Страница 33 из 52
А между тем поиски продолжаются. Одно из направлений этих поисков привело к шагающим машинам — педипуляторам, приблизительно воспроизводящим движения нижних конечностей человека, стопоходящего животного. Создано много различных конструкций таких машин, использующих для передвижения принцип шагания вместо обычного перекатывания. Интерес к ним возник уже давно. Достаточно сказать, что теорией стопоходящей машины занимался еще в прошлом веке выдающийся русский математик П. Чебышев.
Какими соображениями руководствуются ученые и инженеры, обращаясь к шагающим машинам? В чем же иногда проявляются преимущества машин этого типа перед колесными и гусеничными?
При передвижении по неприспособленной поверхности принцип шагания позволяет при каждом шаге выбирать место, наиболее удобное, чтобы ступить ногой. Колесная и гусеничная машины оставляют за собой не пунктирный след стопы, а непрерывную колею, они не умеют переступать, перешагивать, и их нельзя этому научить. Глубокий след, остающийся за колесом или гусеницей, — результат уплотнения почвы — процесса, неизбежно связанного с затратой большого количества энергии. Стопа шагающей машины, как и стопа человека, тоже вдавливается в мягкую почву, и такое движение тоже сопряжено со значительным расходом энергии, однако опыты свидетельствуют, что расход ее меньше, чем у колесных и даже гусеничных машин.
Наряду с этими преимуществами шагающим машинам свойственны серьезные недостатки. Колеса и гусеницы машин движутся непрерывно, равномерно. Ноги же шагающей машины по отношению к ее корпусу, как и ноги человека по отношению к туловищу, движутся очень сложным образом. Поддержание такого движения требует затраты сравнительно большой энергии, при убыстрении его темпа быстро растут инерционные нагрузки. Шагающая машина не может и никогда не сможет двигаться со скоростью, хоть сколько-нибудь приближающейся к скорости колесной машины, это исключает целесообразность ее применения для движения по дорогам. Конструкция ноги шагающей машины, как и живой ноги, всегда оказывается сложной, она включает несколько подвижных сочленений, каждое из которых нуждается в независимом приводе.
Недостатки стопохождения — неизбежная плата за маневренность и подвижность. Человек легко и быстро поворачивается вокруг вертикальной оси, может прыгать на одной или двух ногах по ровной и неровной поверхности, по ступеням лестницы, не поворачиваясь, отходить назад или в сторону, может приседать, менять походку, переходить на бег, переступать и перепрыгивать. Удивительные возможности этого способа передвижения — вот что направило поиски инженеров, ученых и конструкторов в область стопохождения.
Изучались и изучаются способы передвижения, используемые различными животными и насекомыми, движущимися шагом, бегом и рысью, галопом и прыжками.
Поначалу движение прыжками казалось наиболее предпочтительным. Механизм прыгающей машины сравнительно прост: два неуравновешенных груза, вращающихся в противоположные стороны, развивают периодическую силу, действующую вдоль некоторой оси.
Направлением действия силы легко управлять путем дополнительного поворота грузов. Под действием периодической силы площадка, на которой установлены грузы и приводящий их во вращение двигатель, может прыгать вперед или назад; меняя скорость вращения грузов, можно регулировать длину прыжка. Все бы хорошо, но…
Кузнечик, оттолкнувшись от земли, крылышками поддерживает в полете равновесие и меняет направление и скорость движения, выбирая точку приземления. Кенгуру для этих целей использует хвост. Прыгающую машину при сколько-нибудь большой длине прыжка тоже надо было бы снабдить устройствами стабилизации и управления, чтобы она не кувыркалась в полете. Может быть, это и можно сделать, но тогда от ожидаемой простоты конструкции не останется и следа. Кроме того, чем выше и дальше прыжок, тем сильнее удар о землю; и чтобы спасти груз и машину от поломок, экипаж от увечий, ее нужно снабдить амортизацией, сравнимой с той, какую обеспечивают задние ноги кенгуру или кузнечика, блестяще приспособленные не только для отталкивания, но и для приземления. Поэтому движение прыжками осталось уделом некоторых конструкций механических трамбовок, медленно перемещающихся но обрабатываемой поверхности.
Чем отличается бег от ходьбы? При ходьбе все время хотя бы одна из ног находится в контакте с землей, а во время бега опорные периоды чередуются с безопорными; чем шире шаг, тем длиннее безопорный период. Бегущий человек не задумывается над тем, как поддерживать равновесие тела, как ускорять и замедлять бег, переходить на шаг, удлинять или укорачивать его, — все это он делает "автоматически". Но вот если попытаться построить машину бегающей, движущейся рысью или галопом, то над этим вопросом придется серьезно задуматься. Пока, насколько нам известно, дальше размышлений на эту тему никто не пошел.
Дорога поисков привела к машинам, передвигающимся не бегом или галопом, а неторопливым шагом. И тут возникает немало вопросов, связанных с попыткой в полном объеме воспроизвести походку стопоходящего существа. Чтобы в этом убедиться, поставим левую ногу немного впереди правой и затем сделаем всего лишь один шаг. Проследим, с какими действиями этот шаг сопряжен.
1. Прежде всего начинает двигаться туловище так, что центр тяжести тела перемещается вперед и немного влево, его вес переносится на левую ногу.
2. Правая нога начинает сгибаться в тазобедренном и коленном суставах. Вот уже правая пятка оторвалась от земли, оттолкнулся правый носок, сообщив телу движение вперед.
3. Теперь правая нога в воздухе. С разными угловыми скоростями сгибаются ее бедро и голень так, что, когда она оказалась впереди левой ноги, бедро и голень уже вытянулись в прямую линию и скорость их замедляется к моменту касания правой пяткой земли.
4. А движение тела продолжается, и в момент, когда правая пятка коснулась земли, его тяжесть начинает переносится на правую ногу (вперед и немного направо).
Так в грубых чертах и очень приблизительно выглядит механизм одного шага. Он сопряжен со сложнейшими движениями рук, туловища и головы. Причем все части человеческого тела движутся в различных направлениях, с различными амплитудами отклонений и различными скоростями. Искусственно воспроизвести такое сложное движение практически невозможно, и при попытках построить шагающую машину нет речи о том, чтобы повторить в ней весь механизм шагания человека или другого стопоходящего животного. Нога машины, как рука манипулятора, только приблизительно антропоморфна и, конечно, только в самом скромном объеме может воспроизводить двигательные функции естественной нижней конечности.
Шагающий грузовик
В детстве вы, наверное, пробовали ходить на ходулях. Длинная палка, к ней на некоторой высоте прикреплена опорная площадка для ноги — вот вся нехитрая конструкция ходули.
Оказывается, ходить на ходулях легче, чем стоять на месте. Новичок, чтобы сохранить равновесие, вынужден все время двигаться, хаотически переступая вперед и назад, смещаясь вправо и влево. Даже опытный "ходульных дел мастер" — цирковой артист, исполняя номера, связанные с поддержанием равновесия, непрерывно перемещается.
Можно усложнить конструкцию ходули, снабдив ее двухзвенным механизмом, имитирующим бедро и голень ноги. Связав две такие ходули общей площадкой, можно построить двуногий шагающий механизм. Для привода в движение механических ног можно использовать внешние источники мощности, например электро- или гидропривод, а за человеком оставить функции управления. В результате получится двуногая шагающая машина.
Все бы хорошо, но управление ею займет внимание оператора в течение всего периода пользования, независимо от того, движется он с машиной или пытается стоять на месте: он не сможет ни на секунду отвлечься от непрерывного балансирования. И пожалуй, самый главный довод против двуногих шагающих машин заключается в том, что если привод одной из ног внезапно выйдет из строя и это произойдет, когда вторая нога в воздухе, то катастрофа становится неизбежной,