Содержание
Для чего нужны экзоскелеты?
В последнее время экзоскелеты из области научной фантастики перешли в разряд вещей, которые могут успешно применяться в реальной жизни.
Автоматические конструкции, предназначенные для восстановления утраченных или усиления имеющихся физических возможностей человека, состоят из прочного каркаса и приводов. Такие системы дублируют работу опорно-двигательного аппарата, рассчитывают усилия и безопасность движений.
Современные экзоскелеты делятся на два типа: пассивные и активные (силовые). Первые не имеют источников питания и работают благодаря усилиям оператора. Они не забирают на себя физическую нагрузку, а распределяют ее по телу пользователя. Активные конструкции функционируют за счет дополнительных двигателей. Эти модели имеют упор на земле, за счет чего позволяют человеку поднимать больше тяжестей.
Наиболее перспективные проекты экзоскелетов появились в 80-х годах 20 века.
В 90-е началось их производство в разных странах. Первые роботизированные костюмы были громоздкими, тяжелыми и неуклюжими, поэтому не находили широкого применения на практике. Однако уже к концу 1990-х-началу 2000-х годов появились действительно полезные разработки в области расширения человеческих возможностей.
В настоящее время большая часть экзоскелетов производится для медицины, армии и промышленности.
Один из самых известных медицинских экзоскелетов для поддержки и усиления ног человека – HAL (Hybrid Assistive Limb). Первый вариант этой конструкции был создан в 1997 году.
Экзоскелет HAL крепится к нижней части спины и ногам пациента. Он работает в несколько этапов: сначала человек задумывается о движении, которое хочет совершить, и его мозг посылает к мышцам необходимые нервные импульсы. Парализованный человек не может корректно их воспринимать, поэтому на помощь приходит HAL. Система считывает слабые биоэлектрические потенциалы с поверхности кожи пациента и интерпретирует движение, о котором он думает.
Некоторые модели HAL применяются не только в медицинских целях, но и в строительстве, промышленности, при проведении спасательных операций.
Тренировочный экзоскелет Ekso Bionic был разработан в 2005 году специально для парализованных людей. С его помощью пациенты, имеющие проблемы с опорно-двигательным аппаратом после перенесенного инсульта, повреждения спинного или головного мозга, заново осваивают алгоритмы ходьбы и переноса веса. Экзоскелет помогает совершать движения в разных режимах обучения (с разной скоростью), записывает каждую операцию для последующего анализа. Костюм крепится к обычной одежде, поэтому его использование не вызывает сложностей и занимает мало времени.
Экзоскелет HULC от компании Lockheed Martin применяется в военной сфере. Он увеличивает силу, скорость и выносливость солдат до непревзойденного уровня.
Гидравлическая конструкция из титанового сплава позволяет нести до 90 кг груза по пересеченной местности в течение нескольких часов без перерыва.
Компьютерное управление и встроенный источник питания обеспечивают максимальную мобильность устройства. Экзоскелет переносит вес груза на землю, обеспечивая солдата силами для продолжительного и быстрого перемещения в области возможных военных действий.
Благодаря усовершенствованной композитной конструкции HULC защищает нагруженный опорно-двигательный аппарат человека от повреждений, может повысить эффективность обмена веществ, уменьшить потребление кислорода и снизить вероятность утомления.
Промышленный «антиробот» PROSTHESIS – громоздкая машина, управляемая исключительно движениями человека. Конструкцию весом около 3,5 тонн и высотой 4,2 м пилот перемещает собственными усилиями.
Интерфейсы, крепящиеся к рукам и ногам пилота, передают его движения гидравлическим «конечностям» робота. Спустя время человек, управляющий экзоскелетом, начинает ощущать его как естественную часть тела, и при увеличении нагрузки на конечности робота ему становится труднее двигаться.
Антиробот «Простесис» наглядно демонстрирует возможности экзоскелетов. В ближайшем будущем уже несложно представить себе механизированных строителей, с легкостью перемещающих огромные грузы.
Большой, управляемый человеком робот Enryu предназначен для использования в чрезвычайных ситуациях. Конструкция высотой 3,45 и шириной 2,4 м оборудована семью 6,8-мегапиксельными видеокамерами, способна поднимать объекты весом до одной тонны с помощью гидравлических манипуляторов. Enryu – один из самых эффективных роботов для проведения спасательных операций.
Российская разработка для реабилитации пациентов с проблемами ног и спинного мозга – ЭкзоАтлет. Один из пилотов ЭкзоАтлета – параолимпийский чемпион по керлингу на колясках Виталий Данилов.
Промышленный экзокостюм Стаханов от пермских разработчиков призван увеличивать производительность труда в машиностроительной и строительной отраслях, а также при проведении аварийно-спасательных работ в 2-5 раза.
Пассивный экзоскелет от компании «ЭкзоАтлант» находится на стадии разработки. Предполагается, что он снимет до 40 % нагрузки со спины человека во время переноса тяжестей.
Основная преграда для начала производства и полноценного внедрения экзоскелетов – отсутствие таких источников энергии, которые позволили бы устройствам работать автономно в течение длительного времени.
Построено множество рабочих прототипов экзоскелетов, некоторые модели (например, XOS от компании Sarcos) спроектированы очень удачно, однако из-за отсутствия аккумуляторов достаточной емкости их широкое применение невозможно.
Не менее значимыми факторами, ограничивающими использование экзоскелетов, является сложность их обслуживания.
Роботизированные конструкции должны быть эргономичными, надежными и безопасными.
Надежность функционирования экзоскелетов зависит от качества сборки, применяемых материалов и технологий.
При конструировании большое внимание уделяется наиболее нагруженным узлам, в частности, регулирующим элементам.
Прямоугольные металлические пластины перемещаются в специальных пазах корпуса экзоскелета. Через сквозные отверстия они стягиваются в нужном положении шпильками.
Микроперемещения, которые неизбежно возникают между поверхностями пластин и корпуса, приводят к усиленному трению и износу деталей, возникновению скрипа при работе устройств.
Для предотвращения указанных проблем на регулировочные пластины наносят тонкий слой (не более 0.2-0.3 мм) специального твердосмазочного покрытия. Оно не выдавливается под воздействием высоких нагрузок и выдерживает многократные регулировки.
Износостойкость и длительный срок службы покрытий обусловлен свойствами твердых компонентов, входящих в их состав – чаще всего это дисульфид молибдена, ПТФЭ, графит, а также композиции из названных материалов.
youtube.com/embed/dLkilwkRcyM»>
Защитные покрытия отверждаются за 40 минут при нагреве. В отличие от обычных смазок, они не пачкаются и не оказывает токсичного воздействия на человека.
Фото регулировочных пластин до и после нанесения защитного состава на примере отечественного покрытия MODENGY 1014 смотрите ниже.
Рассмотрев особенности экзоскелетов, отметим, что эти технические устройства – не только инструмент для получения сверхсилы, но и последний шанс ходить для парализованный людей.
Роботизированные технологии помогают решить практически любые задачи в промышленности, строительстве и даже космосе. Однако на пути к массовому внедрению экзоскелеты должны преодолеть ряд проблем, особенно зависимость от внешних источников питания.
Специалисты рассчитывают, что в будущем эти устройства станут более доступными для обычных людей и обеспечат нам жизнь на новом технологическом уровне.
Возврат к списку
назначение, принцип работы и разновидности
Экзоскелет – это мобильный носимый механизм, который предназначен для восстановления функций человеческих конечностей и расширения их физических возможностей.
Сферы применения экзоскелетов расширяются. Самыми распространенными областями использования являются медицина, промышленность и военное дело.
Применение экзоскелетов в медицине: экзоскелет для инвалидов, экзоскелет для реабилитации
Разработка медицинских экзоскелетов имеет большую социальную значимость. Роботы-экзоскелеты позволяют в разы ускорить реабилитацию пациентов после перенесенных травм и операций, снизив риск развития осложнений.
Пациенты носят «костюм» несколько часов в день. Он обеспечивает снижение нагрузки и осуществление конечностями тех движений, которые самостоятельно человек сделать не может в силу комплекса причин.
Экзоскелет для инвалидов представляет собой особый тренажер, который удерживает тело человека в вертикальном положении, при этом приводя в действие механизмы, заставляющие обездвиженные конечности осуществлять простейшие движения.
Благодаря этому мозг пациента формирует определенную модель движения, которую по прошествии длительного периода обучения может начать воспроизводить самостоятельно.
Даже если экзоскелет для инвалида не справляется с задачей полного восстановления работоспособности конечностей, потерявших активность, обеспечение вертикального положения и возможность передвижения позволяют повысить качество жизни пациентов.
Промышленный экзоскелет
Промышленные предприятия внедряют экзоскелеты с целью предотвращения производственных травм, развития производственных заболеваний, а также для повышения выносливости и производительности труда работников.
Распространены пассивные устройства, которые снимают повышенную нагрузку с опорно-двигательного аппарата для минимизации риска получения травм, а также активные промышленные экзоскелеты, берущие на себя большую часть нагрузки и представляющие пользователям дополнительные возможности.
Боевой экзоскелет
В военной сфере роботизированные носимые комплексы позволяют повысить эффективность выполнения задач.
Боевые экзоскелеты являются частью экипировки солдат и повышают их скорость, ловкость, силу, выносливость, могут хранить в себе устройства для навигации, разведки и так далее.
Как правило, они представляют собой носимые роботизированные комплексы активного типа. Создаются устройства с переменным режимом работы в зависимости от необходимых в определенный период времени функций – активным и пассивным.
Механизм робота-экзоскелета
Основой конструкции экзоскелета является металлический или произведенный из легких прочных полимеров корпус.
Как правило, экзоскелеты для нижних конечностей производятся именно из металла. Хоть они и имеют вес, равный нескольким десяткам килограмм, пользователь этого не ощущает.
Приведение устройства в движение осуществляется при помощи электроники и системы датчиков, регистрирующих электрическую активность мышц.
Регулировочный механизм робота-экзоскелета позволяет менять его размер в соответствии с индивидуальными особенностями тела пользователя для повышения комфорта использования.
Увеличению доступности экзоскелетов во многом способствует внедрение материалов, повышающих срок их службы – антифрикционных твердосмазочных покрытий.
Такие составы уже успешно применяются отечественными компаниями по производству экзоскелетов. Они формируют на деталях экзоскелетов прочный слой, снижающий трение без необходимости обновления. Благодаря этому подвижные детали, которые обычно подвергаются самому интенсивному износу и первыми выходят из строя, функционируют столько же, сколько и остальные компоненты, а иногда и дольше.
Например, покрытие MODENGY 1066 наносится на регулировочные пластины экзоскелетов, поверхность которых при перемещении в процессе регулирования размера экзоскелета подвергается сильному трению и износу.
Применение материала позволило продлить срок службы пластин.
Кроме того, важным преимуществом твердой смазки является сухая текстура, нетоксичность и отсутствие испарений. Используемые ранее смазки пачкали одежду и части тела пользователей, а также оказывали негативное влияние на их здоровье из-за вредных испарений.
Для получения энергии активные экзоскелеты оснащаются источниками питания.
Многократное повышение силы пользователя активного экзоскелета достигается за счет сервоприводов, а также пневматики и гидравлики. Эти механизмы робота позволяют повысить прилагаемую силу воздействия оператора, а также увеличить выносливость (так как от человека требуются минимальные усилия).
Для стабильной работы экзоскелета без перекосов и оптимального распределения нагрузки механизм оснащается автоматическими контроллерами.
Механизм робота-экзоскелета пассивного типа основан на базовых законах механики. За счет рычагов и противовесов нагрузка оптимально распределяется между разными частями тела оператора.
Как работают экзоскелеты? — Левитация
28 января Как работают экзоскелеты?
Роботизированные экзоскелеты, впервые увиденные в научно-фантастических фильмах, теперь появляются в реальной жизни. Эта удивительная носимая технология уже используется в промышленности и медицине, а также тестируется военными. Технология завораживает. Всякий раз, когда люди слышат или читают об экзоскелетах, они становятся заинтригованными и любопытными, и им хочется узнать больше. Распространенный вопрос: «Как работают экзоскелеты?»
Машина, познакомься с человеком
Экзоскелеты — это носимые машины, расширяющие возможности людей, которые их используют. Как и в фильмах, экзоскелеты могут сделать своих пользователей сильнее.
Они могут оказать поддержку и уменьшить усталость. Они даже позволяют людям в инвалидных колясках вставать и снова ходить.
Экзоскелет и человек, который его носит, работают вместе. Это действительно встреча человека и машины с огромными преимуществами для человека.
Части экзоскелета
Экзоскелет содержит раму, охватывающую тело пользователя или часть тела пользователя. Каркас иногда изготавливается из твердого материала, такого как металл, а иногда из мягкого материала, такого как специальные ткани. Некоторые экзоскелеты содержат датчики, которые отслеживают движения пользователей и реагируют на них.
Существуют разные виды каркасов для экзоскелетов, а также разные способы их питания. Экзоскелеты могут быть моторизованными или механическими. Некоторые работают на электричестве, в то время как другие, которые не нуждаются в электроэнергии, предлагают своим пользователям больше свободы.
Экзоскелет Airframe от Levitate Technologies приводится в действие механически и не требует электричества.
Вместо этого он использует запатентованную систему шкивов для поддержки верхней части тела своих пользователей.
Как экзоскелеты работают в промышленности?
Экзоскелет Airframe предотвращает усталость верхней части тела. Это облегчает и делает более безопасным для рабочих использование рук для выполнения работы, особенно когда они работают с руками над головой или выполняют повторяющиеся движения. Экзоскелет фактически снижает нагрузку, которую рабочие должны использовать для выполнения своей работы, на целых 80 процентов.
Как это работает? Он снимает вес рук пользователей с шеи, спины и плеч и переносит его на ядро. Энергия, расходуемая работниками, распределяется более равномерно, что снижает напряжение и нагрузку на мышцы и суставы.
Airframe реагирует на движения руки пользователя, обеспечивая необходимую поддержку в любой момент. Система механических шкивов обеспечивает все большую поддержку по мере того, как пользователь поднимает руку.
Когда рука опускается, экзоскелет постепенно освобождает опору. Когда машина и человек работают вместе, движения рук рабочего кажутся естественными, но они гораздо менее утомительны.
Экзоскелеты планера в настоящее время используются квалифицированными рабочими как в автомобильной, так и в сельскохозяйственной промышленности. Компании, использующие Airframe, включают BMW, Toyota и John Deere. Рабочие, менеджеры и руководители в восторге от преимуществ, которые они получили от использования экзоскелетов. Чтобы узнать больше о том, что Airframe может сделать для снижения затрат, повышения производительности и предотвращения травм и инвалидности в вашей компании, свяжитесь с Levitate Technologies сегодня!
Что такое экзоскелеты и как они работают?
Экзоскелеты
часто изображают в фантастических фильмах, а теперь они используются и в реальной жизни. Они уже широко распространены в некоторых отраслях, таких как строительство и медицина, и их применение многочисленно.
Итак, для чего именно они используются? И как работают экзоскелеты? В этой статье мы рассмотрим некоторые экзоскелеты, которые используются в настоящее время.
Что такое экзоскелеты?
Pixabay — указание авторства не требуется
Экзоскелеты
— это, по сути, носимые машины, которые обеспечивают возможности увеличения человека. В зависимости от своей функции экзоскелет может быть изготовлен из твердых материалов (таких как пластик или металл) или мягких материалов (таких как ткань). Кроме того, некоторые из них могут быть моторизованными или электрическими, а другие просто механическими и без питания.
Чаще всего экзоскелет каким-то образом расширяет возможности владельца. Существует несколько применений экзоскелетов, в том числе:
- Увеличение силы и производительности.
- Снижение усталости.
- Минимизация травм.
- Оказание поддержки.
- Функция возврата (в случае паралича или травмы).
Как работают экзоскелеты?
В зависимости от типа и функции экзоскелета они могут работать по-разному.
Две широкие категории экзоскелетов — это механические и электрические экзоскелеты, которые мы опишем ниже.
Пассивные экзоскелеты
Пассивные экзоскелеты не имеют питания и функционируют преимущественно механически, перераспределяя вес с одной части тела на другую. Одним из распространенных способов их работы является перенос веса с рук и плеч на мышцы кора или ног. Таким образом, руки меньше устают, а вес распределяется больше, что снижает вероятность растяжения и травм.
Силовые экзоскелеты
С другой стороны, электрические экзоскелеты
могут повысить силу и функциональность владельца. Однако, поскольку для таких экзоскелетов требуется питание, они обычно тяжелее и громоздче, чтобы вместить аппаратное обеспечение и батареи. Они также нуждаются в подзарядке и могут иметь короткое время автономной работы, что может быть недостатком в быстро меняющихся отраслях.
Типы экзоскелетов
Уже используются различные экзоскелеты. Многие из них используются в строительной отрасли и предназначены для повышения производительности и безопасности рабочих.
Силовые перчатки
Силовые перчатки, такие как Bioservo Ironhand, обнаруживают действия пользователя с помощью датчиков в перчатке. Когда перчатка обнаруживает, что владелец собирается схватить объект, Ironhand увеличивает силу захвата владельца. Сила варьируется в зависимости от ощущаемого веса объекта.
Опора для верхней части тела
Экзоскелеты
, предназначенные для поддержки верхней части тела, перераспределяют вес с рук и плеч на другие части тела, включая корпус и ноги. Это снижает напряжение и усталость, связанные с работой над головой, такой как подъем, штукатурка, резка и сверление.
Обычно они работают за счет металлического каркаса, который окружает грудную клетку или ядро. От него металлический стержень (или другая технология распределения веса, такая как шкивы или пружины) проходит к рукам, обеспечивая противовес рабочей нагрузке.
Примером этого является экзоскелет планера Levitate Technology. В Airframe используется система шкивов, позволяющая снизить нагрузку на 80% при выполнении задач над головой.
Шкивы активируются, когда пользователь поднимает руки, и постепенно отпускают их, когда он их опускает. Другой пример — в здравоохранении, где прототип костюма используется, чтобы помочь медсестрам поднимать пациентов на кровати и вставать с них.
Приседание и поддержка стоя
Изображение предоставлено: TechCrunch/Creative Commons
Когда пользователь приседает, экзоскелет в нижней части тела фиксируется на месте, чтобы принять на себя вес его тела, так что его ноги и колени не должны выполнять никакой работы. Это также позволяет рабочим сидеть и снимать вес с ног, что важно для тех, кто стоит в течение долгих часов.
legX из костюма X является примером экзоскелета с поддержкой приседания. Он поставляется с индивидуальными рабочими ботинками и ремнями для инструментов и использует датчики для определения того, когда пользователь приседает, стоит или идет, обеспечивая поддержку по мере необходимости.
Полнотелые экзоскелеты
Полнотелые экзоскелеты, как следует из названия, обеспечивают поддержку всего тела.
Примером может служить костюм X, который снимает вес с владельца, когда он наклоняется, поднимает предметы над головой, приседает или просто стоит. В костюме X используются пневматические пружины и вспомогательные механизмы.
В настоящее время разрабатывается несколько экзоскелетов, обеспечивающих движение назад инвалидам и травмированным людям (например, людям с инсультом или травмами позвоночника, которые потеряли способность двигаться).
На самом деле уже существует несколько экзоскелетов нижней части тела, которые выполняют эту функцию. В медицинских учреждениях эти экзоскелеты с электроприводом позволяют пациентам снова нести свой вес и ходить. Некоторые из них работают, считывая активность мозга и переводя ее в движение (управляя экзоскелетом силой мысли).
Проблемы и ограничения экзоскелетов
Прежде чем экзоскелеты станут более полезными, дешевыми и распространенными, необходимо решить несколько проблем.
Источник питания
Для экзоскелета с питанием требуется источник питания.
Наличие кабелей, отходящих от экзоскелета, создает проблему безопасности и эффективности, поэтому гораздо больше подходят батареи. Но аккумуляторы требуют зарядки и частой замены. Батареи также значительно увеличивают вес экзоскелета, что может усложнить его конструкцию и эффективность. Это означает, что нам могут понадобиться значительные достижения в технологии аккумуляторов для жизнеспособных, мощных экзоскелетов.
Компания-разработчик экзоскелета
, Sarcos, работает над Guardian XO, который может работать при мощности менее 500 Вт (намного меньше, чем у большинства конкурентов) в течение более 8 часов, а его батареи можно заменить без выключения экзоскелета.
Материалы и вес
Еще одна серьезная проблема заключается в поиске прочных, но легких материалов, из которых экзоскелету не придется работать, чтобы поднять собственный вес, и при этом они будут доступными. Углеродное волокно и подобные материалы, как правило, достаточно прочные и легкие, но довольно дорогие.
Сталь, хотя и достаточно прочная, часто слишком тяжелая и снижает или разрушает эффективность экзоскелета.
Совместная гибкость и активация
Изображение предоставлено Командованием по развитию боевых возможностей армии США / Creative Commons
Наконец, экзоскелет должен двигаться вместе с человеческим телом и обеспечивать силу или поддержку. Это означает, что у него должны быть суставы, которые соответствуют диапазону движений человеческих конечностей (и позвоночника), но при этом достаточно мощные, чтобы выполнять свою работу. Это сложнее, чем кажется на первый взгляд!
Мягкие экзоскелеты намного лучше жестких экзоскелетов по гибкости, но обеспечивают гораздо меньшую поддержку (пока). И есть несколько технологий, используемых для обеспечения питания суставов. Одним из интересных примеров является пневматическая воздушная мышца, которая работает очень похоже на человеческие мышцы, за исключением использования сжатого воздуха.
Будущее работы
По мере того, как экзоскелеты становятся все более совершенными, мы, вероятно, увидим, что они станут гораздо более распространенными в нескольких отраслях.