Eksoskeletid

Kuigi viimasel ajal on üha rohkem kuulda eksoskeletitest, tuleb välja, et selle leiutise ajalugu ulatub üheksateistkümnendasse sajandisse. Saate teada, kuidas see on aastakümnete jooksul muutunud ja millised nägid välja selle arengu pöördepunktid. 

1. Illustratsioon Nikolai Yagni patendist

1890 – Esimesed uuenduslikud ideed eksoskeleti loomiseks pärinevad 1890. sajandist. 420179. aastal patenteeris Nicholas Yagn Ameerika Ühendriikides (patendi nr US XNUMX A) "Seadme kõndimise, jooksmise ja hüppamise hõlbustamiseks" (1). Tegemist oli puidust valmistatud soomukiga, mille eesmärk oli tõsta sõdalase kiirust mitmekilomeetrisel marssil. Disain sai inspiratsiooniallikaks optimaalse lahenduse edasisel otsimisel.

1961 - 60ndatel alustas General Electric koos grupi Comelli ülikooli teadlastega tööd elektrohüdraulilise ülikonna loomisel, mis toetab inimeste liikumist. Koostöö sõjaväega Man Augmentation projekti raames viis Hardimani (2). Projekti eesmärk oli luua ülikond, mis jäljendab inimese loomulikke liigutusi, võimaldades tal tõsta ligi 700 kg kaaluvaid esemeid. Kostüüm ise kaalus sama palju, kuid käegakatsutav kaal oli vaid 20 kg.

2. General Electric soojusvaheti prototüüp

Vaatamata projekti edule selgus, et selle kasulikkus oli tühine ja esialgsed koopiad lähevad kalliks maksma. Nende piiratud liikumisvõimalused ja keeruline toitesüsteem muutsid need seadmed lõpuks kasutuskõlbmatuks. Testimise käigus selgus, et Hardiman suudab tõsta vaid 350 kg ja pikaajalisel kasutamisel on kalduvus ohtlikele, koordineerimata liigutustele. Prototüübi edasisest arendamisest loobuti vaid ühest käsivarrest – seade kaalus umbes 250 kg, kuid see oli sama ebapraktiline kui eelmine eksoskelett.

70 aastat. “Oma suuruse, kaalu, ebastabiilsuse ja võimsusprobleemide tõttu ei jõudnud Hardiman kunagi tootmisse, kuid tööstuslik Man-Mate kasutas mõnda 60ndate tehnoloogiat. Õigused tehnoloogiale ostsid Western Space ja Marine, mille asutas üks GE inseneridest. Toodet on edasi arendatud ja see eksisteerib täna suure robotkäe kujul, mis suudab jõu tagasiside abil tõsta kuni 4500 kg, mistõttu on see ideaalne terasetööstuse jaoks.

3. Serbias Mihailo Pupini Instituudis ehitatud eksoskeletid.

1972 – Varased aktiivsed eksoskeletid ja humanoidrobotid töötati välja Serbias Mihailo Pupini Instituudis prof. Miomir Vukobratovitš. Esiteks on välja töötatud jalgade liigutamise süsteemid, et toetada parapleegia all kannatavate inimeste taastusravi.3). Aktiivsete eksoskelettide väljatöötamisel töötas instituut välja ka meetodid inimese kõnnaku analüüsimiseks ja kontrollimiseks. Mõned neist edusammudest on aidanud kaasa tänapäevaste suure jõudlusega humanoidrobotite arendamisele. 1972. aastal katsetati Belgradi ortopeediakliinikus aktiivset pneumaatilist eksoskeletti koos alajäsemete halvatuse elektroonilise programmeerimisega.

1985 „Los Alamose riikliku labori insener ehitab eksoskeletti nimega Pitman, jalaväelastele mõeldud jõurüüd. Seadme juhtimine põhines spetsiaalsesse kiivrisse paigutatud kolju pinda skaneerivatel anduritel. Arvestades tolleaegse tehnoloogia võimalusi, oli selle valmistamiseks liiga keeruline konstruktsioon. Piiranguks oli eelkõige arvutite ebapiisav arvutusvõimsus. Lisaks jäi ajusignaalide töötlemine ja eksoskeleti liigutusteks teisendamine toona tehniliselt praktiliselt võimatuks.

4. Exoskeleton Lifesuit, disaininud Monty Reed.

1986 - Monty Reed, USA armee sõdur, kes murdis langevarjuhüppes selgroo, arendab välja ellujäämisülikonna eksoskeleti (4). Teda inspireerisid liikurjalaväeülikondade kirjeldused Robert Heinleini ulmeromaanis Starship Troopers, mida ta luges haiglas kosudes. Kuid Reed alustas oma seadmega tööd alles 2001. aastal. 2005. aastal katsetas ta 4,8 päästeülikonna prototüüpi Püha Patricku päeva võidusõidul Seattle'is, Washingtonis. Arendaja väidab, et püstitas robotiülikondades kõndimiskiiruse rekordi, läbides 4 kilomeetrit keskmise kiirusega 14 km/h. Prototüüp Lifesuit 1,6 suutis täis laetuna läbida 92 km ja võimaldas tõsta XNUMX kg.

1990-praegu - HAL-i eksoskeleti esimese prototüübi pakkus välja Yoshiyuki Sankai (5), prof. Tsukuba ülikool. Sankai kulutas kolm aastat – aastatel 1990–1993 – jalgade liikumist kontrollivate neuronite tuvastamiseks. Seadme prototüüpimiseks kulus tal ja ta meeskonnal veel neli aastat. Kolmas HAL-i prototüüp, mis töötati välja 22. sajandi alguses, ühendati arvutiga. Aku ise kaalus peaaegu 5 kg, mis muutis selle väga ebapraktiliseks. Seevastu hilisem mudel HAL-10 kaalus vaid 5 kg ning aku ja juhtarvuti oli ümber kasutaja vöökoha. HAL-XNUMX on praegu nelja jäseme meditsiiniline eksoskelett (kuigi saadaval on ka ainult alajäsemetele mõeldud versioon), mille toodab Jaapani ettevõte Cyberdyne Inc. koostöös Tsukuba ülikooliga.

5. Professor Yoshiyuki Sankai esitleb üht eksoskeleti mudelit.

Töötab umbes 2 tundi 40 minutit nii sees kui väljas. Aitab tõsta raskeid esemeid. Juhtnuppude asukoht ja ajam konteinerites korpuse sees võimaldas vabaneda enamikule eksoskelettidele nii iseloomulikust "seljakotist", mis mõnikord meenutab suurt putukat. Hüpertensiooni, osteoporoosi ja mis tahes südamehaigusega inimesed peaksid enne HAL-i kasutamist konsulteerima arstiga ning vastunäidustused hõlmavad, kuid mitte ainult, südamestimulaatorit ja rasedust. Tootja pakub programmi HAL FIT raames võimalust kasutada eksoskeletiga raviseansse nii haigetele kui tervetele inimestele. HALi disainer väidab, et uuenduse järgmistes etappides keskendutakse õhukese ülikonna loomisele, mis võimaldab kasutajal vabalt liikuda ja isegi joosta. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni ja tema meeskond Ekso Bionicsis arendavad universaalset inimkaubavedajat ehk HULC-d (6) on hüdraulilise ajamiga juhtmevaba eksoskelett. Selle eesmärk on aidata sõdivatel sõduritel kanda kuni 90 kg kaaluvaid koormaid pika aja jooksul maksimaalse kiirusega 16 km/h. Süsteem tutvustati avalikkusele 26. veebruaril 2009 AUSA talvesümpoosionil, mil sõlmiti litsentsileping Lockheed Martiniga. Selles disainis kasutatav domineeriv materjal on titaan, kerge, kuid suhteliselt kallis materjal, millel on kõrged mehaanilised ja tugevusomadused.

Eksoskelett on varustatud iminappadega, mis võimaldavad kanda kuni 68 kg kaaluvaid esemeid (tõsteseade). Toide saadakse neljast liitium-polümeer akust, mis tagavad seadme normaalse töö optimaalsel koormusel kuni 20 tundi. Eksoskeleti testiti erinevates lahingutingimustes ja erinevate koormustega. Pärast mitmeid edukaid katseid 2012. aasta sügisel saadeti ta Afganistani, kus teda prooviti relvakonflikti ajal. Vaatamata paljudele positiivsetele arvustustele jäi projekt ootele. Nagu selgus, muutis disain teatud liigutuste sooritamise keeruliseks ja suurendas tegelikult lihaste koormust, mis oli vastuolus selle loomise üldise ideega.

2001 – Käimas on algselt peamiselt sõjaväele mõeldud Berkeley alajäsemete eksoskeleti (BLEEX) projekt. Selle raames on saavutatud paljulubavaid tulemusi praktilise tähtsusega autonoomsete lahenduste näol. Kõigepealt loodi robotseade, mis kinnitati alakehale, et anda jalgadele lisajõudu. Seadmeid rahastas DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) ja töötas välja Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, California ülikooli Berkeley masinaehitusosakonna osakond. Berkeley eksoskeleti süsteem annab sõduritele võimaluse kanda minimaalse pingutusega ja igasugusel maastikul suuri koormaid, nagu toit, päästevarustus, esmaabikomplektid, side ja relvad. Lisaks sõjalistele rakendustele arendab BLEEX praegu ka tsiviilprojekte. Robootika- ja inimtehnika labor uurib hetkel järgmisi lahendusi: ExoHiker - ekspeditsiooniliikmetele mõeldud eksoskelett, kus on vaja transportida rasket tehnikat, ExoClimber - varustus kõrgel mäkke ronijatele, Medical Exoskeleton - eksoskelett puuetega inimestele füüsilised võimed. alajäsemete liikumishäired.

8. Sarcos XOS 2 prototüüp töös

tekst

2010 - Ilmub XOS 2 (8) on Sarcose XOS-i eksoskeleti jätk. Esiteks on uus disain muutunud kergemaks ja töökindlamaks, võimaldades staatiliselt tõsta kuni 90 kg kaaluvaid koormaid. Seade meenutab küborgi. Juhtimine põhineb kolmekümnel täiturmehhanismil, mis toimivad kui kunstliigendid. Eksoskelett sisaldab mitmeid andureid, mis edastavad signaale täiturmehhanismidele arvuti kaudu. Nii toimib sujuv ja pidev töö ning kasutaja ei tunne märkimisväärset pingutust. XOS kaal on 68 kg.

2011-praegu – USA Toidu- ja Ravimiamet (FDA) kiitis heaks ReWalki meditsiinilise eksoskeleti (9). See on süsteem, mis kasutab jõuelemente jalgade tugevdamiseks ning võimaldab halvatud inimestel sirgelt püsti seista, kõndida ja trepist üles ronida. Energiat annab seljakoti aku. Juhtimine toimub lihtsa käeshoitava puldi abil, mis tuvastab ja korrigeerib kasutaja liigutusi. Kogu asja kujundas Iisraeli Amit Goffer ja ReWalk Robotics Ltd (algselt Argo Medical Technologies) müüb seda umbes 85 XNUMX Poola zloti eest. dollareid.

9 inimest kõnnib ReWalk eksoskeletites

Väljalaskmise ajal oli varustus saadaval kahes versioonis – ReWalk I ja ReWalk P. Esimest kasutavad meditsiiniasutused teadustöö või ravi eesmärgil meditsiinitöötaja järelevalve all. ReWalk P on mõeldud patsientidele isiklikuks kasutamiseks kodus või avalikes kohtades. 2013. aasta jaanuaris anti välja ReWalk Rehabilitation 2.0 uuendatud versioon. See parandas pikemate inimeste sobivust ja täiustas juhtimistarkvara. ReWalk nõuab kasutajalt karkude kasutamist. Vastunäidustustena mainitakse südame-veresoonkonna haigusi ja luude haprust. Piirang on ka kasv, 1,6-1,9 m ja kehakaal kuni 100 kg. See on ainus eksoskelett, milles saate autot juhtida.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, varem tuntud kui Berkeley Bionics, avalikustab oma meditsiinilise eksoskeleti. Projekt sai alguse kaks aastat varem nime all eLEGS (10) ja oli mõeldud erineva raskusastmega halvatusega inimeste taastusraviks. Sarnaselt ReWalkiga nõuab konstruktsioon karkude kasutamist. Aku annab energiat vähemalt kuueks kasutustunniks. Exo komplekt maksab umbes 100 tuhat. dollareid. Poolas on tuntud neuroloogiliste patsientidega töötamiseks mõeldud meditsiiniseadme eksoskeleti Ekso GT projekt. Selle disain võimaldab kõndida ka inimestel pärast insulti, seljaaju vigastusi, hulgiskleroosi või Guillain-Barré sündroomiga patsientidel. Seadmed võivad sõltuvalt patsiendi talitlushäirete astmest töötada mitmel erineval režiimil.

2013 – Mindwalker, mõistusega juhitud eksoskeleti projekt, saab raha Euroopa Liidult. Disain on Brüsseli Vabaülikooli teadlaste ja Itaalia Santa Lucia Fondi teadlaste koostöö tulemus. Teadlased katsetasid erinevaid võimalusi seadme juhtimiseks – nende arvates töötab kõige paremini aju-neuro-arvuti liides (BNCI), mis võimaldab seda mõtetega juhtida. Signaalid liiguvad aju ja arvuti vahel, möödudes seljaajust. Mindwalker teisendab EMG-signaalid, st väikesed potentsiaalid (nimetatakse müopotentsiaalideks), mis ilmuvad inimese naha pinnale, kui lihased töötavad, elektroonilisteks liikumiskäskudeks. Eksoskelett on üsna kerge, kaaludes ilma akudeta vaid 30 kg. See toetab kuni 100 kg kaaluvat täiskasvanut.

2016 – Šveitsis Zürichis asuvas ETH tehnikaülikoolis toimub esimene abistavate robotite abil puuetega inimeste spordivõistlus Cybathlon. Üks distsipliinidest oli alajäsemete halvatusega inimestele mõeldud eksoskeleti jooks takistusrajal. Sellel oskuste ja tehnoloogia demonstratsioonil pidid eksoskeleti kasutajad täitma selliseid ülesandeid nagu diivanil istumine ja püsti tõusmine, nõlvadel kõndimine, kividele astumine (nagu madala mägijõe ületamisel) ja treppidest ronimine. Selgus, et keegi ei suutnud kõiki harjutusi täita ning kiirematel võistkondadel kulus 50-meetrise takistusraja läbimiseks üle 8 minuti. Järgmine üritus toimub 2020. aastal eksoskeleti tehnoloogia arengu indikaatorina.

2019 – Suvistel meeleavaldustel Ühendkuningriigis Lympstonis Commando koolituskeskuses näitas Gravity Industriesi leiutaja ja tegevjuht Richard Browning oma Daedalus Mark 1 eksoskelett-reaktiivülikonda, mis jättis tohutu mulje sõjaväele, mitte ainult brittidele. Kuus väikest reaktiivmootorit - neist kaks on paigaldatud taha ja kaks täiendava paarina kummalegi käele - võimaldavad ronida kuni 600 m kõrgusele. Seni jätkub kütust vaid 10 minutiks. lend...