Как работает экзоскелет: основные виды и обслуживание устройств |

Содержание

основные виды и обслуживание устройств

Экзоскелет – это изделие робототехники, предназначенное для расширения физических возможностей человеческого организма, снижения нагрузки на опорно-двигательную систему пользователя и восполнения утраченных функций конечностей.

Первые экзоскелеты для помощи людям при ходьбе были разработаны в конце 1960-х годов. За несколько десятилетий сферы применения данных устройств существенно расширились, модернизировалась конструкция «костюмов», было налажено серийное производство изделий.

Экзоскелеты делятся на активные и пассивные.

Активные экзоскелеты – это устройства, увеличивающие физические способности пользователей, их скорость, выносливость, силу. Они помогают людям поднимать и перемещать тяжелые грузы, увеличивают скорость движения и реакции, позволяют передвигаться по любой местности. Благодаря разнообразным датчикам, установленным в конструкцию экзоскелета, собираются данные о состоянии человека, изменении окружающих условий.

Благодаря усовершенствованной аппаратуре устройство повторяет биомеханику движения человека и учитывает его анатомические особенности.

Такой аппарат имеет большой вес, который уменьшает маневренность пользователей, а также непродолжительное время работы без подзарядки из-за небольшого объема аккумуляторов.

Пассивные экзоскелеты – это рычажно-шарнирные установки, не оснащенные электроникой, которые используются для снижения нагрузки на опорно-двигательную систему человека. Дополнительных физических способностей они не придают, однако минимизируют риск получения травм в процессе выполнения человеком сложных операций.

В России экзоскелетные комплексы разрабатывают такие компании как «ЭкзоАтлет», «Exorise», «Экзомед» и другие.

Для повышения срока службы экзоскелетов производители применяют инновационные смазочные материалы вместо традиционных пластичных и жидких смазок.

Благодаря этому предотвращается необходимость обслуживания узлов трения изделий, увеличивает срок службы механизмов, обеспечивается защита деталей от коррозии.

Примером служит нанесение на регулировочные пластины, элементы подъемных механизмов и другие узлы трения антифрикционных твердосмазочных покрытий MODENGY. Эти материалы реализуют технологию твердой смазки и образуют на поверхности деталей устойчивый износостойкий слой.

На регулировочные пластины наносят покрытие MODENGY 1066 на основе дисульфида молибдена и графита.

После полимеризации оно не пачкает одежду пользователей и не выделяет токсичных испарений, поэтому полностью безопасно для здоровья людей.

Сегодня экзоскелеты используются в самых различных областях. Наибольшее количество изделий производится для военной, медицинской, промышленной областей.

Экзоскелет военный

Экзоскелеты сегодня являются одной из составляющих боевой экипировки военнослужащих.

Они помогают бойцам в осуществлении военных операций, перемещении грузов, разминировании.

Экзоскелеты повышают выносливость военного, позволяют ему передвигаться со скоростью до 20 км/ч, осуществлять прицельный огонь одной рукой.

Военные «костюмы» оснащаются съемными модулями, которые используются в зависимости от целей спецоперации. Для обеспечения длительного нахождения бойца в холодном или жарком климате экзоскелеты наделяются аппаратами подогрева либо, наоборот, охлаждающими устройствами.

На поверхности экзоскелетов размещаются датчики, следящие за состоянием пользователя и собирающие информацию из окружающей среды для облегчения ориентирования на местности.

Экзоскелет промышленный

На промышленных предприятиях обычно используют пассивные экзоскелеты. Они предохраняют опорно-двигательную систему работников от повреждений.

Благодаря применению пассивных устройств пользователи могут легко выполнять операции, требующие больших усилий, при этом не уставая.

Некоторые активные промышленные экзоскелеты работают по принципу «третьей руки». На набедренный шарнир крепится устройство, в которое помещается какой-либо инструмент.

Активные экзоскелеты также помогают работникам в перемещении грузов, сборке металлоконструкций и других операциях, в которые включается работа с тяжелыми изделиями.

Экзоскелет для медицинской реабилитации

Медицинские экзоскелеты применяются для облегчения и ускорения реабилитации пациентов после перенесенных травм и болезней, сложных операций и тд.

Они позволяют пользователю передвигаться и удерживать вертикальное положение, за счет чего улучшается циркуляция крови, восстанавливается обмен веществ и ускоряется выздоровление.

Благодаря занятиям с экзоскелетом снижаются болевые ощущения, обеспечивается профилактика осложнений.

Данные устройства оснащаются источниками питания, могут управляться с помощью смартфона. Пациенты применяют экзоскелет несколько часов в день.

Экзоскелет для человека с ограниченными возможностями

Отдельный вид медицинских экзоскелетов – устройства для людей с ограниченными возможностями.

Такие аппараты оснащаются множеством датчиков, которые считывают нервные импульсы и предугадывают намерения человека.

Экзоскелет для человека с ограниченными возможностями позволяет ему ходить, поднимать и сгибать конечности, сидеть и стоять, передвигаться по лестнице.

Возврат к списку

Студент ИТМО разработал активный экзоскелет, в котором можно без труда поднять до 80 килограммов

Студент факультета систем управления и робототехники Университета ИТМО Алексей Ледюков создал экзоскелет, который в перспективе сможет поднимать до 80 килограммов. При этом сам костюм получился довольно легким: в нем можно активно двигаться и даже бегать. В интервью ITMO.NEWS Алексей рассказал, как, еще будучи школьником, сделать свой первый экзокостюм в гараже из проволоки и чем разработка может быть полезна МЧС и страйкбольным фанатам.

— Расскажи, пожалуйста, как вообще появилась идея создать экзоскелет.

— Еще с восьмого класса я увлекался робототехникой — сам сделал радиоуправляемый танк. А потом захотел сконструировать что-то более сложное и решил попробовать сделать экзоскелет. Начал смотреть ролики на YouTube, сделал макет из бумаги. Мне помогал дедушка — с ним мы в гараже сварили первый каркас из проволоки. Вручную делали каждую деталь, замеряли, ставили метки маркером, потом приваривали. И так, постепенно, собирался первый «Франкенштейн». У того костюма везде были сварочные швы, так что смотрелся он жутковато. К тому же экзоскелету не хватало жесткости, так как он был сделан из вязальной проволоки. Когда я его разобрал, то увидел, что спина из-за нагрузок выгнулась.

Я учел эти ошибки при разработке второго костюма — усилил каркас, добавил новые точки подвижности. Всего с дедушкой мы сделали два варианта, я конструировал как пассивные, так и активные экзоскелеты. Сейчас я разрабатываю уже пятый активный костюм.

— А что представляют собой активные и пассивные экзоскелеты? Чем они отличаются?

— Активный экзоскелет совершает какую-то работу, он оснащен дополнительным источником энергии, за счет которого костюм и помогает человеку. Такие костюмы есть, например, в армии и на промышленном производстве. А пассивный костюм разгружает и лишь частично переносит вес, который берет на себя человек.

У существующих активных экзокостюмов есть проблема — они очень малоподвижны. Человек не может, например, бегать в промышленном костюме, он даже ходит в нем с трудом, поскольку конструкция очень массивная.

— Какой первый груз ты поднял, когда сконструировал свой экзоскелет? Какие были ощущения?

— Это был свинцовый аккумулятор для машины, он весил около 15–20 килограммов. Тяжесть, конечно, немного ощущалась, но основную нагрузку костюм брал на себя. Вообще, в экзоскелете чувствуешь себя примерно так же, как когда ты ведешь машину. Например, если какая-то гайка не закручена, ты тут же это ощутишь.

— В ИТМО ты поступал с этим проектом? Или только потом рассказал, что у тебя есть свой экзоскелет в шкафу?

— Еще учась в школе, я участвовал в Балтийском научно-инженерном конкурсе, Geek Picnic, учился в Академии цифровых технологий. Когда пришло время поступления в вуз, я выбирал между ИТМО и Политехом. В ИТМО проект заметили и пригласили меня, в итоге это и определило мой выбор.

— Каким был костюм тогда и что он представляет собой сейчас?

— У второго варианта экзокостюма было два главных недостатка — большой вес и малая подвижность в тазовой части. Поэтому я начал проектировать новый вариант, освоил 3D-моделирование.

У следующего прототипа уже можно было менять размер, подгонять его под определенного человека, были добавлены дополнительные оси вращения в спине, тазовой части, плечах. Костюм уже не сковывал человека, но по-прежнему был тяжелым из-за использования стального каркаса.

Третий вариант весил под 100 килограммов. А тот, что я разрабатываю сейчас, в собранном состоянии будет весить 40―45 килограммов. За счет уменьшения габаритов и использования композитов мне удалось снизить вес почти наполовину.

— Из чего сейчас состоит конструкция?

— Корпус сделан из углепластика, пневмопоршни — из стали и алюминия, подшипники — из закаленной стали. Держатели и закрывающие элементы выполнены из латуни, АБС-пластика и стеклопластика.

— Какие планы по дальнейшей модификации?

— Новая версия будет более эргономичной и технологичной. Раньше все формы печатались на 3D-принтере, затем сверху вручную наматывался углепластик и все это обрабатывалось бурмашиной. Новую модель мы планируем сделать с помощью литья. Создадим силиконовую форму, а в нее зальем двухкомпонентный пластик, армированный углеволокном.

— Расскажи подробнее, как работает костюм. Что ощущаешь, поднимая, например, 20-литровую канистру с водой?

— Когда человек поднимает руку или ногу, то срабатывают резистивные датчики давления, расположенные в определенных местах. Именно по ним вычисляется скорость и направление движения привода. Костюм не оказывает никакого сопротивления, он двигает приводы в ту же сторону, откуда идет сигнал от датчиков. Сигнал обрабатывается и открывает-закрывает клапаны, идущие к приводам экзокостюма. Затем, когда человек берет груз, изменяется вектор движения. Соответственно, костюм это «понимает» и старается компенсировать прикладываемое усилие. Когда в руке груз, то человек будет ощущать его, но при этом мышцы не будут напрягаться.

— Кто сможет носить костюм?

— Новая модель подойдет людям с ростом от 170 до 190 см.

— А где еще можно использовать разработку, помимо промышленности и армии?

— Еще одна сфера использования — МЧС. Этот костюм довольно подвижный, для заводских нужд такие характеристики не нужны, на производстве достаточно просто уметь поднимать грузы и быть достаточно мобильными.

А вот для сотрудников МЧС костюм будет хорошим подспорьем. Например, та же тяжелая техника не может проехать в разрушенное здание, пока спасатели не разберут завалы. Кроме того, костюм сам по себе будет служить защитой от падающих обломков или, допустим, высокой температуры, если сделать его огнеупорным.

В МЧС знают о нашей разработке — они предлагали протестировать экзоскелет на испытательном полигоне.

— Сколько человек сейчас входит в команду разработчиков? Кто и чем занимается?

Наша команда состоит из шести человек: каждый выполняет свою роль. Есть исполнители, генераторы идей и люди, которые эти идеи описывают и публикуют.

В перспективе мы планируем подать заявки на несколько грантов. Также в этом году хотим поучаствовать с проектом в Акселераторе ИТМО, а к лету выйти на мелкосерийное производство пассивных походных костюмов. Кроме того, у нас есть заказ разработать экзокостюм для страйкбола.

— А зачем в страйкболе такие разработки?

— Я сам удивился, когда ко мне обратились организации, занимающиеся поставкой снаряжения для страйкбола. Костюм может выполнять роль «танка», который не боится пуль. Это своего рода имитация прорыва периметра. Использование экзокостюма по сути позволит изменить саму концепции игры, которая строится на одном попадании.

— Рассматривал ли ты вариант сконструировать экзоскелет для людей с ограниченными возможностями?

— У меня нет таких планов. Существующие медицинские костюмы довольно хороши, их основная проблема — дороговизна. Поэтому разработчикам просто нужно найти способ удешевить их.

К началу

Как работают строительные экзоскелеты (анимация)

Экзоскелеты проникают в строительную отрасль как новый способ повысить безопасность рабочих, повысить производительность и создать более эффективную рабочую среду.

Выполняя задачи, начиная от завинчивания автомобильных болтов над головой на заводе и заканчивая сверлением стен при удерживании тяжелого оборудования, эти футуристические машины призваны снизить накопленную нагрузку от длительных повторяющихся задач в течение рабочего дня. Для этого эти инструменты обеспечивают дополнительную поддержку спины, ног, рук или любой области, наиболее подверженной длительному напряжению.

Читайте дальше, чтобы узнать о наиболее распространенных типах строительных экзоскелетов и узнать, как они повышают безопасность и производительность в отрасли.

Что такое экзоскелеты в строительстве?

Экзоскелеты, иногда называемые экзокостюмами, представляют собой носимые устройства с моторизованными шарнирами, которые обеспечивают поддержку подъема, распределение веса, коррекцию осанки и другие возможности для минимизации напряжения и травм. Эти машины в основном используются для физической реабилитации, но все чаще используются рабочими в строительстве и на производстве.

Экзоскелеты работают по-разному в зависимости от части тела, для которой они предназначены, и от того, как они питаются. Некоторые модели переносят вес с одной части тела на другие области, чтобы уменьшить постоянное напряжение и повысить выносливость, в то время как другие используют инструменты для захвата, чтобы увеличить силу пользователя. Процесс достижения этого варьируется между различными типами экзоскелетов.

Типы конструкции Экзоскелеты

В зависимости от производителя экзоскелеты могут быть чисто механическими или работать на комбинации механики и электричества. Каркас может состоять из твердых материалов, таких как металл, или мягких материалов, таких как ткань и текстиль, в зависимости от костюма и его функций.

Механический

Механические экзоскелеты не используют электричество. Пользователи наслаждаются долговечностью в полевых условиях, поскольку эти инструменты не требуют подзарядки или дополнительного источника питания. Большинство механических экзоскелетов берут вес с одной части тела (например, с рук и плеч) и перераспределяют ее на другую (например, с ядром и талией), чтобы уменьшить напряжение и усталость.

Частично или полностью электрические

Частично или полностью электрические экзоскелеты обычно более мощные, чем механические экзоскелеты, и выдерживают больший вес. Они могут нацеливаться на более конкретные области и увеличивать давление и силу там, где это необходимо. Однако им требуется источник питания и время для перезарядки между использованиями, поэтому они могут замедлить работу, если неожиданно разрядятся.

Строительные экзоскелеты

Существует несколько видов экзоскелетов, специально предназначенных для строителей. Мы классифицировали эти костюмы в зависимости от области тела, которую они поддерживают. Прочтите наш список ниже, чтобы узнать все о преимуществах различных типов строительных экзоскелетов.

Ironhand: Силовые перчатки

Силовые перчатки надеваются на руку, чтобы улучшить ловкость для тех, кто испытывает слабость или другие проблемы с захватом инструментов и материалов. Улучшенный захват полезен при переноске тяжелых ручных инструментов или поднятии предметов.

Ironhand от Bioservo — это мягкая перчатка, которая определяет естественные движения пользователя с помощью датчиков. Перчатка определяет, когда пользователь собирается схватить объект, и увеличивает мощность в зависимости от веса объекта. Он также собирает данные для оценки ситуаций захвата, которые представляют эргономический риск для пользователя.

Ekso Bionics EVO: Поддержка рук и плеч

Эти экзокостюмы поддерживают рабочих, которые поднимают тяжелые инструменты и материалы выше пояса. Экзокостюмы с поддержкой рук и плеч идеально подходят для таких задач, как сверление, резка и шлифовка. Они поддерживают как плечи, так и руки, чтобы уменьшить нагрузку при постоянном удерживании тяжелых инструментов в течение длительного периода времени.

EVO Ekso Bionics использует пружины в обеих руках, чтобы помочь пользователю подняться, в то время как экзоскелет Airframe от Levitate Technologies использует систему шкивов для выполнения этой задачи, а плечо X SuitX использует пружины для поддержки пользователя. Все это хорошие примеры экзоскелетов для поддержки плеч, поскольку они легкие, имеют низкий профиль и не мешают мобильности.

V3 BackX: Поддержка спины

Экзокостюмы с поддержкой спины обычно надеваются на плечи, спину и талию, чтобы снизить нагрузку на спину при подъеме тяжелых предметов. Некоторые экзоскелеты для поддержки спины также корректируют осанку при наклоне или подъеме, в зависимости от производителя.

Экзокостюм BackX компании SuitX предназначен для снижения нагрузки на спину и позвоночник при наклоне, приседании и подъеме тяжестей. Для работы этого устройства не требуется электричество, оно легкое и достаточно гибкое, чтобы работать, не мешая естественным движениям работника.

Chairless Chair 2.0: поддержка стояния и приседания

Эти экзокостюмы фиксируются на месте для перераспределения веса на землю и уменьшения давления на колени и ноги. Это сводит к минимуму нагрузку на суставы и мышцы при длительном нахождении в положении стоя или на корточках. Эти устройства также дают пользователям возможность «сидеть», когда стулья недоступны или иным образом препятствуют безопасности или производительности в рабочей зоне. Это полезная функция для строителей, которые проводят много времени стоя в течение рабочего дня.

Кресло Chairless Chair 2.0 от Noonee содержит улучшения по сравнению с предыдущей моделью, включая снижение общего веса изделия и обновленные материалы для комфорта и воздухопроницаемости. legX от suitX — это еще один вариант, который совместим с ремнями для инструментов и предлагает индивидуальные рабочие ботинки для дополнительного комфорта. Оба продукта распознают, когда пользователь идет, приседает или стоит, и настраиваются соответствующим образом.

Guardian XO: костюм для всего тела

Экзокостюмы для всего тела обеспечивают поддержку по всему телу, чтобы свести к минимуму нагрузку, повысить производительность и повысить силу. Вы можете найти костюмы для всего тела, как механические, так и электрические, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы, как мы упоминали ранее.

Компания Sarcos недавно представила свой новейший полностью электрический костюм Guardian XO. Одного заряда хватает на восемь часов, и для работы при ходьбе в обычном темпе требуется всего 400 Вт мощности (на 90 % меньше, чем у аналогичных машин). Пользователи также могут «горячую» замену батарей без потери мощности и поднимать предметы весом до 200 фунтов без напряжения.

Преимущества строительных экзоскелетов

Строительные работы включают множество задач, которые потенциально могут привести к травмам. Фактически, повседневные действия, такие как подъем и перенос тяжелых предметов, являются основной причиной травм от напряжения в строительстве. Некоторые строительные экзоскелеты напрямую решают эти проблемы. CDC сообщил, что использование экзоскелета, помимо прочего, снижает давление на позвоночник и снижает утомляемость. Ниже приведены несколько преимуществ использования строительных экзоскелетов.

Уменьшает травмы и напряжение: Экзоскелеты распределяют вес более равномерно и уменьшают нагрузку на разные части тела. Это может привести к снижению риска долгосрочных травм для строителей.
Повышает производительность: Рабочие, использующие строительные экзоскелеты, испытывают меньше усталости и могут выполнять больше работы, чем обычно может выполнить их тело, из-за снижения нагрузки.
Открывает возможности трудоустройства: Подрядчики, которые обычно ограничены по возрасту и физическим возможностям, могут выдерживать более напряженную работу.

Строительные технологии постоянно развиваются, чтобы сделать экзоскелеты более безопасными и эффективными, чем когда-либо прежде. Сегодня многие экзоскелеты можно персонализировать в соответствии с телосложением пользователя, они гладкие и достаточно легкие, чтобы их можно было носить весь день.

Если вы заинтересованы в использовании экзоскелетов на своем рабочем месте, вы можете запросить демонстрацию у компаний, которые предлагают обучение по продуктам и демонстрации на местах. Это гарантирует, что вы знаете, как продукт работает и какие услуги он предлагает до покупки.

Взгляните на нашу инфографику ниже для краткого описания типов строительных экзоскелетов.

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, которые улучшают способности 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.