Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование экзоскелета. Монография
.pdf
11
Большинство первых работ в области увеличивающих
производительность экзоскелетов были лишь разработками, которые
никогда не покидали чертежную доску, а несколько прототипов,
которые были построены и испытаны – оказались
малоэффективными.
Самое раннее упоминание устройства, напоминающего
экзоскелет, представляет собой набор патентов США,
предоставленных в 1890 году Николаем Ягном (Nicholas Yagn). Это
изобретение предназначалось для увеличения скорости бега и
прыжка. Однако это устройство не было построено или успешно
продемонстрировано. Устройство, представленное в патентах
изображено на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Устройство Ягна
12
В 1963 году Зарудный (Zaroodny) из баллистической лаборатории
армии США опубликовал технический отчет с подробным описанием
работы. Его экзоскелет был предназначен для увеличения
грузонесущих возможностей трудоспособного носителя, например
солдата. В своей публикации Зарудный начал решать
фундаментальные проблемы в реализации такого устройства:
создание портативного источника питания, физической реализации
интерфейса с человеком. Несмотря на то, что его предложение не
удалось обеспечить финансово, этот доклад является первым, в
котором были рассмотрены инженерные сложности при создании
экзоскелетов, увеличивающих производительность.
В конце 1960-х, General Electric Research, в сотрудничестве с
исследователями из Корнельского университета и при финансовой
поддержке со стороны Управления Военно-Морских исследований
США, построили прототип экзоскелета всего тела, получивший
название – Hardiman (от «Human Augmentation Research and Development
Investigation»). Этот экзоскелет позволял среднему человеку поднимать
груз весом до 700кг, однако при этом сам весил 750 кг. Hardiman
представлен на рисунке 1.2.
13
Рисунок 1.2 – Общий вид экзоскелета Hardiman
Основной стимул для работ в области увеличивающих
производительность экзоскелетов пришел из программы,
спонсируемой DARPA (Defense Advanced Research Project Agency), под
названием EHPA (Exoskeletons for Human Performance Augmentation).
Целью программы является увеличение возможностей наземных
солдат сверх того, что может обычный человек.
В течение срока действия программы EHPA три учреждения
продемонстрировали рабочие экзоскелеты, а также ряд других
учреждений добились прогресса в задействованых технологиях, таких
как портативные источники питания.
Наиболее заметным экзоскелетом из программы DARPA был
BLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeletons), который изображен на
14
рисунке 1.3. Одной из отличительных особенностей этого проекта
является то, что он энергетически автономный или может нести свой
собственный источник питания. Разработчики утверждают, что это
первый зарядонесущий и энергетически автономный экзоскелет.
Рисунок 1.3 – Экзоскелет BLEEX
У BLEEX есть три степени свободы в бедре, одна в колене и три на
лодыжке. Экзоскелет приводится в действие с помощью
двунаправленных линейных гидравлических цилиндров,
установленных в треугольной конфигурации с поворотными
суставами, что приводит к эффективному плечу силы, которая
изменяется с углом соединения. BLEEX потребляет в среднем 1143 Вт
энергии во время ходьбы, а также 200 Вт электрической мощности для
электроники и управления.
The Sarcos Research Corporation в рамках программы DARPA EHPA
работали в направлении экзоскелета для всего тела. Он получил
название WEAR (Wearable Energetically Autonomous Robot). Как следует из
названия, экзоскелет Саркос энергетически автономный, он несет
свой собственный источник питания. Подобно экзоскелету Беркли,
Саркос выдвинули концепцию гидравлического привода экзоскелета.
15
Однако вместо линейных гидравлических приводов, экзоскелет
использует вращающиеся гидравлические приводы, расположенные
непосредственно на усиленных суставах устройства.
Концепт квази-пассивного экзоскелета был выдвинут в
Массачусетском технологическом институте (MIT Exoskeleton) в рамках
второго этапа программы DARPA EHPA. Эта концепция стремится
использовать пассивную динамику человеческой ходьбы, для
создания более легких и эффективных экзоскелетов. Экзоскелет MIT не
использует какие-либо исполнительные механизмы для добавления
мощности в суставах. Вместо этого, разработка полностью опирается
на управляемое высвобождение энергии во время отрицательных фаз
шага. Квази-пассивные элементы экзоскелета были выбраны на
основе анализа кинетики и кинематики человеческой походки.
Экзоскелет представлен на рисунке 1.4.
16
Рисунок 1.4 – экзоскелет MIT во время метаболических тестов
В университете Цукуба (Tsukuba University) из Японии, профессор
Йошики Санкаи (Yoshikuyi Sankai) и его команда разработали
концепцию экзоскелета, предназначенную и для увеличения
производительности с помощью устройства, и для реабилитационных
целей. Следует отметить, что в отличие от несущих нагрузку BLEEX,
Sarcos и MIT экзоскелетов, система HAL (Hybrid Assistive Leg) не переносит
нагрузку на поверхность земли, а просто усиливает крутящие момента
(бедро, колено, лодыжка). Пример экзоскелета представлен на
рисунке
1.5.
17
Рисунок 1.5 – Экзоскелет HAL
Более десяти лет исследователи из технологического института
Kanagawa в Японии разрабатывали экзоскелет с целью оказания
помощи медсестрам во время передачи пациентов. Одним из
интересных аспектов механической конструкции экзоскелета
является то, что на передней стороне нет механических компонентов,
что позволяет медсестре иметь непосредственный контакт с
пациентом. Это важное свойство для обеспечения комфорта и
безопасности пациента. Nurse-Assisting Exoskeleton изображен на
рисунке 1.6.
18
Рисунок 1.6 - Nurse-Assisting Exoskeleton
В Yobotics, Inc. из Цинциннати, штат Огайо разработали простой
экзоскелет, который изображен на рисунке 1.7. Данный экзоскелет
создан для добавления мощности в колене, что, в свою очередь,
должно помочь в скалолазании. Управление RoboKnee использует
силу реакции опоры (в вертикальном направлении) и моменты в
сагиттальной плоскости (направление вперед/назад). Эта
информация, получаемая с помощью двух датчиков нагрузки,
используется в положительной обратной схеме управления силой
усиления вращающего момента на колене.
19
Рисунок 1.7 – Экзоскелет RoboKnee
Далее рассмотрим разработки активных корсетов (active orthoses),
которые лучше традиционных брекетов, за счет комбинации
добавления или рассеивания мощности в суставах устройства и/или
контролируемого высвобождения энергии, запасенной в пружинах во
время соответствующих фаз походки.
Новаторская работа по экзоскелетам Миомира Вукобратовича
(Miomir Vukobratovic) и его помощников из Mihailo Pupin Institute в
Белграде в конце 1960-х и 1970-х годов была одной из самых крупных
на сегодняшний день работ в этой области. Первый шагающий
активный экзоскелет был создан в 1969 г. Данный экзоскелет
разрабатывался для медицинских целей и предназначался для
реабилитации людей с нарушениями опорно-двигательного
аппарата. В 1972 — 1974 годах разработанный в Белграде экзоскелет
был передан российским ученым из НИИ Механики МГУ на
исследование и дальнейшую доработку. В то же время проходили и
его клинические испытания в Центральном Государственном
20
Институте Ортопедии и Травматологии. Экзоскелет представлен на
рисунке 1.8.
Рисунок 1.8 – Экзоскелет разработанный в Mihailo Pupin Institute
Экзоскелет, изображенный на рисунке 1.9, был разработан в
университете штата Висконсин в начале 1968 года и был подобен
экзоскелетам из Mihailo Pupin Institute и предназначен для помощи в
передвижении людям с параличом нижних конечностей.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]