радиусом равным длине плечевой кости (расстояние от плеча до локтя). На линию пересечения этих двух сфер (окружность) и следует в дальнейшем переместить локоть, чтобы кисть руки оказалась в точке ν - фигура № 109 демонстрирует это:

   

   

Drawing # 109.

   
  

На фигуре № 110 показаны текущее (закрашенное изображение) и будущее (точечная штриховка) положения руки человека-оператора:

   

   

Drawing # 110.

   
  

Аналогичные логические построения можно выполнить и для манипулятора робота:
Датчики, расположенные в его суставах, определяют текущие положения схвата и локтя. По вычисленным координатам точки
ν определяется направление движений, см. фиг. № 111:

   

   

Drawing # 111.

   
  

Далее вокруг плечевого и запястного суставов робота строим сферы и находим их пересечение, к одной из точки пересечения этих сфер и необходимо будет сместить локоть робота – см. фиг. № 112:

   

   

Drawing # 112.

   
  

Всё это позволяет вычислить необходимые углы в плече и в локте, которые зададут требуемое положение схвата.

На фигуре № 113 показано наложение двух изображений — левой руки человека-оператора, одетого в управляющий костюм - закрашенное изображение и круглая голова, и левый манипулятор робота незакрашенное контурное изображение с квадратной головой:

   

   

Drawing # 113.

   
  

Как видно из представленной фигуры положение запястий кисти руки и схвата манипулятора относительно торса одинаковое – они находятся в точке ν. Однако ориентация плоскости ладони руки человека и плоскости ладони схвата манипулятора различны. Также пока ещё не до конца определены пространственные положения локтевых суставов – с учётом явления «Маневренность манипулятора».

Эти проблемы решаемы – датчики угловых перемещений, расположенные в суставах запястий, в начальный момент (при сильном разведении конечностей в разные стороны - см. фиг. № 106) позволяют определить начальные ориентации плоскостей ладоней кисти руки и схвата манипулятора и вычислить среднюю пространственную ориентацию плоскости ладони относительно корпуса, которую в последствии будут иметь плоскости ладоней кисти руки и схвата манипулятора, когда их запястья окажутся совмещены в точке ν.

Также датчики угловых перемещений, расположенные в плечевых суставах руки человека и манипулятора робота, позволяют определить начальные угловые пространственные ориентации относительно корпусов осей сгибания локтевых суставах в управляющем костюме и в манипуляторе. Эти измеренные величины позволят вычислить среднюю угловую пространственную ориентацию для осей сгибания локтевых суставов в управляющем костюме и в манипуляторе, которую в последствии будут иметь оси локтевых суставов руки и манипулятора когда их запястья окажутся совмещены в точке ν.

Таким образом, в процессе совмещения запястий человека и манипулятора в точке ν, соответствующие силовые приводы повернут жесткие детали конечностей, так, что когда запястья конечностей будут совмещены в точке ν, угловые пространственные ориентации плоскостей ладоней кисти руки и схвата манипулятора совпадут, а оси сгибания локтевых суставов окажутся параллельными. Это всё рассчитывается по формулам, но эти формулы, как я уже сказал, сильно зависят от конкретной конструкции, механики, устройства манипуляторов и управляющего костюма, поэтому здесь я их не привожу, а рассматриваю лишь общий принцип алгоритма.

Описанная здесь ветвь алгоритма управления не позволяет слишком сильно разойтись в разные стороны руке человека и манипулятору робота, ну и соответственно это применимо и к другим конечностям, т.е. мы получаем возможность устранить сильное проявление Подростковой неуклюжести. Результаты работы алгоритма сведения положения конечностей продемонстрированы на фигурах № 101, 102, 103 и 113.

  

Теперь рассмотрим рабочий режим – когда пространственная ориентация руки человека и манипулятора робота отличаются мало (на угол меньше 20 и на расстояние меньше 2 условных линейных величины измерения расстояний). При этом пусть человек-оператор оказывает рукой силовые воздействия изнутри на элементы управляющего костюма, а окружающая среда оказывает внешние силовые воздействия на манипуляторы робота.

Под действием таких силовых воздействий манипулятор робота и рука человека-оператора должны двигаться синхронно в каком-то одном направлении (направление этого движения зависит от равнодействующих сил – внешних для манипулятора и внутренних, развиваемых человеком-оператором, в рукаве управляющего костюма).

Ну, и раз уж мы заговорили о моментах сил, самое время вспомнить о датчиках моментов сил, установленных в каждом узле (суставе) управляющего костюма и манипулятора и о том, что передача усилий от силовых приводов на детали манипулятора робота и элементы управляющего костюма происходит не на прямую, а осуществляется через упругие элементы.

Поэтому усилие, оказываемое рукой человека-оператора на внутреннюю поверхность рукава управляющего экзоскелета, вызовет небольшое изменение угловой ориентации руки, одетой в рукав управляющего экзоскелета. Плюс к этому датчики моментов сил определят нарушение в системе силового равновесия. Т.е. возникнет небольшое нарушение одного из условий целевой функции, это вызовет соответствующую реакцию логических схем управления, и принудит манипулятор робота двигаться вслед за рукой человека-оператора. Далее для принятия решений используется алгоритм, аналогичный тому, который был разработан мной в 90-тых годах для управления копирующими манипуляторами в задаче, когда пропорции (длина конечностей) у человека-оператора и у робота совпадают. В таком простом частном случае было достаточно добиться совпадения положения конечностей и компенсации моментов сил в суставах.

Однако сейчас мы рассматриваем более обобщенный случай, когда пропорции (длина конечностей) у человека и у робота немного отличаются. В этом случае углы в суставах не совпадают. И теперь в качестве целевой функции приходится использовать другие величины - одновременное выполнение нескольких условий:

  
  1. одинаковые пространственные положения кисти руки и схвата манипулятора относительно груди,

  2. одинаковые угловые пространственные ориентации плоскостей ладоней кисти и схвата относительно груди,

  3. параллельность осей сгибания локтевых суставов руки человека и манипулятора робота,

  4. взаимная компенсация моментов сил в соответствующих суставах

  

Допустим, например, что вначале положение запястий совпадали, затем человек-оператор, желая изменить положение своей руки и соответственно видимое им через очки виртуальной реальности положение манипулятора робота, надавил на внутреннюю поверхность рукава управляющего костюма. При этом в силу того, что в суставах механизма управления применяются упругие элементы, угловое положение рукава управляющего костюма немного сместится из предыдущего положения – пространственное положение запястий робота и рукава управляющего костюма перестанут совпадать вдобавок к этому в суставах рукава управляющего костюма возникнут некомпенсированные моменты сил, которые будут зафиксированы датчиками моментов сил, см. фиг. № 114:

   

   

Drawing # 114.

   
  

Это позволит управляющей электронике вычислить в пространстве Θ, φ, r точку ν, в направлении к которой силовым приводам следует смещать руку человека-оператора и манипулятор робота…
 

  

Третий случай, когда руки человека-оператора немного короче манипуляторов робота, в значительной степени аналогичен только что рассмотренному.

Однако для этого случая, а также для случаев, когда пропорции человека-оператора одинаковы с пропорциями робота-аватара или конечности человека-оператора короче, возникает другая проблема – прокручивание локтевых и коленных суставов управляющего костюма на теле человека-оператора. Когда руки и ноги человека-оператора были согнуты в локтевых и коленных суставах такой проблемы не возникало. Прокручивание может возникнуть только при выпрямленных конечностях. В 60-тые на это явление обратили внимание исследователи при проектировании первых активных (силовых) экзоскелетов – так в книге «Человеческие способности машин» 1971 года издания описывается этот эффект прокручивания:
 

  

«Внешний скелет закреплялся на операторе с помощью ремней, имевших двойное назначение: они заставляли стержни внешнего скелета следовать за движениями человека и исключали лишние степени свободы стержней, встречавшиеся, когда оси двух или большего числа шарниров оказывались параллельны друг другу. Так, например, при выпрямленной руке оси шарниров вращения запястья и предплечья устанавливаются параллельно. Если человек при этом вращает руку, то без дополнительного крепления в локте часть скелета, заключенная между этими шарнирами, могла бы не следовать за движениями руки или даже могла бы вращаться в другом направлении…»

  

В результате такого самопроизвольного прокручивания оборудования вокруг конечности человека-оператора коленный или локтевой сустав может заклинить, если ось сгибания биологического сустава человека и ось сгибания механического сустава управляющего костюма случайно окажутся перпендикулярны.
На самом деле эта проблема прокручивания навесного оборудования в локтевом и коленном намного старше, чем может показаться на первый взгляд – она возникла не в 60-тые годы прошлого века, а ещё в средние века, когда появились первые твердые экзоскелеты – полные пластинчатые рыцарские доспехи (латы), см. фиг. № 10'. Для кольчуги, состоящей из металлических колец, этой проблемы не было, но с появлением пластинчатых защитных элементов конечностей (налокотников и наголенников) и тем более для полного пластинчатого доспеха эта проблема возникла. Вероятно эта проблема даже более старая – на изображениях гладиаторов Рима видны налокотники – уже тогда они закреплялись на теле человека ремнями:

   

   
  

Надо сказать, что и в наше время крепление ремнями жестких элементов к конечностям не даёт 100% гарантии того, что оси локтевого или коленного сустава внешнего экзоскелета (суставы доспехов) не окажутся перпендикулярны к суставам человека и не затруднят движений. Причины этого заключаются в том, что ремни могут проскальзывать, особенно если человек вспотел, к тому же сама кожа на руках и ногах человека эластичная и может проворачиваться относительно подкожных мышц и жирового слоя, в отдельных случаях давая суммарный люфт близкий к 900.

Конечно, в наше время в применении к задаче дистанционного управления антропоморфным роботом и с учётом развития современной медицины можно предложить радикальное решение данной проблемы – хирургическую трансплантацию небольших магнитов в костную ткань человека-оператора в районе локтевых и коленных суставов. Ну, а в управляющий зоскелет можно будет интегрировать датчики, отслеживающее соответствующие магнитные поля в районах локтевых и коленных суставов человека-оператора. Теоретически это позволит электронным логическим схемам экзоскелета всегда точно отслеживать ориентацию локтевых и коленных суставов человека-оператора и не позволять механическим локтевым и коленным суставам экзоскелета становиться перпендикулярно. Но этот метод чересчур радикальный, возможно профессиональные операторы антропоморфных роботов-аватаров и согласятся на подобное хирургическое вмешательство, однако большинство других людей, которые будут лишь эпизодически рулить роботами-аватарами (непрофессионалы - любители) могут не испытывать энтузиазма в проведении подобной хирургической процедуры.
Более того, подобная процедура может оттолкнуть часть потенциальных пользователей.

В силу этого необходимо найти другие методы решения проблемы прокручивания оборудования экзоскелета в локтевых и коленных суставах, не предполагающие какого-либо хирургического вмешательства. Или, по крайней мере, найти приёмы, позволяющие ослабить влияние прокручивания на работу системы управления локтевыми и коленными суставами.

Такие решения можно предложить. Для этого напомню, что в нашем рассмотрении фиксация оборудования управляющего костюма в районах коленного и локтевого суставов человека осуществляется посредством раздувающихся пневматических элементов, см. фиг. № 89.

  

Поэтому следует использовать следующий приём для устранения сильного прокручивания оборудования в локтевых и коленных суставах:

Если человек-оператор почувствует, что в каком-то суставе оборудование съехало на бок, то он может с помощью системы нейроинтерфейса, расположенной в шлеме, подать управляющей электронике мысленную команду на запуск процедуры устранения прокручивания в данном суставе.
При этом соответствующая конечность антропоморфного робота-аватара застывает неподвижно в текущем состоянии на всё время выполнения процедуры. В управляющем костюме отключается пневматическая фиксация данной конечности человека-оператора и соответствующий силовой привод начинает прокручивать оборудование вокруг конечности человека-оператора. Одновременно человек-оператор старается согнуть эту свою конечность (в локте или колене). Когда человеку удаётся согнуть свою конечность, то это будет означать, что биологическая ось сгибания данного сустава человека и аппаратная ось сгибания сустава управляющего костюма – совпали (чего мы и добиваемся). После этого человек через нейроинтерфейс приказывает завершить процедуру устранения прокручивания и в пневматическую манжету подается газ, что вызывает фиксацию правильно сориентированного оборудования на конечности человека-оператора. В завершении процедуры управляющая электроника экзоскелета с помощью силовых приводов совмещает пространственное угловое положение конечности человека с пространственным положением конечности робота-аватара. И только после этого конечность робота-аватара получает подвижность и может следовать за конечностью человека-оператора. Но этот приём имеет смысл выполнять только в том случае, если прокручивание оборудования вокруг конечности человека уже весьма сильное.

Можно использовать ещё один очень эффективный приём устранения прокручивания в коленных и локтевых суставах – он позволяет не доводить ситуацию до критических значений прокручивания оборудования вокруг конечности человека. Этот приём может осуществляться в фоновом режиме – человек просто совершает своими конечностями какие-то обычные рабочие движения, не беспокоясь сильно о возможном прокручивании оборудования в суставах. Для этого необходимо сбрасывать давление газа в фиксирующих пневматических манжетах, в моменты, когда конечность согнута, что позволяет снять ранее накопившееся прокручивание в локтевом или коленном суставе. А в процессе разгибания конечности (когда угол в локте или в колене приближается к 1800) - наоборот раздувать фиксирующие пневматические манжеты, обжимая конечность человека. Фигура № 115 демонстрирует это:

   

                   

   

Drawing # 115.

   
  

На левом изображении фигуры № 115 рука человека согнута в локтевом суставе, и пневматические манжеты сдуты – нет жесткой фиксации руки в управляющем рукаве, прокручивание оборудования вокруг руки устранено из-за сгиба локтевого сустава.

На правом изображении фигуры № 115 рукав управляющего костюма уже полностью выпрямлен, но ещё до этого пневматические манжеты были раздуты, и рука человека была зафиксирована в управляющем рукаве, в момент, когда прокручивания оборудования в локтевом суставе не было.

Однако такой режим работы, когда давление газа в фиксирующих манжетах то нагнетается, то сбрасывается – неэкономичный, поэтому у человека-оператора должна быть возможность переключать работу оборудования в режим, когда пневматические манжеты постоянно находятся в раздутом состоянии и конечность зафиксирована. За это будет отвечать система нейроинтерфейса, интегрированная в шлем управляющего экзоскелета, что позволит человеку-оператору выбирать наиболее эффективный режим работы оборудования.

 

   
  

Разберемся с управлением человеком-оператором нижними конечностями антропоморфного робота-аватара при ходьбе в копирующем режиме.

Здесь имеется важная особенность в работе нервной системы человека, которая нам будет очень полезна — люди при ходьбе зачастую могут не смотреть себе под ноги, даже если грунт, по которому они идут не совсем ровный.

Вероятно, в процессе биологической эволюции у людей сформировался интересный навык работы нервных центров нижних конечностей, который позволяет мозгу человека очень быстро адаптироваться я к небольшим неровностям грунта и разной обуви (разной высоте каблуков, или к ходулям). Человеку в большинстве случаев нет необходимости совершенно точно знать (контролировать визуально), где в данный момент находится стопы или колена его ног – человек просто ставит где-то перед собой ногу на грунт, и если опора под ногой твердая, то мозг человека по полученным от ноги сигналам примерно прогнозирует куда ему надо поставить другую ногу, что бы человек при ходьбе не упал. Этой особенностью человеческой ходьбы можно воспользоваться для управления ходьбой антропоморфного бота-аватара.

Вполне вероятно, что в большинстве случаев мы при управлении в копирующем режиме ногами антропоморфного робота-аватара сможем воспользоваться старым алгоритмом, о котором шла речь в патенте на изобретение № 2134193 ru. Т.е. мы сможем управлять нижними конечностями робота только по совпадению углов и компенсации моментов сил в соответствующих суставах ног робота и управляющего костюма.

Однако для человека при ходьбе в таком режиме будет очень важно правильное очувствление момента, когда нога робота твердо наступает на грунт – этот сигнал необходим мозгу человека для управления ходьбой.

Поэтому проанализируем, как люди ходят – в момент, когда они наступают ногой на грунт, вдоль ноги вверх распространяется импульс давления см. фиг. № 116:

   

   

Drawing # 116.

   
  

Где изображена стопа человека в ботинке, после того как человек своей ногой наступил на грунт (когда человек перенёс на ногу вес своего тела). На стопу воздействует давление – маленькие стрелки, это давление передается вверх по ноге человека – большая стрелка.

Без такого же очувствления в управляющем костюме момента наступания на грунт человеку-оператору будет очень трудно управлять двуногой ходьбой антропоморфного робота. Простого т.н. «Гаптического очувствления» в виде раздувающейся стельки в ботинке управляющего костюма - см. фиг. № 53, будет недостаточно.

   

   

Drawing # 117.

   
  

Простая раздувающаяся стелька (пневматическая или на другом эффекте – показанная на рисунке № 117 точечной штриховкой) при срабатывании, не только воздействует на нижнюю часть стопы, но и одновременно прижимает верхнюю часть стопы к внутренней поверхности ботинка - по сути дела, стопа человека просто сдавливается стелькой – на фигуре это отмечено стрелками, направленными навстречу друг-другу. Конечно, в первом приближении такое воздействие раздувающейся стельки на ногу человека-оператора можно рассматривать как очувствление факта переноса роботом своего веса на ногу.

Однако для более естественного очувствления момента касания грунта стопой робота необходима передача давления на все вышерасположенные суставы ноги человека-оператора (на голеностопный, коленный и возможно бедренный) – нам так привычно ходить.

Поэтому, чтобы организовать правильное очувствление касания стопой робота грунта необходимо в механизмы ног робота установить соответствующие датчики давления, которые будут фиксировать распространение импульсов и статического давления вдоль ног робота. Для этого в ранее приводившуюся, см. фиг. № 91, кинематическую схему ноги робота теперь добавим упругие элементы, датчики перемещения (это могут быть, например, конденсаторные датчики или тензометры) и подшипники, что позволит отслеживать импульсы давления, распространяющиеся вверх по ноге робота, – см. фиг. № 118:

   

   

Drawing # 118.

   
  

Где – № 2 обозначена «бедренная кость» вернее бедренная ось ноги робота. Номером 3 – обозначена деталь ноги робота, на которой располагается ось вращения К-К’, вокруг которой сгибается коленный сустав робота. К этой детали № 3 крепятся силовой привод «мышца», ответственный за сгибание коленного сустава ноги робота, а также к детали № 3 крепится силовой привод, осуществляющий ротацию этой детали, ноги робота, вокруг оси T’ – T (вокруг «бедренной кости» ноги робота) – см. фиг. № 88, где показаны аналогичные ротационные движения ноги человека. Между деталью № 3 и деталью № 2 «бедренной костью» ноги робота имеется упругий элемент № 4 (он на изображении условно обозначен пружинами, но это могут быть не пружины, а какой-нибудь диэлектрический материал, например силикон и др.). При распространении давления вдоль ноги робота этот упругий элемент сжимается, что фиксируется датчиком перемещения, расположенным в этом месте. Также в конструкции ноги используются упорные подшипники № 5, которые позволяют избежать деформации кручения упругого элемента № 4 при ротационных движениях ноги робота. Аналогичные элементы используются и ниже колена K-K’ в голени ноги робота – они не препятствуют поворотам стопы робота вокруг берцовой оси S-S’ и в тоже время позволяют отслеживать продольный вектор давления. Применение упругих элементов в ногах робота даст ещё один положительный эффект – амортизацию толчков, возникающих при ходьбе, это важно для работы датчиков угловой ориентации корпуса робота. Аналогичный амортизирующий эффект у человека достигается хрящевой тканью в суставах ног и в хребте скелета.

  

В управляющем же костюме экзоскелета для обеспечения человеком очувствления давления грунта на ногу робота необходимо будет организовать подтягивание вверх брючин управляющего костюма (в набедреннике и в наголеннике, а возможно и выше). Так в набедреннике, изображенном на фигуре № 89, необходимо будет разместить ещё и механизм, подтягивающий вверх деталь № 4, на фигуре № 89 этот механизм не отображен, но технически это вполне реализуемо. Аналогичным образом подтягивание вверх можно организовать и в наголеннике управляющего костюма.

Благодаря подобным техническим решениям и указанным особенностям работы нервной системы человека мы сможем управлять ходьбой антропоморфного робота-аватара, используя простой алгоритм управления копирующими механизмами (ногами), работающий по совпадению углов и компенсации моментов сил в соответствующих суставах ног робота и управляющего костюма.

При этом если ноги робота (их пропорции) будут длинней ног человека, то в процессе ходьбы распрямленные ноги робота будут выше поднимать глаза-видеокамеры робота и у человека при управлении ходьбой робота, вероятно, будет возникать впечатление, что он ходит в обуви на высокой подошве, см. фиг. № 119.

   

   

Drawing # 119.

   
  

Если же пропорции ног человека-оператора наоборот окажутся длинней ног антропоморфного робота-аватара, то у человека при управлении ходьбой робота возникнет другое впечатление, что его обувь имеет очень тонкую подошву, или что человек вообще идёт по грунту босиком. Более того, при очень длинных ногах человека возможны случаи, когда у оператора может возникнуть чувство, похожее на ходьбу по первому неглубокому снегу или „тяжелому дыму“ – человек-оператор будет видеть глазами-камерами робота подстилающую поверхность, ближе расположенную к своему лицу (к лицу робота из-за того, что ноги робота короткие), в то время как проприоцепторы в суставах человека-оператора будут сообщать человеку, что стопы его ног проваливаются ниже видимой поверхности подстилающего пейзажа.

   

    

   
  

Конечно, ощущения человека будут немного не соответствовать реальности, но в силу особенностей работы центров нервной системы, ответственных за нижние конечности, человек быстро адаптируется к условиям и в большинстве случаев сможет успешно управлять ходьбой антропоморфного робота-аватара.

Если же возникнет необходимость точно позиционировать в пространстве стопы ног антропоморфного робота-аватара (например, при движении по кочкам на болоте или при движении «след в след» на минном поле), то человек-оператор с помощью нейроинтерфейса, встроенного в его шлем, сможет временно переключиться на более сложный алгоритм управления конечностями. Этот сложный алгоритм здесь уже рассматривался при обсуждении проблемы устранения Подростковой неуклюжести верхних конечностей. Теперь же в применении к нижним конечностям такой сложный алгоритм означает при несовпадении пропорций человека и робота необходимость: подгибания колен, точное одинаковое позиционирование голеностопных суставов и ориентацию плоскостей стоп по отношению к тазам человека и робота, компенсацию моментов сил, параллельность осей сгибания коленных суставов.
Однако сложный алгоритм точного позиционирования стоп нижних конечностей имеет один серьёзный недостаток, из-за которого его сложно использовать длительное время.
Если ноги робота будут длиннее ног человека-оператора, то при вертикальном пространственном положении корпуса робота (и при вертикальной ходьбе, беге) на колени человека-оператора в управляющем костюме будут действовать силы, стремящиеся согнуть колени человека. Причину этого можно понять, рассматривая фигуру № 120:

   

   

Drawing # 120.

   
  

Где представлен вид сбоку на совмещенные изображения ног робота (незакрашенный контур) и ног человека.

Под действием веса вышерасположенного корпуса робота в полусогнутых ногах робота возникает сила, стремящаяся согнуть колени робота. Работа сложного алгоритма, требующего точного позиционирования ступней относительно таза, такова, что человеку-оператору при необходимости сохранить вертикальное положение робота-аватара придется развивать усилие для компенсации сгибания колен робота. Поэтому при длительной ходьбе в таком режиме у человека-оператора может возникнуть переутомление бедренных мышц.

Если же анатомические пропорции будут таковы, что ноги человека-оператора окажутся длинней ног робота, то человеку-оператору при использовании в управлении ногами сложного алгоритма, придется ходить на полусогнутых в коленях ногах. Что опять же не привычно для людей.

Именно поэтому такой режим ходьбы со сложным алгоритмом управления можно использовать эпизодически по мере надобности. Переключаться же между режимами можно с помощью устройства нейроинтерфейса, расположенного в шлеме человека-оператора.

Далее в рамках данной заявки на изобретение необходимо рассмотреть следующий вопрос: измерение моментов сил в бедренном суставе управляющего костюма. В каждом суставе робота (и в каждом суставе управляющего костюма) должно быть по два датчика – один датчик измеряет угол сгибания сустава, другой измеряет момент силы, приложенный к рычагам, образующих сустав. Поэтому в связи с введением в конструкцию бедренного сустава бедренного манипулятора возникает необходимость проанализировать вопросы организации измерения моментов сил.

Механизм, ответственный за измерение моментов сил, возникающих при поворотах ноги вокруг оси бедренной кости см. фиг. № 88, уже был показан на фигуре № 89.

  

Для измерения моментов сил в бедренных суставах, возникающих при разведении ног в стороны (при выполнении абдукции) - см. фиг. № 71 придётся в соответствующих суставах использовать упругие промежуточные элементы и по два датчика - один будет измерять угол абдукции, другой момент сил возникающий в суставе.

Принципиальная схема такого сустава управляющего костюма, ответственного за выполнение абдукции, изображена на фиг. № 121:

   

   

Drawing # 121.

   
  

Где даны два изображения: левое – условное изображение вида спереди на жесткий набедренник (обозначен № 1) и привод.
На правом изображении, обведенной рамкой, - для наглядности показан вид сбоку на набедренник и ягодицу человека-оператора.

Для совершения абдукции (раздвижения ног в стороны) необходимо поворачивать набедренник вокруг оси, перпендикулярной ягодице – это хорошо видно на правом изображении фиг. № 121. Силовой привод – на левом изображении фигуры № 121 обозначен шестеренной „F”, заштрихованной косыми линиями, поворачивает промежуточную шестеренку „M” (ромбическая штриховка). Шестеренка M и набедренник находятся на одной оси, повороты набедренника вокруг которой позволяют совершать абдукцию. Но промежуточная шестерёнка и набедренник не находятся в жестком соединении - между ними расположена эластичная прокладка „E”. В суставе используются два датчика угловых перемещений. Один датчик угловых перемещений позволяет отслеживать: величину поворота набедренника относительно тела человека-оператора при выполнении им абдукции. Второй датчик угловых перемещений позволяет измерять угол между набедренником и промежуточной шестеренкой „М“ – человек-оператор осуществляя абдукцию посредством силового воздействия на внутреннюю поверхность набедренника вызывает деформацию эластичной прокладки „E“, поэтому величина угла между набедренником и шестеренкой „M“ изменяется. Таким образом, отслеживая с помощью датчика угловых перемещений изменение угла между набедренником и промежуточной шестеренкой „М“ можно определить (с учётом упругих характеристик прокладки „E“) величину момента сил, возникающих в бедренном суставе при выполнении абдукции.

  

Наиболее сложно измерить момент сил в бедренном манипуляторе при осуществлении махов ногой «вперед-назад», см. фиг. № 66.
По логике следовало бы во все суставы бедренного манипулятора кроме датчиков измерения углов вмонтировать и датчики, измеряющие моменты сил. Однако это слишком сложно.
Мы поступим иначе – можно вмонтировать только один датчик моментов сил (вместе с деформируемым упругим промежуточным элементом) в сустав
ε, а во всех остальных суставах бедренного манипулятора β, γ, δ разместим только датчики угловых перемещений при максимально жестком обеспечении задания значений углов в суставах β, γ, δ.
Таким образом, в бедренном манипуляторе используются 4 датчика измерения угловых перемещений в суставах
β, γ, δ, ε и один датчик момента сил в суставе ε при передаче усилия (задании угла ε в этом суставе) через промежуточный упругий элемент „Е“.
 Принципиальная схема приведена на фигуре № 122:

   

   

Drawing # 122.

   
  

Где показаны виды слева на бедренный манипулятор. Верхние изображение – крупный план, на нижнем изображении (обведенном в рамку) для наглядности показана тазовая область тела человека-оператора. Многие обозначения такие же, как и на фигуре № 57: шестеренка F – закреплена с возможностью вращаться на стержне J манипулятора – она осуществляет силовой привод промежуточной шестеренки M. Набедренник № 1 приводится во вращение шестеренкой M через промежуточный упругий элемент „E“. Таким образом, разместив в суставе ε необходимые элементы и датчики, можно определять как угол поворота сустава, так и момент сил, возникающих в нем.

 

В заключение данной заявки на изобретение остается рассмотреть вопрос сбережения здоровья  человека, управляющего роботом-аватаром.

Возможно возникновение ситуаций, когда человеку-оператору придется много часов подряд управлять роботом, например, при срочной ликвидации какой-нибудь техногенной аварии. Кроме того, промышленное применение роботов-аватаров предполагает его эксплуатацию не менее 8 часов за смену одним и тем же человеком-оператором. Поэтому имеет смысл позаботиться о сохранении зрения человека-оператора, длительно управляющего роботом.
Для этого в системе отображения визуальной информации - в очках виртуальной реальности, расположенных перед глазами человека-оператора, следует сделать переменный оптический фокус. Оптика виртуальных очков периодически должна немного менять фокусное расстояние таким образом, что человеку-оператору для того чтобы хорошо видеть приходилось бы немного напрягать или ослаблять мышцы глаз, ответственных за форму кристалликов. Дело в том, что если человек долго смотрит на предметы, расположенные от его глаз на одном расстоянии, например, на экран монитора (в нашем случае на экраны виртуальных очков), то внутриглазные мышцы, отвечающие за кривизну хрусталиков, переутомляются от статического напряжения. Это приводит к хроническому ослаблению мышц глаза и в результате у человека обычно развивается дальнозоркость. Поэтому, чтобы избежать статического переутомления глаз необходимо периодически заставлять человека посмотреть вдаль, для этого как раз и следует немного менять фокус оптической системы виртуальных очков и смещать экраны.

   



  

Продолжение будет