Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование экзоскелета. Монография
.pdf
21
Рисунок 1.9 – Экзоскелет разработанный в университете
Висконсина
При рассмотрении активных экзоскелетов-корсетов необходимо
обратить внимание на односуставные экзоскелеты и экзоскелеты с
активным модульным суставом.
Первая опубликованная работа про модульные активные
суставы называется AMOLL (Active Modular Orthosis for Lower Limbs) под
руководством Пьера Рабишона (Pierre Rabischong) в сотрудничестве с
французскими исследователями из Монпелье и Тулузы, белградским
университетом и стэнфордским научно-исследовательским
институтом. Была выдвинута идея надувного интерфейса для
носителя, впервые использованная французской компанией Aerozur
как «мягкие костюмы». Модульный характер этих устройств позволял
использовать только те компоненты, которые были необходимы для
передвижения конкретного пациента.
22
Среди активных односуставных экзоскелетов различают
экзоскелеты голеностопа и коленного сустава. Первый активный
голеностопный экзоскелет был представлен в 1981 году Яуковичем
(Jaukovic) из университета города Титограда (Подгорица) в бывшей
Югославии. Устройство состояло из электродвигателя постоянного
тока, установленного в передней части голени владельца, что
помогало в сгибании и разгибании голеностопного сустава. Отметим
большой вклад в данной области разработчиков Массачусетского
технологического института (MIT Ankle-Foot Orthosis) и Мичиганского
университета (University of Michigan Orthoses), которые изображены на
рисунке 1.10.
Рисунок 1.10 – Голеностопный экзоскелет Массачусетского
технологического института слева, голеностопный экзоскелет
Мичиганского университета по центру, коленный экзоскелет Северо-
Западного университета справа
Лаборатория Dinos Mavrodis в Северо-Западном университете
разработали активный коленный экзоскелет. Это устройство (см.
Рисунок 1.10) предназначено для обеспечения резистивных крутящих
моментов для пользователя в целях реабилитации.
23
1.2. Обзор существующих в мире конструкций
REWALK
Экзоскелет, который позволяет ходить людям, страдающим
параличом нижних конечностей. Подобно наружному скелету или
биоэлектронному костюму устройство ReWalk с помощью
специальных датчиков определяет отклонения в равновесии
человека, а затем трансформирует их в импульсы, которые
нормализуют его движение, что позволяет человеку ходить или
стоять. ReWalk уже доступен в Европе, а также на сегодняшний день
одобрен FDA в Соединенных Штатах.
Этот экзоскелет был представлен в 2011 году и был предназначен
для людей с ограниченными возможностями. В январе 2013 года
вышла обновленная версия ReWalk Rehabilitation, а уже в июне 2014
года FDA одобрило использование экзоскелета на публике и дома, тем
самым открыв ему дорогу в коммерческом плане. Система весит около
23,3 килограмма, работает на базе Windows и в трех режимах: идти,
сидеть и стоять. Стоимость: от 70 до 85 тысяч долларов.
Возможности и технические характеристики:
1. Вес устройства 25 кг.
2. Экзоскелет может выдержать до 80 кг.
3. Устройство может работать до 180 минут без подзарядки.
4. Время зарядки батареи 5-8 часов
5. Экзоскелет активно применяется для реабилитации пациентов
с патологией моторных функций нижних конечностей через
нарушения центральной нервной системы или как следствие
нейромышечных заболеваний.
REX
Моторизованный экзоскелетный костюм (костюм экзоскелет),
обеспечивающий прямохождение людям, страдающим параличом
нижних конечностей. Создан REX Bionics.
Цена: 175000-180000 $
Возможности и технические характеристики:
24
1. Самостоятельная ходьба. Не требует костылей или других
средств для стабилизации, оставляя при этом руки свободными.
2. Экзоскелет для ног позволяет: встать\присесть, повернуться,
идти назад, стоять на одной ноге, идти по лестнице, ходить по разным,
даже наклонным поверхностям.
3. Устройством очень легко управлять − все функции
активируются с помощью джойстика.
4. Прибор можно использовать весь день, благодаря
высокоемкостному съемному аккумулятору.
5. При небольшом весе REX, что составляет всего 38 килограмм,
он выдерживает пользователя весом до 100 килограммов и ростом от
1,42 до 1,93 метров.
6. Удобная система фиксации не вызывает никакого
дискомфорта даже, если вы носите его целый день.
7. Также когда пользователь не двигается, а просто стоящий REX
не тратит заряд аккумулятора.
8. Доступ в здания без пандусов, благодаря возможности ходить
по лестнице без посторонней помощи.
XOS
Серия военных экзоскелетов XOS находится в активной
разработке (на очереди XOS 3). Весит около 80 килограммов и
позволяет владельцу с легкостью поднимать 90 лишних килограммов.
Последние модели костюма настолько подвижны, что позволяют
играть с мячом.
Как отмечают производители, один XOS может заменить трех
солдат. Возможно, третье поколение экзоскелета будет уже ближе к
тому, что мы видим на экранах фантастических фильмов последних
лет. К сожалению, пока он привязан к внешнему источнику питания.
HULC
Human Universal Load Carrier − творение известной компании
Lockheed Martin совместно с Berkeley Bionics. Этот экзоскелет
предназначен для военных. Основа − гидравлика и литийполимерные батареи. Правильно загрузив внешний каркас, с его
25
помощью пользователь может переносить до 140 килограммов
лишнего груза. Предполагается, что солдаты смогут использовать
HULC в течение 72 часов.
Разработка идет полным ходом, поэтому неудивительно, что
именно HULC могут первыми поступить на вооружение США.
EXO HIKER, EXOCLIMBER И ELEGS (EKSO)
Прототипы опять же Вerkeley Віопісѕ, предназначенные для
выполнения различных задач. Первый должен помочь
путешественникам переносить груз до 50 килограммов, был
представлен в феврале 2005 года и весит около 10 килограммов.
Учитывая небольшую солнечную панель, может работать очень и
очень долго. ЕxoСlimber − это десятикилограммовый дополнение к
ЕхоНікег, что позволяет носителю прыгать и подниматься по
лестнице. В 2010 году наработки Вerkeley Віопісѕ вылились в Еlegs. Эта
система − полноценный гидравлический экзоскелет, позволяющий
парализованным людям ходить и стоять. В 2011 году Еlegs был
переименован в Екѕо. Он весит 20 килограммов, передвигается с
максимальной скоростью в 3,2 км/ч и работает в течение 6 часов.
HAL
HAL (Hybrid Assistive Limb) ‒ представляет собой
роботизированный экзоскелет с верхними конечностями. На данный
момент разработано два прототипа − HAL 3 (восстановление
двигательной функции ног) и HAL 5 (восстановления работы рук, ног и
торса). С помощью HAL 5 оператор способен поднимать и переносить
предметы, в пять раз превышающие по массе максимальную нагрузку
при обычных условиях.
Очередной известный экзоскелет японского производителя
роботов Cyberdyne. Его назначение ‒ обеспечить возможность ходить
людям с ограниченными возможностями. Есть два основных
варианта: HAL-3 и HAL-5. С момента презентации в 2011 году меньше
чем за год HAL взяли «на вооружение» более 130 медицинских
институтов по всей стране. В августе 2013 года HAL получил карт-
26
бланш на использование в качестве медицинского работа в Европе.
Новейшая модель костюма весит около 10 килограммов.
Цена: 5000 $. В открытых источниках информацию подтвердить
не удалось.
Возможности и технические характеристики:
1. Вес устройства 10 кг.
2. Экзоскелет может выдержать до 80 кг.
3. Устройство может работать от 60 до 90 минут без подзарядки.
4. Экзоскелет активно применяется для реабилитации пациентов
с патологией моторных функций нижних конечностей через
нарушения центральной нервной системы или, как следствие,
нейромышечных заболеваний.
EKSO BIONIC
Ekso GT ‒ это еще один проект экзоскелета, который помогает
людям с тяжелыми заболеваниями двигательного аппарата снова
обрести возможность передвигаться.
Цена: от 150000 $ (под заказ).
Возможности и технические характеристики:
1. Вес устройства 21,4 кг.
2. Экзоскелет может выдержать до 100 кг.
3. Максимальная ширина бедер: 42 см;
4. Масса батареи: 1,4 кг;
5. Размеры (ВхШхГ): 0,5 х 1,6 х 0,4 м.
6. Экзоскелет активно применяется реабилитации пациентов с
патологией моторных функций нижних конечностей через
нарушения центральной нервной системы или как следствие
нейромышечных заболеваний.
Некоторые другие интересные разработки [2]
Кроме серьезных экзоскелетов на все тело, все большей
популярностью пользуются ограниченные экзоскелеты,
предназначенные для выполнения специфических задач. Например
был показан экзостул Chairless Chair, позволяющий сидеть стоя.
Компании Daewoo и Lockheed Martin независимо друг от друга
27
показали экзоскелеты для работников судостроительных верфей. Эти
устройства позволяют рабочим удерживать груз или инструмент
весом до 30 килограмм, особо не напрягаясь.
В России разработкой экзоскелета под названием "ЭкзоАтлет"
занимается команда ученых, собранная на базе НИИ механики МГУ.
Они продолжают начатые еще в СССР разработки, о которых
упоминалось ранее. Первый рабочий пассивный экзоскелет этой
команды был разработан для сотрудников МЧС, пожарных и
спасателей. При весе в 12 килограммов конструкция позволяет без
особых усилий переносить до 100 килограммов груза. В планах
компании − разработка силовой модели ExoAtler-A, которая позволит
переносить до 200 килограммов, а также медицинского экзоскелета
для реабилитации людей с ограниченными возможностями.
1.3. Современные тенденции : направления разработки и
проблемы, которые возникают
Главным направлением разработок является военное
применение экзоскелетов. Цель − создание брони, которая
совместила в себе огневую мощь и бронирование танка, подвижность
и скорость человека, и в разы увеличивающей силу того, кто
использует экзоскелет.
Другой возможной областью применения экзоскелетов является
помощь травмированным людям и людям с инвалидностью,
пожилым людям, которые в силу своего возраста имеют проблемы с
опорно-двигательным аппаратом. Модификации экзоскелетов, а
также отдельные их модели, могут оказывать значительную помощь
спасателям при разборах завалов рухнувших зданий. При этом
экзоскелет может защитить спасателя от падения обломков.
Проблемы экзоскелета - источник питания
Любой из компактных источников питания на сегодняшний день
может обеспечить экзоскелета лишь несколько часов автономной
28
работы. Далее ‒ зависимость от провода. У неперезаряжаемых
аккумуляторных батарей есть свои ограничения, вроде
необходимости замены или медленной зарядки, соответственно.
Двигатели внутреннего сгорания должны быть очень надежным,
но не особо компактным. К тому же, в последнем случае понадобится
дополнительная система охлаждения, а сам двигатель внутреннего
сгорания сложно настроить на моментальный выброс большого
количества энергии. Электрохимические топливные элементы могут
быстро заправляться жидким топливом (например, метанолом) и
давать нужный и моментальный выброс энергии, но работают при
крайне высоких температурах. 600 градусов по Цельсию −
относительно низкая температура для такого источника питания.
Каркас
Первые экзоскелеты делались из алюминия и стали, недорогих и
простых в использовании. Но сталь слишком тяжелая, а экзоскелет
обязательно должен работать и над тем, чтобы поднять свой
собственный вес. Соответственно, при большом весе костюма его
эффективность упадет. Алюминиевые сплавы достаточно легкие, но
накапливают усталость, а значит, не особенно подходят для высоких
нагрузок. Инженеры находятся в поисках легких и прочных
материалов вроде титана или углеродного волокна. Они неизбежно
будут дорогими, но обеспечат эффективность экзоскелета.
Приводы движения
Особую проблему составляют поводы. Стандартные
гидравлические цилиндры достаточно мощные и могут работать с
высокой точностью, но тяжелые и требуют наличия кучи шлангов и
трубок. Пневматика, наоборот, слишком непредсказуема в плане
обработки движений, поскольку сжатый газ пружинит, а реактивные
силы будут толкать поводы.
Впрочем, разрабатываются новые сервоприводы на
электронной основе, которые будут использовать магниты и
обеспечивать точные перемещения, потребляя минимум энергии и
будучи небольшими. Можете сравнить это с переходом от паровозов
29
к поездам. Отметим еще гибкость, которая должна быть в суставов, но
здесь проблемы экзоскелетов могут решить разработчики
скафандров. Они же помогут разобраться с адаптацией костюма до
размеров носителя.
Управление
Особую проблему при создании экзоскелета представляет
управление и регулирование чрезмерных и нежелательных
движений. Нельзя просто так взять и сделать экзоскелет с одной
скоростью реакции каждого из членов. Такой механизм может быть
слишком быстрым для пользователя, а слишком медленным его не
сделаешь − неэффективно. С другой стороны, нельзя положиться на
пользователя и доверить датчикам считывать намерения по
движениям тела: рассинхронизация движений пользователя и
костюма приведет к увечьям. Нужно ограничивать обе действующие
стороны. Кроме того, нужно заранее выявить нечаянный или
нежелателен движение, чтобы случайный «чих» или кашель не
привел к вызову скорой помощи.
Постановка задачи:
Учитывая актуальность развития технологии реабилитационных
экзоскелетов и опираясь на очевидные проблемы в этом
направлении формируем следующее задание:
• обеспечить увеличение времени автономности работы
системы.
• Повысить скорость и точность движений человека, которые
обеспечивает реабилитационный аппарат типа «экзоскелет».
• Обеспечить силовые параметры максимально приближены к
необходимым для осуществления нормальных движений человека
(согласно анатомическо-физиологическими нормами).
• Уменьшить стоимость конечного продукта реабилитационного
аппарата типа «экзоскелет» по сравнению с аналогами.
Конкретизация рамок данной работы Данная работа содержит в себе:
• Разработку концепций создания элементов, частей и узлов
конструкции для реализации поставленной задачи.
30
• Детальную разработку механической части конструкции, а
именно всех частей и узлов, необходимых для обеспечения
работоспособности устройства с тестовой проверкой пригодности
предложенных конструктивных решений.
• Определение направлений дальнейшей работы над созданием
систем питания и систем контроля, которые будут удовлетворять
поставленные условия и ограничения.
Таким образом, несмотря на значительные наработки и
масштабные разработки в данном направлении, сфера все еще
достаточно слабо развита и имеет значительный ряд проблем, вместе
с актуальностью данной работы дает основу для собственной
разработки в этом направлении.
В настоящее время ведутся работы по созданию российского
проекта ЭкзоАтлет (англ. ExoAtlet) по созданию медицинского
экзоскелета для реабилитации людей с нарушениями локомоторных
функций [2].
Разработчиками данного экзоскелета является команда ученых,
собранная на базе НИИ Механики МГУ. На настоящий момент
существует три версии экзоскелета: ExoAtlet-P, ExoAtlet-А и ExoAtlet Med.
Первоначально, пассивный экзоскелет разрабатывался для нужд
МЧС, в частности, для работы спасателей и пожарных. Первая версия
экзоскелета получила название ExoAtlet-P и представлена на рисунке
1.11.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]