для чего нужен экзоскелет
Экзоскелеты на службе у человека
Экзоскелеты увеличивают силу человека, повышают производительность и возвращают утерянные способности. Они помогают инвалидам, облегчают труд в промышленности и совершенствуют армию.
Что такое экзоскелет
В дословном переводе с греческого экзоскелет – это внешний скелет. Автоматическая конструкция, которая восстанавливает утраченные или усиливает имеющиеся функции тела.
Он состоит из прочного каркаса и приводов, которые отвечают за перемещения. Такие системы дублируют работу опорно-двигательного аппарата, рассчитывают усилия и безопасность движений.
Экзоскелеты делают пассивными и активными. Первые не увеличивают силу и не забирают на себя физическую нагрузку, а распределяют её по телу. У активных моделей есть свой упор на земле. Они берут часть нагрузки на себя. Так пользователь поднимает больше тяжестей – получается эффект увеличения силы.
Первые экзоскелеты
Идеи о костюме, который повышает способности, зародились в фантастике. Принципы на эту тему сформулировал русско-американский инженер-механик Николай Ягн. Правда, дальше теории дело не пошло. Единственная воплощённая задумка – автоматический прибор, подающий воду в паровые котлы – «Друг кочегара».
Первый экзоскелет сделали в Пентагоне. Он назвался – Hardiman. Это был станок с большим манипулятором, в который нужно было вставлять руку для управления. Его грузоподъёмность была 110 кг, но Hardiman не принёс серьёзной пользы. Он был слишком большим и тяжёлым (680 кг).
С 1980-х – появились перспективные проекты. В 1990-х началось производство в разных странах. Костюмы по-прежнему были неуклюжими, но приближались к тому, чтобы использоваться в жизни.
Сейчас большая часть экзоскелетов делается для медицины, армии или промышленности.
Экзоскелеты для инвалидов
Ekso GT
Экзоскелет для реабилитации после инсульта и травм спинного мозга. Ekso GT – это пара роботизированных ног с костылями для ходьбы. Встроенное ПО собирает статистику о том, сколько энергии уходит на каждое движение робота, а какие действия человек выполняет сам.
Hybrid Assistive Limb (HAL)
Есть для ног (HAL 3) или для рук-ног-торса (HAL 5). Помогает поднять груз в 5 раз больше, чем может человек. Нужен для реабилитации парализованных. Приводы этого экзокостюма работают от импульсов мускул. Кроме людей с проблемами здоровья, HAL полезен пожилым, строителям, работникам МЧС.
Скелет для людей с дисфункцией ног. Он помогает ходить, вставать, садиться, подниматься по лестнице, двигаться назад и даже делать «лунную походку». Пользователь управляет им с контрольной панели и джойстика.
REX может убрать осложнения, связанные с долгим пребыванием в инвалидном кресле.
Phoenix
Экзокостюм для свободной ходьбы при параличе ног. Сильно отличается от громоздких моделей прошлого десятилетия по размеру и весу (12 кг). Это возможно из-за использования только двух приводов на бёдрах. Колени поддерживаются в нужном положении за счёт систем натяжения.
eLegs
Экзоскелет для людей с параличом или нарушениями работы ног. Масса – 20 кг. Подходит для человека с ростом 157-193 см. Скорость движения – около 3 км/ч.
Костюм предугадывает действия за счёт датчиков наклона, например, помогает встать с инвалидного кресла, когда пользователь подаётся вперёд и опирается на костыли.
ReWalk
Бионический экзокостюм для пациентов с параличом ног. Он помогает стоять, ходить, идти вверх по лестнице. Управление ведётся через пульт в руке.
Военные экзоскелеты
Министерства обороны и военно-исследовательские институты разных стран ещё с прошлого века пытаются разработать лёгкую, простую и прочную систему для солдат.
В Пентагоне этим занимается агентство перспективных разработок DARPA, в России – институты и инженерные бюро, действующие по заказу Минобороны. Схожие проекты ведутся в Китае, Японии, Израиле, европейских странах.
XOS 2
Один из самых известных экзоскелетов для армии. Его задача – увеличение физических способностей солдата. Броня в снаряжение не включена.
Костюм помогает в логистике и штурмах. Он прибавляет сил, достаточных для переноса больших тяжестей, разрушения деревянных брусов и кирпичных стен.
Talos
Это комплексный костюм. У него есть функции брони и системы, увеличивающей силу. Он помогает вести бой со снаряжением до 45 кг. Костюм отслеживает жизненные показатели и даже останавливает кровотечение.
Состав и конкретные характеристики оборудования обычно не публикуются – Talos показывают на тематических выставках с общей презентацией.
ExoHiker
Этот скелет не позиционируется как армейский, но интересен для военных. Его задача – облегчить перенос тяжёлых рюкзаков во время похода. ExoHiker весит 14 кг, но снимает нагрузку 70 кг. На одном заряде без подключения солнечной батареи он проходит 65 км со скоростью около 4 км/час.
Промышленные экзоскелеты
Аппарат для подъёма тяжестей от Hyundai. Он подходит для маломобильных людей, но неудобен из-за больших габаритов. Поэтому основной упор сделан на работу в промышленности. Там, где приходится поднимать до 60 кг.
Chairless Chair
Этот экзостул для тех, кто работает на ногах. Он снимает напряжение в мышцах, когда нужно долго находиться в полуприседе, сидеть на корточках или стоять. Удобно для работы в цеху, на упаковочной линии, кухне, парикмахерской. Аппарат гибкий и подвижный.
Exosuit
Разработка для водолазов, которая помогает выдержать давление воды и низкую температуру на глубине 300 метров. По сути, это усиленный водолазный костюм весом в 240 кг с четырьмя двигателями.
MS-02 PowerLoader
Роботизированный костюм для многих задач. Разработчики предлагают использовать его в спасательных операциях, где нужно поднимать объекты массой до 100 кг.
В системе есть несколько манипуляторов, а в подошвах «ног» расположены датчики. Они анализируют нагрузку на человека в шести векторах и рассчитывают, сколько машинных усилий нужно приложить для помощи.
MAX SuitX
Экзоскелет для грузчиков. Конструкция дублирует опорно-двигательный аппарат, убирая с него часть нагрузки. Она постоянно висит на человеке в деактивированном состоянии, но автоматически распознаёт момент начала работы и включается.
Assist Suit AWN-03
Силовой экзоскелет от Panasonic для складских рабочих. Он закрепляется на плечах, бёдрах и пояснице. Основная задача – убирать нагрузку с позвоночника и мышц спины во время переноса тяжестей.
Российские экзоскелеты
ЭкзоАтлет
Российская разработка для реабилитации пациентов с проблемами ног и спинного мозга. Один из пилотов и амбассадоров ЭкзоАтлета – параолимпийский чемпион по кёрлингу на колясках Виталий Данилов.
Экзоскелет Стоханов
Промышленный экзокостюм от разработчиков из Перми. По расчётам, он увеличивает производительность труда в машиностроительной, строительной и аварийно-спасательной работах в 2-5 раз.
ExoBelt
Пассивный экзоскелет от компании «ЭкзоАтлант». Проект пока в стадии разработки. Предполагается, что он снимет до 40% нагрузки со спины во время переноса тяжестей.
Первым партнёром компании станет «Сбербанк». Экзоскелет будут тестировать сотрудники, которые переносят мешки с золотом и другими ценностями
Экзоскелеты будущего
Индустрия растёт: аппараты уменьшаются в размерах, функции становятся шире. Появляются модели не только для медицины, промышленности или армии:
ARAIG
Экзоскелет-контроллер для геймеров. Он создан не для переноса грузов или повышения способностей. Этот костюм погружает пользователя в игровую реальность: меняет температуру, имитирует попадание снарядов, контакт с землёй и препятствиями.
NASA X1
Костюм, разработанный Североатлантическим Космическим Агентством для космонавтов. Он нужен для работы с большими тяжестями в условиях невесомости.
У аппарата четыре привода на коленях и бёдрах и шесть сочленений. Разработчики планируют добавить ещё. Костюм подходит для работы на МКС и поддержки мышечного тонуса в невесомости – он отправляет данные о космонавтах медикам на Землю.
Экзоскелеты, или Чем могут помочь гости из будущего?
Что такое экзоскелет?
Экзоскелет – специально разработанная внешняя конструкция, которая способна принять на себя чрезмерную нагрузку при выполнении тяжелых работ, сделать человека более сильным и выносливым, а также помочь ему сохранить здоровье опорно-двигательного аппарата. Он открывает для работников и работодателей новые возможности и повышает производительность и эффективность труда.
Как появился первый экзоскелет?
Первым изобретателем экзоскелета считается русский инженер Николай Ягн – гениальный изобретатель-самоучка, который не имел специального технического образования.
Работая на чугунно-литейном заводе в Симбирской губернии, Ягн применял свои технические знания, которые получал самостоятельно, и стремился облегчить и обезопасить труд работников этого предприятия. Однажды на заводе произошел несчастный случай, который и подтолкнул его к изобретению «друга кочегара» — приспособления для автоматического наполнения парового котла и поддержания в нем воды на определенном уровне.
За свое изобретение Ягн получил золотую медаль на выставке в Филадельфии. После этого он переехал в США, где получил свои основные патенты на изобретения. Так, в 1890-х годах он запатентовал ряд технологий, которые облегчали ходьбу, бег и прыжки человека. Их он планировал направить в помощь военным.
Однако мы должны понимать, что созданный Николаем Ягном механизм был лишь прототипом современного экзоскелета, да и широкого распространения в промышленности он не получил. Но мысль захватила умы многих ученых и корпораций, поэтому работы по созданию промышленных экзоскелетов стали проводиться постоянно.
Первый такой экзоскелет был разработан совместно General Electric и ВС США в 60-х годах прошлого века (Источник изображения: https://habr.com/ru/post/394801/).
Он назывался Hardiman и мог поднимать 110 кг с усилием, применяемом при подъёме 4,5 кг. Однако из-за большого веса (680 килограмм) он был непрактичным. Но именно с этого момента берет свое начало создание промышленных экзоскелетов.
Сегодня экзоскелеты применяют в различных областях:
Экзоскелеты также высоко востребованы в промышленности, особенно на производствах, где работа сопряжена с трудоемкими процессами, связанными с поднятием тяжестей, работой в неудобных положениях.
Нагрузки на производстве иногда доходят до критических. Использование экзоскелетов позволяет их снизить, сберечь здоровье работников, занимающихся тяжелым физическим трудом, снизить утомляемость, избежать производственных травм и развития профзаболеваний. В результате применения данной технологии производительность труда работника повышается до 80%.
Три причины использовать экзоскелет
Есть множество причин, которые подтверждают целесообразность применения экзоскелетов на предприятиях. Мы рассмотрим три основные.
Немного статистики
Все приведенные выше факты подтверждают важность данных устройств на современных предприятиях. Становится понятно, что давно назрела необходимость их повсеместного ввода в эксплуатацию на производствах для облегчения тяжелого труда людей, уменьшения количества травм и повышения эффективности работы (как всего производства, так и отдельных сотрудников).
Виды экзоскелетов
Если говорить о видах промышленных экзоскелетов, то лучшим вариантом является их классификация по принципу работы. Исходя из нее, можно выделить:
Самыми распространенными моделями экзоскелетов, которые сегодня можно встретить на предприятиях, считаются активные и пассивные. Разберемся, чем они отличаются друг от друга.
Активные и пассивные экзоскелеты: в чем разница?
Активные тяжелые экзоскелеты – это механизмы, оснащенные электроприводами.
Экзоскелеты с автономным источником питания отличаются высокой мобильностью, поэтому их используют военные, где от выносливости и грузоподъёмности солдата зависит его эффективность на поле боя. Примером такого экзоскелета является HULC (США). Это активный экзо-костюм, который позволяет солдату быстро перемещаться с грузом по пересеченной местности. Также подобные модели применяются в реабилитационной медицине, поскольку позволяют человеку компенсировать утраченные двигательные функции.
Что же касается промышленности, то здесь активные экзоскелеты помогают значительно увеличить силу человека, что, безусловно, важно при поднятии и переносе тяжелых грузов. Стоимость активных экзоскелетов высока: в среднем цена подобных устройств может доходить до 10-15 млн. руб. Поэтому не каждое предприятие способно их приобрести, и на большинстве производств сегодня можно встретить наиболее распространенные и доступные по цене пассивные экзоскелеты (Источник фотографии: spectrum.ieee.org, активный экзоскелет грузчика).
Пассивный экзоскелет – это внешнее механическое устройство без активных частей, сервоприводов, пневматики гидравлики или электрики, которое служит для перераспределения нагрузки, поддержки мышц и защиты опорно-двигательного аппарата человека. Это легкая конструкция, которая может применяться на всех видах производств, расширяя физические возможности оператора и защищая его от травм спины.
Наиболее известны в России пассивные экзоскелеты EXORISE. Устройства этой торговой марки учитывают антропометрические и биомеханические данные человека и позволяют разгружать мышцы спины, рук и ног работника, снижать вероятность травм и развития профессиональных заболеваний. Все модели прошли испытания в российских компаниях из списка ТОП-30.
Сегодня пассивные экзоскелеты EXORISE используются на более чем 50 предприятиях разных отраслей промышленности: металлургия, нефтегазовая отрасль, машиностроение, строительство, МЧС, складское хозяйство, погрузочно-разгрузочные работы и др.
Три модели пассивных экзоскелетов EXORISE
Экзоскелет X-SOFT
Конструкция позволяет снизить нагрузку на позвоночник при работе с тяжелыми инструментами или переноске различных грузов. В общей сложности при правильном использовании экзоскелет способен компенсировать нагрузку на позвоночник до 37%. В линейке представлены мужская и женская модели.
Применение: металлургия, машиностроение, нефтегазовая отрасль, строительство, МЧС.
Экзоскелет X-RISE
Устройство, предназначенное для верхней части тела, поднимает и поддерживает руки работника, снимая нагрузку с плеч и перенося вес на бедра. Помогает в выполнении задач, связанных с подъемом и/или удержанием рук (с грузом и без) выше груди. В среднем повышает выносливость оператора до 83%.
Применение: машиностроение, конвейерное и сборочное производство, ремонтные работы, складское и жилищно-коммунальное хозяйства.
Экзоскелет X-ARM
Устройство типа «3-я рука» для работы с ручным инструментом массой от 2 до 40 кг. Снимает нагрузку с опорно-двигательного аппарата, перераспределяя вес через конструкцию экзоскелета ног. Повышает производительность оператора до 91% в статике и до 38% в динамике.
Применение: металлургия, нефтегазовый комплекс, машиностроение, судостроение, ремонтные работы.
Факты
Как правильно подобрать экзоскелет?
Как же правильно выбрать подходящую модель экзоскелета? Необходимо определить, какую основную задачу должен взять на себя экзоскелет, а также какие группы мышц работника он должен усилить.
Чтобы правильно выбрать экзоскелет, нужно воспользоваться помощью специалиста.
Как правильно надеть пассивный экзоскелет?
Чтобы экзоскелет максимально защитил от травм, его необходимо правильно собрать и надеть. Узнать, как сделать это без ошибок, можно из представленных видео.
Экзоскелет – устройство, которое раньше считалось чем-то из области фантастики. Сегодня – это наша реальность. И с каждым днем она становится все обыденнее, так как руководители предприятий активно внедряют их в производственные процессы. Этим они позволяют своим сотрудникам не только увеличить производительность труда, но и сберечь здоровье, внося большой вклад в сохранение трудового ресурса страны.
Медицина, стройка, армия: где сегодня применяют экзоскелеты
Экзоскелет — это мобильный механизм, который работает при помощи системы электродвигателей, рычагов, гидравлики и других технологических решений. Экзоскелеты предназначены для восполнения утраченных функций человека, а также для увеличения силы мышц и расширения амплитуды движений.
Первый прототип экзоскелета создала компания General Electric совместно с армией США в 1960-е годы. Названный «Хардимэн», он весил 680 кг, имел восемь шарниров и два захвата, соединенных гидравлической и электронной сетями. Технологи рассчитали, что экзокостюм поможет человеку поднимать вес около 110 кг, но в реальных тестах разработка себя не оправдала. Когда систему приводили в действие, она выполняла хаотичные движения. Разработки прототипов продолжили.
Сегодня экзоскелеты применяются во многих областях — от медицинской реабилитации до промышленного производства. РБК Тренды рассказывают, какие бывают экзоскелеты и как они работают.
Для реабилитации
Российская компания ExoAtlet предлагает медицинские экзоскелеты для реабилитации пациентов с нарушениями опорно-двигательного аппарата и нервной системы в нижней части тела. Они управляются при помощи кнопок, расположенных на костылях, и приводятся в движение благодаря сигналам от датчиков и электромиограммы. Алгоритмы устройства и встроенные приводы повторяют естественную ходьбу человека. ExoAtlet весит около 20 кг, однако пациент не ощущает этот вес, поскольку движения автоматизированы и поддерживаются самой системой. Экзоскелет стоит около ₽4 млн.
Другая российская компания Simbionix представила экзоскелет «Компаньон», предназначенный для восстановления двигательной активности людей с повреждениями спины и нижнего пояса конечностей. Механизм крепится к телу с помощью специальных инструментов, его можно регулировать по ширине и глубине таза, длине бедра и голени. Экзоскелет выдерживает вес до 120 кг и подходит для людей ростом до 2 м. Из-за герметичности его можно использовать при температуре воздуха от минус 30 до плюс 50 °C° и в любых погодных условиях.
«Компаньон» имеет съемный аккумулятор и внешний модуль управления. При активном использовании заряда хватит на три часа, а в пассивном режиме — до пяти часов. Экзоскелет весит 8,5 кг и выполнен из высокопрочного пластика и сплава титана. Он предполагает разные режимы — ходьба, вставание, подъем по ступенькам, приседание. Есть возможность управлять длиной и высотой шага с помощью дистанционного пульта.
Компания утверждает, что устройство эффективно при реабилитации и поддержке людей с мышечной дистрофией, травмами спинного мозга, инсультами, нервно-мышечными и нейродегенеративными заболеваниями, черепно-мозговыми травмами.
Trexo Home управляется с планшета. Экзоскелет позволяет регулировать нагрузку на тело, характер походки, скорость движения и имеет функцию активной помощи мышцам. Его поставляют с обучающими инструкциями.
Нижняя часть Trexo имеет две раздвижные части от бедра до колена и от колена до щиколотки. Ширину бедер тоже можно регулировать, как и высоту опорной рамы.
Для больших нагрузок
Японская компания Aton презентовала несколько прототипов экзоскелета KOMA 1.5, силового костюма, который помогает без усилий подниматься и опускаться, нести тяжелые предметы манипуляторами-руками, поддерживать движение. Благодаря встроенным камерам с искусственным интеллектом экзоскелет обнаруживает и избегает препятствия.
KOMA 1.5 имеет два режима. Первый, «Buggy Mode», позволяет перемещать грузы по гладкой и ровной поверхности, например, внутри склада. Второй, «Two-Legged Mode», предназначен для подъемов с грузом и преодоления препятствий. В этом режиме колеса экзоскелета убираются назад, образуя две ноги с приводом, повторяющие движения ног человека.
В России в 2021 году компания «Ростех — Доверенные платформы робототехнические комплексы» начала выпускать модульные экзоскелеты ProEXO, которые защищают рабочих при тяжелых физических нагрузках. Базовая стоимость комплекса составляет ₽30 тыс.
Такой экзоскелет может быть пассивным — для защиты опорно-двигательного аппарата сотрудника от перегрузок, или активным — со встроенными приводящими моторами, которые берут на себя большую часть физических нагрузок. Он помогает выполнить более 11 производственных операций, в том числе погрузочно-разгрузочные работы. В компании заявили, что «с экзоскелетом 30 кг груза будут ощущаться, как 15 кг».
Для промышленности и ЧС
Российская Exorise предлагает три модели экзоскелетов — X-Soft, X-Rise и X-Arm.
Экзоскелеты Exorise — пассивного типа, так как они работают за счет накопления и отдачи энергии без электрики. С помощью силы гравитации рабочий сам «заряжает» свое устройство. Разработчики заявляют, что экзоскелет можно адаптировать под разные задачи, он износостойкий и жаростойкий. Его предлагают применять в промышленности, при строительстве, на складах, при работе в МЧС.
Для строительства
Экзоскелеты Sarcos Robotics серии Guardian обеспечивают перенос веса из одной части тела на другую при выполнении определенного типа работ. Также они смещают нагрузку с рук на ноги, когда рабочему нужно долго держать руки на весу. Это помогает снизить мышечное напряжение и повысить выносливость работников стройплощадок.
Экзоскелет имеет 24 степени свободы и предупреждающие о препятствиях датчики.
Он оснащен удобным интерфейсом управления, который отображает различные уведомления. Режим «Свободные руки» позволяет оператору заблокировать руки костюма с грузом на весу, чтобы одновременно выполнять сложные задачи своими собственными.
Многие компании выпускают экзоскелеты, обеспечивающие поддержку рук, так как они лучше всего подходят для выполнения задач, связанных с резкой, сверлением и шлифованием поверхностей. Конструкции поддерживают руки и плечи таким образом, что нагрузка от постоянного удерживания тяжелых инструментов уменьшается.
Так, EksoVest Bionics задействовала механизм на пружинах в обеих руках экзоскелета, чтобы человеку было проще удерживать на весу тяжелые предметы. А экзоскелет от компании Levitate Technologies использует систему колесиков с приводами для решения аналогичной задачи.
Для армии
Компания Lockheed Martin разработала для армии США системы ONYX для нижней части тела, которые повышают мобильность и снижают утомляемость. Конструкция уменьшает усилия, прилагаемые при ходьбе и лазании, а также дает солдату возможность переносить на себе больше оборудования, необходимого для выполнения боевых задач. Кроме того, она распределяет ортопедическую нагрузку так, чтобы не травмировался позвоночник.
В России в 2020 также испытали экзоскелет для военных производства корпорации «Ростех». При весе 6 кг устройство позволяет переносить боевую экипировку и вооружение массой до 60 кг. Экзоскелеты уже поставляются в инженерные войска и используются в госпиталях для реабилитации пациентов.
На форуме «Армия-2021» «Ростех» показал первый опытный образец боевого экзоскелета с электродвигателями. Он работает в активном и пассивном режимах. Первый включается, когда солдат перемещается по пересеченной местности или горам. Электродвигатели с датчиками давления в стопах адаптируются под особенности движений человека. В пассивном режиме экзоскелет помогает при передвижении по горизонтальной поверхности с грузом.
Для ходьбы и бега
Группа инженеров под руководством Конора Уолша из Гарвардского университета в 2019 году представила носимый экзоскелет, способный снижать энергозатраты во время ходьбы и бега. Он подтягивает ноги в определенные моменты движения. Во время ходьбы экзоскелет снижает энергозатраты на 9,3%.
Экзоскелет состоит из нескольких связанных между собой частей. Они крепятся на бедрах, талии и плечах. На задней части устройства расположен блок с электромоторами, связанными с двумя тросами. На других концах эти тросы закреплены на бедрах. Когда нога движется назад, трос натягивается с помощью электромотора и облегчает работу мышц.
В 2020 году ученые из Стэнфорда разработали свой прототип экзоскелета, который дает возможность снизить нагрузку на ноги при беге и при ходьбе. Он позволяет снизить затраты энергии на бег уже на 15%.
Экзоскелет крепится к голени при помощи ремней, также он закрепляется на обуви при помощи веревки, которая пропускается петлей под стопой. У экзоскелета есть небольшая поддерживающая углепластиковая платформа, которая размещается под стопой. Он управляется с использованием системы тросов, натягиваемых или ослабляемых внешними электромоторами.
Подобные экзоскелеты позволят облегчить работу курьеров и почтальонов, а также работников других сфер, которым требуется много ходить.
Перспективы экзоскелетов
Бристольский университет работает над мягкой роботизированной одеждой, которая могла бы помочь людям избежать падений, поддерживая их во время ходьбы и давая бионическую силу. Благодаря элементам из графена она будет включать в себя также технологии электрической стимуляции и мониторинга всего тела: суперконденсатор, устройство для электрокардиограммы, мониторинга активности, отслеживания движения глаз, датчик температуры и гибкие нагревательные элементы. Исследователи полагают, что эта технология может в конечном итоге привести к отказу от инвалидных кресел.
«Многие существующие устройства, используемые людьми с ограниченными возможностями передвижения, могут вызывать или усугублять такие состояния, как плохое кровообращение, повреждение кожи или склонность к падению, — говорит доктор Джонатан Росситер, профессор робототехники в Бристольском университете. — Носимая мягкая робототехника может решить многие из этих проблем и в то же время снизить расходы на здравоохранение».