Eksoskeletonit

Vaikka eksoskeletoista on viime aikoina kuultu enemmän, käy ilmi, että tämän keksinnön historia ulottuu XNUMX-luvulle. Ota selvää, kuinka se on muuttunut vuosikymmenten aikana ja miltä sen kehityksen käännekohdat näyttivät. 

1. Kuva Nikolai Yagnin patentista

1890 – Ensimmäiset innovatiiviset ideat eksoskeletonin luomiseksi ovat peräisin 1890-luvulta. Vuonna 420179 Nicholas Yagn patentoi Yhdysvalloissa (patentti nro US XNUMX A) "Laitteen kävelyn, juoksun ja hyppäämisen helpottamiseksi" (1). Se oli puusta valmistettu panssari, jonka tarkoituksena oli lisätä soturin nopeutta monen kilometrin marssin aikana. Suunnittelusta tuli inspiraation lähde optimaalisen ratkaisun etsimiseen.

1961 - 60-luvulla General Electric aloitti yhdessä ryhmän Comellin yliopiston tutkijoiden kanssa työskentelyn ihmisen harjoittelua tukevan sähköhydraulisen puvun luomiseksi. Yhteistyö armeijan kanssa Man Augmentation -projektissa johti Hardimanin kehittämiseen (2). Hankkeen tavoitteena oli luoda puku, joka jäljittelee ihmisen luonnollisia liikkeitä ja mahdollistaa lähes 700 kg painavien esineiden nostamisen. Itse puku painoi saman verran, mutta konkreettinen paino oli vain 20 kg.

2. General Electric prototyyppi lämmönvaihdin

Projektin onnistumisesta huolimatta kävi ilmi, että sen käyttökelpoisuus oli mitätön ja alkuperäiset kopiot olisivat kalliita. Niiden rajoitetut liikkuvuusmahdollisuudet ja monimutkainen sähköjärjestelmä tekivät näistä laitteista lopulta käyttökelvottomia. Testauksen aikana kävi ilmi, että Hardiman pystyy nostamaan vain 350 kg, ja pitkäaikaisessa käytössä sillä on taipumus vaarallisiin, koordinoimattomiin liikkeisiin. Prototyypin jatkokehityksestä hylättiin vain yksi käsi - laite painoi noin 250 kg, mutta se oli yhtä epäkäytännöllinen kuin edellinen eksoskeleton.

70 vuotta. ”Koon, painon, epävakauden ja tehoongelmiensa vuoksi Hardiman ei koskaan päässyt tuotantoon, mutta teollisessa Man-Matessa käytettiin 60-luvun tekniikkaa. Teknologian oikeudet ostivat yhden GE:n insinöörin perustama Western Space and Marine. Tuotetta on kehitetty edelleen, ja se on nykyään suuren robottivarren muodossa, joka voi nostaa jopa 4500 XNUMX kg voimapalautteen avulla, mikä tekee siitä ihanteellisen terästeollisuudelle.

3. Mihailo Pupin -instituutissa Serbiassa rakennetut eksoskeletonit.

1972 – Varhaiset aktiiviset eksoskeletonit ja humanoidirobotit kehitettiin Mihailo Pupin -instituutissa Serbiassa prof. Miomir Vukobratovitš. Ensinnäkin jalkojen liikejärjestelmiä on kehitetty tukemaan paraplegiasta kärsivien ihmisten kuntoutusta (3). Aktiivisia eksoskeletoneja kehitettäessä instituutti kehitti myös menetelmiä ihmisen kävelyn analysointiin ja hallintaan. Jotkut näistä edistysaskeleista ovat osaltaan edistäneet nykypäivän korkean suorituskyvyn humanoidirobottien kehitystä. Vuonna 1972 Belgradin ortopedian klinikalla testattiin aktiivista pneumaattista eksoskeletonia, jossa oli elektroninen ohjelmointi alaraajojen halvaantumiseen.

1985 "Los Alamos National Laboratoryn insinööri rakentaa ulkopuolista luurankoa nimeltä Pitman, voimapanssari jalkaväkimiehille. Laitteen ohjaus perustui erityiseen kypärään sijoitetun kallon pintaa skannaaviin sensoreihin. Ottaen huomioon aikakauden tekniikan mahdollisuudet, se oli liian monimutkainen rakenne valmistaa. Rajoituksena oli ensisijaisesti tietokoneiden riittämätön laskentateho. Lisäksi aivosignaalien käsittely ja niiden muuntaminen eksoskeleton liikkeiksi oli tuolloin teknisesti käytännössä mahdotonta.

4. Exoskeleton Lifesuit, jonka on suunnitellut Monty Reed.

1986 - Monty Reed, Yhdysvaltain armeijan sotilas, joka mursi selkärankansa laskuvarjohypyn aikana, kehittää selviytymispuvun eksoskeleton (4). Hän sai inspiraationsa kuvauksista liikkuvien jalkaväen puvuista Robert Heinleinin tieteisromaanissa Starship Troopers, jonka hän luki toipuessaan sairaalassa. Reed aloitti kuitenkin työskentelyn laitteensa parissa vasta 2001. Vuonna 2005 hän testasi prototyyppiä 4,8 pelastuspuku St. Patrick's Day -kilpailussa Seattlessa, Washingtonissa. Kehittäjä väittää asettaneensa kävelynopeusennätyksen robottipuvuissa 4 km:n keskinopeudella 14 km/h. Prototyyppi Lifesuit 1,6 pystyi kulkemaan 92 km täyteen ladattuna ja sai nostaa XNUMX kg.

1990 - nykyhetkeen - Ensimmäisen HAL-eksoskeletonin prototyypin ehdotti Yoshiyuki Sankai (5), prof. Tsukuban yliopisto. Sankai käytti kolme vuotta - vuosina 1990-1993 - jalkojen liikettä ohjaavien hermosolujen tunnistamiseen. Häneltä ja hänen tiimiltään kesti vielä neljä vuotta laitteiden prototyyppien tekemiseen. Kolmas HAL-prototyyppi, joka kehitettiin 22-luvun alussa, yhdistettiin tietokoneeseen. Akku itse painoi lähes 5 kg, mikä teki siitä erittäin epäkäytännöllisen. Sitä vastoin myöhempi malli HAL-10 painoi vain 5 kg ja akku ja ohjaustietokone oli kiedottu käyttäjän vyötärön ympärille. HAL-XNUMX on tällä hetkellä japanilaisen Cyberdyne Inc:n valmistama nelihaarainen lääketieteellinen eksoskeleton (vaikka saatavana on myös vain alaraajoille tarkoitettu versio). yhteistyössä Tsukuban yliopiston kanssa.

5. Professori Yoshiyuki Sankai esittelee yhden eksoskeletonmalleista.

Toimii noin 2 tuntia 40 minuuttia sekä sisällä että ulkona. Auttaa nostamaan raskaita esineitä. Säätimien ja ajolaitteen sijainti säiliöissä kotelon sisällä mahdollisti sen, että pääsi eroon useimmille eksoskeletoille niin tyypillisestä "reppusta", joka joskus muistutti suurta hyönteistä. Ihmisten, joilla on verenpainetauti, osteoporoosi ja mikä tahansa sydänsairaus, tulee neuvotella lääkärin kanssa ennen HAL:n käyttöä, ja vasta-aiheita ovat, mutta eivät rajoitu niihin, sydämentahdistin ja raskaus. Osana HAL FIT -ohjelmaa valmistaja tarjoaa mahdollisuuden käyttää hoitoistuntoja eksoskeletolla sekä sairaille että terveille ihmisille. HAL:n suunnittelija väittää, että päivityksen seuraavissa vaiheissa keskitytään luomaan ohut puku, jonka avulla käyttäjä voi liikkua vapaasti ja jopa juosta. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni ja hänen tiiminsä Ekso Bionicsissa kehittävät Universal Human Cargo Carrieria tai HULC:tä (6) on langaton eksoskeleton, jossa on hydraulikäyttö. Sen tarkoitus on auttaa taistelevia sotilaita kantamaan jopa 90 kg painavia kuormia pitkään, maksiminopeudella 16 km/h. Järjestelmä esiteltiin yleisölle AUSA Winter Symposiumissa 26. helmikuuta 2009, kun Lockheed Martinin kanssa tehtiin lisenssisopimus. Tässä suunnittelussa käytetty hallitseva materiaali on titaani, kevyt mutta suhteellisen kallis materiaali, jolla on korkeat mekaaniset ja lujuusominaisuudet.

Exoskeleton on varustettu imukupeilla, joiden avulla voit kuljettaa esineitä, jotka painavat jopa 68 kg (nostolaite). Virta syötetään neljästä litiumpolymeeriparistosta, jotka takaavat laitteen normaalin toiminnan optimaalisella kuormituksella 20 tuntiin asti. Eksoskeletonia testattiin erilaisissa taisteluolosuhteissa ja erilaisilla kuormilla. Useiden onnistuneiden kokeiden jälkeen syksyllä 2012 hänet lähetettiin Afganistaniin, jossa häntä testattiin aseellisen konfliktin aikana. Monista myönteisistä arvioista huolimatta projekti jäi odottamaan. Kuten kävi ilmi, suunnittelu vaikeutti tiettyjen liikkeiden suorittamista ja itse asiassa lisäsi lihaksiin kohdistuvaa kuormitusta, mikä oli ristiriidassa sen luomisajatuksen kanssa.

2001 – Alun perin lähinnä armeijalle tarkoitettu Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) -projekti on käynnissä. Sen puitteissa on saavutettu lupaavia tuloksia käytännössä merkittävien autonomisten ratkaisujen muodossa. Ensinnäkin luotiin robottilaite, joka kiinnitettiin alavartaloon antamaan jaloille lisävoimaa. Laitteen rahoitti Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA), ja sen on kehittänyt Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, Kalifornian yliopiston Berkeley Mechanical Engineering Department -osasto. Berkeleyn eksoskeletonjärjestelmä antaa sotilaille mahdollisuuden kuljettaa suuria hyötykuormia minimaalisella vaivalla ja missä tahansa maastossa, kuten ruokaa, pelastusvälineitä, ensiapulaukkuja, viestintää ja aseita. Sotilassovellusten lisäksi BLEEX kehittää parhaillaan siviiliprojekteja. Robotiikan ja ihmistekniikan laboratorio tutkii parhaillaan seuraavia ratkaisuja: ExoHiker - eksoskeleton, joka on suunniteltu pääasiassa retkikunnan jäsenille, joissa on tarve kuljettaa raskaita laitteita, ExoClimber - varusteet korkeille mäkiä kiipeäville, Medical Exoskeleton - eksoskeleton vammaisille fyysisiä kykyjä. alaraajojen liikkuvuushäiriöt.

8. Sarcos XOS 2:n prototyyppi toiminnassa

текст

2010 – XOS 2 tulee näkyviin (8) on jatkoa Sarcosin XOS-eksoskeletonille. Ensinnäkin uudesta mallista on tullut kevyempi ja luotettavampi, joten voit nostaa jopa 90 kg painavia kuormia staattisessa tilassa. Laite muistuttaa kyborgia. Ohjaus perustuu kolmeenkymmeneen toimilaitteeseen, jotka toimivat kuin tekonivelet. Eksoskeletonissa on useita antureita, jotka välittävät signaaleja toimilaitteille tietokoneen kautta. Näin toiminta on sujuvaa ja jatkuvaa, eikä käyttäjä koe mitään merkittävää vaivaa. XOS-paino on 68 kg.

2011 - nykyhetkeen – Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto (FDA) hyväksyy ReWalk-lääketieteellisen eksoskeleton (9). Se on järjestelmä, joka käyttää voimaelementtejä jalkojen vahvistamiseen ja sallii halvaantuneiden seisoa suorassa, kävellä ja kiivetä portaita. Energiaa saa repun akusta. Ohjaus tapahtuu yksinkertaisella kädessä pidettävällä kaukosäätimellä, joka tunnistaa ja korjaa käyttäjän liikkeet. Koko asian on suunnitellut israelilainen Amit Goffer, ja ReWalk Robotics Ltd (alun perin Argo Medical Technologies) myy sitä noin 85 XNUMX zlotylla. dollaria.

9 ihmistä kävelee ReWalk Exoskeletonsissa

Julkaisuhetkellä laitteistosta oli saatavana kaksi versiota - ReWalk I ja ReWalk P. Ensimmäistä käytetään lääketieteellisissä laitoksissa tutkimus- tai hoitotarkoituksiin lääketieteen ammattilaisen valvonnassa. ReWalk P on tarkoitettu potilaiden henkilökohtaiseen käyttöön kotona tai julkisissa tiloissa. Tammikuussa 2013 ReWalk Rehabilitation 2.0:sta julkaistiin päivitetty versio. Tämä paransi pitkien ihmisten istuvuutta ja paransi ohjausohjelmistoa. ReWalk edellyttää, että käyttäjä käyttää kainalosauvoja. Sydän- ja verisuonisairaudet ja luun hauraus mainitaan vasta-aiheina. Rajoituksena on myös kasvu, 1,6-1,9 m, ja ruumiinpaino 100 kg asti. Tämä on ainoa eksoskeleton, jossa voit ajaa autoa.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, joka tunnettiin aiemmin nimellä Berkeley Bionics, paljastaa lääketieteellisen eksoskeletonnsa. Projekti alkoi kaksi vuotta aiemmin nimellä eLEGS (10), ja se oli tarkoitettu eriasteisesti halvaantuneiden ihmisten kuntoutukseen. Kuten ReWalk, rakentaminen vaatii kainalosauvojen käyttöä. Akku antaa energiaa vähintään kuuden tunnin käyttöön. Exo setti maksaa noin 100 tuhatta. dollaria. Puolassa tunnetaan eksoskeleton Ekso GT -projekti, joka on neurologisten potilaiden kanssa toimimaan suunniteltu lääketieteellinen laite. Sen muotoilu mahdollistaa kävelyn, myös aivohalvauksen, selkäydinvamman, multippeliskleroosia sairastavat tai Guillain-Barrén oireyhtymää sairastavat ihmiset. Laitteet voivat toimia useissa eri tiloissa potilaan toimintahäiriön asteesta riippuen.

2013 – Mindwalker, mielenhallittu eksoskeletoniprojekti, saa rahoitusta Euroopan unionilta. Suunnittelu on tulos Brysselin vapaan yliopiston tutkijoiden ja italialaisen Santa Lucia -säätiön yhteistyöstä. Tutkijat testasivat erilaisia ​​tapoja ohjata laitetta – he uskovat, että aivo-neuro-tietokonerajapinta (BNCI) toimii parhaiten, jolloin sitä voidaan ohjata ajatusten avulla. Signaalit kulkevat aivojen ja tietokoneen välillä ohittaen selkäytimen. Mindwalker muuntaa EMG-signaalit eli pienet potentiaalit (kutsutaan myopotentiaaleiksi), jotka ilmestyvät ihmisen ihon pinnalle, kun lihakset työskentelevät, sähköisiksi liikekäskyiksi. Eksoskeleton on melko kevyt, painaa vain 30 kg ilman paristoja. Se tukee jopa 100 kg painavaa aikuista.

2016 – ETH:n teknillinen yliopisto Zürichissä Sveitsissä isännöi ensimmäiset Cybathlon-urheilukilpailut vammaisille apurobottien avulla. Yksi lajeista oli eksoskeleton kilpailu esteradalla ihmisille, joilla on alaraajojen halvaantuminen. Tässä taitojen ja teknologian esittelyssä eksoskeleton käyttäjien piti suorittaa tehtäviä, kuten istua sohvalla ja nousta ylös, kävellä rinteissä, astua kiville (kuten ylitettäessä matalaa vuoristojokea) ja kiivetä portaissa. Kävi ilmi, että kukaan ei pystynyt hallitsemaan kaikkia harjoituksia, ja nopeimmilla joukkueilla kesti yli 50 minuuttia 8 metrin esteradan suorittamiseen. Seuraava tapahtuma järjestetään vuonna 2020 eksoskeletonteknologian kehityksen indikaattorina.

2019 – Kesäisten mielenosoitusten aikana Commando Training Centerissä Lympstonissa, Iso-Britanniassa, Gravity Industriesin keksijä ja toimitusjohtaja Richard Browning esitteli Daedalus Mark 1 -exoskeleton-jet-pukuaan, joka teki valtavan vaikutuksen armeijaan, ei vain britteihin. Kuusi pientä suihkumoottoria - niistä kaksi on asennettu taakse ja kaksi lisäparina kumpaankin varteen - mahdollistavat kiipeämisen jopa 600 metrin korkeuteen. Toistaiseksi polttoainetta riittää vain 10 minuuttiin lento ...