В наше время широкое применение нашли электрические и пневматические приводы для роботов. Как бы совершенны не были данные механизмы, человеческие мышцы превосходят их по быстроте действия, а также удельной мощности. Поэтому традиционные способы совершения работы механическими приводами нельзя считать совершенными. Для замены известных решений приводящих устройств, более совершенными механизмами приводов, повторяющих характеристики органических мышц было выдвинут ряд нетривиальных решений [2].

В данной статье рассмотрены новые открытия и решения в области «искусственных мышц», используемых для произведения механической работы. Целью данной работы является, анализ основных из известных искусственных аналогов мышц, а также перспективы их развития.

Основным ограничением функциональности органических мышц является необходимость в постоянном подведении новых химических компонентов и износ материала во времени. Клетки живой материи обладают возможностью постоянного обновления, потребляя химические компоненты как для самого обновления, так и непосредственно для совершения механического движения. В механике робототехнической системы такую реализацию обеспечить сложно.

Несомненно, крайне малое значение инерционности обеспечивает перспективу в развитии искусственных мышц как приводов робототехнических систем и комплексов. Полимеры являются основным материалом для изготовления искусственных мышц на современном этапе развития науки и техники. Они обладают большим запасом цикличности и не требуют жестких условий по нагреву материала для перехода из одного фазового состояния в другое и завершения одного цикла работы, как это требовалось в ранних экспериментах с материалами обладающих памятью формы (речь идет о никель-титановых сплавах, в частности NITINOL – NiTi Naval Ordnance Laboratories).

Первопроходцем в развитии полимеров как материала для искусственных мышц является доктор Йозеф Бар-Коэн из лаборатории реактивного движения NASA, который создал электроактивные полимеры (ЭАП). Он создал два типа искусственных мышц [1]:

1. Полимерная лента, которая содержит в себе углерод, кислород и фтор. Меняя распределение зарядов на поверхностном слое ленты посредством пропускания электрического тока можно добиться изгибания ленты. Меняя конфигурацию полимерных лент возможно практически неограниченно изменять сложность и вариабильность механических перемещений.

2. Пластины ЭАП выполненные в виде свернутых в трубочки. Осуществление полезной работы производится путём сжатия и растяжения трубочки с деформацией эластичной сердцевины под действием электрического тока.  .

Первый тип мускул нашёл применение в манипуляторе верхней конечности компании из США Environmental Robots Incorporated. Он содержал две пластины выполняющих роль привода, собранных из полимерных лент. Второй тип искусственных мышц NASA внедряет в перспективные модели планетоходов.

Компанией Artificial Muscle, были разработаны приводы в основе которых лежали полимеры – EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle). Развитие вышеуказанных технологий может привести к созданию “искусственных мышц” превосходящие по характеристикам органические мышцы. На данном этапе развития максимальным развиваемым усилием однослойной полимерной искусственная мышцы на основе технологии EPAM является усилие равное 0,5 ньютона. Путём комбинирования слоёв полимера, можно получить исполнительные механизмы, развивающие усилие в несколько десятков раз большее по сравнению с одной полимерной лентой. На данном этапе развития, подобные устройства находят применения в механизмах фокусировки современных оптических систем заменяя собой шаговые электродвигатели. Продукт Artificial Muscle обладает высоким уровнем быстродействия и ресурсом работы, позволяя совершить до 17 тысяч циклов сжатия-растяжения в секунду изменяя свою длину в 3,8 раза [3,4].

Выполнив анализ перспективных разработок в области перспективных видов полимерных приводов, можно сделать вывод, что данная область науки «шагнула» далеко вперед, и в скором времени человечество ждет обширное внедрение данных технологий в области робототехники и протезирования.

Современный мир устроен так, что уже с детских лет маленький человек должен свободно владеть высокотехнологичными продуктами и технологиями. Магазины переполнены игрушками с дистанционным управлением, которые нужно программировать, по торговым центрам передвигаются роботы, большинство производств заполонили так же те самые роботы, все эти электронные «гаджеты» в основном управляются при помощи дистанционных ручных и мобильных пультов. Люди давно оценили преимущества дистанционно-управляемой техники, успешно и с удовольствием ее эксплуатируют [2].

Целью данной статьи является поиск и обзор новых разработок в направлении дистанционных систем управления применяемых как в производственных процессах, так и для управления мобильных роботов и робототезированных систем.

Системы управления можно разделить на две большие группы: к первой относятся системы, которые после обучения определенное время работают автономно, т. е. без участия оператора; ко второй группе относятся системы, в которых непосредственное участие в управлении роботом принимает сам человека. Подробно рассмотрим вторую группу. Чаще всего эти системы используют, когда не определены условия работы, необходима текущая коррекция движений, сопровождаемая анализом ситуации, и когда требуется профессиональный и жизненный опыт человека. Данный вид системы управления называют эргатическими (человеко-машинными) манипуляционными системами. Так как интеллектуальные системы часто являются дорогостоящими, для экономической выгоды, преимущественно используют ручное управление. Область применения дистанционно управляемых систем, при помощи оператора, обширна. Это такие сферы как: подводная, атомная, аэрокосмическая, электротехническая, военная и т.д. [1].

Перечень новейших дистанционных устройств управления и описание их принципа действия.

Не так давно на промышленной выставке в Ганновере, немецкая компания «Festo» продемонстрировала свою новую разработку (рис.1) – необычную перчатку, с помощи которой можно производить дистанционное управление роботизированной рукой.

Управление манипулятором при помощи обычных пультов управления или контроллеров не всегда бывает простым и удобным, а к тому же, если манипулятор антропоморфен, то задача становится архи сложной, для этого требуется оператор высокой квалификации. Ученые компании «Festo» показали общественности свои изобретение, которое решает проблему управления, устройство ExoGlove. Выполняя не сложные движения рукой в перчатке (сгибание и разгибание, перемещение в пространстве), необученный человек может без особых трудностей управлять на расстоянии роботизированной рукой ExoHand.

Рис. 1 Разработки компании Festo (ExoGlove и ExoHand)

Еще одну разновидность системы дистанционного управления изобрели ученые из университета Беркли (Калифорния) – сенсорную перчатку, в основе которой служат несколько акселерометров (по одной штуке на пальце и один на ладони). Данные датчики, реагируют на все движения совершаемые рукой, на которой находится устройство. От них на компьютер поступает оцифрованная информация при помощи беспроводной связи. Обработав полученные показания, ЭВМ вычисляет координаты положения устройства в пространстве, характер и вид передвижения, что позволяет понять какой жест сделал человек.

Применение данной сенсорной перчатки позволяет использовать её как компьютерную мышь (стрелка следует в то место, куда показывает рука); вместо клавиатуры. Так же виртуализации можно подвергнуть множество других приспособлений, которые повсеместно в своей жизни использует человек.

Ученые и специалисты из университета Ньюкасл и компании «Microsoft Research», изобрели устройство Digits (рис. 2), отличительной особенностью которого является отсутствие акселерометров и актуаторов. За основу данной конструкции была взята технология камер Kinect. Этот прототип включает в себя такие компоненты как: инфракрасная камера и лазерный проектор, закрепленные на запястье, с их помощью считывается вся информация о перемещениях пальцев и руки.

Возможности устройства обширны и главное ее особенностью является то, что систему легко носить с собой, так как она не требует дополнительной внешней инфраструктуры [3-7].

 Рис. 2 Компоненты устройства Digits

Вывод

Современная техника (вне зависимости робот это или горная машина) – это сложная техническая система, для управления которой нужен специально подготовленный человек-оператор. Уровень технической части за последнее время значительно вырос, что привело к усложнению управления данными объектами. Для того чтобы упростить этот процесс нужно внедрять новые разработки в этой области, которые позволят сократить время и затраты на обучение оператора.

Для снижения аварийности и несчастных случаев на горном производстве необходимо детальное изучение проблем связанных с эффективностью управления горной машины. Данные требования повлекли за собой необходимость использования математических моделей для описания деятельности системы человек-машина.

Описание в виде математических моделей динамики поведения оператора является одной из задач исследования подсистемы «человек-экскаватор».

Опираясь на научные труды [3,4] разработана структурно-функциональная схема модели «человек-машина» (рис.1), описывающая процесс управления карьерным экскаватором. Совместное использование данной схемы и математическими зависимостями, задав определенные параметры, можно определить след показатели: безошибочное выполнение работы оператора [3], экспертную оценку деятельности операторов [1] и т.д.

Рис.1. Функциональная схема системы человек – машина

Разработанная модель разделена на два блока. Первый (рис.2) – модель управления экскаватором, который включает в себя: органы управления, перемещение (динамика) ковша и экскаватора в пространстве и показания приборов с внешней обстановкой объекта управления. Оператор, за один цикл работы машины совершает ряд операций, такие как: черпание грунта или горной массы (гм); выведение ковша с грунтом из забоя; перемещение ковша к месту разгрузки; разгрузка ГМ из ковша в отвал или в транспортное средство; перемещение ковша в забой.

 Рис.2. Модель управления ЭКГ-5А

Второй блок (рис.3) – это модель «оператор-экскаватор». За рабочий цикл оператор экскаватора контролирует множество параметров, основными из которых являются: контроль взаимодействия ковша с забоем; контроль над незапланированным обрушением верхней кромки забоя и наличием негабарита; правильность подъезда транспорта и полнота его загрузки; контроль за местоположением транспорта и появлением посторонних объектов; контроль за основной информацией, отображаемой на пульте управления; правильность закрывания и открывания днища ковша;

Рассматриваемый блок построен при упоре на перечисленные параметры. Модель описывает состоит из трех процессов:

- процесса сбора информации, который включает обработку информации и ее восприятие оператором;

- процесса создания образа движения, который в свою очередь включает в себя оценку состояний происходящих процессов, вследствие которого составляется прогноз движения;

- составленный и спрогнозированный образ движения экскаватора сравнивается с эталонным, и на основе этого в последнем процессе – процессе управления вырабатывается и осуществляется управление.

Для выполнения всех перечисленных процессов оператор должен быть обучен, иметь навыки в восприятии информации, в формировании образа движения и управления. И чем выше уровень подготовки оператора, тем эффективней и быстрей он будет выполнять данные действия [5].

Рис. 3. Модель человека-оператора ЭКГ-5А

Для создания и разработки методик обучения и тренировки операторов, должны быть учтены и исследованы множество параметров, которые влияют на рабочий процесс. Кафедра горных машин и транспортно-технологических комплексов МГТУ им. Носова, ведет научные и практические исследования в этом направлении, и получила положительные результаты (например [6-9]), на основании которых планируется создание новых обучающих комплексов для персонала горной промышленности.

Можно сделать вывод, что использование функционально-структурной схемы при изучении работы оператора экскаватора позволяет повысить надежность и эффективность человека при управлении сложными техническими системами.

Следует отметить, что процент износа основных фондов в горнодобывающей промышленности достаточно высок. Воспроизводство, которых в последние годы проводилось в основном за счет интенсивных закупок импортного оборудования. В качестве инструментов по реализации стратегии импортозамещения – это реанимация производственных баз и научно – конструкторских школ, с целью создания новых образцов горного оборудования, лучше приспособленных к специфическим условиям России, более надежных и дешевых.

Карьерный экскаватор – это основная машина для добычи полезных ископаемых открытым способом. С развитием горного производства меняются условия, организация и характер производственной деятельности машинистов карьерных экскаваторов. Но ряд проблем остается нерешенными: недостаточная оценка труда машинистов; неупорядоченность потоков информации; медленное и слабо обоснованное внедрение информационно-диагностических систем; отсутствие либо недостаточное использование учебно-тренировочных устройств и др. Поэтому задача согласования параметров технического объекта с возможностями человека до сих пор остается актуальной [2-4].

Вопросы, связанные с эргономикой, могут быть решены путем реализации следующих мероприятий:

1) конструирование и проектирование новых машин с учетом современных требований к производству и эргономике рабочих мест;

2) обеспечение автоматизации управления эргатическими системами на рабочих местах с целью активизации человеческого фактора и повышения производительности труда, а также получение надежной первичной информации, в том числе по оценке результатов деятельности;

3) использование и внедрение на рабочих местах ресурсосберегающих технологий.

Карьерный экскаватор, управляемый машинистом, это сложная техническая система, где человек-оператор является главным звеном в замкнутом контуре управления.

Разработана многофакторная модель подсистемы «машинист-экскаватор», в которой учтены основные принципы, такие как: систематизация факторов с помощью математического аппарата и создание многофакторных моделей; определение характеристики показателей и выделение их весомости; разработка систем связи поэлементного взаимодействия; разработка траекторий управления на основе целевой функции.

Модель характеризуется:

ЭУЭ=f{К_техн,ТС_экс,К_эрг,П_эф},

где ЭУЭ – обобщенный показатель эффективности эксплуатации и управления подсистемы «машинист-экскаватор», К_техн – комплексный показатель технических характеристик экскаватора, ТС_экс – показатель текущего технического состояния экскаватора, К_эрг – обобщенный эргономический показатель, П_эф – комплексный показатель эффективности и продуктивности труда машиниста (рис. 1) [1].

Рис. 1. Многофакторная модель подсистемы «машинист-экскаватор»

В условиях повышенной конкуренции рынка горного оборудования акцентируем основное внимание на вопросах эргономического обеспечения экскаваторной техники на стадии ее проектирования. Управление эргономическими параметрами карьерных экскаваторов целесообразно осуществлять с использованием комплексной оценки структуры показателей управляемости, обитаемости, обслуживаемости и осваиваемости [5,6].

При модернизации и проектировании техники, важно заранее учитывать все возможности и особенности людей. Конструкция горных машин и отдельных элементов должна быть приспособлена для быстрой подготовки к работе, монтажу, техническому обслуживанию и ремонту.

На стадии проектирования горных машин практическое использование результатов эргономики заключается в формировании ориентированных на человека – машиниста свойств. Объектами эргономики при проектировании являются процесс и средства производственной деятельности. В результате должны быть определены рациональные производственные функции, которые будет выполнять человек – способы реализации этих функций и характеристики информации [7,8].