Мы используем файлы cookie.
Продолжая использовать сайт, вы даете свое согласие на работу с этими файлами.
Экзоскелет
Другие языки:

Экзоскелет

Подписчиков: 0, рейтинг: 0
Hybrid Assistive Limb, CYBERDYNE.jpg

Экзоскеле́т (от греч. έξω — внешний и σκελετος — скелет) — устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей, а также для передачи нагрузки при переносе груза через внешний каркас в опорную площадку стопы экзоскелета.

Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. Для определения этих пропорций следует пользоваться понятием анатомическая параметризация.

Анатомическая параметризация — это определение соответствий между различными анатомическими характеристиками строения человеческого тела и параметрами механического устройства, обуславливающих оптимальную работу образующейся при этом биомеханической системы.

По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в России, Японии, США и Израиле. Экзоскелет может быть встроен в скафандр.

История

Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и ВС США в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъёме 4,5 кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680 кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего он 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. Без соединения вместе всех компонентов практическое применение проекта Hardiman было ограничено.

Экзоскелет ReWalk, разработанный ReWalk Robotics, позволяет парализованным людям ходить. Новая система, по словам исследователей, может применяться пациентами в повседневной жизни.

Классификация

Экзоскелеты, созданные на сегодняшний день, или находящиеся в стадии перспективных разработок, могут быть классифицированы по следующим признакам:

  • Тип исполнительного механизма
  • Наличие привода усиления сочленений
  • Анатомическое расположение усиленных сочленений
  • Наличие встроенного источника энергии
  • Вид используемого силового привода
  • Способ получения управляющего сигнала
  • Тип силовой установки и источника энергии
  • Область практического применения

Наиболее полную и современную классификацию предложил профессор Воробьев А. А. и соавторы (2015 г.)

В основу предлагаемой классификации положены несколько принципов.

  1. По источнику энергии и принципу работы привода:
    1. пассивные экзоскелеты;
    2. активные экзоскелеты.
  2. По точке приложения (локализации):
    1. экзоскелет верхних конечностей;
    2. экзоскелет нижних конечностей;
    3. экзоскелет-костюм.
  3. По стоимости (условно):
    1. низкой стоимости (доступные): 1000—10000 $;
    2. средней ценовой категории: 10000—50000 $;
    3. высокой стоимости — более 50000 $.
  4. По области применения:
    1. военный;
    2. медицинский;
    3. промышленный;
    4. космический.
  5. По весу конструкции:
    1. лёгкие — до 5 кг;
    2. средней весовой категории — от 5 до 30 кг;
    3. тяжелые — более 30 кг.
  6. По количеству функций:
    1. экзоскелеты простого назначения;
    2. экзоскелеты двойного назначения;
    3. экзоскелеты с расширенными функциями.
  7. По мобильности пациента:
    1. мобильные;
    2. фиксированные (стационарные);

Направления разработок

Эскиз экзоскелета Министерства обороны США.
Экзоскелет в составе концепта «Future Soldier» армии США.
Экзоскелет нижней челюсти
Экзоскелет нижней челюсти.
Hybrid Assistive Limb.jpg

Главным направлением разработок является военное применение экзоскелетов с целью повышения мобильности тактических групп и подразделений, действующих в пешем порядке, за счет компенсации физической нагрузки солдат, вызванной чрезмерным весом экипировки. Повышение подвижности и скорости человека может также сопровождаться увеличением силы того, кто использует экзоскелет.

Интеграция экзоскелета в экипировку будет сопровождаться превращением его в многофункциональную систему. Помимо своего основного предназначения, он может выполнять функции электрогенератора, хранилища аккумуляторных батарей, каркаса для крепления модулей бронезащиты, средств телекоммуникаций, различного рода сенсоров и датчиков, прокладки линий электропитания и передачи данных. Заслуживает внимания применение элементов конструкции экзоскелета в роли антенной системы для передачи и приема радиосигналов.

Другой возможной областью применения экзоскелетов является помощь травмированным людям и людям с инвалидностью, пожилым людям, которые в силу своего возраста имеют проблемы с опорно-двигательным аппаратом.

Для реабилитации пациентов с переломами нижней челюсти был разработан экзоскелет нижней челюсти, он направлен на лечение у пациентов дефектов нижней челюсти с возможностью восстановления жевательной функции в ранний послеоперационный период и на этапах реабилитации. Данное устройство впервые предоставляет пациенту не только двигательную активность нижней челюсти, но и компенсирует патологические силы, возникающие вследствие использования аппарата внешней фиксации отломков костей. Экзоскелет нижней челюсти на YouTube

Модификации экзоскелетов, а также отдельные их модели, могут оказывать значительную помощь спасателям при разборах завалов рухнувших зданий. При этом экзоскелет может защитить спасателя от падения обломков.

В наше время большой преградой для начала постройки полноценных экзоскелетов является отсутствие подходящих источников энергии, которые могли бы в течение длительного времени позволить машине работать автономно.

В 1960-е гг. компания General Electric разработала электрическую и гидравлическую конструкцию под названием Hardiman, по форме напоминавшую погрузчик-экзоскелет, который лейтенант Эллен Рипли (В фильме «Чужие») использует в финальном бою против матки Чужих, однако при весе в 1500 фунтов (680,4 кг) конструкция была неэффективна.

Рабочие примеры экзоскелетов были построены, но широкое применение таких моделей пока невозможно. Это, например, экзоскелет XOS компании Sarcos, который был разработан на заказ армии США. По заявлениям прессы, машина удачно спроектирована но, из-за отсутствия аккумуляторов достаточной ёмкости, демонстрацию пришлось проводить в режиме работы от сети (ролик с демонстрацией есть на YouTube).

Некоторые экзоскелеты (Hybrid Assistive Limb, Honda Walking Assist Device) позиционируются как устройства для людей с проблемами опорно-двигательного аппарата. Honda Walking Assist Device был произведен компанией Honda в трёх размерах — малый, средний (масса 2,8 кг), большой.

Разработкой российского экзоскелета под названием ЭкзоАтлет занимается команда учёных из проекта ExoAtlet, первого российского медицинского экзоскелета для реабилитации, социальной адаптации и интеграции людей с нарушением локомоторных функций нижних конечностей. Как заявляют разработчики, такой экзоскелет подойдет не только людям с травмой спинного мозга, но и с последствиями инсульта. В настоящее время создано несколько действующих прототипов изделия. Последняя модификация, ExoAtlet Albert, управляется с костылей и позволяет человеку самостоятельно ходить, садиться, вставать. Со слов руководителей проекта, первые продажи начнутся в 2016 году.

Российский промышленный пассивный экзоскелет X-Soft (компания Exorise)

Экзоскелет X-Soft.jpg

Экзоскелеты компании EXORISE (Сайт компании Экзорайз) — уникальная разработка профессиональных инженеров и конструкторов, ученых и изобретателей (линейка пассивных промышленных экзоскелетов — X-Soft, X-Arm, X-Rise).

Три основных модели компании Экзорайз:

  1. Основная массовая модель X-Soft (мягкий пассивный экзоскелет). Основная функция модели X-Soft — разгрузка спины человека при частых наклонах, поворотах с грузом и без. Он самый легкий (до 2 кг), простой в использовании и недорогой.
  2. Тяжелая модель X-Arm — это, по сути, третья рука с возможностью комплектацией конструкцией экзоскелета ног для работы с инструментом. X-Arm весит около 10 кг, с «ногами» — около 17 кг. Это решение позволяет нивелировать вес как самого экзоскелета, так и ручного инструмента через конструкцию «ног» в землю.
  3. Модель X-Rise, которая сделана специально для автопроизводителей, но может быть применена и в других секторах промышленности. Модель весит около 3 кг, ее задача — поддержка рук при операциях, требующих длительного удержания на весу.

Пассивный промышленный экзоскелет российской разработки (г. Магнитогорск, Челябинская область). Выполнен с учетом антропометрических и биомеханических данных человека. Призван разгружать мышцы спины, рук и ног работника, снижать вероятность травм и развития профессиональных заболеваний. Испытан в компаниях из списка ТОП-30 Российской Федерации, организованы серийные производство и продажи.

Гибкое и прочное основание и встроенный корсет компенсируют нагрузку на позвоночник и корректируют осанку. Рессоры и система распределения на базе своеобразных «помочей» из эластомеров призваны повышать эффективность работы при наклонах и подъемах (до 30 % уменьшения нагрузки при разгибании).

Выполнен из износостойких и жаропрочных материалов.

Области применения: Металлургия, Нефтегазовая отрасль, Машиностроение, Строительство, МЧС, Складское хозяйство, Погрузочно-разгрузочные работы, Сельское хозяйство, Жилищно-коммунальное-хозяйство

Российский промышленный пассивный экзоскелет X-RISE (компания Exorise)

промышленный экзоскелет компании Exorise

X-RISE — пассивный экзоскелет, обеспечивающий поддержку рук для работников конвейерных производств. Может быть совмещен с моделью X-Soft для повышения эффективности при поднятии груза.

В то время как автоматизированные технологии, безусловно, снизили нагрузку на заводы по всему миру, тяжелый труд и долгие часы работы людей по-прежнему составляют большую часть производственного процесса.

X-rise — это пассивный экзоскелет верхней части тела, который поднимает и поддерживает руки работника (снимается нагрузку с плеч), перенося вес на бедра, чтобы помочь оператору в выполнении задач, связанных с подъемом и/или удержанием рук (с грузом или без) выше груди. Экзоскелет разработан с учетом физиологических особенностей человека, что делает его удобным для ношения в любых условиях, обеспечивая свободу движений и высокую эффективность.

Конструкция экзоскелета, дополнительно к основному действию, оказывает дисциплинирующее влияние на осанку работника при выполнении работ (реализована технология комбинированного демпфера в поясничной области). Помимо основной конструкции экзоскелет X-rise комплектуется поддержкой головы и набором силовых жгутов (натуральный силикон, армированный спец. волокном с рабочим режимом температур от −40 до +200 градусов по Цельсию)

Российский промышленный экзоскелет ExoHeaver

ExoHeaver Active Electric — активный промышленный экзоскелет, разработка Цифровой лаборатории «Норникеля» в партнерстве с Юго-Западным государственным университетом (ЮЗГУ, г. Курск) и компанией «Экзомед» (Курск). Промышленный экзоскелет нижних конечностей ExoHeaver предназначен для подъема, переноса и удержания грузов, а также для выполнения работ, связанных с длительным нахождением в статичном состоянии, применяется для профилактики травматизма на производстве и способствует повышению производственной эффективности. Оснащен интеллектуальной системой управления электроприводами и набором бортовых датчиков, анализирующих окружающую обстановку, параметры пользователя и груза.

Модульная конструкция экзоскелета включает в себя гравитационные компенсаторы и модуль подъема груза с электроприводом, что позволяет экзоскелету воспринимать на себя до 90 % веса груза при максимальной грузоподъемности до 60 кг. Экзоскелет рассчитан на операторов ростом от 160 до 195 см, а также включает в себя бортовой компьютер, позволяющий в реальном времени отслеживать уровень загазованности окружающего воздуха, температуру воздуха, освещенность, режим работы пользователя и другие параметры. Все данные выводятся на мобильное устройство и могут передаваться в корпоративную сеть.

ExoHeaver Lowebacker — пассивный экзоскелет мягкого типа, предназначенный для разгрузки спины при грузоподъемных, складских и транспортных работах. В настоящий серийно производятся в Курске.

ExoHeaver 3Hander — пассивный экзоскелет, имеющий механизм параллельной кинематики, предназначенный для разгрузки руки при работе с тяжелым инструментом или грузом.

Экзоскелет Raytheon XOS 2

XOS 2 — это роботизированный костюм второго поколения, разработанный Raytheon для армии США. Компания впервые продемонстрировала возможности экзоскелета в своем исследовательском центре в Солт-Лейк-Сити в штате Юта в сентябре 2010 года. Роботизированный костюм увеличивает силу, ловкость и выносливость солдата внутри него. В XOS 2 используется гидравлическая система высокого давления, позволяющая владельцу поднимать тяжелые предметы в соотношении 17:1 (фактический вес к воспринимаемому весу). Это позволяет повторно поднимать нагрузку без усталости или травмы.

Агентство перспективных исследовательских проектов обороны США (DARPA) инициировало разработку экзоскелетов в 2001 году в рамках программы Exoskeletons for Human Performance Augmentation. Агентство финансировало 50 млн долларов различным участникам в рамках пятилетней программы. Однако только двое из них активно участвуют в разработке прототипов экзоскелета для американских военных.

Система XOS была первоначально разработана как Wearable Energetically Autonomous Robot (WEAR) от Sarcos Research из Солт-Лейк-Сити, штат Юта. Разработка биомеханического робота началась в 2000 году. Компания, основанная в 1983 году, была приобретена Raytheon в ноябре 2007 года.

Роботизированный костюм второго поколения XOS 2 использует более легкий материал и примерно на 50 % эффективнее, чем XOS 1. Ожидается, что экзоскелет будет весить около 95 кг. Он использует комбинацию контроллеров, датчиков, высокопрочного алюминия и стали, которые позволяют структурам и приводам выполнять задачи.

Система XOS 2 оснащена гидравлическим двигателем внутреннего сгорания с электрическими системами. Прототип привязан к источнику питания гидравлики с помощью провода. Двигатель управляет гидравлическими приводами. Различные датчики, оборудованные всей системой, определяют положение и требуемую силу.

MS-02 PowerLoader

Проект дочерней компании Panasonic — компании ActiveLink. 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. Приведенные в действие экзоскелеты для реабилитации или других медицинских применений часто используют датчики электрической активности мышцы, которые требуют времени для калибровки.

Экзоскелет компании Nuytco Research Ltd

Твердый костюм позволяет дайверам погружаться под воду на глубину 1000 футов. Экзоскелет сделан из алюминиевого сплава A536. Вес — от 225 килограмм. Максимальное время погружения — 50 часов.

RL Mark VI

Продукт компании Solar System Express. RL Mark VI первоначально позволит погружаться с высоты до 62 миль (100 км) над земной поверхностью на самом краю космоса и приземляться вертикально с использованием гироскопических ботинок вместо парашюта. Этот костюм повысит безопасность и производительность на пилотируемых космических полетах, обеспечит средства для выхода из возможных катастрофических аварий и расширит возможности космического туризма и научных исследований.

Eidos Montreal

Компании Eidos Montreal и Open Bionics в качестве пиар акции игры Deus Ex: Mankind Divided, совместно выпускают протезы, изготавливаемые на основе технологий 3D-печати. Отличительной чертой протезов данного проекта будет их низкая стоимость.

LAEVO exoskeleton

Пассивный экзоскелет компании LAEVO

Компания Laevo (Нидерланды) разработала пассивный вариант экзоскелета, в котором используются гидравлические цилиндры. Он предназначен для облегчения выполнения логистических операций и снижает субъективное восприятие нагрузки на 40—50 %. При наклоне туловища или приседании в гидроцилиндрах экзоскелета аккумулируется избыточное давление, которое высвобождается при возвращении тела в исходное положение, создавая в этот момент дополнительное усилие для разгрузки соответствующих мышц. Вес изделия версии V2.4 составляет 2,5 кг, версии V2.5 — 2,8 кг. Гидроцилиндры рассчитаны минимум на 250 тыс. срабатываний в течение 3 лет. Температура окружающей среды в процессе эксплуатации должна быть выше нуля. Экзоскелет получил медицинскую сертификацию «CE — Medical Device Class I».

Российский экзоскелет эндохирурга

В 2019 году волгоградские врачи Александр Воробьев и Федор Андрющенко представили первый экзоскелет хирурга, призванный облегчить выполнение многочасовых эндоскопических операций путем снижения нагрузки с позвоночника и рук хирурга. В конце марта была проведена первая операция с использованием данного экзоскелета.

Медицинский экзоскелет PHOENIX

Проект компании suitX также известной как US Bionics. Директором компании является Homayoon Kazerooni. PHOENIX — является одним из самых легких экзоскелетов весом 12,25 кг. Разработан для людей с нарушением опорно-двигательной системы, а именно для людей, которые не могут ходить самостоятельно. Скорость передвижения составляет 0,5м/с, оснащен аккумуляторной батареей с запасом беспрерывного хода до 4 часов и до 8 часов с перерывами. Имеет регулируемые размеры и может настраиваться под пользователей разного телосложения и роста. PHOENIX оснащен набедренными двигателями, которые приводят в действие коленные суставы экзоскелета, позволяя свободно передвигаться. Он спроектирован таким образом, что оператор не чувствует его веса и находится на нем. При столкновении с препятствием экзоскелет компенсирует удар не перенося его на владельца.

В научной фантастике

Экзоскелеты часто фигурируют в научно-фантастических произведениях, чаще всего как военная техника — в виде силовой брони или боевого скафандра.

В литературе и комиксах

  • Одно из первых и самых известных изображений боевого экзоскелета в научной фантастике представлено в романе Роберта Хайнлайна «Звёздный десант» (1959). Герои романа применяют бронированные боевые скафандры с интегрированными экзоскелетами, позволяющими бегать, прыгать на большую высоту при помощи встроенных ракетных двигателей, оснащенные разнообразным вооружением и оборудованием. Образ, созданный Хайнлайном, заложил основу представлений о силовой броне в фантастике и повлиял на многие последующие произведения; он упоминается как источник вдохновения создателей Warhammer, Star Craft и многих других вселенных.
  • Впервые концепция брони с экзоскелетом была изложена в романе «Том Свифт и его реактивный морпех» (Tom Swift and His Jet Marine) из многоавторской серии «Том Свифт», опубликованном в 1954 году.
  • В комиксах серии «Железный человек» издательства Marvel и их экранизациях рассказывается, как главный герой, Тони Старк, создал серию экзоскелетов, способных летать и оснащённых разнообразным вооружением и приспособлениями.
  • Экзоскелеты или близкие к ним конструкции («прыгающие скелеты» — стальные, обшитые кожей каркасы с электродвигателем, пружинами и амортизаторами для индивидуального передвижения) также фигурируют в романе Ивана Ефремова «Туманность Андромеды» (1957), романе Станислава Лема «Фиаско» (1987), книгах серии «Гиперион» Дэна Симмонса, «Сага о Форкосиганах» Лоис Буджолд, «Древний» Сергея Тармашева, рассказе Сергея Житомирского «Ошибка» (под названием «электропневмомультипликатор») и других.

В фильмах и анимации

Экзоскелеты или близкие к ним конструкции используют персонажи киносерий «Матрица» (APU — Armored Personnel Units), фильмов «Аватар», «Притяжение», «Район №9» (нечто среднее между экзоскелетом и шагоходом), «Элизиум — рай не на Земле», «Бросок кобры», «Дети шпионов 4D». Одна из самых известных сцен, связанных с экзоскелетами, показана в фильме «Чужие», где главная героиня Эллен Рипли в финальном бою против матки Чужих использует погрузчик-экзоскелет. В фильме «Грань будущего» все бойцы ведут боевые действия в экзоскелетах. В мультсериале «Эхо-взвод» боевые летающие экзоскелеты лежат в основе всей концепции.

В играх

См. также

Ссылки

Фильм

Новое сообщение