Обзор: Экзоскелеты

Цели создания

По сути своей, экзоскелеты – это роботы, надеваемые на человека, которые увеличивают его физическую силу и выносливость. Ожидается, что с помощью этих систем человек сможет переносить громоздкие грузы с большой скоростью, а также они помогут ему ориентироваться на незнакомой местности. Агентство перспективных разработок и исследований США, спонсирующее эти программы с военными целями (создание "супер-солдат"), предъявляет следующие требования к экзоскелетам:

1. увеличение физической силы: солдаты должны носить на себе тяжелое оружие и другое оборудование; кроме того, увеличив свою силу, они смогут убирать препятствия со своего пути на марше;
2. увеличение скорости: средняя скорость солдата – 4-6 мили в час, при этом он должен нести на себе 150 фунтов груза; пока неизвестно, с какой скоростью сможет двигаться человек в экзоскелете;
3. прыжки на большую высоту и расстояние: пока еще неясно, насколько высоко и далеко смогут прыгать люди в этой системе, но военные предполагают, что солдаты должны преодолевать более высокие и широкие препятствия.

Став сильнее, солдаты тем самым станут и выносливее и смогут преодолевать бoльшие дистанции. Кроме того, они смогут чинить тяжелое оборудование, которое иначе было бы невозможно привести в рабочее состояние. Экзоскелеты будут также оборудованы датчиками и встроенными приемниками системы глобального позиционирования (GPS), с помощью которых солдаты будут двигаться к заданной точке по неизвестной местности. Вдобавок ко всему этого специалисты DARPA разрабатывают компьютеризированные ткани, которые будут следить за режимом работы сердца и дыханием солдата.

Проблемы при разработке

Разработки DARPA – не первая попытка создания таких систем. В 1960-е гг. компания General Electric разработала электрическую и гидравлическую конструкцию под названием Hardiman, однако при ее весе в 1500 фунтов она была неэффективна. В настоящее время используются более легкие материалы (например, углеродное волокно), однако проблемы все же остаются. Экзоскелет состоит из 5 элементов, без которых его работа немыслима: структура, энергия, управление, исполнительные механизмы и биомеханика. Ниже приведены некоторые из проблем, с которыми столкнулись специалисты DARPA:

1. конструкционные материалы: экзоскелет должен быть сделан из прочного, легковесного и гибкого материала, который, к тому же, должен защищать и себя, и солдата от вражеского огня;
2. источник питания: экзоскелет должен работать как минимум 24 часа без дозаправки, блок питания также должен входить в систему; одной из наиболее сложных задач будет создание бесшумного двигателя;
3. управление: средства управления системой должны быть максимально удобны, чтобы пользователь мог свободно функционировать;
4. исполнительные механизмы: проблемы те же, что и с управлением – пользователь должен иметь возможность плавных и бесшумных движений;
5. биомеханика: разработчики должны создать сочленения такие, которые будут похожи на человеческие, так как если солдат в битве будет ограничен в движениях, то для него эти ограничения будут фатальны.

   Подводя итог, можно сказать, что экзоскелет должен во многом походить на человека в его манере двигаться, чутко реагировать на человеческие движения.
   
   Источник:

   http://science.howstuffworks.com/exoskeleton.htm
   
   

Пружинный ходок (Spring Walker)

Источник: http://www.springwalker.com/

Эта система увеличения возможностей человека компании Applied Motion, Inc принципиально отличается от экзоскелета тем, что у нее есть ноги. Идея, лежавшая в основе разработки этой системы – создание конструкции, увеличивающей скорость человека. В настоящее время в рамках этого проекта разрабатывается энергетическая сервосистема.
Технологии, использованные в этой системе, основаны на двух идеях:

• - увеличение силы ног и распределение веса через использование системы рычагов; и
• - одна пружина присоединена к обеим ногам, что предотвращает "волочение" ног и обеспечивает возможность нормальной походки.

В будущем предполагается использование электрических сервомоторов, а в настоящее время – используются никелевокадмиевые батарейки (10-фунтовой батарейки хватает на 15-30 минут работы).

Подход, использованный в проекте SpringWalker:

1. Система воссоздает движения бегущего человека, при этом:
   • -механическая нога увеличивает силу человека;
   • -восстановление энергии происходит за счет пружин;
   • -другие степени свободы управляются непосредственно пользователем.
2. Были идентифицированы и решены следующие проблемы:
   • -надежное управление и обратная связь с пользователем;
   • - "волочение" ног избегается за счет параллельного действия одной пружины;
   • - натяжение кабеля пропорционально подъему – следовательно, наиболее эффективная точка поддержки находится непосредственно под центром тяжести пользователя.
3. Обеспечивает следующие возможности:
   • - скорость 15 миль в час в течение длительных периодов;
   • - грузоподъемность 200 фунтов при быстром шаге в течение длительных периодов.
   
   
   

Проект "Супермен"

Специалисты лаборатории Oak Ridge National Laboratory также занимаются проблемами совершенствования человека. Однако среди их целей значится не только увеличение человеческой силы и выносливости, но и создание разумной системы, которая будет предупреждать владельца об опасных газах, близости противника и вообще давать "мудрые" советы, а кроме того увеличит способность человека видеть в темноте и тумане с помощью систем ночного видения и мультиспектральных защитных очков. Такую систему планируется создать в течение ближайших 5 лет.

В конце 1990-х гг. Подразделением телеробототехнических и вычислительных систем (Robotics and Process Systems Division (RPSD)) создали передового демонстратора телеробототехнических технологий (Advanced Telerobotics Technology Demonstrator (ATTD)). Эта конструкция увеличивала человеческую силу на заранее заданный на электрической системе управления коэффициент улучшения. В результате человек, ощущая на рукоятке, похожей на джойстик, вес в 5 фунтов, управлял механической рукой, которая перемещала груз в 5000 фунтов, ощущая при этом все силы, действовавшие на груз, в том числе инерцию, трение, другие воздействия. С помощью этой системы можно было, например, установить тяжелый двигатель машины, производя обычные действия, которые усиливаются в нужной степени прибором.

В настоящее время исследователи Лаборатории работают над разработкой экзоскелета в рамках программы DARPA. В испытательную модель входит несколько модулей, сделанных из разных материалов и с различными системами датчиков и управления. Цель разработчиков в настоящее время – достижение фактора равного 10 в отношения груза к весу. Кроме того, они хотят использовать самые легкие из доступных материалов, такие как специальные сплавы, разработанные компанией M&C Division, или нанотрубки производства компании Solid State Division. Также большое внимание уделяется разработкам в области систем управления и восприятия окружающей среды, вычислительным и электронным технологиям и т.д.

Источник:

http://www.ornl.gov/info/ornlreview/v33_1_00/human.htm

Экзоскелет для руки

В Институте робототехники Университета Карнеги-Меллона разрабатывается экзоскелет для кисти руки. Цель проекта – сконструировать легковесный, удобный для биопротезирования прибор для кисти руки, который был бы использован людьми с проблемами в верхнем спинном мозге, не могущими полностью управлять верхними конечностями, в т.ч. кистями. Главная "механическая" цель включает три подзадачи: сжимание, указание и схватывание посредством прямого манипулирования пользовательскими сочленениями. Прибор управляется мускульными сигналами пользователя через электромиографические датчики, расположенные на поверхности кисти. Прототип системы был опробован на человеке, страдающем параличом четырех конечностей, - используя прибор, он смог манипулировать объектами, которые ранее были для него слишком тяжелы.

Источник:

http://www.ri.cmu.edu/projects/project_507.html

Силовой костюм "Гибридная вспомогательная нога" (Hybrid assistive leg (HAL))

Цель этого проекта – разработка механических ног, которые помогали бы передвигаться людям с нарушениями походки. Использованные датчики (в т.д. датчики углов, миоэлектрические датчики и др.) адаптированы для наиболее эффективного применения в системе. Все измерительные и вычислительные системы, беспроводные локальные сети, блоки питания и т.д. помещается в рюкзаке, надеваемом на спину; батареи вешаются на талию.

HAL обладает гибридной системой управления, которая включает автономный контроллер и контроллер, работа которого основана на биологической обратной связи и предсказательной модели.
Источник:

http://sanlab.kz.tsukuba.ac.jp/HAL/indexE.html

Экзоскелет Массачусетского технологического института

В Массачусетском технологическом институте планируется создание военной униформы, которая будет блокировать биологическое оружие, а также лечить своих пользователей. Институт получил финансирование в размере 50 миллионов долларов на создание Института военных нанотехнологий (Institute for Soldier Nanotechnologies).

Нанотехнология – наука о воздействиях на молекулярном уровне. С их помощью специалисты надеются создать легковесные материалы, из которых затем можно будет создать молекулярный экзоскелет. В новообразованном институте собираются заняться разработкой мягкого и практически невидимого материала, который, затвердевая, будет превращаться в медицинский корсет, если солдат ранен, или в подобие каратистского рукава при бое. Также специалисты надеются создать молекулярную кольчугу, которая будет отклонять вражеские пули. Военные считают, что такая одежда будет оказывать, кроме того, психологическое давление на противника.
Источник:

http://zdnet.com.com/2100-1103-859896.html