Экзоскелет

Соңғы уақытта экзоскелеттер туралы көбірек естілгенімен, бұл өнертабыстың тарихы он тоғызыншы ғасырдан басталады. Оның ондаған жылдар ішінде қалай өзгергенін және оның эволюциясындағы бетбұрыс нүктелері қандай болғанын біліңіз. 

1. Николай Янның патентінен сурет

1890 – Экзоскелет жасаудың алғашқы инновациялық идеялары 1890 ғасырдан басталады. 420179 жылы Николас Ягн АҚШ-та патенттелген (патент № US XNUMX A) «Жүруді, жүгіруді және секіруді жеңілдетуге арналған құрылғы» (1). Бұл ағаштан жасалған сауыт болды, оның мақсаты көп шақырымдық жорық кезінде жауынгердің жылдамдығын арттыру болды. Дизайн оңтайлы шешімді одан әрі іздеу үшін шабыт көзі болды.

1961 – 60-жылдары General Electric компаниясы Комелл университетінің бір топ ғалымдарымен бірге адамның жаттығуын қолдайтын электрогидравликалық костюм жасау жұмысын бастады. Man Augmentation жобасы бойынша әскерилермен ынтымақтастық Хардиманның дамуына әкелді (2). Жобаның мақсаты адамның табиғи қозғалысына ұқсайтын, салмағы 700 келіге жуық заттарды көтеруге мүмкіндік беретін костюм жасау болды. Костюмнің салмағы бірдей болды, бірақ нақты салмағы небәрі 20 кг болды.

2. General Electric прототипі жылу алмастырғыш

Жобаның сәтті болғанына қарамастан, оның пайдасы шамалы болып шықты, ал бастапқы көшірмелер қымбатқа түседі. Олардың шектеулі ұтқырлық мүмкіндіктері мен күрделі қуат жүйесі, сайып келгенде, бұл құрылғыларды жарамсыз етті. Тестілеу кезінде Хардиманның бар болғаны 350 кг салмақты көтере алатыны, ал ұзақ қолданғанда қауіпті, келісілмеген қозғалыстарға бейім екені белгілі болды. Прототипті одан әрі дамытудан тек бір қол ғана қалды - құрылғының салмағы шамамен 250 кг болды, бірақ ол алдыңғы экзоскелет сияқты практикалық емес болды.

70 жыл. «Өлшеміне, салмағына, тұрақсыздығына және қуат мәселелеріне байланысты Hardiman ешқашан өндіріске кірмеді, бірақ өнеркәсіптік Man-Mate 60-шы жылдардағы кейбір технологияларды пайдаланды. Технологияға құқықтарды GE инженерлерінің бірі негізін қалаған Western Space and Marine компаниясы сатып алды. Өнім одан әрі дамыды және бүгінде күшті кері байланыс арқылы 4500 кг-ға дейін көтере алатын үлкен роботтық қол түрінде бар, бұл оны болат өнеркәсібі үшін өте қолайлы етеді.

3. Сербиядағы Михайло Пупин атындағы институтта жасалған экзоскелеттер.

1972 – Сербиядағы Михайло Пупин атындағы институтта проф. Миомир Вукобратович. Біріншіден, параплегиядан зардап шегетін адамдардың оңалтуын қолдау үшін аяқтың қозғалыс жүйелері әзірленді (3). Белсенді экзоскелеттерді жасау кезінде институт адамның жүрісін талдау және бақылау әдістерін де әзірледі. Осы жетістіктердің кейбірі қазіргі заманғы жоғары өнімді гуманоид роботтарының дамуына ықпал етті. 1972 жылы Белградтағы ортопедиялық клиникада төменгі аяқ-қолдардың сал ауруына арналған электронды бағдарламаланған белсенді пневматикалық экзоскелет сынақтан өтті.

1985 «Лос Аламос ұлттық зертханасының инженері жаяу әскерлерге арналған күшті қару-жарақ Питман деп аталатын экзоскелет жасап жатыр. Құрылғыны басқару арнайы шлемге салынған бас сүйегінің бетін сканерлейтін сенсорларға негізделген. Сол кездегі технологияның мүмкіндіктерін ескере отырып, оны жасау үшін тым күрделі дизайн болды. Шектеу, ең алдымен, компьютерлердің есептеу қуатының жеткіліксіздігі болды. Сонымен қатар, ми сигналдарын өңдеу және оларды экзоскелеттік қозғалыстарға айналдыру сол кезде техникалық мүмкін емес болып қала берді.

4. Монти Рид құрастырған экзоскелет Lifesuit.

1986 — Монти Рид, парашютпен секіру кезінде омыртқасын сындырып алған АҚШ армиясының сарбазы тірі қалу үшін экзоскелет жасайды (4). Ол Роберт Хайнлейннің ауруханада емделіп жатқанда оқыған «Жұлдызды кемелер» ғылыми-фантастикалық романындағы жылжымалы жаяу әскер костюмдерінің сипаттамасынан шабыттанды. Дегенмен, Рид өз құрылғысында 2001 жылға дейін жұмыс істей алмады. 2005 жылы ол Сиэтлде (Вашингтон) Әулие Патрик күніне арналған жарыста 4,8 құтқару костюмінің прототипін сынады. Әзірлеуші ​​робот костюмдерінде орташа жылдамдықпен 4 км/сағ 14 шақырымды жүріп өту жылдамдығы рекордын орнатқанын мәлімдейді. Lifesuit 1,6 прототипі толық зарядталған 92 км жүре алды және XNUMX кг көтеруге мүмкіндік берді.

1990 - қазіргі уақытқа дейін - HAL экзоскелетінің алғашқы прототипін Йосиюки Санкай ұсынған (5), проф. Цукуба университеті. Санкай үш жыл бойы - 1990 жылдан 1993 жылға дейін - аяқтың қозғалысын басқаратын нейрондарды анықтауға жұмсады. Жабдықтың прототипін жасау үшін оған және оның командасына тағы төрт жыл қажет болды. 22 ғасырдың басында жасалған үшінші HAL прототипі компьютерге қосылды. Батареяның салмағы 5 кг-ға жуық болды, бұл оны өте жарамсыз етті. Керісінше, HAL-10 кейінгі моделінің салмағы небәрі 5 кг болды және батарея мен басқару компьютері пайдаланушының беліне оралған. HAL-XNUMX қазіргі уақытта жапондық Cyberdyne Inc компаниясы шығарған төрт аяқты медициналық экзоскелет (бірақ төменгі аяқ-қолға арналған нұсқасы да бар). Цукуба университетімен бірлесе отырып.

5. Профессор Йошиюки Санкай экзоскелет модельдерінің бірін ұсынады.

Үй ішінде де, сыртында да шамамен 2 сағат 40 минут жұмыс істейді. Ауыр заттарды көтеруге көмектеседі. Корпус ішіндегі контейнерлерде басқару элементтері мен жетектің орналасуы көптеген экзоскелеттерге тән, кейде үлкен жәндіктерге ұқсайтын «рюкзактан» құтылуға мүмкіндік берді. Гипертония, остеопороз және кез келген жүрек ауруы бар адамдар HAL қолданбас бұрын дәрігермен кеңесу керек және қарсы көрсеткіштерге кардиостимулятор және жүктілік кіреді, бірақ олармен шектелмейді. HAL FIT бағдарламасының бөлігі ретінде өндіруші ауру және сау адамдар үшін экзоскелетпен емдеу сеанстарын пайдалану мүмкіндігін ұсынады. Дизайнер HAL жаңартудың келесі кезеңдері пайдаланушыға еркін қозғалуға және тіпті жүгіруге мүмкіндік беретін жұқа костюм жасауға бағытталғанын айтады. 

2000 - проф. Хомайун Казеруни мен оның Ekso Bionics-тегі командасы әмбебап адам жүк тасымалдаушысын немесе HULC (6) гидравликалық жетекі бар сымсыз экзоскелет болып табылады. Оның мақсаты - соғысып жатқан жауынгерлерге салмағы 90 кг-ға дейінгі жүктерді ұзақ уақыт бойы, максималды жылдамдығы 16 км/сағ көтеруге көмектесу. Жүйе 26 жылы 2009 ақпанда AUSA қысқы симпозиумында Lockheed Martin компаниясымен лицензиялық келісімге қол жеткізілген кезде көпшілікке таныстырылды. Бұл дизайнда қолданылатын басым материал - жоғары механикалық және беріктік қасиеттері бар жеңіл, бірақ салыстырмалы түрде қымбат материал титан.

Экзоскелет салмағы 68 кг-ға дейінгі заттарды (көтеру құрылғысы) тасымалдауға мүмкіндік беретін сорғыштармен жабдықталған. Қуат 20 сағатқа дейін оңтайлы жүктеме кезінде құрылғының қалыпты жұмысын қамтамасыз ететін төрт литий-полимерлі аккумулятордан алынады. Экзоскелет әртүрлі ұрыс жағдайында және әртүрлі жүктемелерде сынақтан өтті. 2012 жылдың күзінде бірқатар сәтті эксперименттерден кейін ол Ауғанстанға жіберіліп, қарулы қақтығыс кезінде сынақтан өтті. Көптеген оң пікірлерге қарамастан, жоба уақытша тоқтатылды. Белгілі болғандай, дизайн белгілі бір қозғалыстарды орындауды қиындатып, бұлшықеттерге жүктемені арттырды, бұл оны құрудың жалпы идеясына қайшы келеді.

2001 – Бастапқыда негізінен армияға арналған Берклидің төменгі аяғындағы экзоскелет (BLEEX) жобасы жалғасуда. Оның аясында практикалық маңызы бар автономды шешімдер түрінде перспективалы нәтижелерге қол жеткізілді. Ең алдымен, аяққа қосымша күш беру үшін төменгі денеге бекітілген роботты құрылғы жасалды. Жабдықты Қорғаныстағы жетілдірілген зерттеу жобалары агенттігі (DARPA) қаржыландырды және Беркли робототехникасы және адам инженериясы зертханасы, Калифорния университетінің Беркли машина жасау департаментінің бөлімшесі әзірледі. Берклидің экзоскелет жүйесі сарбаздарға азық-түлік, құтқару жабдықтары, алғашқы медициналық көмекке арналған қобдишалар, байланыс құралдары және қару-жарақ сияқты кез келген рельефте аз күш жұмсап, үлкен жүктерді тасымалдауға мүмкіндік береді. Әскери қосымшалардан басқа, BLEEX қазіргі уақытта азаматтық жобаларды әзірлеуде. Робототехника және адам инженериясы зертханасы қазіргі уақытта келесі шешімдерді зерттеп жатыр: ExoHiker – ауыр техниканы тасымалдау қажеттілігі туындайтын экспедиция мүшелеріне арналған экзоскелет, ExoClimber – биік төбелерге көтерілетін адамдарға арналған жабдық, Медициналық экзоскелет – мүмкіндігі шектеулі адамдарға арналған экзоскелет. физикалық мүмкіндіктер. төменгі аяқтардың қозғалғыштығының бұзылуы.

8. Sarcos XOS 2 прототипі жұмыс істейді

мәтін

2010 – XOS 2 пайда болады (8) Саркостағы XOS экзоскелетінің жалғасы болып табылады. Ең алдымен, жаңа дизайн жеңілірек және сенімдірек болды, бұл 90 кг-ға дейінгі салмақтағы жүктерді статикалық түрде көтеруге мүмкіндік береді. Құрылғы киборгқа ұқсайды. Басқару жасанды қосылыстар сияқты әрекет ететін отыз жетекке негізделген. Экзоскелетте сигналдарды компьютер арқылы жетектерге жіберетін бірнеше сенсорлар бар. Осылайша, біркелкі және үздіксіз жұмыс орын алады және пайдаланушы айтарлықтай күш-жігерді сезінбейді. XOS салмағы 68 кг.

2011 - қазіргі уақытқа дейін – АҚШ-тың Азық-түлік және дәрі-дәрмек басқармасы (FDA) ReWalk медициналық экзоскелетін бекітеді (9). Бұл аяқты күшейту үшін күш элементтерін қолданатын және сал ауруына шалдыққан адамдарға тік тұруға, жүруге және баспалдақпен көтерілуге ​​мүмкіндік беретін жүйе. Қуат рюкзак батареясымен қамтамасыз етіледі. Басқару пайдаланушының қозғалысын анықтайтын және түзететін қарапайым қолмен басқару пульті арқылы жүзеге асырылады. Барлығын израильдік Амит Гоффер жасаған және оны ReWalk Robotics Ltd (бастапқыда Argo Medical Technologies) шамамен 85 XNUMX PLN-ға сатады. доллар.

9 адам ReWalk экзоскелетінде жүреді

Шығарылған кезде жабдық екі нұсқада қол жетімді болды - ReWalk I және ReWalk P. Біріншісін медициналық мекеме дәрігердің бақылауымен ғылыми-зерттеу немесе терапевтік мақсатта пайдаланады. ReWalk P пациенттердің үйде немесе қоғамдық орындарда жеке пайдалануына арналған. 2013 жылдың қаңтарында ReWalk Rehabilitation 2.0 жаңартылған нұсқасы шығарылды. Бұл ұзынырақ адамдарға сәйкестікті жақсартты және басқару бағдарламалық құралын жақсартты. ReWalk пайдаланушыдан балдақтарды пайдалануды талап етеді. Қарсы көрсеткіштер ретінде жүрек-қан тамырлары аурулары мен сүйектердің сынғыштығы айтылған. Шектеу сонымен қатар өсу, 1,6-1,9 м шегінде және дене салмағы 100 кг-ға дейін. Бұл көлік жүргізуге болатын жалғыз экзоскелет.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Бұрын Berkeley Bionics деген атпен белгілі Ekso Bionics өзінің медициналық экзоскелетін ашты. Жоба екі жыл бұрын eLEGS (10) және әртүрлі дәрежедегі сал ауруы бар адамдарды оңалтуға арналған. ReWalk сияқты, құрылыс балдақтарды қолдануды қажет етеді. Батарея кем дегенде алты сағат пайдалану үшін қуат береді. Exo жиынтығы шамамен 100 мың тұрады. доллар. Польшада неврологиялық науқастармен жұмыс істеуге арналған медициналық құрылғы Ekso GT экзоскелетінің жобасы белгілі. Оның дизайны серуендеуге мүмкіндік береді, соның ішінде инсульттан кейінгі, жұлын жарақаттарымен, склерозбен ауыратын немесе Гийен-Барре синдромы бар науқастар. Жабдық пациенттің дисфункциясының дәрежесіне байланысты бірнеше түрлі режимде жұмыс істей алады.

2013 – Mindwalker, ақыл-ойды басқаратын экзоскелет жобасы Еуропалық Одақтан қаржы алады. Дизайн Брюссельдің еркін университеті мен Италиядағы Санта-Люсия қорының ғалымдары арасындағы ынтымақтастықтың нәтижесі. Зерттеушілер құрылғыны басқарудың әртүрлі әдістерін сынады - олар ми-нейро-компьютер интерфейсі (BNCI) жақсы жұмыс істейді деп есептейді, бұл оны ойлармен басқаруға мүмкіндік береді. Сигналдар жұлынды айналып өтіп, ми мен компьютер арасында өтеді. Mindwalker EMG сигналдарын, яғни бұлшықеттер жұмыс істеген кезде адамның терісінің бетінде пайда болатын шағын потенциалдарды (миопотенциалдар деп аталады) электронды қозғалыс командаларына түрлендіреді. Экзоскелет айтарлықтай жеңіл, батареясыз салмағы небәрі 30 кг. Ол салмағы 100 кг-ға дейінгі ересек адамға қолдау көрсетеді.

2016 – Швейцарияның Цюрих қаласындағы ETH техникалық университетінде көмекші роботтарды қолданатын мүгедектер арасында бірінші рет кибатлон спорттық жарысы өтуде. Пәндердің бірі төменгі аяқ-қолдары сал ауруына шалдыққан адамдарға арналған кедергілер жолындағы экзоскелет жарысы болды. Бұл дағдылар мен технология көрсетілімінде экзоскелет пайдаланушылары диванда отыру және тұру, беткейлерде жүру, тастарды басып өту (мысалы, таяз тау өзенінен өту) және баспалдақпен көтерілу сияқты тапсырмаларды орындауы керек болды. Барлық жаттығуларды ешкім меңгере алмағаны белгілі болды, ал ең жылдам командаларға 50 метрлік кедергілер жолын өту үшін 8 минуттан астам уақыт қажет болды. Келесі шара 2020 жылы экзоскелеттік технологияның даму көрсеткіші ретінде өтеді.

2019 – Лимпстондағы (Ұлыбритания) Коммандо оқу орталығындағы жазғы демонстрациялар кезінде Gravity Industries компаниясының өнертапқышы және бас директоры Ричард Браунинг өзінің Daedalus Mark 1 экзоскелеттік реактивті костюмін көрсетті, ол тек британдықтарға ғана емес, әскерилерге де үлкен әсер қалдырды. Алты кішігірім реактивті қозғалтқыштар - олардың екеуі артқы жағында және екеуі қосымша жұптар түрінде әр тұтқада орнатылған - 600 м биіктікке көтерілуге ​​мүмкіндік береді. Әзірге отын бар болғаны 10 минутқа жетеді. ұшу...