Для чего нужны экзоскелеты?

Для чего нужны экзоскелеты?

Для чего нужны экзоскелеты?
  1. Самые известные экзоскелеты
  2. Российские экзоскелеты
  3. Основные проблемы, с которыми сталкиваются разработчики экзоскелетов
  4. Заключение

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.


Самые известные экзоскелеты

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.


Экзоскелет HAL


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.


Экзоскелет HULC


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.


Промышленный «антиробот» PROSTHESIS


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.


Российские экзоскелеты

Российская разработка для реабилитации пациентов с проблемами ног и спинного мозга – ЭкзоАтлет. Один из пилотов ЭкзоАтлета – параолимпийский чемпион по керлингу на колясках Виталий Данилов.


Экзоскелет ЭкзоАтлет


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.


Основные проблемы, с которыми сталкиваются разработчики экзоскелетов

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.

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.

Регулировочные пластины экзоскелета до и после нанесения покрытия MODENGY

Заключение

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