Eksoskeleti

Lai gan pēdējā laikā arvien vairāk tiek dzirdēts par eksoskeletiem, izrādās, ka šī izgudrojuma vēsture sniedzas jau deviņpadsmitajā gadsimtā. Uzziniet, kā tas ir mainījies gadu desmitu laikā un kā izskatījās pagrieziena punkti tās attīstībā. 

1. Nikolaja Jaņa patenta ilustrācija

1890 – Pirmās novatoriskās idejas eksoskeleta izveidošanai ir datētas ar 1890. gadsimtu. 420179. gadā Nikolass Jagns ASV patentēja (patenta Nr. US XNUMX A) "Ierīci staigāšanas, skriešanas un lēkšanas atvieglošanai" (1). Tās bija no koka izgatavotas bruņas, kuru mērķis bija palielināt karavīra ātrumu daudzu kilometru gājiena laikā. Dizains kļuva par iedvesmas avotu tālākiem optimālā risinājuma meklējumiem.

1961 - 60. gados General Electric kopā ar Komela universitātes zinātnieku grupu sāka darbu pie elektrohidrauliskā tērpa izveides, kas atbalsta cilvēka vingrinājumus. Sadarbība ar militārpersonām Man Augmentation projektā noveda pie Hardiman (2). Projekta mērķis bija izveidot uzvalku, kas atdarina cilvēka dabiskās kustības, ļaujot viņam pacelt gandrīz 700 kg smagus priekšmetus. Pats tērps svēra tikpat, bet taustāmais svars bija tikai 20 kg.

2. General Electric prototips siltummainis

Neskatoties uz projekta panākumiem, izrādījās, ka tā lietderība bija niecīga, un sākotnējās kopijas izmaksās dārgi. Viņu ierobežotās mobilitātes iespējas un sarežģītā energosistēma galu galā padarīja šīs ierīces nelietojamas. Pārbaudes laikā izrādījās, ka Hardimans var pacelt tikai 350 kg, un, ilgstoši lietojot, viņam ir tendence uz bīstamām, nekoordinētām kustībām. No tālākas prototipa izstrādes tika pamesta tikai viena roka – ierīce svēra aptuveni 250 kg, taču tā bija tikpat nepraktiska kā iepriekšējais eksoskelets.

70. gadi. “Izmēra, svara, nestabilitātes un jaudas problēmu dēļ Hardiman nekad netika ražots, taču rūpnieciskajā Man-Mate tika izmantota kāda 60. gadu tehnoloģija. Tiesības uz tehnoloģiju iegādājās Western Space un Marine, ko dibināja viens no GE inženieriem. Produkts ir pilnveidots un šodien pastāv lielas robotizētas rokas veidā, kas var pacelt līdz 4500 kg, izmantojot atgriezenisko spēku, padarot to ideāli piemērotu tērauda rūpniecībai.

3. Mihailo Pupina institūtā Serbijā uzbūvētie eksoskeleti.

1972 – Serbijas Mihailo Pupina institūtā agrīnos aktīvos eksoskeletus un humanoīdus robotus izstrādāja grupa prof. Miomirs Vukobratovičs. Pirmkārt, ir izstrādātas kāju kustības sistēmas, lai atbalstītu to cilvēku rehabilitāciju, kuri cieš no paraplēģijas (3). Izstrādājot aktīvus eksoskeletus, institūts izstrādāja arī metodes cilvēka gaitas analīzei un kontrolei. Daži no šiem sasniegumiem ir veicinājuši mūsdienu augstas veiktspējas humanoīdu robotu attīstību. 1972. gadā Belgradas ortopēdijas klīnikā tika pārbaudīts aktīvs pneimatiskais eksoskelets ar elektronisku programmēšanu apakšējo ekstremitāšu paralīzei.

1985 "Inženieris Losalamos Nacionālajā laboratorijā būvē eksoskeletu, ko sauc par Pitmanu, kas ir kājnieku spēka bruņas. Ierīces vadība balstījās uz sensoriem, kas skenē galvaskausa virsmu, ievietoti speciālā ķiverē. Ņemot vērā tā laika tehnoloģiju iespējas, tas bija pārāk sarežģīts dizains, lai to ražotu. Ierobežojums galvenokārt bija datoru nepietiekamā skaitļošanas jauda. Turklāt smadzeņu signālu apstrāde un pārvēršana eksoskeleta kustībās tolaik palika tehniski praktiski neiespējama.

4. Exoskeleton Lifesuit, ko izstrādājis Montijs Rīds.

1986 — Montijs Rīds, ASV armijas karavīrs, kurš, lecot ar izpletni, salauza mugurkaulu, izstrādā izdzīvošanas tērpu eksoskeletu (4). Viņu iedvesmoja apraksti par pārvietojamiem kājnieku tērpiem Roberta Heinleina zinātniskās fantastikas romānā Starship Troopers, ko viņš izlasīja, atveseļojoties slimnīcā. Tomēr Rīds sāka darbu pie savas ierīces tikai 2001. gadā. 2005. gadā viņš izmēģināja 4,8 glābšanas tērpa prototipu Svētā Patrika dienas sacīkstēs Sietlā, Vašingtonā. Izstrādātājs apgalvo, ka ir uzstādījis iešanas ātruma rekordu robotu tērpos, veicot 4 kilometrus ar vidējo ātrumu 14 km/h. Prototips Lifesuit 1,6 pilnībā uzlādēts spēja nobraukt 92 km un ļāva pacelt XNUMX kg.

1990-tagadne - Pirmo HAL eksoskeleta prototipu ierosināja Yoshiyuki Sankai (5), prof. Cukubas Universitāte. Sankai pavadīja trīs gadus - no 1990. līdz 1993. gadam -, lai identificētu neironus, kas kontrolē kāju kustību. Viņam un viņa komandai bija nepieciešami vēl četri gadi, lai izveidotu iekārtas prototipu. Trešais HAL prototips, kas izstrādāts 22. gadsimta sākumā, tika savienots ar datoru. Pats akumulators svēra gandrīz 5 kg, kas padarīja to ļoti nepraktisku. Turpretim vēlākais modelis HAL-10 svēra tikai 5 kg, un akumulators un vadības dators bija aptīts ap lietotāja vidukli. HAL-XNUMX pašlaik ir četru ekstremitāšu medicīnisks eksoskelets (lai gan ir pieejama arī versija tikai apakšējām ekstremitātēm), ko ražo Japānas uzņēmums Cyberdyne Inc. sadarbībā ar Cukubas Universitāti.

5. Profesors Yoshiyuki Sankai prezentē vienu no eksoskeleta modeļiem.

Darbojas aptuveni 2 stundas 40 minūtes gan iekštelpās, gan ārā. Palīdz pacelt smagus priekšmetus. Vadības ierīču un piedziņas izvietojums konteineros korpusa iekšpusē ļāva atbrīvoties no vairumam eksoskeletu tik raksturīgās "mugursomas", kas dažkārt atgādina lielu kukaini. Cilvēkiem ar hipertensiju, osteoporozi un jebkādām sirds slimībām pirms HAL lietošanas jākonsultējas ar ārstu, un kontrindikācijas ietver, bet ne tikai, elektrokardiostimulatoru un grūtniecību. Programmas HAL FIT ietvaros ražotājs piedāvā iespēju izmantot ārstēšanas seansus ar eksoskeletu gan slimiem, gan veseliem cilvēkiem. Dizaineris HAL apgalvo, ka nākamie jaunināšanas posmi būs vērsti uz plāna uzvalka izveidi, kas ļaus lietotājam brīvi pārvietoties un pat skriet. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni un viņa komanda Ekso Bionics izstrādā universālo cilvēku kravas pārvadātāju jeb HULC (6) ir bezvadu eksoskelets ar hidraulisko piedziņu. Tās mērķis ir palīdzēt karojošajiem karavīriem ilgstoši pārvadāt līdz 90 kg smagas kravas ar maksimālo ātrumu 16 km/h. Sistēma tika prezentēta sabiedrībai AUSA ziemas simpozijā 26. gada 2009. februārī, kad tika panākta licencēšanas vienošanās ar Lockheed Martin. Dominējošais materiāls, ko izmanto šajā dizainā, ir titāns, viegls, bet salīdzinoši dārgs materiāls ar augstām mehāniskajām un stiprības īpašībām.

Eksoskelets ir aprīkots ar piesūcekņiem, kas ļauj pārvadāt priekšmetus, kas sver līdz 68 kg (pacelšanas ierīce). Barošana tiek nodrošināta no četrām litija-polimēru baterijām, kas nodrošina normālu ierīces darbību pie optimālas slodzes līdz 20 stundām. Eksoskelets tika pārbaudīts dažādos kaujas apstākļos un ar dažādām slodzēm. Pēc vairākiem veiksmīgiem eksperimentiem 2012. gada rudenī viņš tika nosūtīts uz Afganistānu, kur tika pārbaudīts bruņota konflikta laikā. Neskatoties uz daudzajām pozitīvām atsauksmēm, projekts tika apturēts. Kā izrādījās, dizains apgrūtināja noteiktu kustību veikšanu un faktiski palielināja slodzi uz muskuļiem, kas bija pretrunā ar tās radīšanas vispārējo ideju.

2001 – Sāk Bērklija apakšējo ekstremitāšu eksoskeleta (BLEEX) projekts, kas sākotnēji bija paredzēts galvenokārt armijai. Tās ietvaros ir sasniegti daudzsološi rezultāti praktiskas nozīmes autonomu risinājumu veidā. Pirmkārt, tika izveidota robotizēta ierīce, kas piestiprināta ķermeņa lejasdaļai, lai piešķirtu kājām papildu spēku. Aprīkojumu finansēja Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūra (DARPA), un to izstrādāja Bērklijas robotikas un cilvēku inženierijas laboratorija, Kalifornijas Universitātes Bērklijas Mašīnbūves departamenta nodaļa. Bērklija eksoskeleta sistēma dod karavīriem iespēju pārvadāt lielas kravas ar minimālu piepūli un pa jebkura veida reljefu, piemēram, pārtiku, glābšanas aprīkojumu, pirmās palīdzības aptieciņas, sakarus un ieročus. Papildus militārajiem lietojumiem BLEEX pašlaik izstrādā civilos projektus. Robotikas un cilvēka inženierijas laboratorija šobrīd pēta šādus risinājumus: ExoHiker - eksoskelets, kas paredzēts galvenokārt ekspedīcijas dalībniekiem, kur ir nepieciešams transportēt smago aprīkojumu, ExoClimber - aprīkojums cilvēkiem, kas kāpj augstos kalnos, Medical Exoskeleton - eksoskelets cilvēkiem ar kustību traucējumiem. fiziskās iespējas. apakšējo ekstremitāšu mobilitātes traucējumi.

8. Sarcos XOS 2 prototips darbībā

teksts

2010 - parādās XOS 2 (8) ir Sarcos XOS eksoskeleta turpinājums. Pirmkārt, jaunais dizains ir kļuvis vieglāks un uzticamāks, ļaujot pacelt kravas, kas sver līdz 90 kg statiskā stāvoklī. Ierīce atgādina kiborgu. Vadības pamatā ir trīsdesmit izpildmehānismi, kas darbojas kā mākslīgie savienojumi. Eksoskelets satur vairākus sensorus, kas pārraida signālus uz izpildmehānismiem, izmantojot datoru. Tādā veidā notiek vienmērīga un nepārtraukta darbība, un lietotājs nejūt nekādu būtisku piepūli. XOS svars ir 68 kg.

2011-tagadne – ASV Pārtikas un zāļu pārvalde (FDA) apstiprina ReWalk medicīnisko eksoskeletu (9). Tā ir sistēma, kas izmanto spēka elementus, lai stiprinātu kājas un ļauj cilvēkiem ar paralīzi piecelties taisni, staigāt un kāpt pa kāpnēm. Enerģiju nodrošina mugursomas akumulators. Vadība tiek veikta, izmantojot vienkāršu rokas tālvadības pulti, kas nosaka un koriģē lietotāja kustības. To visu izstrādāja Amits Gofers no Izraēlas, un uzņēmums ReWalk Robotics Ltd (sākotnēji Argo Medical Technologies) to pārdod par aptuveni 85 XNUMX PLN. dolāru.

9 cilvēki staigā ReWalk eksoskeletos

Izlaišanas brīdī aprīkojums bija pieejams divās versijās - ReWalk I un ReWalk P. Pirmo medicīnas iestādes izmanto pētnieciskos vai terapeitiskos nolūkos medicīnas speciālista uzraudzībā. ReWalk P ir paredzēts pacientu personīgai lietošanai mājās vai sabiedriskās vietās. 2013. gada janvārī tika izlaista atjaunināta ReWalk Rehabilitation 2.0 versija. Tas uzlaboja piemērotību garākiem cilvēkiem un uzlaboja vadības programmatūru. ReWalk pieprasa lietotājam izmantot kruķus. Kā kontrindikācijas tiek minētas sirds un asinsvadu slimības un kaulu trauslums. Ierobežojums ir arī augšana 1,6-1,9 m robežās un ķermeņa svars līdz 100 kg. Šis ir vienīgais eksoskelets, kurā var vadīt automašīnu.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, agrāk pazīstams kā Berkeley Bionics, atklāj savu medicīnisko eksoskeletu. Projekts aizsākās divus gadus agrāk ar nosaukumu eLEGS (10), un tas bija paredzēts cilvēku ar dažādas pakāpes paralīzes rehabilitācijai. Tāpat kā ReWalk, konstrukcijai ir jāizmanto kruķi. Akumulators nodrošina enerģiju vismaz sešām lietošanas stundām. Exo komplekts maksā apmēram 100 tūkst. dolāru. Polijā ir zināms eksoskeleta Ekso GT projekts, medicīnas ierīce, kas paredzēta darbam ar neiroloģiskiem pacientiem. Tās dizains ļauj staigāt, tostarp cilvēkiem pēc insulta, muguras smadzeņu traumām, pacientiem ar multiplo sklerozi vai Guillain-Barré sindromu. Iekārta var darboties vairākos dažādos režīmos atkarībā no pacienta disfunkcijas pakāpes.

2013 – Mindwalker, prāta kontrolēta eksoskeleta projekts, saņem finansējumu no Eiropas Savienības. Dizains tapis, sadarbojoties Briseles Brīvās universitātes zinātniekiem un Santa Lucia fondam Itālijā. Pētnieki pārbaudīja dažādus ierīces vadīšanas veidus – viņi uzskata, ka vislabāk darbojas smadzeņu-neiro-datora saskarne (BNCI), kas ļauj to vadīt ar domām. Signāli iziet starp smadzenēm un datoru, apejot muguras smadzenes. Mindwalker pārvērš EMG signālus, tas ir, mazus potenciālus (sauktus par miopotenciāliem), kas parādās uz cilvēka ādas virsmas, kad muskuļi strādā, elektroniskās kustību komandās. Eksoskelets ir diezgan viegls, bez baterijām sver tikai 30 kg. Tas izturēs pieaugušo, kas sver līdz 100 kg.

2016 – ETH Tehniskajā universitātē Cīrihē, Šveicē, notiek pirmās Cybathlon sporta sacensības cilvēkiem ar invaliditāti, izmantojot palīgrobotus. Viena no disciplīnām bija eksoskeleta skrējiens šķēršļu joslā cilvēkiem ar apakšējo ekstremitāšu paralīzi. Šajā prasmju un tehnoloģiju demonstrācijā eksoskeleta lietotājiem bija jāveic tādi uzdevumi kā sēdēšana uz dīvāna un piecelšanās, staigāšana pa nogāzēm, kāpšana uz akmeņiem (piemēram, šķērsojot seklu kalnu upi) un kāpšana pa kāpnēm. Izrādījās, ka neviens nespēja apgūt visus vingrinājumus, un ātrākajām komandām vajadzēja vairāk nekā 50 minūtes, lai veiktu 8 metru šķēršļu joslu. Nākamais pasākums notiks 2020. gadā kā eksoskeleta tehnoloģiju attīstības indikators.

2019 – Vasaras demonstrācijās Commando mācību centrā Limpstonā, Apvienotajā Karalistē, Gravity Industries izgudrotājs un izpilddirektors Ričards Braunings demonstrēja savu Daedalus Mark 1 eksoskeleta reaktīvo kostīmu, kas atstāja milzīgu iespaidu uz militārpersonām, nevis tikai uz britiem. Seši nelieli reaktīvie dzinēji - divi no tiem uzstādīti aizmugurē un divi papildu pāru veidā uz katras rokas - ļauj uzkāpt līdz 600 m augstumā. Pagaidām degvielas pietiek tikai 10 minūtēm lidojums...