Экзоскелет
- устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей.
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.
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.
Немного из истории
Когда и где был создан первый экзоскелет? Что он из себя представлял?
Первый экзоскелет
Идеи о костюме, который повышает способности человека, зародились в фантастике. .
Что же касается настоящих изобретений, еще в XIX веке Николай Александрович Ягн получил патент на эластипед - прототип экзоскелета. Эластипед представлял собой систему пружин, которые закреплялись на теле человека. Он должен был усиливать прыжки и движения человека при движении вверх - например, при подъеме по лестнице.
Однако первый настоящий экзоскелет был разработан военными из США и компанией General Electric в 1960-е. Устройство «Hardiman» позволяло поднимать массу более 100 кг, с усилием необходимым для поднятия 4.5 кг. Первоначально изобретение использовалось для улучшения показателей выносливости у военнослужащих и для повышения их физических навыков. Однако экзоскелет вышел очень тяжелым- его вес составлял 680 кг. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего никогда не проверялся с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340 кг, её вес составлял 750 кг, что в два раза превышало подъемную мощность. Из-за этого «Hardiman» не получил популярности и широкого применения. Таким образом, идея создания экзоскелета, значительно увеличивающего человеческие возможности, оставалась пока лишь несбыточной мечтой.
Интересно, что некоторые ресурсы указывают на то, что создан был только один манипулятор, а Hardiman так и не был построен полностью. Но это не так. Экзоскелет создали целиком, причем одна его половина была статична, а вторая двигалась, как и положено.
Hardiman — это аббревиатура проекта "Human Augmentation Research and Development Investigation". MAN — это производное от MANipulator.
Что же касается настоящих изобретений, еще в XIX веке Николай Александрович Ягн получил патент на эластипед - прототип экзоскелета. Эластипед представлял собой систему пружин, которые закреплялись на теле человека. Он должен был усиливать прыжки и движения человека при движении вверх - например, при подъеме по лестнице.
Однако первый настоящий экзоскелет был разработан военными из США и компанией General Electric в 1960-е. Устройство «Hardiman» позволяло поднимать массу более 100 кг, с усилием необходимым для поднятия 4.5 кг. Первоначально изобретение использовалось для улучшения показателей выносливости у военнослужащих и для повышения их физических навыков. Однако экзоскелет вышел очень тяжелым- его вес составлял 680 кг. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего никогда не проверялся с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340 кг, её вес составлял 750 кг, что в два раза превышало подъемную мощность. Из-за этого «Hardiman» не получил популярности и широкого применения. Таким образом, идея создания экзоскелета, значительно увеличивающего человеческие возможности, оставалась пока лишь несбыточной мечтой.
Интересно, что некоторые ресурсы указывают на то, что создан был только один манипулятор, а Hardiman так и не был построен полностью. Но это не так. Экзоскелет создали целиком, причем одна его половина была статична, а вторая двигалась, как и положено.
Hardiman — это аббревиатура проекта "Human Augmentation Research and Development Investigation". MAN — это производное от MANipulator.
Испытания "Hardiman"
это интересно
Как выглядит экзоскелет?
Говоря о экзоскелетах, представляется некая «поддерживающая» конструкция, зачастую размещенная вдоль позвоночника и конечностей. Это рамный тип экзоскелета. К слову такие модели могут быть как энергонезависимы (пассивные без силовых приводов), так и нуждающиеся в подзарядке или топливе (активные).
Кроме того существует капсульные варианты, которые максимально похожи на костюм «Железного Человека». Внутри устройства имеются датчики давления, при помощи которых и происходит управление. Устройство полностью закрывает тело оператора, однако широкого распространения данный вариант не получил.
На сегодняшний день специалисты предлагают несколько типов приводов для iron-костюмов: электрические, пневматические, гидравлические, с двигателем внутреннего сгорания.
В наше время по способу управления экзоскелеты бывают как управляемые, когда для активации необходимо нажимать на определенные датчики, так и управляющие (с силовой обратной связью), с нейроинтерфейсом.
Кроме того существует капсульные варианты, которые максимально похожи на костюм «Железного Человека». Внутри устройства имеются датчики давления, при помощи которых и происходит управление. Устройство полностью закрывает тело оператора, однако широкого распространения данный вариант не получил.
На сегодняшний день специалисты предлагают несколько типов приводов для iron-костюмов: электрические, пневматические, гидравлические, с двигателем внутреннего сгорания.
В наше время по способу управления экзоскелеты бывают как управляемые, когда для активации необходимо нажимать на определенные датчики, так и управляющие (с силовой обратной связью), с нейроинтерфейсом.
Области применения
Для каких целей создаются экзоскелеты?
Исходя из области применения, выделяют следующие виды экзоскелетов:
1
Медицинские
Необходимы для пациентов, которые полностью или частично утратили возможность свободного перемещения, а также как вспомогательное средство при прохождении восстановительного курса терапии, например, после травм, перенесенных инсультов или инфарктов.
2
Промышленные
Используются для облегчения условий труда на строительных площадках и предприятиях, также во время погрузочных работ (для грузчиков).
3
Военные
Здесь сосредоточено наибольшее количество моделей и используются передовые технологии. В отличие от бытующего мнения экзоскелеты для военных – это не только механизм, используемый солдатами во время боевых действий, но и устройство, помогающее в организации различных спасательных и разведывательных операциях.
XIX век
Экзоскелеты в наше время. Какие ведутся разработки в этой области?
Технологии, в том числе и в области разработки и изготовления экзоскелетов, сейчас шагнули далеко вперед. Благодаря передовым технологиям в области робототехники и человеко-машинным интерфейсам во всем мире получают распространение механизированные экзоскелеты: от машин, превращающих мужчин в суперпехотинцев, до кибернетических имплантатов, достаточно интеллектуальных, чтобы позволить инвалидам двигаться самостоятельно.
По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в России, Японии, США и Израиле.
Познакомимся с наиболее перспективными разработками человеческого разума.
По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в России, Японии, США и Израиле.
Познакомимся с наиболее перспективными разработками человеческого разума.
medicine
Экзоскелет "Rewalk"
Экзоскелет ReWalk был изобретен в Йокнеаме(Израиль) инженером-механиком Амитом Гоффером, страдающим тетраплегией после автомобильной аварии, в 2011 году и был предназначен для людей с ограниченными возможностями(больных параплегией). Система работает от аккумулятора, который находится в рюкзаке. Управление осуществляется с помощью дистанционного пульта, который надевается на запястье и распознает движения пользователя. ReWalk был одобрен для использования в больницах США Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в 2011 году. В январе 2013 года вышла обновленная версия — ReWalk Rehabilitation, а уже в июне 2014 года FDA одобрило использование экзоскелета на публике и дома, тем самым открыв ему дорогу в коммерческом плане. Система весит около 23,3 килограмма, работает на базе Windows и в трёх режимах: идти, сидеть и стоять. Стоимость: от 70 до 85 тысяч долларов.
Экзоскелет "ReWalk" позволил этим людям жить полноценной жизнью.
millitary
Военный экзоскелет "XOS"
Серия этих военных экзоскелетов находится в активной разработке (на очереди XOS 3). Производится компанией Raytheon, США. Весит около 80 килограммов и позволяет владельцу с лёгкостью поднимать 90 лишних килограммов. Последние модели костюма настолько подвижны, что позволяют играть с мячом. Как отмечают производители, один XOS может заменить трёх солдат. Возможно, третье поколение экзоскелета будет уже ближе к тому, что мы видим на экранах фантастических фильмов последних лет. Увы, пока он привязан к внешнему источнику питания.
Одна из моделей "XOS" в действии.
medicine and work
Экзоскелет "Hybrid Assistive Limb (HAL)"
Первый прототип HAL был предложен Йошуки Санкаем, профессором университета Цукуба (Япония). Очарованный роботами с начальной школы, Санкай стремился создать роботизированный костюм, который бы позволил «помогать людям». Санкай начал разрабатывать HAL после получения докторской степени в робототехнике в 1989 году.
Третий прототип HAL, разработанный в начале 2000-х годов, был прикреплен к компьютеру. Только его батарея весила почти 22 килограмма и требовала двух помощников, что делало его очень непрактичным. В отличие от этого, более поздняя модель HAL-5 весит всего 10 килограммов, а её аккумулятор и компьютер управления привязаны к талии пользователя
В настоящее время существует модель 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. Эти импульсы поступают во встроенный компьютер, который оценивает нагрузки и активирует необходимые сервоприводы экзоскелета. Кроме людей с проблемами здоровья, HAL полезен пожилым, строителям, работникам МЧС.
Третий прототип HAL, разработанный в начале 2000-х годов, был прикреплен к компьютеру. Только его батарея весила почти 22 килограмма и требовала двух помощников, что делало его очень непрактичным. В отличие от этого, более поздняя модель HAL-5 весит всего 10 килограммов, а её аккумулятор и компьютер управления привязаны к талии пользователя
В настоящее время существует модель 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. Эти импульсы поступают во встроенный компьютер, который оценивает нагрузки и активирует необходимые сервоприводы экзоскелета. Кроме людей с проблемами здоровья, HAL полезен пожилым, строителям, работникам МЧС.
Экзоскелет "НAL"
medicine
Экзоскелет "eLegs"
Калифорнийская компания Berkeley Bionics представила публике экзоскелет eLegs, позволяющий ходить людям с парализованными нижними конечностями и нарушением работы ног. Надеть этот экзоскелет поверх одежды и обуви можно всего за пару минут.
Его 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.
Робоноги управляются четырьмя моторами: по одному на каждом бедре и колене. Положение лодыжки регулируется при помощи пассивных пружин. Они позволяют ступне естественным образом вставать на землю. Костыли во всей этой системе не только помогают человеку поддерживать баланс, но и являются элементом системы управления экзоскелетом. Например, если пользователь хочет сделать шаг правой ногой, он должен выставить вперёд левый костыль.
Его 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.
Робоноги управляются четырьмя моторами: по одному на каждом бедре и колене. Положение лодыжки регулируется при помощи пассивных пружин. Они позволяют ступне естественным образом вставать на землю. Костыли во всей этой системе не только помогают человеку поддерживать баланс, но и являются элементом системы управления экзоскелетом. Например, если пользователь хочет сделать шаг правой ногой, он должен выставить вперёд левый костыль.
work and medicine
Экзоскелет "MS-02 PowerLoader"
Проект дочерней компании Panasonik — компании ActiveLink (Япония). Применяемые экзоскелеты используются для увеличения силы солдат; также, роботизированные опоры для ног способны помочь парализованным людям ходить, могут использоваться работниками атомных электростанций и сотрудниками МЧС в случае стихийных бедствий.
Костюмы ActiveLink разработаны таким образом, что пользователи могут закрепить их и начать работать за 30 секунд или меньше.
Экзоскелет "Power Loader" с помощью датчиков усилия измеряет силу, прикладываемую человеком-оператором к органам управления роботом, и усиливает ее многократно с помощью своих серводвигателей. Это снабжает тело человека поистине "нечеловеческими" возможностями, а окружение человека частями и деталями экзоскелета ограждает его и создает ему безопасную среду для работы".
Интересно, что самом начале реализации проекта "Power Loader" специалисты компании Activelink разработали большой вариант робота-экзоскелета, который во многом был похож на подобное устройство из научно-фантастического фильма "Чужие". Но после не очень удачных попыток использования робота "Power Loader" при ликвидации последствий аварии на ядерной электростанции Фукусима, стало ясно, что в громадные экзоскелеты не очень удобны в эксплуатации и компания Activelink направилась по пути создания более компактного варианта робота-экзоскелета Power Loader.
Костюмы ActiveLink разработаны таким образом, что пользователи могут закрепить их и начать работать за 30 секунд или меньше.
Экзоскелет "Power Loader" с помощью датчиков усилия измеряет силу, прикладываемую человеком-оператором к органам управления роботом, и усиливает ее многократно с помощью своих серводвигателей. Это снабжает тело человека поистине "нечеловеческими" возможностями, а окружение человека частями и деталями экзоскелета ограждает его и создает ему безопасную среду для работы".
Интересно, что самом начале реализации проекта "Power Loader" специалисты компании Activelink разработали большой вариант робота-экзоскелета, который во многом был похож на подобное устройство из научно-фантастического фильма "Чужие". Но после не очень удачных попыток использования робота "Power Loader" при ликвидации последствий аварии на ядерной электростанции Фукусима, стало ясно, что в громадные экзоскелеты не очень удобны в эксплуатации и компания Activelink направилась по пути создания более компактного варианта робота-экзоскелета Power Loader.
Экзоскелет "PowerLoader"
work
Экзоскелет для водолазов "Exosuit"
В 2014 году в США компанией "Nuytco Research Ltd" был изобретен экзоскелет-гидрокостюм, предназначенный для работы водолазов на больших глубинах. Новая разработка была названа Exosuit. Этот экзоскелет позволяет погружаться на глубину до 300 метров, где давление в 30 раз выше атмосферного. При этом водолаз может оставаться на глубине часами, выполняя специфичные задания.
Костюм, по сути, представляет собой персональную носимую «субмарину». Он выполнен из металла и обеспечивает защиту от высокого давления и низких температур. Внутри тело водолаза обволакивается воздушной прослойкой с постоянным давлением: это избавляет от необходимости прохождения декомпрессионных процедур.
Высота Exosuit составляет около 2 метров, вес — 240 кг. В области шлема расположена видеокамера, предназначенная для наблюдения за подводной жизнью. Предусмотрены специальные манипуляторы и захваты. Стоимость производства костюма составляет около 600 тыс. долларов США.
Разумеется, атмосферные гидрокостюмы существовали и раньше. Однако Exosuit позволяет выполнять на глубине операции, которые ранее были крайне затруднены. Костюм имеет 18 вращающихся соединений в области ног и рук, движение обеспечивают четыре двигателя малой тяги мощностью 1,6 лошадиных силы.
Костюм, по сути, представляет собой персональную носимую «субмарину». Он выполнен из металла и обеспечивает защиту от высокого давления и низких температур. Внутри тело водолаза обволакивается воздушной прослойкой с постоянным давлением: это избавляет от необходимости прохождения декомпрессионных процедур.
Высота Exosuit составляет около 2 метров, вес — 240 кг. В области шлема расположена видеокамера, предназначенная для наблюдения за подводной жизнью. Предусмотрены специальные манипуляторы и захваты. Стоимость производства костюма составляет около 600 тыс. долларов США.
Разумеется, атмосферные гидрокостюмы существовали и раньше. Однако Exosuit позволяет выполнять на глубине операции, которые ранее были крайне затруднены. Костюм имеет 18 вращающихся соединений в области ног и рук, движение обеспечивают четыре двигателя малой тяги мощностью 1,6 лошадиных силы.
"Exosuit"- инновационная разработка для водолазов
millitary
Экзоскелет "HULK"
Одна из самых серьёзных травм, которую может получить пехотинец, – это травма спины, так как пехотинцам приходиться переносить довольно большое количество снаряжения. Помочь пехотинцам переносить тяжелый груз должен экзоскелет HULC от компании Lockheed( США), который можно будет надевать под одежду. Встроенный микроконтроллер управляет движениями титановых конечностей HULC полностью самостоятельно, не требуя дополнительного вмешательства со стороны. Он способен помочь при приседании с грузом, подъеме его из наклона, медленной ходьбе с грузом в руках. По словам разработчиков, главное в его конструкции — модульность, которая позволяет прямо на месте разобрать экзоскелет и упаковать его в заплечный рюкзак, или наоборот — вынуть и надеть. Еще одна немаловажная деталь — низкое энергопотребление. Благодаря ему солдат сможет на одном заряде встроенных аккумуляторов вести довольно длительные миссии.
Кроме того, в планах компании Lockheed создание экзоскелета для солдат, уже получивших травмы. Менеджер программы по созданию экзоскелета, HULC Ахиллес Дороти, утверждает: "данный экзоскелет ориентирован на 700,000 американцев с повреждениями позвоночника. Другой круг потенциальных пользователей – приблизительно 600,000 человек, перенесших инсульт и потерявших способность к самостоятельному перемещению".
Кроме того, в планах компании Lockheed создание экзоскелета для солдат, уже получивших травмы. Менеджер программы по созданию экзоскелета, HULC Ахиллес Дороти, утверждает: "данный экзоскелет ориентирован на 700,000 американцев с повреждениями позвоночника. Другой круг потенциальных пользователей – приблизительно 600,000 человек, перенесших инсульт и потерявших способность к самостоятельному перемещению".
HULK
work
Экзоскелет "Chairless chair"
Для облегчения жизни людей, которым по долгу работы приходится много стоять на ногах или часто присаживаться на корточки, швейцарская компания Noonee создала устройство под названием Chairless Chair. Это устройство представляет собой нечто вроде экзоскелета, одеваемого на нижнюю часть тела человека, которое может зафиксироваться и удерживать тело человека в сидячем положении, что позволит работнику избавить суставы от вредной нагрузки. Предполагается, что использование данной разработки в перспективе может помочь повысить производительность труда и сохранить здоровье особо мобильных сотрудников, которым нужно время от времени работать за терминалом или за несколькими рабочими столами.
Chairless chair
medicine
Российская разработка "ЭкзоАтлет"
Наши соотечественники также создают экзоскелеты, целью которых является помощь людям с проблемами со здоровьем. В 2011 году Министерство чрезвычайных ситуаций и научная команда НИИ Механики Московского Государственного Университета начали работу над ЭкзоАтлетом. Команда смогла разработать несколько экзоскелетов под маркой «ЭкзоАтлет». Разработка медицинского экзоскелета для реабилитации началась в декабре 2013 года в рамках проекта «ЭкзоАтлет». В команде проекта около 20 сотрудников. Основателем и руководителем проекта является Екатерина Березий. Научным руководителем выступает Письменная Елена Валентиновна, старший научный сотрудник НИИ Механики МГУ.
В настоящее время уже собрано несколько версий действующих прототипов экзоскелетов. Команда ЭкзоАтлета активно участвует в различных мероприятиях и выставках, как робототехнической, так и медицинской направленности.
Экзоскелеты пассивного действия повышают выносливость и активность человека. В свою очередь, экзоскелеты активного действия увеличивают силу человека и позволяют ему справляться с весом до 200 килограммов.
В настоящее время уже собрано несколько версий действующих прототипов экзоскелетов. Команда ЭкзоАтлета активно участвует в различных мероприятиях и выставках, как робототехнической, так и медицинской направленности.
Экзоскелеты пассивного действия повышают выносливость и активность человека. В свою очередь, экзоскелеты активного действия увеличивают силу человека и позволяют ему справляться с весом до 200 килограммов.
ЭкзоАтлет
а есть ли они у них?..
Недостатки экзоскелетов
На данном этапе развития у экзоскелетов существует только два недостатка. Первый — это их недоработанность. Да, мы уже можем сделать многое, но не меньше остается за пределами возможностей современных технологий. Впрочем, это всего лишь вопрос времени.
Второй недостаток, частично вытекающий из первого, — это дороговизна уже существующих приспособлений. Пока производство экзоскелетов требует слишком много ресурсов, увы, они не будут доступны для каждого человека, который в них нуждается. Также невозможно точно сказать, сколько стоит экзоскелет, потому что для каждого отдельного случая он будет разрабатываться специально. Речь здесь ведется, конечно же, о медицинских костюмах и протезах. Как правило, у оборонной промышленности достаточно средств для того, чтобы оснастить солдат последними технологическими достижениями.
Второй недостаток, частично вытекающий из первого, — это дороговизна уже существующих приспособлений. Пока производство экзоскелетов требует слишком много ресурсов, увы, они не будут доступны для каждого человека, который в них нуждается. Также невозможно точно сказать, сколько стоит экзоскелет, потому что для каждого отдельного случая он будет разрабатываться специально. Речь здесь ведется, конечно же, о медицинских костюмах и протезах. Как правило, у оборонной промышленности достаточно средств для того, чтобы оснастить солдат последними технологическими достижениями.
Сложно предсказать, что именно ждет нас в будущем, какие успехи в биоинженерии ещё совершит человек, однако одно известно наверняка - экзоскелеты способны действительно изменить наш мир.
