Любой механический переключатель, будь то тумблер в настольной лампе или коммутатор токов в тысячи ампер на электрических станциях, работает по одному принципу: его металлические контакты замыкаются и размыкаются, переключая электрические цепи. И, казалось бы, в этой области электротехники ничего нового придумать нельзя. Однако инженерная мысль не стоит на месте: в городе Рыбинске Ярославской области разработали полиморфные переключатели, принцип работы которых отличается от «классического» и открывает перед проектировщиками систем управления новые возможности.

Команда разработчиков полиморфных переключателей перед зданием «Гиперкуб» в инновационном центре Сколково.

Полиджойстики с полиморфными переключателями. В каждой неподвижной рукоятке имеется набор миниатюрных джойстиков.

Внешний вид полиморфного переключателя. Его рукоятка — джойстик — производит давление на полимерную пластину, меняя её сопротивление. Встроенный микропроцессор измеряет параметры взаимодействия и передаёт данные в компьютер.

Виктор Орловский, член правления Сбербанка, тестирует полиджойстики на Международном экономическом форуме в Санкт-Петербурге, управляя механизмом в виртуальном пространстве.

Рассказывают генеральный директор научно-производственного предприятия «Тензосенсор» кандидат технических наук Владимир Никитин и его заместитель, главный конструктор Роман Белов.

Идею переключателя, который может выполнять сразу несколько функций, мы запатентовали в России в 2003 году. Затем её поддержал Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, известный как фонд И. М. Бортника. В 2008 году мы выиграли конкурс научно-исследовательских работ Министерства промышленности и торговли РФ, через два года победили в конкурсе Министерства образования и науки, а в 2011 году нас поддержал фонд «Сколково». Можно сказать, что наш проект появился на свет только благодаря конкурсной программе поддержки научных проектов. Такая методика давно и успешно применяется в странах Европы и в США. В нашей стране, при всех её огрехах и издержках, она тоже начинает работать и приносить замечательные плоды — новые технологии и изобретения. В России много талантливой молодёжи, и нужно создать условия для её нормального творческого и коммерческого роста.

Мы назвали наш многофункциональный переключатель полиморфным (от греческого слова «πολύμορφος» — имеющий много видов, форм), подразумевая широкий спектр его возможностей. Например, в один момент времени он представляет собой простой тумблер (выполняет функцию включён—выключен), в другой — становится переключателем на несколько позиций, а в третий — миниатюрным джойстиком. Менять эти функции можно непосредственно во время работы, то есть в реальном времени.

В полиморфном переключателе нет механических контактов. Он почти полностью сделан из эластичного электропроводящего полимера, сопротивление которого меняется при сдавливании (это так называемый тензорезистивный эффект), и весит меньше грамма. Давление на полимерную пластинку производит управляющая рукоятка типа джойстика. Встроенный микропроцессор измеряет угол её наклона, силу нажатия, величину электрического сопротивления и передаёт данные в компьютер.

Полиморфные переключатели можно использовать в качестве регуляторов освещения, мощности или скорости вращения электродвигателей, элементов компьютерных клавиатур, для управления различными устройствами, машинами и механизмами вплоть до космических аппаратов. В отличие от обычных переключателей, полиморфные могут реагировать на одиночные и двойные нажатия и отличают длинные нажатия от коротких, чего очень сложно достичь традиционными методами. Широкий набор функций необходим для работы в трёхмерных пространствах с несколькими степенями свободы, виртуальных и реальных.

Сейчас основной орган ручного управления сложными механизмами — это рычаг. Но рука слишком медленно реагирует на команду, посланную мозгом оператора, поэтому мы решили использовать не руку, а пальцы, которые раз в десять «шустрее». Например, рабочий ход рукоятки управления самолётом — около 150 мм, а рычажок полиморфного переключателя достаточно сместить пальцем всего на 8—10 мм. Вводить управляющие команды можно будет гораздо быстрее, что особенно важно при управлении высокоманёвренными и скоростными летательными аппаратами, вплоть до суборбитальной и космической техники.

Лётчики и космонавты в полёте испытывают огромные перегрузки, и для выполнения любого действия им требуется прилагать большую силу. Полиморфный переключатель требует значительно меньших усилий, чем традиционная рукоятка управления или штурвал самолёта, поэтому управлять аппаратом с его помощью станет легче. Теоретически с помощью полиморфных переключателей можно будет управлять летательным аппаратом даже при экстремальных (более 7,5 g) перегрузках, возникающих при манёврах на высоких скоростях в условиях воздушного боя, когда использовать обычные средства управления трудно либо совсем невозможно и при этом каждая доля секунды на счету.

Вообще говоря, чем длиннее рычаг, тем легче выполнять точные манёвры. Однако пальцы совершают движения намного точнее и быстрее, чем вся рука. Вспомним, как маленькие дети учатся рисовать: сначала ребёнок берёт карандаш в кулак, и его рисунок при этом получается грубоватый и неумелый. Но со временем дети осваивают мелкую моторику, начинают держать карандаш пальцами и рисуют уже гораздо точнее и аккуратней.

Чтобы убедиться в справедливости сказанного, попробуйте сами провести эксперимент: сидя за компьютером, наведите курсор мыши на какую-то точку в тексте на экране с помощью пальцев, как обычно, а затем сделайте то же самое, но двигая всю руку, а не пальцы. Результат лишь подтвердит предположение, что использование пальцев повышает не только скорость, но и точность. В качестве ещё одного примера можно упомянуть пианистов или гитаристов — они исполняют виртуозные произведения, перебирая струны или нажимая клавиши пальцами, держа руку практически неподвижно. Иначе и невозможно исполнить даже относительно простые мелодии, не говоря уже о сложных музыкальных шедеврах.

На основе работоспособных моделей полиморфных переключателей мы разработали принципиально новое средство управления — полиджойстик. Он выглядит как две неподвижные рукоятки, на которых размещены миниатюрные джойстики. Пилот держится за неподвижные ручки при манёврах, толчках и перегрузках и одновременно несколькими пальцами управляет сразу несколькими степенями свободы самолёта. Можно смело сказать, что на сегодня полиджойстик — самое функциональное и быстродействующее средство управления и ввода информации. На выставках мы демонстрируем управление с его помощью симуляторами космических и летательных аппаратов, харвестеров и реальным квадрокоптером. Поли-джойстик обеспечивает число степеней свободы, достаточное для того, чтобы командовать звеном беспилотных самолётов, группой роботизированных танков или комбайнов.

Переход от обычных рычагов и тумблеров к поли-джойстику требует переобу- чения. Но больших трудностей при этом возникнуть не должно, поскольку сама идея полиджойстика предполагает перепрограммирование под физиологические особенности каждого конкретного пилота. Иными словами, можно настроить систему управления персонально. Процесс освоения полиджойстиков, пожалуй, аналогичен переходу на автоматическую коробку скоростей после длительного вождения автомобиля с механической системой переключения передач. Первое время рука водителя непроизвольно тянется к ручке коробки скоростей, но потом всё приходит в норму, и он уже не отвлекается от наблюдения за дорогой и вождения.

На сегодня самая многообещающая область применения полиморфных переключателей — интерфейс «человек-компьютер». Ведущие разработчики операционных систем не могут создать трёхмерный интерфейс только потому, что невозможно эффективно и удобно управлять объёмными изображениями так, как это делают компьютерной мышью в плоских «окнах» Windows и прочих операционных систем. Полиджойстики и полиморфные переключатели позволяют создать очень простые средства для управления виртуальными объектами в трёхмерном пространстве.

Сконструированный нами полиморфный переключатель — это базовый элемент, на основе которого можно создать практически любое коммутационное устройство или систему управления. Некоторые эксперты считают, что полиджойстики станут неотъемлемым элементом управления всех наземных, космических и летательных аппаратов будущего до тех пор, пока не появятся нейроинтерфейсы, с помощью которых операторы будут осуществлять их управление силой своей мысли.

Справедливости ради нужно сказать, что мы не единственная компания в мире, которая создаёт системы управления на новом принципе. Похожая разработка, которая называется EasyPoint, есть и у австрийской фирмы «Ams». Это двухмерный датчик линейных перемещений на основе сенсоров магнитного поля (датчиков Холла) и постоянного магнита. Характеристики этих датчиков в чём-то даже лучше наших полиморфных переключателей. Например, его изготавливают в виде единого модуля на пластине из монокристалла полупроводника, поэтому его размеры и вес ещё меньше нашего полиджойстика. Но эти преимущества нельзя назвать безусловными: скажем, миниатюрность датчиков EasyPoint в некоторых ситуациях может оказаться скорее помехой. Они слишком чувствительны к внешним магнитным полям и вибрации, а их миниатюрные магниты со временем ослабевают. Кроме того, в системах из нескольких датчиков поля магнитов влияют друг на друга, и, как следствие, в управляющий сигнал вносятся искажения. По сути, датчик EasyPoint — это просто движковый двухкоординатный регулятор: управляющие команды вырабатывает в нём не наклон ручки-джойстика, а сдвиг управляющей кнопки в одну из сторон от центра на 0,7—3 мм. При столь малых величинах перемещений начинает сказываться так называемый статический тремор (непроизвольные движения) пальца с амплитудой 0,3—0,7 мм, что вызывает ложные срабатывания систем управления.

Полиморфные переключатели лишены всех этих недостатков; они проще по конструкции и дешевле в производстве, не требуют дорогих технологий и импортного оборудования, делать их можно целиком из отечественных компонентов и материалов (что особенно важно для оборонного производственного комплекса).

Собственного производства НПП «Тензосенсор» не имеет, он занимается только научно-исследовательской деятельностью, а изготовление разработанной продукции заказывает другим предприятиям (в современных условиях это дешевле и быстрее, чем создание собственного производства). Нашими разработками уже интересуется ОАО «Смоленский завод радиодеталей», выпускающий продукцию для авиационной, промышленной и бытовой аппаратуры. В ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро», которое занимается разработкой бортового оборудования для самолётов и вертолётов, считают наши переключатели вполне подходящими для их систем управления. Но, как всегда, инновации в России внедрять чрезвычайно сложно, особенно в авиации и космонавтике. Это закрытые структуры, где все друг друга знают и привыкли опираться на собственные силы. Чтобы там что-то внедрить, разработчик со стороны должен преодолеть мощные психологические и технические барьеры. Поэтому очень большое значение имеют рекомендации, авторитет компании, человеческие контакты. И помощь в этом нам оказывают эффективная система управления фонда «Сколково», команда кластера «Космос» и её руководитель, член экспертной сети ОАО «РВК», космонавт Сергей Александрович Жуков.

Недавно наша компания выиграла конкурс «Стань первым в Сколково». Победители этого конкурса награждались правом стать первыми резидентами, получившими офисные площади в Гиперкубе, первом здании иннограда, открытом в сентябре.

***

Словарик

Датчик Холла — полупроводниковый прибор, преобразующий индукцию внешнего магнитного поля в электрическое напряжение. Работает на основе эффекта Холла — возникновения в твёрдом проводнике с током, помещённом в магнитное поле, электрического поля, направленного перпендикулярно как индукции магнитного поля, так и распространению тока.

Квадрокоптер — тяжёлый грузовой вертолёт (или его модель) с четырьмя несущими винтами.

Тензорезистивный эффект (пьезосопротивление) — изменение проводимости (электрического сопротивления) вещества под действием деформации, созданной внешним механическим воздействием. Основная характеристика вещества — коэффициент тензочувствительности: отношение изменения электрического сопротивления к величине деформации (в относительных величинах).

Харвестер — мощный колёсный или гусеничный механизм для работы на лесосеках, который спиливает деревья и аккуратно укладывает их в штабель.

№12, 2012