Exoskeletony

Aj keď je o exoskeletoch v poslednej dobe počuť čoraz viac, ukazuje sa, že história tohto vynálezu siaha až do devätnásteho storočia. Zistite, ako sa menil v priebehu desaťročí a ako vyzerali zlomové body jeho vývoja. 

1. Ilustrácia z patentu Nikolaja Yagna

1890 – Prvé inovatívne nápady na vytvorenie exoskeletu pochádzajú z 1890. storočia. V roku 420179 Nicholas Yagn patentoval v Spojených štátoch amerických (patent č. US XNUMX A) „Zariadenie na uľahčenie chôdze, behu a skákania“ (1). Išlo o brnenie vyrobené z dreva, ktorého účelom bolo zvýšiť rýchlosť bojovníka počas mnohokilometrového pochodu. Návrh sa stal zdrojom inšpirácie pre ďalšie hľadanie optimálneho riešenia.

1961 - V 60. rokoch General Electric spolu so skupinou vedcov z University of Comell začali pracovať na vytvorení elektrohydraulického obleku, ktorý podporuje ľudské cvičenie. Spolupráca s armádou na projekte Man Augmentation viedla k vývoju Hardiman (2). Cieľom projektu bolo vytvoriť oblek, ktorý napodobňuje prirodzené pohyby človeka a umožňuje mu zdvíhať predmety s hmotnosťou takmer 700 kg. Samotný kostým vážil rovnako, no hmatateľná váha bola len 20 kg.

2. Prototypový výmenník tepla General Electric

Napriek úspechu projektu sa ukázalo, že jeho užitočnosť bola zanedbateľná a počiatočné kópie by boli drahé. Ich obmedzené možnosti mobility a zložitý systém napájania nakoniec spôsobili, že tieto zariadenia boli nepoužiteľné. Počas testovania sa ukázalo, že Hardiman dokáže zdvihnúť len 350 kg a pri dlhodobom používaní má sklony k nebezpečným, nekoordinovaným pohybom. Od ďalšieho vývoja prototypu bolo upustené len jedno rameno – zariadenie vážilo asi 250 kg, no bolo rovnako nepraktické ako predchádzajúci exoskelet.

70. roky XNUMX. storočia. „Kvôli svojej veľkosti, hmotnosti, nestabilite a problémom s napájaním sa Hardiman nikdy nedostal do výroby, ale priemyselný Man-Mate využíval určitú technológiu zo 60. rokov. Práva na technológiu kúpila spoločnosť Western Space and Marine, ktorú založil jeden z inžinierov GE. Produkt bol ďalej vyvinutý a dnes existuje vo forme veľkého robotického ramena, ktoré dokáže pomocou silovej spätnej väzby zdvihnúť až 4500 XNUMX kg, vďaka čomu je ideálny pre oceliarsky priemysel.

3. Exoskeletony postavené v Inštitúte Mihaila Pupina v Srbsku.

1972 – Včasné aktívne exoskelety a humanoidné roboty boli vyvinuté v Inštitúte Mihaila Pupina v Srbsku skupinou vedenou prof. Miomir Vukobratovič. Po prvé, systémy pohybu nôh boli vyvinuté na podporu rehabilitácie ľudí trpiacich paraplégiou (3). Pri vývoji aktívnych exoskeletov inštitút vyvinul aj metódy na analýzu a kontrolu ľudskej chôdze. Niektoré z týchto pokrokov prispeli k vývoju dnešných vysokovýkonných humanoidných robotov. V roku 1972 bol na ortopedickej klinike v Belehrade testovaný aktívny pneumatický exoskeleton s elektronickým programovaním paralýzy dolných končatín.

1985 „Inžinier v Národnom laboratóriu v Los Alamos stavia exoskelet s názvom Pitman, elektrické brnenie pre pešiakov. Ovládanie zariadenia bolo založené na senzoroch, ktoré snímajú povrch lebky, umiestnenej v špeciálnej prilbe. Vzhľadom na možnosti vtedajšej technológie to bol príliš zložitý dizajn na výrobu. Obmedzením bol predovšetkým nedostatočný výpočtový výkon počítačov. Navyše spracovanie mozgových signálov a ich premena na pohyby exoskeletu zostali v tom čase technicky prakticky nemožné.

4. Exoskeleton Lifesuit, navrhnutý Montym Reedom.

1986 — Monty Reed, vojak americkej armády, ktorý si zlomil chrbticu pri zoskoku padákom, vyvinul exoskelet v obleku na prežitie (4). Inšpirovali ho popisy mobilných pechotných oblekov v sci-fi románe Roberta Heinleina Starship Troopers, ktorý čítal počas zotavovania sa v nemocnici. Reed však začal pracovať na svojom zariadení až v roku 2001. V roku 2005 testoval prototyp záchranného obleku 4,8 na pretekoch na Deň svätého Patrika v Seattli vo Washingtone. Vývojár tvrdí, že vytvoril rýchlostný rekord v robotických oblekoch, keď prekonal 4 kilometre pri priemernej rýchlosti 14 km/h. Prototyp Lifesuit 1,6 dokázal prejsť 92 km plne nabitý a umožnil zdvihnúť XNUMX kg.

1990-súčasnosť - Prvý prototyp HAL exoskeletonu navrhol Yoshiyuki Sankai (5), prof. Univerzita Tsukuba. Sankai strávil tri roky – od roku 1990 do roku 1993 – identifikáciou neurónov, ktoré riadia pohyb nôh. Jemu a jeho tímu trvalo prototypovanie zariadenia ďalšie štyri roky. Tretí prototyp HAL, vyvinutý na začiatku 22. storočia, bol pripojený k počítaču. Samotná batéria vážila takmer 5 kg, čím bola veľmi nepraktická. Naproti tomu neskorší model HAL-10 vážil len 5 kg a mal batériu a riadiaci počítač omotané okolo pása používateľa. HAL-XNUMX je v súčasnosti lekársky exoskelet so štyrmi končatinami (hoci je k dispozícii aj verzia len pre dolné končatiny), ktorú vyrába japonská spoločnosť Cyberdyne Inc. v spolupráci s Univerzitou Tsukuba.

5. Profesor Yoshiyuki Sankai predstavuje jeden z modelov exoskeletu.

Pôsobí približne 2 hodiny 40 minút v interiéri aj exteriéri. Pomáha zdvíhať ťažké predmety. Umiestnenie ovládacích prvkov a pohonu v nádobách vo vnútri puzdra umožnilo zbaviť sa „batohu“ tak charakteristického pre väčšinu exoskeletov, niekedy pripomínajúcich veľký hmyz. Ľudia s hypertenziou, osteoporózou a akýmkoľvek srdcovým ochorením by sa mali pred použitím HAL poradiť s lekárom a medzi kontraindikácie patrí okrem iného kardiostimulátor a tehotenstvo. V rámci programu HAL FIT výrobca ponúka možnosť využitia liečebných sedení s exoskeletom pre chorých aj zdravých ľudí. Dizajnér HAL tvrdí, že ďalšie fázy upgradu sa zamerajú na vytvorenie tenkého obleku, ktorý umožní užívateľovi voľne sa pohybovať a dokonca aj behať. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni a jeho tím v Ekso Bionics vyvíjajú univerzálny nosič ľudského nákladu alebo HULC (6) je bezdrôtový exoskeleton s hydraulickým pohonom. Jeho účelom je pomáhať bojujúcim vojakom dlhodobo prepravovať bremená s hmotnosťou do 90 kg s maximálnou rýchlosťou 16 km/h. Systém bol verejnosti predstavený na zimnom sympóziu AUSA 26. februára 2009, kedy bola uzavretá licenčná zmluva so spoločnosťou Lockheed Martin. Dominantným materiálom použitým v tomto dizajne je titán, ľahký, ale pomerne drahý materiál s vysokými mechanickými a pevnostnými vlastnosťami.

Exoskelet je vybavený prísavkami, ktoré umožňujú prenášať predmety s hmotnosťou až 68 kg (zdvíhacie zariadenie). Napájanie je dodávané zo štyroch lítium-polymérových batérií, ktoré zaisťujú normálnu prevádzku zariadenia pri optimálnej záťaži až 20 hodín. Exoskeleton bol testovaný v rôznych bojových podmienkach a s rôznym zaťažením. Po sérii úspešných experimentov na jeseň 2012 bol poslaný do Afganistanu, kde bol testovaný počas ozbrojeného konfliktu. Napriek mnohým pozitívnym hodnoteniam bol projekt pozastavený. Ako sa ukázalo, dizajn sťažil vykonávanie určitých pohybov a skutočne zvýšil zaťaženie svalov, čo bolo v rozpore so všeobecnou myšlienkou jeho vytvorenia.

2001 – Prebieha projekt Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), pôvodne určený najmä pre armádu. V jej rámci sa dosiahli sľubné výsledky v podobe autonómnych riešení praktického významu. V prvom rade bolo vytvorené robotické zariadenie pripevnené na spodnú časť tela, aby nohy dodali extra silu. Zariadenie financovala agentúra DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) a vyvinulo ho Laboratórium robotiky a ľudského inžinierstva v Berkeley, divízia Kalifornskej univerzity, oddelenie strojného inžinierstva v Berkeley. Systém exoskeletu Berkeley dáva vojakom schopnosť prenášať veľké užitočné zaťaženie s minimálnou námahou a cez akýkoľvek typ terénu, ako je jedlo, záchranné vybavenie, súpravy prvej pomoci, komunikácie a zbrane. Okrem vojenských aplikácií BLEEX v súčasnosti vyvíja civilné projekty. Laboratórium robotiky a ľudského inžinierstva v súčasnosti skúma tieto riešenia: ExoHiker - exoskelet určený hlavne pre členov expedícií tam, kde je potreba prepravovať ťažkú ​​techniku, ExoClimber - vybavenie pre ľudí lezúcich do vysokých kopcov, Medical Exoskeleton - exoskelet pre ľudí so zdravotným postihnutím fyzické schopnosti. poruchy pohyblivosti dolných končatín.

8. Prototyp Sarcos XOS 2 v akcii

textu

2010 – Zobrazí sa XOS 2 (8) je pokračovaním exoskeletu XOS od Sarcos. Po prvé, nový dizajn sa stal ľahším a spoľahlivejším, čo vám umožňuje zdvíhať bremená s hmotnosťou až 90 kg v statickom stave. Zariadenie pripomína kyborga. Ovládanie je založené na tridsiatich aktuátoroch, ktoré fungujú ako umelé kĺby. Exoskelet obsahuje niekoľko senzorov, ktoré prenášajú signály do aktuátorov cez počítač. Takto prebieha plynulá a nepretržitá prevádzka a používateľ nepociťuje výraznú námahu. Hmotnosť XOS je 68 kg.

2011-súčasnosť – Americký úrad pre potraviny a liečivá (FDA) schvaľuje lekársky exoskelet ReWalk (9). Ide o systém, ktorý využíva silové prvky na posilnenie nôh a umožňuje ľuďom s ochrnutím vzpriamene sa postaviť, chodiť a stúpať po schodoch. Energiu zabezpečuje batôžková batéria. Ovládanie sa vykonáva pomocou jednoduchého ručného diaľkového ovládača, ktorý detekuje a koriguje pohyby užívateľa. Celé to navrhol Amit Goffer z Izraela a predáva ho ReWalk Robotics Ltd (pôvodne Argo Medical Technologies) za približne 85 XNUMX PLN. dolárov.

V ReWalk Exoskeletons chodí 9 ľudí

V čase uvedenia na trh bolo zariadenie dostupné v dvoch verziách – ReWalk I a ReWalk P. Prvú používajú zdravotnícke zariadenia na výskumné alebo terapeutické účely pod dohľadom odborného lekára. ReWalk P je určený na osobné použitie pacientmi doma alebo vo verejných priestoroch. V januári 2013 bola vydaná aktualizovaná verzia ReWalk Rehabilitation 2.0. Tým sa zlepšilo prispôsobenie pre vyšších ľudí a zlepšil sa ovládací softvér. ReWalk vyžaduje, aby používateľ používal barle. Ako kontraindikácie sa uvádzajú kardiovaskulárne ochorenia a lámavosť kostí. Obmedzením je aj rast, do 1,6-1,9 m, a telesná hmotnosť do 100 kg. Toto je jediný exoskelet, v ktorom môžete riadiť auto.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, predtým známy ako Berkeley Bionics, odhaľuje svoj lekársky exoskelet. Projekt začal o dva roky skôr pod názvom eLEGS (10), a bol určený na rehabilitáciu ľudí s rôznym stupňom ochrnutia. Rovnako ako ReWalk, aj konštrukcia vyžaduje použitie barlí. Batéria poskytuje energiu na minimálne šesť hodín používania. Exo set stojí cca 100 tis. dolárov. V Poľsku je známy projekt exoskeletu Ekso GT, medicínskeho zariadenia určeného na prácu s neurologickými pacientmi. Jeho konštrukcia umožňuje chôdzu vrátane ľudí po mozgových príhodách, poraneniach miechy, pacientov so sklerózou multiplex či s Guillain-Barrého syndrómom. Zariadenie môže pracovať v niekoľkých rôznych režimoch v závislosti od stupňa dysfunkcie pacienta.

2013 – Mindwalker, mysľou ovládaný exoskeleton projekt, dostáva finančné prostriedky z Európskej únie. Dizajn je výsledkom spolupráce vedcov zo Slobodnej univerzity v Bruseli a nadácie Santa Lucia v Taliansku. Vedci testovali rôzne spôsoby ovládania zariadenia – domnievajú sa, že najlepšie funguje rozhranie mozog-neuro-počítač (BNCI), ktoré vám umožňuje ovládať ho myšlienkami. Signály prechádzajú medzi mozgom a počítačom a obchádzajú miechu. Mindwalker premieňa EMG signály, teda malé potenciály (nazývané myopotenciály), ktoré sa objavujú na povrchu kože človeka, keď svaly pracujú, na elektronické pohybové príkazy. Exoskeleton je celkom ľahký, váži len 30 kg bez batérií. Udrží dospelého človeka s hmotnosťou do 100 kg.

2016 – Technická univerzita ETH vo švajčiarskom Zürichu hostí prvú športovú súťaž v kybatlone pre ľudí so zdravotným postihnutím pomocou asistenčných robotov. Jednou z disciplín boli preteky exoskeletu na prekážkovej dráhe pre ľudí s ochrnutím dolných končatín. V tejto demonštrácii zručností a technológie museli používatelia exoskeletu vykonávať úlohy, ako je sedenie na pohovke a vstávanie, chôdza po svahoch, šliapanie po skalách (napríklad pri prechode plytkou horskou riekou) a lezenie po schodoch. Ukázalo sa, že nikto nezvládol všetky cviky a najrýchlejším tímom trvalo 50-metrovú prekážkovú dráhu viac ako 8 minút. Najbližšie podujatie sa uskutoční v roku 2020 ako indikátor vývoja technológie exoskeletu.

2019 – Počas letných ukážok vo výcvikovom stredisku Commando v Lympstone vo Veľkej Británii Richard Browning, vynálezca a generálny riaditeľ spoločnosti Gravity Industries, predviedol svoj exoskeletonový prúdový oblek Daedalus Mark 1, ktorý urobil obrovský dojem na armádu, a nielen na Britov. Šesť malých prúdových motorov - dva z nich sú inštalované vzadu a dva vo forme prídavných párov na každom ramene - umožňujú stúpať do výšky až 600 m. Paliva je zatiaľ dostatok len na 10 minút let ...