През 1868 г. Едуард Елис публикувал евтин роман под заглавие ,,Парният човек в прерията“. В него се описвал огромен парен двигател, построен във формата на човешко тяло. Това позволява на изобретателя, гениалният Джон Брейнърд, да ходи в своя робот-превозно средство, носейки се със скорост около 100 км/ч, ловувайки бизони и пашейки индианци.
А през 1961 г., две години преди създаването на първия комикс за Железния човек, Пентагонът обявил конкурс за създаване на истински роботи-униформи. Американските военни се нуждали от ,,човек-танк с усилено кормилно управление и спирачки“.
В наши дни под екзоскелет се разбира метален костюм, почти следващ формата на човешкото тяло, или част от такъв костюм с 2-2,5 м височина. По-високи за ,,мобилните костюми“ и други човекоподобни роботи.
Екзоскелетите винаги са имали най-вече две предназначения: увеличаване на двигателните способности на здрав човек и нормализиране на такива у болен. В зависимост от това, какво трябва да се постигне, конструкцията може да бъде с различни изменения. (напр. ортеза на ръката също е вид екзоскелет).
Hardiman
Първият екзоскелет бил създаден през 1961 г. от компанията General Electric. Hardiman тежал 680 кг, но можел да носи тежести до 340 кг. Имали намерение да го използват под водата, в Космоса, във военни действия... но тази разработка не оправдала очакванията и била благополучно забравена. Основната причина била, че при тежест 680 кг, но с лошо центриране при повдигане на товар цялата конструкция започвала да вибрира, което често довеждало до преобръщане.
Девет години след това Миомир Вукобратович от Белград показал първия силов крачещ екзоскелет, задачата на който била да дава пълноценни двигателни възможности на хора с паралич на долните крайници. В основата на задвижващия механизъм била пневматиката. Разработката била забелязана от съветски учени, които заедно със свои югославски колеги започнали съвместна работа по усъвършенстване на екзоскелет с подобно задвижване. Но с идването на перестройката проектът бил закрит, а няма и данни за тайни ,,подземни“ екзоскелетни разработки.
В различни страни изобретатели се опитвали да създадат ,,външни тела“ с най-различно предназначение, но поради много препятствия (за които ще стане дума по-долу) не постигнали успех. Недостиг на енергоносители, бавен ръст на научно-техническия прогрес, незадоволителното развитие на материалознанието и сродните му науки, а също така и на електронните изчисления и кибернетиката – всичко това било част от причините. Ставало дума за сложни технологии, които едва сега се усвояват пълноценно от хората.
Проблеми на екзоскелетите
На пръв поглед материалите на Земята са много, но в действителност не са толкова много тези, от които може да се изработи едно здраво тяло, което да е и достатъчно леко, за да не се нуждае от собствена тяга.
Ако хипотетичният екзоскелет се разложи на съставни части, той ще се състои от източник на захранване, софтуер (ПО) и механическа част, наподобяваща отчасти природната – кости, стави и т.н. И ако с механиката и софтуера опорните точки са ясни и проблеми за решаване почти не са останали, то със захранването не е така. Ако съществува надежден захранващ източник, би могло да се създаде на просто обикновен екзоскелет, а да се обедини със скафандър и раница с гориво.
Всеки от разпространените компактни захранващи източници (акумулаторни батерии) в днешно време би могъл да осигури на екзоскелетите спокойни няколко часа работа Двигателят с вътрешно горене изглежда надежден, но не е особено компактен. Освен това, му е необходима допълнителна система за охлаждане, а и самият ДВГ е трудно да се настрои моментално да задейства голямо количество енергия. Електрохимическите горива могат да помогнат (метанол) отговарят на това условие, но и работят при прекомерно високи температури. Например 600 градуса Целзий е относително ниска температура за такъв двигател.
На практика най-възможното решение на проблема с двигателя на екзоскелета може да стане един също така труден за решаване въпрос – този за безжичното предаване на енергия. Все пак тя може да бъде предавана от без значение колко голям реактор (дори и ядрен!). Но как?
Механика на пасивния екзоскелет
Както е и у човека, всеки крак на механизма се състои от бедра, пищяли и стъпало. Частите на конструкцията се съединяват чрез шарнири с различна степен на подвижност. Шарнирно съединеното с корпуса бедро има три степени на подвижност. То може да се върти около хоризонтална ос ,,напред-назад“ (обикновено в някакви граници), а по друга хоризонтална ос се осъществува навеждане и повдигане. Също така може да се върти и около вертикална ос. Пищялът се съединява с бедрото чрез цилиндричен шарнир с една ос на въртене – хоризонтална. По отношение на пищяла то има три степени на свобода и по всяка може да се върти около пищяла в определени граници. Също както ходенето на ,,голия“ човек, така и това на облечения в екзоскелет представлява последователност на редуващи се едноопорни и двуопорни фази. В първата фаза единият крак се намира на твърда опора, а другият се премества (нарича се още фаза на преноса) и в нея екзоскелетът има 14 степени на свобода.
Пасивният екзоскелет не съдържа никакви захранващи източници, които отвреме-навреме биха се нуждали от презареждане. Времето му на работа е неограничено. От друга страна, отсъствието на допълнително захранване понижава възможностите на конструкцията и широтата на задачите, които може да изпълнява.
3D модел на пасивен екзоскелет
Алгоритъмът на управление на пасивния екзоскелет се състои в заключване и освобождаване на коляновите стави поред – първо единия, после и другия крак. В момента на поставяне на единия крак на твърда повърхност коляновията му става се фиксира, той се блокира и за известно време ъгълът на ставата спира изменението си. Фиксирането става чрез спирачен механизъм, монтиран в коляновата става. Тъй като в това положение ставата не може вече да се свива, цялото натоварване се поема от спирачното устройство. В момента на отлепяне на крака от повърхността ставата се освобождава и кракът на екзоскелета отново следва мускулните команди на човешкия крак. Ако човек стои на едно място и не се помръдва, то ставите са заключени и благодарение на това колената понасят тежестта и не могат да се прегънат. По този начин механизмът напълно освобождава човека от теглото му – дори и от собственото му, защото то се носи от механизма. Ето защо екзоскелетът е полезен при носене на тежки товари или качване по стълба – човек може в произволен момент да спре и да почине.
Описаният по-горе метод на фиксация се използва и при протезиране на инвалиди, загубили крака си под коляното. Такава протезя съдържа колянова става.
Човек в пасивен екзоскелет носи тежест около 100 кг
Решението на проблема за равновесието на човек в такъв екзоскелет остава в ръцете на самия му потребител. Ако човек, например, има намерение да носи тежък товар с помощта на екзоскелет, обикновено се препоръчва той предварително да тренира.
Механика на активния екзоскелет
Активният екзоскелет обикновено се от седем шарнирно съединени звена и е снабден с два хидравлични цилиндъра, които сгъват и развиват коляновите стави и системата за управление.
Системата ,,човек-екзоскелет“ е подобна на системата ,,пилот-самолет“ или ,,шофьор-автомобил“. В тях има разпределение на функциите между човека-оператор и механизма. В разглежданата тук система предавките на екзоскелета трябва да изпълняват волята на оператора. Тя се ,,съобщава“, както ще видим и по-надолу, с помощта на датчици.
3D модел на активен екзоскелет
Както и при пасивния екзоскелет, и при активния пазенето на равновесие е грижа на човека и неговите мускули, а не предавките на екзоскелета.
Материал
Първите екзоскелети били изработени от алуминий и стомана, нескъпи и прости за използване. Но стоманата е прекалено тежка, а екзоскелетът трябва да може да носи товар и над своето собствено тегло. Тоест, при голямо тегло ефективността на ,,костюма“ пада. Алуминиевите сплави са достатъчно леки, но бързо натрупват умора на метала, което значи, че не са особено подходящи за големи натоварвания. Инженерите търсят леки и трайни материали от типа на титана или въглеродните влакна. Те неизбежно ще бъдат скъпи, но и ще осигурят ефективност на екзоскелета.
Особен проблем представляват предавките. Стандартните хидравични цилиндри са достатъчно мощни и могат да работят с висока точност, но са и тежки и са необходими много шлангове и тръби. Пневматиката – напротив – е много непредсказуема в областта на обработката на движения, тъй като сгъстеният газ пружинира, а реактивните сили ще разместват предавките при движение на скелета.
В момента се разработват нови сервопредавки на електронна основа, които ще използват магнити и ще осигуряват резки движения, потребявайки минимум енергия и бидейки малки. Може да се сравнение с прехода от пароходно возило към влак. Също така такъв екзоскелет ще има гъвкави стави. Този проблем може да бъде разрешен и от разработчиците на скафандри, които ще помогнат за адаптацията на костюма към размерите на носителя му.
Движение
Не е толкова лесно да се изработи екзоскелет с еднаква скорост на реакциите на всеки от крайниците. Принципът на работа на екзоскелета е замислен така: потребителят извършва някакво движение с ръка или крак. Датчици, свързани с крайниците, предават това движение на задвижващите механизми на екзоскелетовите крайници – били тези механизми хидравлични или електрически. Едновременно с това датчиците трябва да следят движенията на манипулаторите да съответстват на тези на оператора. Освен въпроса за амплитудната синхронизация на движенията пред инженерите стои и този за тяхното времево хармонизиране. Но пък според някои конструктори, не трябва и да се доверим на потребителя и да оставим на датчици да определят бързината на движенията по тези на тялото.
Екзоскелетът се закрепва за тялото чрез ремъци или каиши. Но това закрепване не е стабилно и позволява на човека да извършва малки движения вън от екзоскелета - ,,микропремествания“. При тези микроплемествания човек въздейства върху датчици за мускулни усилия, прикрепени към тази или онази част на екзоскелета, сигнализирайки чрез това за желаната посока и скорост на преместване. На краката на апарата също така са монтирани датчици за усилие.
Механизмът на екзоскелета може да бъде твърде бърз за потребителя му, а да бъде направен прекалено бавен – не е ефикасно. Всяка механика има определено време за реакция и в случая то трябва да бъде възможно най-малко. В момента предимство имат разработките на неголеми, компактни екзоскелети. Тъй като те не позволяват увеличаване на опорната повърхност и т.н., то механика, която не може да се движи заедно с човека, може да се окаже сериозна пречка в практиката. Десинхронизирането на движенията на потребителя и костюма може да доведе до нараняване или падане. Нужно е да се ограничава бързината на реакциите и на двете страни. Също така – отрано да се предусети непреднамерено или нежелателно движение, а не кихане или покашляне на доведе до ускоряване на реакциите. Екзоскелетът поначало цели равномерно, пропорционално увеличаване на усилията на потребителя при всички негови движения.
Екзоскелетите в момента
Програмата Warrior Web, разработена от Пентагона, е с чисто военно предназначение и трябва да увеличи издръжливостта на войниците. Тя трябва да разпределя натоварването при ускорен ход, а и да защитава човека от нараняване. Главното преимущество на Warrior Web е, че войникът може да носи такова изделие под обикновена униформа. Комплектът е оборудван с електрически усилватели на мускулната сила, които се захранват от акумулаторни батерии. Също така се съдържа и GPS система, за да може войникът да може да бъде открит и да му се окаже медицинска помощ. Най-плътно обгърнатите места на тялото ще бъдат коленните стави и глезените, за да може не само натоварването да бъде добре разпределено, но и войниците не само да бъдат защитени от травми и разтежения.
Няколко образеца от такава униформа неотдавна бяха показани. Те са снабдени с много датчици, отчитащи показания за мускулните стягания, потреблението на кислород и въобще телесния баланс на потребителя.
Х1 е екзоскелет за астронавти и хора с дисфункции в краката. Тежи 25 кг и е създаден в НАСА. При него са използвани някои технологични решения от космическия робот Robonaut 2. В Космоса Х1 може да помогне на астронавтите да се придвижат, не употребявайки прекалено много сили в условията на гравитация, няколко пъти по-голяма от земната. Осигурява и натоварване на мускулите за астронавтите, намиращи се в безтегловност. Всеки крайник на Х1 има десетки подвижни стави, на четири от които са монтирани електродвигатели. Така екзоскелетът повтаря движенията на човешките крака.
RAYTHEON беше демонстриран през 2010 г., а модификацията му XOS 2 е доста по-гъвкава и лека. Няма нито реактор, нито броня. Значително повишава теглоносимостта на човека.
Съществуват и екзоскелети, работещи под Windows. Rewalk, създаден за хора с ограничени двигателни възможности, тежи 23,3 кг и има три режима: ходене, седене и правостоящ.
HULC (Human Universal Load Carrier) е също така предназначен за военни цели. Задвижването на крайниците е хидравлично, а се захранва от литиево-полимерни батерии. Потребителят може да носи до 140 кг товар.
Най-очакваното нововъведение в екзоскелетите са роботизираните ръкавици. Това са манипулатори за използване на обекти и инструменти, не толкова удобни за ръчно захващане. При тези ,,ръкавици“ проблемът със синхронизацията се усложнява от по-големия брой механични елементи, особеностите на двигение на човешките китки и др.
Следващият етап в екзоскелетите вероятно ще бъде невроелектронният интерфейс. Сега управленито на механиката се осъществява чрез датчици и предавки. По-удобни за употреба са електроди, чувствителни към нервните импулси на човека. Такава система ще снижи времето за реакция на организма и ще повиши ефективността на целия екзоскелет.
Антон Оруш, Sandacite.bg
Източници:
DARPA's Warrior Web augments carrying capacity and endurance
Retro-Engineering: Photos of 1967 General Electric 'Hardiman' Electric Exoskeleton
Железный Человек: настоящее и будущее экзоскелетов
Что собой представляет экзоскелет
Экзоскелет: будущее, которое уже наступило
Экзоскелет: конструкция, управление
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари