Чертежи на екзоскелет. Как работят екзоскелетите? Направи си сам екзоскелет: груба диаграма

Екзоскелетите помагат на парализираните да ходят, улесняват тежката работа, защитават войниците на бойното поле и ни дават суперсили.

1. Activelink Power Loader

Наречен на известния екзоскелет от филма Aliens, Activelink Power Loader е проектиран да облекчава тежки ръчен трудсобственик, независимо от неговата възраст, пол и телосложение, и има за цел да „създаде общество без ограничения“ според прессъобщението на Activelink, дъщерна фирмаизвестен японски производител на електроника Panasonic.

2. ХАЛ

HAL (Hybrid Assistive Limb) е механичен екзоскелет от Япония, разработен от Cyberdine Inc. (да, точно като онези момчета, които започнаха всичко в Терминатора), е създаден като прототип през 1997 г. и сега се използва в японски болници, за да помага на тежко болни пациенти в ежедневните им дейности. Известно е също, че HAL е бил използван от японски строителни работници и дори спасители по време на ликвидирането на аварията във Фукушима-1 през 2011 г.

3. Ексо бионика

14. Проект “Walk Again”

Световното първенство по футбол през 2014 г. в Бразилия беше открито от Жулиано Пинто, който беше парализиран от кръста надолу и получи правото да рита първи топката на Мондиала. Това стана възможно благодарение на екзоскелет, свързан директно с мозъка му, разработен от университета Дюк. Това събитие е част от проекта Walk Again, създаден от екип от 150 души, ръководен от известния невролог и водеща фигура в областта на интерфейсите мозък-машина, д-р Мигел Николелис. Джулиано Пинто просто си помислил, че иска да ритне топката, екзоскелетът записал мозъчната активност и активирал механизмите, необходими за движение.

Екзоскелетът е външна рамка, която позволява на човек да извършва наистина фантастични действия: да вдига тежести, да лети, да бяга с голяма скорост, да прави гигантски скокове и т. И ако мислите, че само главните герои имат такива устройства" Железният човек" или "Аватар", тогава дълбоко грешите. Те са достъпни за човечеството от 60-те години на миналия век; освен това можете да научите как да сглобявате екзоскелет със собствените си ръце! Но първо, първо.

Екзоскелет: въведение

Днес можете лесно да си купите екзоскелет - подобни продукти се произвеждат от Ekso Bionics и Hybrid Assistive Limb (Япония), Indego (САЩ), ReWalk (Израел). Но само ако имате допълнителни 75-120 хиляди евро. В Русия в момента се произвеждат само медицински екзоскелети. Те са проектирани и произведени от компанията Exoatlet.

Учените от General Electric и военните корпорации на Съединените щати направиха първия екзоскелет със собствените си ръце през шейсетте години на миналия век. Наричаше се Хардиман и можеше свободно да вдига във въздуха максимален товар от 110 кг. Човекът, който е сложил това устройство, е изпитал натоварване в процеса, сякаш вдига 4,5 кг! Само самият Хардиман тежи всичките 680 кг. Ето защо той не беше много търсен.

Всички екзоскелети са разделени на три вида:

напълно роботизирана;

за крака.

Съвременните роботизирани костюми тежат от 5 до 30 или повече кг. Те могат да бъдат както активни, така и пасивни (работят само по команда на оператора). Според предназначението си екзоскелетите се делят на военни, медицински, индустриални и космически. Нека да разгледаме най-забележителните от тях.

Най-впечатляващите екзоскелети на нашето време

Разбира се, в близко бъдеще няма да е възможно да сглобите такива екзоскелети със собствените си ръце у дома, но си струва да ги опознаете:

DM (Машина на мечтите). Това е напълно автоматичен хидравличен екзоскелет, който се управлява от гласа на своя оператор. Устройството тежи 21 кг и може да поддържа човек с тегло до стотина. Досега се използва за рехабилитация на пациенти, които не могат да ходят поради заболявания на централната нервна система или други нервно-мускулни заболявания. приблизителна цена- 7 милиона рубли.
Exo GT. Мисията на този екзоскелет е същата като на предишния – помага на хора с патологии двигателни функциикрака Характеристиките са подобни на предишния, цената е 7,5 милиона рубли.
ReWalk. Призван отново да даде движение на хората с парализа долните крайници. Устройството тежи 25 кг и може да работи без презареждане 3 часа. Екзоскелетът се предлага в Европа и САЩ за сума, равна на 3,5 милиона рубли.
REX. Днес това устройство може да се купи в Русия за 9 милиона рубли. Екзоскелетът дава на хората с парализа на краката не само самостоятелно ходене, но и способността да се изправят/сядат, да се обръщат, да вървят по луна, да слизат по стълби и т.н. REX се управлява с джойстик и може да работи без презареждане цял ден.
HAL (хибриден помощен крайник). Има два варианта - за ръце и за ръце/крака/торс. Това изобретение позволява на оператора да вдигне тежест 5 пъти по-голяма от ограничението за човек. Използва се и за рехабилитация на парализирани хора. Този екзоскелет тежи само 12 кг, а зареждането му продължава 1,0-1,5 часа.

Как да направите свой собствен екзоскелет: Джеймс Хексмит Хобсън

Първият и засега единствен човек, успял да конструира екзоскелет извън лабораторията, е канадският инженер Джеймс Хобсън. Изобретателят е сглобил устройство, което му позволява свободно да вдига във въздуха 78-килограмови шлакови блокове. Неговият екзоскелет работи с пневматични цилиндри, които се захранват с енергия от компресор, а устройството се управлява с помощта на дистанционно управление.

Канадецът не пази изобретението си в тайна. Можете да научите как да сглобите екзоскелет със собствените си ръце, следвайки неговия пример на уебсайта на инженера и на неговия канал в YouTube. Имайте предвид обаче, че тежестта, повдигната от такъв екзоскелет, лежи единствено върху гръбначния стълб на оператора.

Направи си сам екзоскелет: груба диаграма

Няма подробни инструкции за лесно сглобяване на екзоскелета у дома. Ясно е обаче, че ще изисква:

рамка, характеризираща се със здравина и мобилност;
хидравлични бутала;
камери под налягане;
вакуумни помпи;
захранване;
издръжливи тръби, които могат да издържат на високо налягане;
компютър за управление;
сензори;
софтуер, който ви позволява да изпращате и конвертирате информация от сензори за необходима работаклапани

Как грубо ще работи тази композиция:

Едната помпа трябва да увеличи налягането в системата, другата трябва да го намали.
Работата на клапаните зависи от налягането в барокамерите, чието увеличаване/намаляване ще управлява системата.
Разположение на сензорите (срещу движението на крайниците): шест - ръце, четири - гръб, три - крака, два крака (общо повече от 30).
Компютърният софтуер трябва да елиминира натиска върху сензорите.
Сензорните сигнали трябва да бъдат разделени на условни (информацията от тях е полезна, ако безусловният сензор не „говори“ за налягането, което изпитва) и безусловни. Условността/безусловността на тези елементи може да се определи например чрез акселерометър.
Ръцете на екзоскелета са с три пръста, отделени от китката на оператора, за да се предотврати нараняване и да се осигури допълнителна здравина.
Източникът на захранване се избира след сглобяване и пробно тестване на екзоскелета.

Роботизираните костюми, засега само в областта на рехабилитацията, вече започват да навлизат в живота ни. Появяват се изобретатели, които могат да изградят такова устройство извън лабораторията. Напълно възможно е в близко бъдеще всеки ученик да може да сглоби екзоскелет Stalker със собствените си ръце. Вече е възможно да се предвиди, че такива системи са бъдещето.

Науката довежда развитието на технологиите до фундаментално ниво ново ниво. Днес има все повече и повече интересни проекти, които ви позволяват да контролирате оборудването, използвайки силата на мисълта. Засега повечето от тези разработки са от медицинско естество, но всяка от тях има огромен търговски потенциал. Един такъв беше показан от група швейцарски учени съвсем наскоро.

Кой не би искал да мести предмети, използвайки само силата на мисълта си? Учените от École Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) направиха още една стъпка към развитието на подобни технологии. Те разработиха лек екзоскелет за човешката ръка, който в бъдеще може да окаже значителна помощ на хората с увреждания. Уникалността на разработката се състои в това, че екзоскелетът се управлява с помощта на мозъчни импулси.

Швейцарската разработка се състои от няколко важни компонента: мек ЕЕГ шлем с електроди, контролен блок с монитори и пет свързани метални сухожилни кабела, които се простират по протежение на цялата човешка ръка и са прикрепени към навънръце, оставяйки дланта свободна. Шлемът е необходим за записване на мозъчни импулси. Блокът за управление е фиксиран на гърдите на пациента.

Отнема само няколко минути, за да прикрепите цялата тази система към човек. Правя без външна помощТова все още е трудно, но устройството вече е качествено различно от аналозите. Освен това, ново развитиеТой успя да се открои от тълпата подобни устройства и защото е много лек. Екзоскелетът поддържа няколко форми на контрол; той може да се управлява с помощта на движения на очите, гласови команди и дори смартфон.

На този моментновият продукт вече е тестван върху пациенти, които преди това са получили сериозни наранявания гръбначен мозъкили сте имали инсулт. Създателите се надяват, че тяхната разработка ще може да помогне на хората в процеса на рехабилитация, предимно при извършване на обичайната домакинска работа.

Продължение на темата днес.

Ако сте един от онези, които са гледали всички части на Iron Man с голямо удоволствие, вероятно сте останали възхитени от железен костюм, който Тони Старк носеше преди битката със злодеите. Съгласете се, би било хубаво да имате такъв костюм. Освен способността да ви отведе навсякъде с мигване на окото, дори и за хляб, той би защитил тялото ви от всякакви повреди и би дал свръхчовешка сила.

Вероятно няма да ви изненада, че много скоро по-лека версия на костюма на Iron Man ще позволи на войниците да тичат по-бързо, да носят по-тежки оръжия и да се движат по неравен терен. В същото време костюмът ще ги предпази от куршуми и бомби. Военни инженери и частни компании работят върху екзоскелети от 60-те години на миналия век, но едва последните постижения в електрониката и науката за материалите ни доближиха до реализацията на тази идея повече от всякога.

През 2010 г. американският отбранителен изпълнител Raytheon демонстрира експериментален екзоскелет, наречен XOS 2 - по същество роботизиран костюм, управляван от човешкия мозък - който може да вдигне два до три пъти теглото на човек без никакви усилия или помощ. Друга компания, Trek Aerospace, разработва екзоскелет с вграден джетпак, който може да лети със скорост от 112 км/ч и да кръжи неподвижно над земята. Тези и редица други обещаващи компании, включително чудовища като Lockheed Martin, всяка година доближават костюма на Железния човек до реалността.

Прочетете интервюто със създателя на руския екзоскелет Стаханов.

ЕкзоскелетXOS 2 отRaytheon

Имайте предвид, че не само военните ще се възползват от разработването на добър екзоскелет. Един ден хората с увреждания на гръбначния мозък или дегенеративни заболявания, които ограничават подвижността, ще могат да се движат с лекота благодарение на костюмите с външна рамка. Първите версии на екзоскелети, като ReWalk от Argo Medical Technologies, вече навлязоха на пазара и получиха широко одобрение. В момента обаче областта на екзоскелетите е все още в начален стадий.

Каква революция обещават бъдещите екзоскелети да донесат на бойното поле? Какви технически препятствия трябва да преодолеят инженерите и дизайнерите, за да направят екзоскелетите наистина практични? ежедневна употреба? Нека да го разберем.

История на развитието на екзоскелетите

Воините са слагали броня върху телата си от незапомнени времена, но първата идея за тяло с механични мускули се появява в научната фантастика през 1868 г., в един от романите на Едуард Силвестър Елис. Книгата "Парен човек от прериите" описва гигант парен двигателчовешка форма, която движеше своя изобретател, брилянтния Джони Брейнерд, със скорост от 96,5 км/ч, когато ловуваше бикове и индианци.

Но това е фантастично. Първият истински патент за екзоскелет е получен от руския машинен инженер Николай Ягн през 1890 г. в Америка. Дизайнерът, известен със своите разработки, е живял в чужбина повече от 20 години и е патентовал дузина идеи, описващи екзоскелет, който позволява на войниците да тичат, ходят и скачат с лекота. Въпреки това, всъщност Yagn е известен само със създаването на „приятеля на Стокър“ - автоматично устройство, което доставя вода на парни котли.

Екзоскелет, патентован от N. Yagn

До 1961 г., две години след като Marvel Comics излезе с Железния човек и Робърт Хайнлайн написа Starship Troopers, Пентагонът реши да направи свои собствени екзо костюми. Той се зае да създаде "серво-войник", който беше описан като "човешка капсула, оборудвана с кормилно управление и усилватели", която позволява бързо и лесно преместване на тежки предмети, както и защита на потребителя от куршуми, отровен газ, топлина и радиация. До средата на 60-те години на миналия век инженерът от университета Корнел Нийл Мейзен е разработил 15,8-килограмов носим екзоскелет в рамка, наречен „костюм на супермен“ или „човешки усилвател“. Позволява на потребителя да вдигне 453 килограма с всяка ръка. В същото време General Electric разработи подобно 5,5-метрово устройство, т. нар. „педипулатор“, което се управлява от оператор отвътре.

Въпреки тези много интересни стъпки, те не се увенчаха с успех. Костюмите се оказаха непрактични, но изследванията продължиха. През 80-те години на миналия век учени от лабораторията в Лос Аламос създадоха дизайн за така наречения костюм на Pitman, екзоскелет за използване от американските войски. Концепцията обаче остана само дъска за рисуване. Оттогава светът е видял още няколко разработки, но липсата на материали и енергийните ограничения не ни позволиха да видим истинския костюм на Железния човек.

Години наред производителите на екзоскелети са били спъвани от ограниченията на технологиите. Компютрите бяха твърде бавни, за да обработват командите, които захранваха костюмите. Нямаше достатъчно захранване, за да направи екзоскелета достатъчно преносим, а електромеханичните задвижващи мускули, които движеха крайниците, бяха просто твърде слаби и обемисти, за да функционират по „човешки“ начин. Все пак едно начало беше поставено. Идеята за екзоскелет се оказа твърде обещаваща за военните и медицинските области, за да се разделят с нея.

Човек-машина

В началото на 2000-те стремежът да се създаде истински костюм на Железния човек започна да стига някъде.

Агенция за напреднали изследователски проекти на отбраната DARPA, инкубатор на екзотични и напреднали технологииПентагонът стартира програма на стойност 75 милиона долара за създаване на екзоскелет, който да увеличи човешкото тяло и неговите характеристики. Списъкът с изисквания на DARPA беше доста амбициозен: агенцията искаше превозно средство, което да позволи на войник да носи неуморно стотици килограми товар дни наред, да поддържа големи оръдия, които обикновено изискват двама оператори, и да може да носи ранен войник от бойно поле, ако е необходимо. В този случай колата трябва да е неуязвима за огън и също така да скача високо. Мнозина веднага сметнаха плана на DARPA за неосъществим.

Но не всички.

Sarcos - воден от създателя на робота Стив Джейкъбсен, който преди това създаде 80-тонен механичен динозавър - излезе с иновационна система, в който сензорите използват тези сигнали, за да контролират набор от клапани, които от своя страна регулират хидравликата под високо налягане в ставите. Механичните стави задвижват цилиндри, свързани с кабели, които имитират сухожилията, свързващи човешките мускули. В резултат на това се роди експерименталният екзоскелет XOS, който направи човек да изглежда като гигантско насекомо. Sarcos в крайна сметка беше придобит от Raytheon, който продължи развитието си, за да представи второто поколение на костюма пет години по-късно.

Екзоскелетът на XOS 2 развълнува обществеността толкова много, че списание Time го включи в списъка си Топ 5 за 2010 г.

Междувременно други компании, като Berkeley Bionics, работят за намаляване на количеството енергия, необходимо за изкуствените протези, така че екзоскелетът да може да функционира достатъчно дълго, за да бъде практичен. Един проект от 2000 г., Human Load Carrier (HULC), може да работи до 20 часа с едно зареждане. Напредъкът напредваше малко по малко.

Екзоскелет HAL

До края на десетилетието Японска компания Cyberdyne разработи роботизиран костюм, наречен HAL, който е още по-невероятен в своя дизайн. Вместо да разчита на мускулните контракции на човешки оператор, HAL работи със сензори, които четат електрически сигналимозъка на оператора. На теория екзоскелетът, базиран на HAL-5, може да позволи на потребителя да прави всичко, което иска, само като мисли за това, без да движи нито един мускул. Но засега тези екзоскелети са проект на бъдещето. И те имат своите проблеми. Например, само няколко екзоскелета са одобрени за обществена употреба до момента. Останалите все още се тестват.

Проблеми с развитието

До 2010 г. проектът на DARPA за създаване на екзоскелети доведе до определени резултати. Понастоящем усъвършенствани екзоскелетни системи с тегло до 20 килограма могат да вдигнат до 100 килограма полезен товарпрактически без усилие на оператора. В същото време най-новите екзоскелети са по-тихи от офис принтер, могат да се движат със скорост от 16 км/ч, да изпълняват клекове и да скачат.

Неотдавна един от изпълнителите на отбраната, Lockheed Martin, представи своя екзоскелет, предназначен за вдигане на тежки предмети. Така нареченият „пасивен екзоскелет“, предназначен за работници в корабостроителницата, просто прехвърля натоварването върху краката на екзоскелета на земята.

Разликата между съвременните екзоскелети и тези, разработени през 60-те години е, че те са оборудвани със сензори и GPS приемници. По този начин допълнително се повишават залозите за военна употреба. Войниците биха могли да получат множество ползи, използвайки такива екзоскелети, от прецизно геопозициониране до допълнителни суперсили. DARPA също разработва автоматизирани тъкани, които могат да се използват в екзоскелети за наблюдение на здравето на сърцето и дихателните пътища.

Ако американската индустрия продължи да се движи по този път, тя много скоро ще има превозни средства, които не само могат да се движат „по-бързо, по-високо, по-силно“, но и да носят допълнителни няколкостотин полезни товари. Въпреки това, ще минат поне още няколко години преди истинската " Железният човек„ще влезе на бойното поле.

Както често се случва, разработките на военните агенции (помислете, например, Интернет) могат да бъдат от голяма полза в мирно време, тъй като технологията в крайна сметка ще излезе и ще помогне на хората. Страдащи от пълна или частична парализа, хората с увреждания на гръбначния мозък и мускулна атрофия ще могат да водят по-пълноценен живот. Berkeley Bionics, например, тества eLegs, захранван с батерии екзоскелет, който ще позволи на човек да ходи, да седи или просто да стои за дълги периоди от време.

Едно нещо е сигурно: процесът на бързо развитие на екзоскелетите започна в началото на този век (да го наречем втората вълна) и как ще завърши всичко ще стане известно много, много скоро. Технологиите никога не стоят неподвижни и ако инженерите се заемат с нещо, те го довеждат до логичния му край.

Екзоскелетът е външна рамка, която позволява на човек да извършва наистина фантастични действия: да вдига тежести, да лети, да бяга с голяма скорост, да прави гигантски скокове и т. И ако мислите, че само главните герои на „Железният човек“ или „Аватар“ имат такива устройства, тогава дълбоко грешите. Те са достъпни за човечеството от 60-те години. последния век; Освен това можете да научите как да сглобите екзоскелет със собствените си ръце! Въпреки това, всичко е на първо място.