Конспект на тему: Экзоскилеты

Введение

•Экзоскелеет (от греч. έξω – внешний и σκελετος – скелет) – устройство, предназначенное для увеличения возможностей человека за счет внешнего каркаса, который и называется экзоскелет, или (еще одно название) костюм (suit).

•Подобное устройство, кроме увеличения возможностей здорового человека, может помочь больным с нарушениями опорно-двигательного аппарата.

•Одним из первых, кто начал заниматься разработкой экзоскелета, был, повидимому, югославский ученый, профессор Миомир Вукобратович, который построил в Белградском институте имени Михайло Пупина экзоскелет на пневматических приводах. Экзоскелет предназначался для помощи парализованным больным

•В России – тогда еще в Советском Союзе – во второй половине XX века также велись исследования, посвященные разработке экзоскелетов. В сборнике «Биомеханика», изданном в 1975 году в Трудах Рижского научно- исследовательского института травматологии и ортопедии, опубликованы три работы, касающиеся как теоретических, так и прикладных вопросов создания экзоскелетонов. Авторы первой из этих работ – В.А. Ефимов, М.В. Кудрявцев, В.Б. Проскуряков, второй – М.В. Кудрявцев, В.А. Ефимов, А.Ф. Титов, А.В. Соколов, третьей – В.Б. Проскуряков, М.В. Кудрявцев, А.Ф. Титов. В работе описывается «частично активизированный опорно-двигательный аппарат экзоскелетона, имеющий 14 степеней свободы».

Пассивный

экзоскелет• На рисунке показана построенная на компьютере пространственная модель пассивного экзоскелета, который представляет собой семизвенный механизм, состоящий из корпуса и двух трехзвенных ног. Такой экзоскелет должен помочь человеку при переноске больших тяжестей, при такелажных работах, военнослужащему – при переноске снарядов, бойцу спецназа – при переноске штурмового щита.

•Пассивный экзоскелет не содержит каких-либо приводов и источников питания, которые требовали бы время от времени «подзарядки». Поэтому время непрерывной работы такого механизма неограниченно. С другой стороны, отсутствие источников энергии и приводов, конечно, снижает возможности аппарата. При этом количество задач, которые могут быть решены с его помощью, также ограничено.

Каждая нога механизма состоит из бедра, голени и стопы. Тем самым, этот экзоскелет в каком-то смысле повторяет скелет человека. Звенья аппарата соединяются одно с другим шарнирами, имеющими то или иное число степеней подвижности. Шарнирное соединение бедра с корпусом таково, что бедро, как и у человека, имеет относительно корпуса три степени свободы. Оно может вращаться вокруг одной из горизонтальных осей «вперед-назад» (в некоторых пределах), вокруг другой горизонтальной оси, осуществляя отведение, приведение, а также – вокруг вертикальной оси. Голень соединяется с бедром цилиндрическим шарниром с единственной – горизонтальной осью вращения. Стопа, так же, как у человека, имеет относительно голени три степени свободы. По каждой степени свободы она может поворачиваться относительно голени в некоторых пределах. Ходьба человека, в том числе облаченного в экзоскелет, представляет собой, как известно, последовательность чередующихся

Пассивный

•Алгоритм управленияэкзоскелетпассивным экзоскелетом состоит в запирании и освобождении коленных суставов поочередно левой и правой ноги. В момент постановки ноги (левой или правой) на опорную поверхность коленный сустав этой ноги запирается (фиксируется). Фиксация коленного сустава означает его блокировку, при которой угол в коленном суставе прекращает свое изменение (на некоторое время). Запирание происходит при помощи специального тормозного механизма, смонтированного в каждом из двух коленных суставов. При запирании коленного сустава экзоскелета его нога, как и связанная с ней нога человека, не может непроизвольно подогнуться в колене, и всю нагрузку в коленном суставе берет на себя запирающее устройство. В момент отрыва ноги от поверхности ее коленный сустав освобождается, т.е. суставу возвращается возможность сгибаться или разгибаться под влиянием мышц человека. Таким образом, в фазе переноса нога экзоскелета, а значит и человека, может свободно изгибаться в коленном суставе.

•Разгибание и сгибание переносимой ноги человека и связанной с ней ноги экзоскелета происходит под воздействием мышечных усилий человека-оператора. Если человек стоит на месте, т.е. обе его ноги находятся на опорной поверхности, то при использовании указанного алгоритма управления оба коленных сустава экзоскелета оказываются запертыми и, благодаря этому, колени человека не могут подогнуться под тяжестью груза. Тем самым механизм полностью освобождает стоящего на месте человека от груза – вся тяжесть груза, «минуя» человека, ложится на механизм, в том числе и вес самого механизма. Благодаря этому, человек, переносящий тяжелый груз, может время от времени останавливаться и отдыхать. В частности, он может остановиться и передохнуть на ступеньке при подъеме с грузом по лестнице. Пассивный экзоскелет может помочь человеку при подъеме с грузом по лестнице только подобным образом, поскольку в отсутствие дополнительных источников энергии и приводов человек может подниматься по лестнице, только используя свои мускульные усилия.

•Решение задачи поддержания равновесия человека в экзоскелете остается за человеком-оператором. В частности по этой причине, человек, переносящий груз при помощи экзоскелета, должен предварительно тренироваться. Естественно, что задача поддержания равновесия значительно усложняется при переноске тяжелых грузов. Дело в том, что человек, переносящий груз, подобен перевернутому маятнику, который тем труднее удержать от падения, чем больше груз.

Активный экзоскелет

• Наряду с пассивным, В НИИ механики МГУ разработан также активный экзоскелет. Оба механизма имеют одинаковую кинематическую схему и состоят из семи шарнирно соединенных звеньев. На рис. 4 показана построенная на компьютере пространственная модель активного экзоскелета. Активный экзоскелет оснащен двумя гидроцилиндрами, которые сгибают и разгибают ноги в коленных суставах, и соответствующей системой управления.

• Человеко-машинная система «человек- экзоскелет», в которой экзоскелет оснащен приводами, подобна, в некотором смысле, системе «человек-мотоцикл», «человеквелосипед», «пилот-самолет» и др.

•Для определения намерений человека активный экзоскелет оснащен системой сенсоров, среди которых важную роль играют датчики усилий, жестко закрепленные на звеньях механизма. Экзоскелет закрепляется на человеке-операторе при помощи ремней, лямок. Однако это крепление не является жестким и позволяет человеку совершать с помощью своих мускулов «небольшие» перемещения (относительные) внутри экзоскелета – «микроперемещения». При таких микроперемещениях человек нажимает на датчики усилий, жестко укрепленные на том или ином звене экзоскелета, сигнализируя тем самым о желаемом направлении перемещения этого звена и желаемой скорости такого перемещения. На стопах аппарата также смонтированы датчики усилий, которые «сигнализируют» о наличии или отсутствии контакта стопы с опорой. Датчики усилий передают соответствующие сигналы «на вход» системы управления приводами, которые перемещают звенья экзоскелета в желаемом для человека направлении с желаемой скоростью. Скорость перемещения звена тем больше, чем сильнее человек-оператор давит на датчик усилий. Задача