Особенность создания экзоскелета

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Киевский национальный торгово-экономический университет

Доклад

Экзоскелет

Виполнила :

Станищук В.А

Проверила :

Матусова. Е.М

Київ 2015

Экзоскелемт (от греч. Эощ -- внешний и укелефпт -- скелет) -- устройство, предназначенное для увеличения силы человека за счёт внешнего каркаса.

Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в Японии, США и России. Экзоскелет может быть интегрирован в скафандр.

Прародителем пассивного экзоскелета можно считать эластипед. Эластипед (слева) -- устройство, предназначенное для облегчения ходьбы, бега и прыжков предназначался для военного применения. Автором этого изобретения является русский изобретатель Николай Александрович Янг (1849 -- 1905). В конце XIX века он разработал и запатентовал несколько модификаций пассивного экзоскелета «Эластипед». Это направление в проектировании экзоскелетов позже нашло развитие в изобретении Александра Бока -- powerbock или powerskip -- тренажера-джампера. (справа).

Первые чертежи прототипа активного силового экзоскелета был зарегистрировать в США в 1868.

Разработки действующих активных типов экзоскелетов начались более полувека назад.

Первый экзоскелетон был создан совместно General Electric и United States military в 60-х годах ХХ века и назывался Hardiman. Механизм мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъеме 4,5 кг. Однако он оказался непрактичным из-за значительной массы в 680 кг и походил больше на огромного робота-погрузчика. Однако до появления экзоскелета в его современном понимании оставалось совсем немного.

Первый шагающий активный экзоскелет был создан в 1969 г. под руководством югославского и сербского ученого, специалиста в области биомеханики и робототехники, Миомира Вукобратовича в институте им. Михаила Пупина в Белграде. Данный экзоскелет разрабатывался для медицинских целей и предназначался для реабилитации людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата. В 1972 -- 1974 годах разработанный в Белграде экзоскелет был передан российским ученым из НИИ Механики МГУ на исследование и дальнейшую доработку. В то же время проходили и его клинические испытания в Центральном Государственном Институте Ортопедии и Травматологии.

С 80-х годов 20-го века в США компания Sarcos начала работы по созданию действующего прототипа экзоскелета. В последствии, эта компания была выкуплена американской компанией Raytheon, одним из крупнейших поставщиков военного ведомства США.

С начала 2000-х годов Агентство научно-исследовательских работ США (Darpa) финансирует программы по созданию экзоскелета, повышающего грузоподъёмность и скорость передвижения солдат с полной боевой выкладкой, которые ведутся в интересах гигантов военно-промышленной индустрии США, таких как Raytheon и Lockheed Martin.

На сегодняшний день проекты экзоскелетов для военного применения HULC (DARPA, Калифорнийский университет в Беркли, Lockheed Martin) и XOS Exoskeleton (DARPA, Sarcos, Raytheon) по заявлениям американской прессы доведены до этапа подготовки к производству, а в открытых источниках доступны видеоролики с демонстрацией действующих образцов.

Также разработаны медицинские экзоскелеты для реабилитации больных с нарушениями опорно-двигательного аппарата и локомоторных функций. На данный момент есть действующие образцы экзоскелетов, некоторые из них уже имеют серийное производство, хотя большинство медицинских экзоскелетов находятся ещё на стадии клинических испытаний.

В рамках проекта «ЭкзоАтлет» разрабатываются экзоскелеты длямедицинского применения. Медицинской версией экзоскелета разработчики занимаются с 2013 года. В июне 2014 года уже был представлен действующий прототип экзоскелета. Предполагается использовать несколько вариантов систем управления: ходьба в автоматическом режиме, управление с помощью наклона корпуса и управление посредством миодатчиков.

Аппарат для облегчения ходьбы и бега

Патент N 406/328 от 2 июля 1889 года

Основа аппарата -- стальной поршень с системой пружин, закрепленной на ноге. Аппарат имеет крепления для подошвы и тазобедренного сустава. При сгибании ноги в колене пружины сжимаются, а потом с силой распрямляются, помогая ноге сильнее оттолкнуться от земли.

Аппарат для облегчения ходьбы, бега и прыжков

Патент N 420/178 от 28 января 1890 года

Модификация аппарата для ходьбы и бега, где главным механизмом является дуговая пружина, которая соединяется с подвижной подошвой и плотно прикрепляется к плечам. "При сгибании ноги,-- говорится в патенте,-- дуга немного сгибается, после чего она распрямляется и пользователь подпрыгивает".

Аппарат для облегчения ходьбы, бега и прыжков

Патент N 420/179 от 28 января 1890 года

Модификация похожего аппарата с дуговой пружиной. Только в данном случае балка крепится не к плечам, а к поясу человека. Предусмотрены также специальные поручни для поддержания рук человека во время длительной ходьбы.

Аппарат для облегчения ходьбы, бега и прыжков

Патент N 438/830 от 21 октября 1890 года

Устройство для совершения прыжков, состоящее из системы пружин, стальной рамки, предназначенной для крепления к ноге, и подвижной основной платформы с подошвой. Человек надавливает ногами на основную платформу, и сила пружин придает ему обратный импульс.

Аппарат для облегчения ходьбы, бега и прыжков

Патент N 440/684 от 18 ноября 1890 года

Аппарат, использующий ранцевый накопитель жидкости: сначала при помощи поршней, закрепленных на бедрах, жидкость накачивается в ранец, после чего сообщает ускорение самому поршню. Для стабилизации ширины шага используются система эластичных жгутов, соединяющих ступни.

Первый экзоскелет

Сначала -- немного истории. Как и многие изобретения, экзоскелет пришел к нам из военной сферы. Первый образец был разработан General Electric и армией США в 1960-е годы. Внушительно выглядит, не правда ли? Усилия, которые вы применяете при подъеме четырех с половиной килограммов, он трансформировал в 110 кг при усилии, применяемом при подъеме 4,5 кг.. экзоскелет конструкция реабилитация больной

Но у него было два минуса: это вес в 680 кг и невозможность сверить движение с движением человека. То есть он обратную связь после начала движения от человека не получал. 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 три четверти тонны, что в два раза превышало подъемную мощность. Без получения вместе всех компонентов для работы 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.

Медицынский экзоскилет:

Медицинский экзоскелет обязательно в скором будущем получит свое признание. Современные инновационные разработки роботов для инвалидов и экзоскелетов для людей с ограниченными возможностями, могут существенно облегчить жизнь людям, у которых есть физические отклонения. Разработкой экзоскелетов инвалидов занимаются ученые в разных странах мира, и пусть пока купить экзоскелет, обыкновенному обывателю не представляется возможным, в этом направлении уже сделаны важные шаги. Не смотря на первоначальную цель применения экзоскелетов, направленную на военные разработки, сегодня задача создания экзоскелетов переориентирована в мирное русло. Медицинский экзоскелет -прогрессивная разработка ученых, созданная для людей с ограниченными возможностями. Важно понимать, что созданные роботы и приборы для инвалидов на базе разработанных экзоскелетов, ставят на новый уровень жизнь людей с ограниченными возможностями.

В современном обществе большое внимание уделяется жизни не только людей с развитыми физическими способностями, но и людей, имеющих родовую или приобретенную в течение жизни физическую травму, которая несет отпечаток на нормальном существовании в социуме. Для создания равных прав сущестования в социальной и бытовой средах, созданы различные приспособления для инвалидов. Такие как специальные лифты и эскалаторы, механизмы в автомобильном и железнодорожном транспорте, все нацелено на то, чтобы у человека не было проблем с перемещением и проживанием. Приспособления для инвалидов имеют широкое массовое применение во всех цивилизованных странах мира. Для людей не имеющих возможности самостоятельно двигаться разработан медицинский экзоскелет, который помогает больному передвигаться. Для достойного существования человека, важно помнить, что вокруг существуют люди, которые ограничены физически. Передовые разработки экзоскелетов для инвалидов обязаны помочь сделать их жизнь менее зависимой от физических особенностей. Понимая всю важность создания и развития экзоскелетов, необходимо сделать всё, чтобы купить экзоскелет мог любой нуждающийся.

Япония:

Всем нам не редко приходится видеть на улице людей, передвигающихся в инвалидных колясках. В качестве одного из возможных вариантов решения этой проблемы, является использование экзоскелета.

Сам по себе экзоскелет - это является сложное электронно-механическое устройство, имеющее внешний вид каркаса, закрепляемого поверх тела человека. После того, как экзоскелет задействован, изначальная мускульная сила человека возрастает многократно благодаря использованию внешних электроприводов самого экзоскелета. При использовании подобного устройства, человек может поднимать и переносить грузы, которые без помощи экзоскелета он бы и сдвинуть с места не мог.

Японская компания Cyberdyne, которую нередко интересует на качественный профиль металлический цена, разработала специальный экзоскелет HAL, Hybrid Assistive Limb. Еще в 2005 году, был представлен прототип, который монтировался только на ноги и предназначался для людей, испытывающих проблемы опорно-двигательной системой.

Этот экзоскелет улавливал и преобразовывал электрические сигналы при помощи которых мозг человека управляет мышцами ног, превращая эти мысли в движения. Устройство полностью автономно и работает на аккумуляторах, заряда которых хватает на 2,5 часа непрерывной ходьбы. Вес экзоскелета только лишь для ног, составлял 15 килограмм.

Затем в 2009 году, был представлен прототип “полной” версии экзоскелета. В своей полной версии, где не только ноги, но так же спина и руки были охвачены экзоскелетом, составляет 23 килограмма. Данный “полный вариант” экзоскелета предоставляет человеку, который находится в нем, поднимать тяжести до 100 килограмм. При этом, человек практически не ощущает вес поднятого им груза поскольку он весь компенсируется сервоприводами экзоскелета. Так же, мощности экзоскелета хватает и на то, что бы человек с поднятым грузом мог свободно идти.

Максимальным показателем функциональности данного экзоскелета может являться факт того, что 43-х летний японце Сэйдзи Утида, который до этого не мог самостоятельно передвигаться, используя возможности экзоскелета HALподнялся на вершину горы Брейтгорн, которая находится в швейцарских Альпах. При этом, путь на вершину в 4,5 километра и для здорового человека достаточно непрост, а тут его совершил человек который самостоятельно передвигаться не мог.

Экзоскелет для медсестры

Кому, как не японцам, придумывать экзоскелеты для заботы о пожилых? Только в этом случае это забота и о молодых - о медсестрах, которым приходится поднимать и перекладывать пациентов. Предназначение такого экзоскелета, как и робота Ribo, в перекладывании.

Power Assist Suit в Японии представили в 1990-х годах.

Позже в Японии представили HAL - киберкостюм-экзосклеет. Изначально он предназначен именно для поднятия и перемещения пациенов. Кроме того, он мог помогать пожилым людям и инвалидам самостоятельно передвигаться.

Первый доступный по цене роботизированный экзоскелет серийного производства от компании Panasonic поступит в продажу в следующем году. За 500,000 йен (приблизительно 5,000 долларов) это механические сооружение, покрывающее все тело, позволит вам поднимать объекты до 100 кг и передвигаться со скоростью 8 км/ч. Несмотря на то, что это устройство может быть гордостью любой коллекции одежды, будет ли оно приносить прямую практическую пользу или его станут приобретать, в основном, редкие ценители или теоретики, которые будут использовать его лишь в качестве основы для проведения экспериментов?

Activelink, дочерняя организация компании Panasonic, осуществляющая разработку костюма, планирует выпустить первую стартовую серию из 1000 экзоскелетов в 2015 году. Набор литий-ионных батареек в качестве питающего устройства позволяет использовать устройство по общему назначению в течение нескольких часов. Можно предположить, что такое использование будет включать в себя привычную для экзоскелетов деятельность - вроде переноски снаряжения. Однако если достаточное количество дизайнеров приобретут данное устройство, которое можно модифицировать и носить на себе, у устройства может появиться несколько интересных сфер применения.

Несмотря на то, что руки костюма сделаны чуть лучше, чем клешни лобстера, интегрированные устройства захвата намного хуже, чем «челюсти жизни» - гидравлические инструменты для спасательных работ. Без высокотехнологичной гидравлики экзоскелет не сможет разрезать попавшие в аварию автомобили. Только после того, как будут опубликованы видеоматериалы опытных испытаний костюма, мы сможем понять, как точно и быстро он сможет функционировать под нагрузкой.

Экзоскелет будет работать наиболее эффективно в том случае, если будут разработаны взаимозаменяемые системы устройств, которые можно будет устанавливать на место устройств захвата. Уже сейчас дизайнеры воображают набор устройств для заколачивания. сверления или зачерпывания, которые фактически будут схожи с другой роботизированной системой, наиболее инновационной из когда-либо разработанных, - марсоходами «Атлет», которые сейчас проходят испытания в Лаборатории реактивных двигателей НАСА. Вероятно, стоит рассказать немного об этом марсоходе для того, чтобы прояснить направление развития экзоскелетов.

Гексапод «Атлет» не является экзоскелетом для человека: он намного больше по размеру и скорее представляет собой экзоскелет для машины. На самом деле, его самого можно отнести к машинам, поскольку он обладает колесами, находящимися на одной из сторон рабочего органа; на другой стороне находится интерфейс для сменных устройств. Теоретически любой может отсоединить колеса от передвижного устройства Segway и присоединить их к рукам роботов от компании Fanuc Robotics при помощи стандартных держателей инструментов от компании CNC, однако представляется, что исследователи из Лаборатории реактивных двигателей сделали совсем не так. Брайану Вилкоксу (Brian Wilcox), ведущему инженеру программы «Атлет», был задан вопрос, почему они решили отклониться от стандартных решений по данной отрасли. Он ответил, что для того, чтобы соответствовать жестким условиям космических полетов (вес, надежность, способность выдерживать жесткие климатические условия и т.д.), необходимо исключить гидравлику и тяжелые стальные конструкции.

Данное обстоятельство вызывает сожаление, поскольку интерфейс устройств от компании CNC с силой сжатия, равной тоннам давления, работающий с точностью в тысячные дюймов, совершающий десятки тысяч оборотов в минуту при мощности 20 лошадиных сил, обладающий угловым позиционированием в несколько десятых градуса, может оказаться чертовски полезным. После подключения механических рабочих частей робота одной из основных проблем будет являться система осуществления контроля. Несмотря на то, что к чемпионату мира 2014 года у нас будет роботизированный экзоскелет, способный совершить первый удар по мячу, осуществление взаимодействия между нервной системой человека и экзоскелетом будет затруднительно. Можно представить себе переносные 3D принтеры, позволяющие превращать ментальное изображение непосредственно в физический носитель, однако они по-прежнему остаются на уровне фантастики.

На данный момент Panasonic старается найти партнеров среди компаний, которые могут распространить костюм среди большого количества людей. Предполагается заключение арендных договоров, аналогичных тем, что подписывала компания Segway, так что в ближайшем будущем мы сможем протестировать такого робота в любом местном супермаркете. Однако все еще не утихают споры относительно того, будет ли костюм лишь навороченной игрушкой или попадет в известнейшие каталоги механизмов на каждый день.

В Японии представили экзоскелет, который смогут использовать спасатели для работы на АЭС в Фукусиме. Модель создана на базе экзоскелета HAL, разработанного несколько лет назад специалистами университета Цукуба.

Мягкие экзоскелеты

Инженеры института Висса (Гарвардский университет) по заказу агентства оборонных проектов (DARPA) разработали и испытали прототип экзоскелета на мягкой основе,

В последнее время учёные стараются разрабатывать экзоскелеты, которые будут полезны в реабилитации и смогут вернуть пациентам (в том числе и инвалидам) возможность нормально двигаться. Основная проблема заключается в том, что большинство экзоскелетов изготовлены из жёстких и малоподвижных материалов, что само по себе сковывает движения и уступает по манёвренности здоровым частям тела. Команда американских учёных разработала "мягкий" экзоскелет, конструкция которого копирует мышцы, сухожилия и связки человеческого организма.

Ортопедическое устройство было создано благодаря сотрудничеству исследователей из университета Карнеги-Меллон (Carnegie Mellon University), Гарвардского университета (Harvard University), университета Южной Калифорнии (University of Southern California), Массачусетского технологического института (MIT) и разработчика носимых датчиковBioScience. Оно включает в себя гибкие искусственные мышцы, лёгкие сенсорные датчики и управляющее программное обеспечение. Изготовлен аппарат из мягкого эластичного полимера.

Гибкий экзоскелет, повторяющий биомеханику ноги человека, может быть перспективным направлением в этой области. Ведь железки вокруг ноги явно уступают здоровым частям тела по маневренности.

Сразу несколько университетов и разработчик носимых датчиков BioScience разрабатывают вот эту “накладку” с искусственными мышцами, датчиками и прогаммным обеспечением. Здесь видны и искусственные сухожилья, и искусственные мышцы, протянутые с внешней части ноги.

Большая сложность состоит именно в гибкости: ведь поэтому способы контроля, то есть датчики, должны отличаться особой точностью.

Такое оборудование поможет не только людям с нарушениями подвижности стопы и голеностопа (пока только там работает устройство), но в дальнейшем может быть использовано в других областях -- на руках, например.

На этом видео хорошо видны искусственные мышцы, а также показаны сенсоры, используемые в этом мягком экзоскелете.

В настоящее время прототип можно носить лишь на нижней части ноги, биологическая структура которой кропотливо воспроизведена в устройстве. Три его цилиндрических искусственных мышцы соответствуют мышцам передней части голени, и одна - задней. Искусственные сухожилия (стальные кабели) протянуты от концов этих мышц вниз к стопе и служат для перемещения лодыжки.

Обратная связь обеспечивается с помощью гиперупругих тензометрических датчиков, расположенных на верхней и боковой части лодыжки. Каждый датчик состоит из резинового пласта, содержащего микроканалы, заполненные жидким проводником из металлического сплава. Форма этих каналов изменяется, когда эластичный материал растягивается или сжимается, тем самым изменяя электрическое сопротивление металла. Когда изменение сопротивления зарегистрировано, программное обеспечение может установить положение голеностопного сустава.

Подвижность обеспечивается благодаря гибким материалам, но гибкость представляет определённую проблему: такое устройство гораздо тяжелее контролировать, чем экзоскелет из привычных жёстких материалов. Поэтому и датчики здесь должны быть чувствительнее, и способы контроля более точными.

Лабораторные тесты показали, что устройство в состоянии передвигать лодыжками испытуемых в достаточном для нормальной ходьбы 27-градусном диапазоне движения.

В настоящий момент учёные пытаются усовершенствовать конструкцию так, чтобы пациентам с реальными проблемами подвижности было удобнее носить аппарат. Кроме того, изобретателям ещё предстоит убедиться в безопасности устройства. Ведь малейшее нарушение в работе устройства может привести к тому, что человек упадёт.

Хотя нынешняя версия "экзоскелета" предназначена для использования людьми с нарушениями подвижности стопы и голеностопного сустава, разработчики в дальнейшем планируют использовать свои аппараты и в других областях, например, для улучшения подвижности суставов рук.

Размещено на Allbest.ru