Человек в футляре

Знакомьтесь - роботы!

При создании космических скафандров ученым и инженерам приходится думать не только о защите человека от смертельной опасности вакуума. Чтобы, как говорил Константин Эдуардович Циолковский, завоевать околосолнечное пространство, люди должны активно там действовать, работать, двигаться, монтировать установки, станции, жилые сооружения, управлять машинами и механизмами; космонавт, одетый в скафандр, должен чувствовать себя так же свободно, как человек, одетый в обычный костюм.

Решить эту проблему непросто. Раздутый воздухом скафандр препятствует движению рук и ног, пальцы рук в перчатках становятся малоподвижными - все это затрудняет выполнение многих рабочих операций. Обычные конструктивные мероприятия к эффективным результатам не приводят. Приходится использовать необычные пути.

Идея, положенная в основу одной из необычных конструкций, выглядит приблизительно так. Если космонавту, одетому в скафандр, трудно двигать руками и ногами, то, чтобы ему помочь, следует использовать внешние источники мощности - двигатели, которые бы изгибали костюм в нужном космонавту направлении.

Но непосредственно на костюме двигатели укрепить невозможно, значит, нужно построить специальный "футляр" с подвижными сочленениями, создать для космонавта как бы наружный скелет, на котором можно установить двигатели. Тогда "человек в футляре" будет легко наклоняться, двигать руками и ногами. В соответствии с этими движениями части "футляра" также будут изгибаться и поворачиваться, усиливая естественные движения человека, давая ему возможность легко обращаться с такими тяжестями, которые обычно непосильны человеку.

Такова вкратце идея устройства, которое получило название "экзоскелетон" и разрабатывается во многих местах. Уже на первых этапах исследований стало ясно, что невозможно сделать экзоскелетон, сравнимый в отношении подвижности с живой "конструкцией". Следовательно, первая задача состояла в том, чтобы на основе биомеханических исследований выбрать расположение, вид и число подвижных сочленений, согласующие требование максимальной подвижности с возможностью практического осуществления, а затем экспериментально проверить и уточнить выбранную кинематическую структуру.

Даже когда фактически решались только вопросы геометрии и кинематики, исследователи встретились с большими трудностями. Не вдаваясь в подробности, поясним на простых примерах, какие вопросы приходится решать при разработке устройств типа экзоскелетон.

Локтевой, коленный и другие суставы тела имеют сложное устройство. Головки костей, образующие их "кинематические пары", не просто шарниры с постоянной осью вращения. При относительных поворотах они перекатываются одна по другой, при этом мнимая ось вращения не остается неподвижной, а как бы перемещается по поверхностям контакта.

Принцип построения и геометрические свойства живых сочленений изучены мало. В экзоскелетонах, как и в манипуляторах, вместо таких сложных соединений применяют обычные шарнирные сочленения. Но если сочленения экзоскелетона движутся не совсем так, как естественные, значит, космонавт и его костюм будут двигаться по-разному. Не повредит ли это космонавту?

И наконец, пусть экзоскелетон изготовлен. Как его соединить с человеком? Как сделать так, чтобы эти соединения не мешали совместным движениям биотехнической системы? Как заставить двигаться футляр, чтобы его движения были мощными и быстрыми? Как разместить на экзоскелетоне двигатели, необходимые для приведения в движение всех подвижных сочленений?

Подобные и многие другие вопросы, решение которых представляет не только практический, инженерный, но и научный интерес, составляют содержание лишь одного из разделов исследований и работ, которые ведутся сейчас в ряде стран. В конечном счете оказалось, что можно построить экзоскелетон, который позволит человеку легко поднять полутонный груз и нести его со скоростью около 1,5 километра в час.

В одном из проектов, получившем название "Хардимен", оператор с надетой на него управляющей частью системы стоит внутри антропоморфной конструкции, состоящей из двух половин, соединенных в поясной части специальным разъемным устройством. Футляр воспринимает действие внешних нагрузок и свой собственный вес и повторяет все движения оператора, за исключением движений кистей, взамен которых у экзоскелетона сделаны захваты, примерно такие же, как у обычного манипулятора. 30 степеней подвижности оказывается достаточным, чтобы машина могла выполнить множество задач, связанных с подъемом, переноской, укладкой самых различных грузов. Однако сведений о реализации этого проекта в печати не было.

В романе "Борьба миров" Герберт Уэллс описывает фантастическую картину высадки на Землю марсиан, передвигающихся с помощью шагающих машин. Есть все основания думать, что эта картина рисует будущее, как говорят, с точностью до наоборот, то есть не марсиане сделают попытку освоить Землю и приспособить ее для своих нужд, а жители Земли начнут осваивать Марс. Почему бы землянам при этом не использовать шагающие полуроботы? А возможно, удобнее будет направлять их действия и поступки с большого или очень большого расстояния, так что люди при этом будут оставаться в безопасной зоне?

В последние годы предполагаемую область использования устройств типа экзоскелетон не ограничивают космосом. Есть сообщения о возможности на их базе строить шагающие манипуляторы, использовать их для подводных работ и исследований. Самое удивительное, что при этом фантазия начинает разыгрываться все больше не только у писателей-фантастов - людей, склонных в силу своей профессии представлять невозможное действительным. Ученые, инженеры, которым "по штату" положено фантазировать в самых скромных пределах, все чаше кажущееся невозможным делают практически осуществимым.

И.И.Артоболевский, А.Е.Кобринский, 1979 год