Экзоскелет

На каждой ноге испытуемого расположено по шлейфовому жгуту. Он включает пять инерциальных блоков для динамических измерений: IMU, MTi-3, а также два тензорных датчика LBS200. Эти приборы собирают данные в реальном времени. Блоки инициируют каскад принципиально важных замеров, таких как определение ориентации экзоскелета в плоскости движения, а также угловой скорости каждого сегмента.

Какими способностями наделяют людей «умные» 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. «Хардимэн» весил 680 кг, имел восемь шарниров и два захвата, соединенных гидравлической и электронной сетями. Технологи рассчитали, что экзокостюм поможет человеку поднимать груз весом около 110 кг, но в реальных тестах новаторская разработка себя не оправдала. Когда систему приводили в действие, она выполняла хаотичные движения.

Прототип экзоскелета профессора Али Сейрега из Университета машиностроения Мэдисона, 1970-е годы
(Видео: YouTube)

В последующие годы в разных странах было создано множество более успешных разработок. Их применяют для решения различных задач.

История создания экзоскелетов

Разработка экзоскелетов началась в нескольких странах в середине прошлого века. Изначально исследователи ориентировались на создание активных экзоскелетов, оснащенных моторами и аккумуляторами. Одним из первых роботизированных экзоскелетов стала разработка компании General Electric (США) — Hardiman.

Созданный в середине 1960-х годов экзоскелет охватывал всё тело. Он был предназначен для увеличения силы пользователя: позволял человеку поднимать и переносить тяжелые предметы.

Экзоскелеты для помощи при ходьбе были разработаны в конце 1960-х годов в Институте Михайло Пупина в Сербии и в начале 1970-х годов в Университете Висконсин-Мэдисон в США. С тех пор, до появления первых коммерческих моделей экзоскелетов, прошло несколько десятилетий. Только в начале XXI века был налажен серийный выпуск таких устройств. Одним из ранних примеров стал экзоскелет для восстановления двигательной функции Lokomat, выпущенный в 2001 году.

Он используется в больницах и реабилитационных центрах по всему миру. В 2013 году компания-разработчик Lokomat (Hocoma AG) объявила о поставке пятисотого устройства.

За последние годы в разных странах появились серийные версии экзоскелетов для инвалидов, для военных и для рабочих.

Контроль эффективности

Как определить реальную эффективность костюма? Ответ простой: замерить метаболические затраты человека с этим устройством и без него. Для этого испытуемым предложили идти по беговой дорожке со скоростью 1,5 м/с, неся на плечах рюкзак весом 6,8 килограмм.

Результаты оказались интересными. Начнём с того, что в подобных исследованиях существует множество «подводных камней». Главным, но отнюдь не единственным выступает индивидуальная анатомия. Все люди разные, хоть и относятся к одному биологическому виду. Кто-то экономно расходует энергию, а кто-то прожигает питательные вещества, как мартеновская печь. Следовательно, константа, выведенная для конкретного добровольца, может оказаться мало применимой к другому!

Метод онлайновой настройки параметров позволяет нивелировать этот негативный эффект и динамически адаптировать экзокостюм под потребности конкретного носителя. Для начала исследователи строили положительную карту возможностей. Она описывает спектр воздействий, позволяющих повышать усилие голеностопного сустава и не наносить ему травматических повреждений.

О журнале

Журнал «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики» издается федеральным государственным автономным образовательным учреждением высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО» (Университет ИТМО).

Журнал является одним из старейших научных периодических изданий страны, выходящих на базе технического вуза. Первый его выпуск (т.1) датируется 1936 годом. Журнал выходил в течение многих лет под названием «Труды Ленинградского института точной механики и оптики» (отв. редактор Л.Н. Гассовский, Л.-М., Главная редакция литературы по машиностроению и металлообработке. НКТП СССР. Главное управление учебными заведениями). Выпуск издания возобновлен в 2001 году как периодическое научное и научно-образовательное издание.

В связи с изменением статуса Университета журнал несколько раз менял свое название: «Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета)» – до 11 выпуска 2003 года; «Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики» – с 12 выпуска 2004 года по 76 выпуск 2011 года.

Приказом Министерства образования и науки Российской Федерации № 368 от 8 октября 2009 года утвержден перечень университетов, в отношении которых установлена категория «национальный исследовательский университет». В числе победителей конкурса стал и наш университет, а журнал был зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (свидетельство ПИ ФС77-67990 от 6 декабря 2016 года) под нынешним названием «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики».

Языки: русский, английский

«Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics».

Сокращенное англоязычное название:

«Sci.Tech. J. Inf. Technol. Mech. Opt.».

«Nauchno-Tehnicheskii Vestnik Informatsionnykh Tekhnologii, Mekhaniki i Optiki».

В соответствии с п. 5 «Правил формирования перечня рецензируемых научных изданий,в которых должны быть опубликованы основные научныерезультаты диссертаций на соискание ученой степеникандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» (в редакции Приказа Минобрнауки России от 12.02.2018 N 99) журнал «Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики» считается включенным в Перечень ВАК как представленный в международной реферативной базе данных Scopus. по отраслям науки, соответствующим его профилю. (научные направления журнала)

Своим письмом от 6.12.2022 г. Высшая аттестационная комиссия ввела категорирование журналов (К1,К2,К3). В соответствиис этим письмом и на основании рекомендаций ВАК журнал приравнивается к категории К1 как включенный в международную базу Scops и в перечень журналов RSCI.

Редакция журнала принимает к печати и публикует статьи в соответствии с заявленной редакционной политикой.

Журнал включен в крупнейшую библиографическую и реферативную базу данных Scopus.

Все материалы журнала размещены на платформе Научной электронной библиотеки http://elibrary.ru/, а журнал входит в ядро Российского индекса научного цитирования РИНЦ.

Журнал включен в базу журналов открытого доступа Directory of Open Access Journals (DOAJ).

Журнал включен в каталог периодических изданий Ulrich’s Periodicals Directory.

Журнал распространяется по подписке. Подписные индексы 47197 (полугодовая подписка) и 70522 (годовая подписка) по объединенному каталогу «Пресса России»

Периодичность издания 6 выпусков в год.

Адрес редакции: оф. 2136, Университет ИТМО, ул. Ломоносова, д. 9, Санкт-Петербург, Российская Федерация

Адрес для переписки: Университет ИТМО, Кронверкский пр., д.49, литера А, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 197101

Телефон: +7 (812) 480-02-75,

E-mail: [email protected]

Плата за публикации и редактирование не взимается.

Информация 2001-2024 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Запрашиваемая страница не найдена

Эл № ФС77-72263 выдано РКН 01.02.2018. Учредитель: В.В. Горшенин. Главный редактор: И.С. Новикова.

Контакты: +7 (499) 641-41-69, 105066, а/я №26 (для официальных обращений), [email protected] Москва, ул. Старая Басманная, д.16/1Б, «Правда.Ру»

Copyright © 1999 -2024, технология и дизайн принадлежат ООО «Техномедиа» .

Материалы сайта предназначены для лиц старше 18 лет (18+).

*Meta Platforms признана экстремистской организацией и запрещена, как и принадлежащие ей Facebook и Instagram.

▍ Варианты экзоскелетов

Показанные в начальной картинке к статье экзоскелеты использовались для целей кино и не являются реальными образцами. Однако, попробуем порассуждать, если бы мы попытались построить экзоскелет, в каком направлении нам следовало бы двигаться? И особо остановимся на приводе экзоскелета, так как именно от него зависит эффективность и вообще жизнеспособность идеи в принципе.

Если проанализировать все доступные в сети варианты экзоскелетов как создаваемых крупными корпорациями, так и отдельными энтузиастами, среди них можно выделить две наиболее крупные группы:

• приводимые в действие электродвигателем;
• приводимые в действие пневматическим приводом.

Первый вариант сулит, конечно, много преимуществ: он является достаточно компактным, может весьма точно управляться электроникой, развивает максимальный момент за минимальное время.

Однако, к сожалению, ахиллесовой пятой всех электрических устройств является электропитание — до тех пор, как пока не придумали компактный и мощный источник энергии, который является своего рода «Чашей Грааля» в современной науке, подобные экзоскелеты будут достаточно дорогими и с весьма ограниченным сроком действия.

Что же касается достаточно распространённых самодельных пневматических систем, то они являются достаточно мощными, простыми в создании и управлении (по крайней мере, для них легко можно приобрести как компрессорные системы, так и соответствующие трубопроводы, пневматические цилиндры, а также пневмораспределители, — специальные устройства, которые управляют пневматическими клапанами, с помощью электроники).

Однако, на мой взгляд, использование пневматических систем здесь не слишком оправдано, — так как они обладают всё-таки достаточно ограниченной мощностью и для развития существенных усилий требуются достаточно громоздкие пневматические цилиндры.

Кроме того, нагнетание рабочего воздуха в цилиндр, с нужным для развития соответствующего усилия давлением занимает существенное время и при работе в активном режиме потребление воздуха существенно возрастает, — с чем может не справиться компактный компрессор.

Видимо, именно в этом и заключается причина того, что до сих пор в сети не было замечено ни одного экзоскелета с носимым компактным пневматическим компрессором.

Какие же тогда есть ещё другие варианты? Электрический привод мы отбросили как достаточно дорогой и ограниченный по времени действия…

Однако есть ещё один весьма замечательный вариант, который позволяет построить достаточно компактную и весьма мощную систему привода экзоскелета, с очень длительным периодом автономного действия — использование гидравлического привода!

Все работы, производимые с гидравлическими жидкостями высокого давления, могут быть очень опасными! Автор не отвечает за вашу безопасность в процессе реализации изложенных ниже концепций. Берегите себя и будьте аккуратны!

Для начала оговоримся, что именно гидравлический привод используется в качестве силовой системы для известного робота-мула bigdog, у которого он использован для привода ног, точное устройство привода по понятным причинам является достаточно закрытым вопросом.

Кроме того, в истории известны и достаточно интересные типы техники с применением гидравлического привода: например, мотоцикл с гидроприводом на колёса:

Или, например, использование гидравлики в тормозной системе легковых автомобилей, где может развиваться давление, в момент нажатия на педаль, — до 200 бар! Таким образом, мы видим, что использование гидравлики достаточно распространено.

Для многих словосочетание «гидравлическая система» может уже звучать достаточно пугающе. Однако, «не всё так страшно, как оно есть на самом деле». Изучим несколько подробнее, из чего состоит типовая гидравлическая система.

Сердцем любого гидропривода является гидронасос. Гидронасос может быть выполнен в виде (ниже – неполная, сокращённая классификация):

• Шестерённой гидромашины. Так же как и другие виды объёмных роторных гидромашин эта машина принципиально может работать как в режиме насоса, так и в режиме гидромотора. В том случае, если к валу гидромашины прикладывается вращательный момент, то машина работает в режиме насоса. Если на вход гидромашины подаётся под давлением рабочая жидкость, то с вала снимается вращающий момент, и машина работает в режиме гидромотора.

Автор: Д.Ильин, Источник

• Коловратной гидромашины — объёмная гидромашина роторного типа с вращающимися рабочими звеньями, находящимися в контакте друг с другом, но не передающими крутящий момент. Вытеснение в коловратных гидромашинах производится за счёт синхронизированного вращения двух кулачковых роторов в специально профилированном корпусе.

Автор: McDavid, Источник

• Аксиально-плунжерной гидромашины — являются одним из наиболее распространённых типов гидромашин. Применяются как в качестве насосов, так и в качестве гидромоторов. Их устанавливают, например, в гидросистемах многих одноковшовых экскаваторов, также привод некоторых бульдозеров, в которых управление построено по принципу джойстика, также осуществляется аксиально-плунжерными насосами и гидромоторами. Широкое распространение данный вид гидромашин получил в гидроприводе станков, асфальтовых катков, строительной техники и самолётов. Также используются в некоторых мойках высокого давления.

Автор: StromBer, Источник

Таким образом, самый распространённый тип гидронасоса представляет собой блок поршней, наклонённых под углом к оси привода двигателя. От угла наклона зависит, насколько большой путь поршни будут проходить внутри своих цилиндров, и, соответственно, производительность гидронасоса в целом. Подобное устройство используется повсеместно в гидравлических системах: экскаваторах, погрузчиках и т.д. и т.п.

Кроме того, для создания своей гидравлической системы экзоскелета потребуются и гидроклапаны с электронным управлением.

Обычно они называются «распределитель гидравлический с электронным пропорциональным управлением».

Для лучшего понимания, как вообще строятся гидравлические системы, рекомендую посмотреть видео ниже — там разобрано несколько схем их создания. Сразу скажу, что там используются механические способы управления клапаном, в нашем же случае следует использовать электронное управление, и, соответственно, клапаны с электронным управлением. Кроме того, во втором видео, показана такая интересная штука, как «секционные гидрораспределители», которые позволяют управлять сразу несколькими гидроприводами:

Для привода в действие гидравлического насоса необходим источник вращения, в качестве которого может выступить с успехом компактный бензодвигатель. В качестве которого можно использовать любой четырёхтактный двигатель, например, наподобие тех, что носят на спине в ранце работники, воздуходувкой раздувающие сухие листья:

В сухом остатке у нас получается следующая система:

• компактный рюкзачный аппарат;
• все приводы экзоскелета функционируют на основе гидравлического принципа;
• гидравлические цилиндры приводов намного меньшего сечения (чем могли бы быть пневматические), так как жидкость является несжимаемой в отличие от воздуха, и мгновенно передаёт усилие во все точки связанные с ней. Поэтому мы можем сделать цилиндры весьма компактными. Условно говоря, если в случае пневматического привода — цилиндры были бы диаметром в 10 см, то в случае гидравлического привода цилиндра могут быть вполне диаметром в мизинец! Да, понятно, что это несколько утрированное изложение и от диаметра цилиндра (т.е. на какую площадь поршня давит жидкость) напрямую зависит развиваемое цилиндром усилие на штоке, однако суть, я, думаю, ясна. При прочих равных – гидроцилиндры выигрывают в компактности. А конкретный диаметр цилиндра надо вычислять, в зависимости от требуемого от него усилия.
• электроклапаны системы приводятся в действие от аккумуляторов либо от комбинированной системы, где аккумулятор постоянно подзаряжается от электрогенератора, соединённого с валом бензинового двигателя. Но даже если мы будем использовать аккумуляторный принцип, без подпитки со стороны генератора, всё равно это будет гораздо более эффективно, и позволят системе работать намного дольше, чем при непосредственном электрическом приводе механических частей конструкции экзоскелета. В качестве генераторной системы удобно использовать небольшой компактный бензодвигатель, совмещённой с генератором. Например, из тех, что продаются в изобилии в хозяйственных магазинах и имеют выходную электрическую мощность порядка 650 ватт — 1 квт. Потребуется только дополнительно насадить на его выходной вал гидронасос, который будет накачивать гидросистему.

Вы хотели party экзоскелет — нет вопросов нате…

В завершение следует отметить некоторые существенные моменты этого проекта гипотетического экзоскелета:

все существующие на рынке элементы гидравлических систем является достаточно габаритными и дорогими, так как предназначены для использования в рамках достаточно масштабных и силовых промышленных применений: экскаваторов, автогрейдеров, гидравлических приводов промышленных машин и т.д. и т.п. В нашем же случае такая мощь является, в достаточной степени, избыточной и, скорее всего, потребуется изготовить гидронасос и остальные элементы системы в более компактном варианте, самостоятельно.

Например, в статье «Что такое микрогидравлика и где она используется?», опубликованной в журнале fluidpowerworld.com, говорится о том, что существуют на рынке и готовые микрогидравлические решения:

«Микрогидравлика позволяет получить значительное усилие от источника минимальной мощности в очень ограниченном пространстве. Во многих случаях эти системы идеально подходят для широкого спектра применений, таких как медицинское ортопедическое и протезное оборудование, подъёмники для людей, экзоскелеты , ручные инструменты, роботы-спасатели, самолёты и ракеты, гоночные автомобили и океанографические приборы.

Например, Bieri Hydraulik, подразделение Hydac International, базирующееся в Либефельде, Швейцария, производит шесть стандартных версий микроаксиально-поршневых насосов типа AKP с тремя или пятью поршнями. Например, 5-поршневой насос размера AKP36 имеет диаметр всего 1,4 дюйма (36 мм) и длину 3,9 дюйма (99 мм). Он имеет рабочий объём 0,36 куб.см /об при максимальном давлении 250 бар и максимальной скорости 4000 об/мин.

Размер AKP103 имеет диаметр 1,9 дюйма (50 мм) и длину 3,8 дюйма (98 мм). Он имеет 3 поршня, рабочий объём 0,1 куб.см /об, максимальное номинальное давление 500 бар и скорость вращения до 5000 об/мин. Версия с 5 поршнями обеспечивает рабочий объём 0,3 куб.см /об.

Сообщается, что малошумные агрегаты обеспечивают высокую объёмную эффективность даже при минимальной скорости 100 об/мин.

Компания Hydro Leduc, Азерайль, Франция, предлагает полный ассортимент микронасосов с фиксированным и регулируемым рабочим объёмом; микромоторы (скорости от 350 до 6500 об/мин); обратные, предохранительные, электромагнитные и пилотные клапаны; и полные блоки питания для работы в самых разных условиях.

Например, их микронасос постоянного рабочего объёма PB32 имеет диаметр корпуса всего 1,28 дюйма (32 мм) с рабочим объёмом всего 0,0007 куб.дюйма, максимальной скоростью 5000 об/мин в непрерывном режиме и 6000 в пиковом режиме, а также максимальным давлением в 4350 фунтов на квадратный дюйм в непрерывном режиме. и пиковое давление 5075 фунтов на квадратный дюйм. Немного более крупная версия PB33 HP имеет рабочий объём 0,0027 куб.дюйма и максимальное номинальное постоянное давление 13 050 фунтов на квадратный дюйм и максимальное пиковое давление 14 500 фунтов на квадратный дюйм (1000 бар).»

Электронная начинка экзоскелета может быть построена на основе микроконтроллеров для любительских проектов, например, arduino или esp32 (я лично взял бы второе, чтобы иметь возможность беспроводного подключения, обновления прошивки, «слива» телеметрии и мониторинга систем и т.д. и т.п.).

И напоследок: на мой взгляд, именно использование гидравлических систем позволяет построить достаточно мощный и компактный экзоскелет, примерно аналогичный, показанным в фильмах «Грань будущего» и «Элизиум — рай не на Земле».

Есть достаточно большое число людей, увлекающихся самодельной гидравликой. И у них даже вполне неплохо получается (однако на видео ниже, — не многоплунжерный насос — поэтому скорость работы гидравлики оставляет желать лучшего. С многоплунжерным аксиальным насосом — всё будет многократно быстрее):

И в качестве бредовой идеи (но кто знает?!): а ведь в качестве источника жидкости высокого давления, подаваемой с большой скоростью — можно использовать и обычные водяные автомойки! Подобрать вариант с бенз. двигателем -и вуаля… Готовая рюкзачная система высокого давления для экзоскелета (со встроенным весьма высокопроизводительным аксиально-плунжерным насосом!). Или, например, взять отдельно небольшую автомойку и отдельно — компактный бензогенератор. Потом скомпоновать всё это в виде «рюкзака». Вес системы не сильно важен (всё равно она «висит» на каркасе экзоскелета, а не удерживается человеком).

Стартап по производству дешёвых и мощных экзоскелетов из подручных материалов? Why not.

Использованные источники, в том числе:

1. Wikipedia.org
2. Слюсар, В.И. Тактический экзоскелет как антенная система
3. Доклиническое испытание экзоскелета нижней челюсти (реферат) — Оперативная хирургия и клиническая анатомия — 2018-01 — Издательство «Медиа Сфера» 13
4. Hardiman

• экзоскелеты
• роботы
• носимая роботехника
• ruvds_статьи

Источники:

https://trends.rbc.ru/trends/industry/617192ae9a7947e18cfcd8aa&rut=e41a61c7d4237eac59f4bfd964ecc35773056801302c785f3bbecacd5c563db2
https://top3dshop.ru/blog/exoskeleton-explained-review.html&rut=94db7c9e16b9378f50782884cd12570dd2726a01a69101337e38a42c3fb5cd2e
https://habr.com/ru/companies/first/articles/795123/&rut=51021c1e0bcbb5d90f2657d68511b9c34cf0c72c944930915f475602d3c47167
https://ntv.ifmo.ru/ru/article/17395/ekzoskelety_nizhnih_konechnostey:_kratkiy_obzor.htm&rut=1bceb66f6c81f8afaac28f1230178cfd65b36e7652937b908be08976000c8947
https://military.pravda.ru/2105653-ekzoskelet-muravei-novye-gorizonty/&rut=76eef1dd636e15c975dc769a628dcfe45860f4054148d535fa1fe8bb6faa86af
https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/661367/&rut=02aa1ed12bfe82bdc583eac1fd7951eeb725c0a8eebc2af8a2917cc93e3e11d1