Экзоскелеты на службе у человека
Экзоскелеты увеличивают силу человека, повышают производительность и возвращают утерянные способности. Они помогают инвалидам, облегчают труд в промышленности и совершенствуют армию.
Что такое экзоскелет
В дословном переводе с греческого экзоскелет – это внешний скелет. Автоматическая конструкция, которая восстанавливает утраченные или усиливает имеющиеся функции тела.
Он состоит из прочного каркаса и приводов, которые отвечают за перемещения. Такие системы дублируют работу опорно-двигательного аппарата, рассчитывают усилия и безопасность движений.
Экзоскелеты делают пассивными и активными. Первые не увеличивают силу и не забирают на себя физическую нагрузку, а распределяют её по телу. У активных моделей есть свой упор на земле. Они берут часть нагрузки на себя. Так пользователь поднимает больше тяжестей – получается эффект увеличения силы.
Первые экзоскелеты
Идеи о костюме, который повышает способности, зародились в фантастике. Принципы на эту тему сформулировал русско-американский инженер-механик Николай Ягн. Правда, дальше теории дело не пошло. Единственная воплощённая задумка – автоматический прибор, подающий воду в паровые котлы – «Друг кочегара».
Первый экзоскелет сделали в Пентагоне. Он назвался – Hardiman. Это был станок с большим манипулятором, в который нужно было вставлять руку для управления. Его грузоподъёмность была 110 кг, но Hardiman не принёс серьёзной пользы. Он был слишком большим и тяжёлым (680 кг).
С 1980-х – появились перспективные проекты. В 1990-х началось производство в разных странах. Костюмы по-прежнему были неуклюжими, но приближались к тому, чтобы использоваться в жизни.
Сейчас большая часть экзоскелетов делается для медицины, армии или промышленности.
Экзоскелеты для инвалидов
Ekso GT
Экзоскелет для реабилитации после инсульта и травм спинного мозга. Ekso GT – это пара роботизированных ног с костылями для ходьбы. Встроенное ПО собирает статистику о том, сколько энергии уходит на каждое движение робота, а какие действия человек выполняет сам.
Hybrid Assistive Limb (HAL)
Есть для ног (HAL 3) или для рук-ног-торса (HAL 5). Помогает поднять груз в 5 раз больше, чем может человек. Нужен для реабилитации парализованных. Приводы этого экзокостюма работают от импульсов мускул. Кроме людей с проблемами здоровья, HAL полезен пожилым, строителям, работникам МЧС.
Скелет для людей с дисфункцией ног. Он помогает ходить, вставать, садиться, подниматься по лестнице, двигаться назад и даже делать «лунную походку». Пользователь управляет им с контрольной панели и джойстика.
REX может убрать осложнения, связанные с долгим пребыванием в инвалидном кресле.
Phoenix
Экзокостюм для свободной ходьбы при параличе ног. Сильно отличается от громоздких моделей прошлого десятилетия по размеру и весу (12 кг). Это возможно из-за использования только двух приводов на бёдрах. Колени поддерживаются в нужном положении за счёт систем натяжения.
eLegs
Экзоскелет для людей с параличом или нарушениями работы ног. Масса – 20 кг. Подходит для человека с ростом 157-193 см. Скорость движения – около 3 км/ч.
Костюм предугадывает действия за счёт датчиков наклона, например, помогает встать с инвалидного кресла, когда пользователь подаётся вперёд и опирается на костыли.
ReWalk
Бионический экзокостюм для пациентов с параличом ног. Он помогает стоять, ходить, идти вверх по лестнице. Управление ведётся через пульт в руке.
Военные экзоскелеты
Министерства обороны и военно-исследовательские институты разных стран ещё с прошлого века пытаются разработать лёгкую, простую и прочную систему для солдат.
В Пентагоне этим занимается агентство перспективных разработок DARPA, в России – институты и инженерные бюро, действующие по заказу Минобороны. Схожие проекты ведутся в Китае, Японии, Израиле, европейских странах.
XOS 2
Один из самых известных экзоскелетов для армии. Его задача – увеличение физических способностей солдата. Броня в снаряжение не включена.
Костюм помогает в логистике и штурмах. Он прибавляет сил, достаточных для переноса больших тяжестей, разрушения деревянных брусов и кирпичных стен.
Talos
Это комплексный костюм. У него есть функции брони и системы, увеличивающей силу. Он помогает вести бой со снаряжением до 45 кг. Костюм отслеживает жизненные показатели и даже останавливает кровотечение.
Состав и конкретные характеристики оборудования обычно не публикуются – Talos показывают на тематических выставках с общей презентацией.
ExoHiker
Этот скелет не позиционируется как армейский, но интересен для военных. Его задача – облегчить перенос тяжёлых рюкзаков во время похода. ExoHiker весит 14 кг, но снимает нагрузку 70 кг. На одном заряде без подключения солнечной батареи он проходит 65 км со скоростью около 4 км/час.
Промышленные экзоскелеты
Аппарат для подъёма тяжестей от Hyundai. Он подходит для маломобильных людей, но неудобен из-за больших габаритов. Поэтому основной упор сделан на работу в промышленности. Там, где приходится поднимать до 60 кг.
Chairless Chair
Этот экзостул для тех, кто работает на ногах. Он снимает напряжение в мышцах, когда нужно долго находиться в полуприседе, сидеть на корточках или стоять. Удобно для работы в цеху, на упаковочной линии, кухне, парикмахерской. Аппарат гибкий и подвижный.
Exosuit
Разработка для водолазов, которая помогает выдержать давление воды и низкую температуру на глубине 300 метров. По сути, это усиленный водолазный костюм весом в 240 кг с четырьмя двигателями.
MS-02 PowerLoader
Роботизированный костюм для многих задач. Разработчики предлагают использовать его в спасательных операциях, где нужно поднимать объекты массой до 100 кг.
В системе есть несколько манипуляторов, а в подошвах «ног» расположены датчики. Они анализируют нагрузку на человека в шести векторах и рассчитывают, сколько машинных усилий нужно приложить для помощи.
MAX SuitX
Экзоскелет для грузчиков. Конструкция дублирует опорно-двигательный аппарат, убирая с него часть нагрузки. Она постоянно висит на человеке в деактивированном состоянии, но автоматически распознаёт момент начала работы и включается.
Assist Suit AWN-03
Силовой экзоскелет от Panasonic для складских рабочих. Он закрепляется на плечах, бёдрах и пояснице. Основная задача – убирать нагрузку с позвоночника и мышц спины во время переноса тяжестей.
Российские экзоскелеты
ЭкзоАтлет
Российская разработка для реабилитации пациентов с проблемами ног и спинного мозга. Один из пилотов и амбассадоров ЭкзоАтлета – параолимпийский чемпион по кёрлингу на колясках Виталий Данилов.
Экзоскелет Стоханов
Промышленный экзокостюм от разработчиков из Перми. По расчётам, он увеличивает производительность труда в машиностроительной, строительной и аварийно-спасательной работах в 2-5 раз.
ExoBelt
Пассивный экзоскелет от компании «ЭкзоАтлант». Проект пока в стадии разработки. Предполагается, что он снимет до 40% нагрузки со спины во время переноса тяжестей.
Первым партнёром компании станет «Сбербанк». Экзоскелет будут тестировать сотрудники, которые переносят мешки с золотом и другими ценностями
Экзоскелеты будущего
Индустрия растёт: аппараты уменьшаются в размерах, функции становятся шире. Появляются модели не только для медицины, промышленности или армии:
ARAIG
Экзоскелет-контроллер для геймеров. Он создан не для переноса грузов или повышения способностей. Этот костюм погружает пользователя в игровую реальность: меняет температуру, имитирует попадание снарядов, контакт с землёй и препятствиями.
NASA X1
Костюм, разработанный Североатлантическим Космическим Агентством для космонавтов. Он нужен для работы с большими тяжестями в условиях невесомости.
У аппарата четыре привода на коленях и бёдрах и шесть сочленений. Разработчики планируют добавить ещё. Костюм подходит для работы на МКС и поддержки мышечного тонуса в невесомости – он отправляет данные о космонавтах медикам на Землю.
Экзоскелеты: принцип действия, конструкция, применение
Экзоскелеты становятся всё популярнее в различных сферах деятельности — они помогают людям в поднятии и перемещении тяжестей, безопасном выполнении потенциально травматичных или непосильных операций. Будучи изобретены еще в середине XX века, сейчас эти устройства на новом этапе развития, открывающем всё больше перспектив для их применения.
Читайте статью, чтобы узнать больше о принципах работы экзоскелетов и их возможностях.
Содержание
История создания экзоскелетов
Разработка экзоскелетов началась в нескольких странах в середине прошлого века. Изначально исследователи ориентировались на создание активных экзоскелетов, оснащенных моторами и аккумуляторами. Одним из первых роботизированных экзоскелетов стала разработка компании General Electric (США) — Hardiman.
Созданный в середине 1960-х годов экзоскелет охватывал всё тело. Он был предназначен для увеличения силы пользователя: позволял человеку поднимать и переносить тяжелые предметы.
Экзоскелеты для помощи при ходьбе были разработаны в конце 1960-х годов в Институте Михайло Пупина в Сербии и в начале 1970-х годов в Университете Висконсин-Мэдисон в США. С тех пор, до появления первых коммерческих моделей экзоскелетов, прошло несколько десятилетий. Только в начале XXI века был налажен серийный выпуск таких устройств. Одним из ранних примеров стал экзоскелет для восстановления двигательной функции Lokomat, выпущенный в 2001 году.
Он используется в больницах и реабилитационных центрах по всему миру. В 2013 году компания-разработчик Lokomat (Hocoma AG) объявила о поставке пятисотого устройства.
За последние годы в разных странах появились серийные версии экзоскелетов для инвалидов, для военных и для рабочих.
Типы экзоскелетов
По принципу действия
Источник: spectrum.ieee.org, активный экзоскелет грузчика
По способу действия экзоскелеты делятся на активные и пассивные.
Активные
Активные экзоскелеты оснащены приводами, которые получают энергию от источников питания, закрепленных на самом экзоскелете.
Эти устройства, обычно с электрическими сервоприводами (также возможно применение пневматики и гидравлики), многократно увеличивают прилагаемую силу воздействия оператора на объекты и его выносливость, так как прилагаемые для управления экзоскелетом усилия минимальны.
Системы управления экзоскелетом можно разделить на такие типы:
с контроллерами положения,
с контроллерами крутящего момента / силы,
с контроллерами силового взаимодействия.
Контроллеры экзоскелета могут программироваться макросами задач — последовательными сочетаниями движений, разными для разных целей. При изменении нагрузки или положения в роботизированной системе возникает ответная реакция, учитывающая поднимаемый вес и углы наклона, для поддержки оператора. При этом автоматическая система следит, чтобы суставы экзоскелета поворачивались под нужным углом, а недопустимые углы обычно ограничены еще и механически, самой конструкцией.
Пассивные
Пассивные экзоскелеты — это устройства, которые не требуют источника энергии для функционирования. Принцип их действия основан на базовых законах механики: за счет применения противовесов и рычагов, пассивный экзоскелет перераспределяет нагрузку на части тела. Действие пассивного экзоскелета снижает нагрузку на активные мышцы, в среднем, от 30%.
Фото: Media.ford.com
Пассивные экзоскелеты бывают двух типов: персональные вспомогательные подъемные устройства (PLAD) и устройства возврата без необходимости изгиба (BNDR). Оба типа устройств состоят из рамы, которая накапливает упругую энергию при наклоне вперед, которая затем помогает человеку продлить рабочее положение с наклоном вперед или снова выпрямить тело при поднятии предмета. Рама BNDR покрывает туловище и таз и поддерживается верхней частью ног и грудью. Рама PLAD поддерживает распределение нагрузки между позвоночником, плечами, тазом и ступнями.
По способу ношения экзоскелеты можно разделить на четыре категории: для спины, для ног, для коленного сустава и для рук. Каждый из типов экзоскелета может использоваться самостоятельно или быть частью большой конструкции, состоящей из нескольких элементов. Распространенный пример — пассивный экзоскелет для спины и рук. Такой, например, используют видеооператоры для продолжительной съемки.
По применению
Экзоскелеты для производства
Экзоскелеты на производстве обеспечивают свободу движений и снижают нагрузку на разные типы мышц, что позволяет работникам выполнять разные задачи — перемещать и фиксировать крупные детали, работать с мобильным и стационарными инструментами.
Любые поддерживающие и силовые экзоскелеты могут быть использованы на разных участках производственных предприятий, для различных операций.
Экзоскелеты для строительства
Зачастую рабочие на строительных площадках вынуждены часами работать с тяжелым инструментом в неудобном положении. Например, держать над головой болгарку или перфоратор. Чтобы снизить риск получения травмы и облегчить выполнения задачи, экзоскелеты для рук и спины являются незаменимым решением.
Экзоскелеты для бега и ходьбы
Экзоскелет для бега (ходьбы) — это вспомогательное устройство, которое изменяет динамику конечностей и суставов пользователя для уменьшения усталости во время естественной ходьбы и бега. Следует отметить, что экзоскелет для бега — это именно вспомогательное устройство, что отличает его от медицинских экзоскелетов, которые помогают восстановлению двигательных функций и координации после травм и заболеваний. Может применяться почтальонами, курьерами, военными.
Медицинские экзоскелеты
Можно выделить одну общую категорию — медицинские экзоскелеты, внутри которой существует разделение на подкатегории. Это, как и в случае с моделями для производства, пассивные и активные устройства, а также на портативные (вспомогательные) и стационарные (лечебные тренажеры).
Портативные экзоскелеты выполняют роль протезирующую (искусственного восстановления утраченных функций, выполнения их вспомогательным устройством), а стационарные — реабилитирующую (восстановления естественных возможностей самого организма).
Экзоскелеты для людей с травматическим или врожденным параличом нижних конечностей оснащены моторами с аккумуляторами, благодаря им пациенты с нижней параплегией могут самостоятельно вставать, ходить и подниматься по ступенькам, то есть выполнять физические действия, которые для них невозможны без посторонней помощи.
Принцип действия активных экзоскелетов для инвалидов общий у всех производителей. Бедренные и коленные суставы сгибаются и разгибаются двумя электродвигателями на каждую ногу. Устройство выдерживает вес пользователя, которому, возможно, всё равно потребуются костыли для сохранения равновесия. На пульте управления расположены кнопки для активации шагов и установки темпа: быстрая ходьба, медленная ходьба, подъем по ступенькам, остановка и т.д.
Экзоскелеты для военных
Возможно, в ближайшем будущем мы увидим серийную версию экзоскелета, которая превращает солдата в персонажа из вселенной Marvel. Однако в настоящее время разрабатываются экзоскелеты для военных, которые призваны снизить уровень нагрузки при передвижении на длительные дистанции с высокой нагрузкой.
Для примера, посмотрим официальное описание экзоскелета ONYX, разработанного корпорацией Lockheed Martin для ВС США:
«Технологии экзоскелета могут дать новые возможности боевым силам и повысить выносливость и безопасность в критических условиях. Новый экзоскелет для нижней части тела ONYX продемонстрировал способность повышать мобильность и снижать утомляемость пользователей. Уменьшая усилия при ходьбе и лазании, устройство увеличивает возможности солдат и служб быстрого реагирования в перемещении и переносе оборудования, необходимого для выполнения задач».
Экзоскелеты для поднятия тяжестей
Хотя принцип работы экзоскелетов универсален, существуют различия в конструкции и способе ношения экзоскелета, в зависимости от сферы деятельности.
Трендом последних лет стала разработка экзоскелетов для поднятия тяжестей. Это обширная категория устройств, которая призвана облегчить условия труда для людей, которые постоянно поднимают, перемещают и держат тяжелые предметы. В зависимости от типа (активный, пассивный) и от способа ношения, такие экзоскелеты могут снижать уровень усталости при монотонной работе или позволять одному рабочему поднимать грузы весом до 90 кг.
Экзоскелеты для поднятия тяжестей применяются в следующих областях, включая уже перечисленные в статье:
— Производство всех отраслей
Перемещение грузов на предприятиях всех отраслей, погрузка и разгрузка транспорта.
— Складские работы
Погрузка, разгрузка, складирование.
— Авиация, железнодорожный транспорт
Перемещение багажа, ремонтные и сервисные работы.
— Коммунальное хозяйство
Перемещение оборудования и материалов.
— Строительство и ремонт недвижимости
Монтажные и отделочные работы, малярные и электротехнические, коммуникации.
Пример экзоскелета: SuitX
Рассмотрим принцип действия и возможности экзоскелетов на примере комплекта SuitX, созданного американской компанией US Bionics, Inc.
Это устройство, которое доступно в полной комплектации — MAX, а также в виде отдельных модулей: для плечей — ShoulderX, для спины — BackX и для ног — LegX.
SuitX MAX позволяет работникам выполнять задачи с интенсивным воздействием на плечи, поясницу и ноги с меньшим риском получения травм. Экзоскелет достаточно комфортный, чтобы носить его в течение всего дня.
Все модули активируются при необходимости, а в деактивированном состоянии они не мешают ездить на велосипеде или вести автомобиль.
Экзоскелет SuitX MAX стал результатом полевых и лабораторных испытаний. Эксперименты, проведенные на стройплощадках, при погрузочно-разгрузочных работах, на судостроительных и литейных производствах в США и Японии, обеспечили американских разработчиков необходимыми данными по типичным действиям на производстве и по существующим в различных отраслях нагрузкам.
После лабораторных исследований, проведенных в лабораториях Калифорнийского университета, исследователи создали экзоскелет для грузчиков SuitX MAX, который снижает трудозатраты при выполнении монотонных задач на 60%.
Экзоскелет для рабочих SuitX MAX используется многими крупными корпорациями.
C. Neilson, менеджер машиностроительной компании Siemens Gamesa, сказал:
«Мы выбрали SuitX в качестве предпочтительного поставщика экзоскелетов для наших заводов по всему миру».
Примеры использования экзоскелета SuitX
Сборочная линия
При работе на сборочных линиях руки сотрудников находятся в постоянном напряжении, даже если им не приходится поднимать тяжелые предметы.
В данном случае экзоскелет служит эффективной поддержкой, снижая уровень усталости мышц предплечья и плечевого пояса.
Работа в ограниченном пространстве
Одна из основных сложностей работы в стесненных условиях — невозможность удобно расположиться и/или использовать традиционные опоры, например, стремянку. Экзоскелет SuitX позволяет сравнительно удобно работать даже в таких обстоятельствах.
На складах
Даже при условии, что грузчикам не нужно поднимать тяжелые предметы, длительная монотонная работа приводит к ощутимой усталости мышц. Особенно это актуально, если постоянно необходимо наклоняться в процессе работы. Экзоскелет SuitX помогает снизить нагрузку на мышцы спины.
Перемещение тяжелых грузов
Поднятие тяжелых грузов — работа, которая может привести к производственной травме. Именно в таких критических случаях преимущества экзоскелета SuitX проявляется в полной мере. Ведь устройство перераспределяет нагрузку, что позволяет грузчику буквально поднимать более тяжелые предметы с меньшим напряжением мышц.
Заключение
Стоит трезво взглянуть на вещи: н и один из ныне существующих э кзоскелетов не сделает из носителя супермена или силача, не стоит ожидать от них слишком многого.
Что они действительно могут — снижать нагрузку при рутинных операциях и статичных нагрузках, уменьшать утомляемость, увеличивая эффективность без каких-либо серьезных сопутствующих затрат — их применение помогает снизить нагрузку на мышцы и суставы, минимизирует риск травм у работников, которым необходимо постоянно переносить или держать тяжелые предметы, подолгу находиться в неудобном положении.
В киноиндустрии и в армии используются аналогичные устройства, оптимизированные для выполнения специфических задач. В медицине экзоскелеты получили широкое распространение, поскольку они помогают людям быстрее восстановиться после полученных травм или буквально помогают встать на ноги пациентам с параличом нижних конечностей.
Дальнейшее развитие технологии и снижение стоимости этих устройств будет способствовать их повсеместному внедрению, делая экзоскелеты еще одним привычным и незаменимым инструментом для производства и склада, в строительстве и ремонте, в работах по дому и саду.
Купите экзоскелеты SuitX в Top 3D Shop — получите преимущество перед конкурентами, увеличив производительность и возможности ваших сотрудников.