Exoskeletons

Bár az utóbbi időben egyre többet hallani az exoskeletonokról, kiderül, hogy ennek a találmánynak a története egészen a XIX. Fedezze fel, hogyan változott az évtizedek során, és hogyan néztek ki fejlődésének fordulópontjai. 

1. Illusztráció Nikolai Yagn szabadalmából

1890 – Az első innovatív ötletek az exoskeleton létrehozására a 1890. századból származnak. 420179-ben Nicholas Yagn az Egyesült Államokban szabadalmaztatta (US XNUMX A szabadalom) "Egy eszközt a gyaloglás, futás és ugrás megkönnyítésére" (1). Ez egy fából készült páncél volt, aminek az volt a célja, hogy növelje a harcos sebességét egy sok kilométeres menet során. A tervezés ihletforrást jelentett az optimális megoldás további kereséséhez.

1961 - A 60-as években a General Electric a Comell Egyetem tudósainak egy csoportjával együtt elkezdett dolgozni egy elektrohidraulikus ruha megalkotásán, amely támogatja az emberi testmozgást. A katonasággal való együttműködés a Man Augmentation projekten vezetett a Hardiman (2). A projekt célja egy olyan öltöny megalkotása volt, amely az ember természetes mozgásait utánozza, és lehetővé teszi, hogy közel 700 kg súlyú tárgyakat emelhessen fel. Maga a jelmez ugyanennyit nyomott, de a kézzelfogható súlya mindössze 20 kg volt.

2. General Electric prototípus hőcserélő

A projekt sikere ellenére kiderült, hogy hasznossága elhanyagolható, a kezdeti másolatok pedig drágák lesznek. Korlátozott mobilitási lehetőségeik és összetett energiarendszerük végül használhatatlanná tette ezeket az eszközöket. A tesztelés során kiderült, hogy Hardiman csak 350 kg-ot tud felemelni, és hosszan tartó használat esetén hajlamos veszélyes, koordinálatlan mozgásokra. A prototípus további fejlesztése során csak az egyik kart hagyták el - az eszköz súlya körülbelül 250 kg, de ugyanolyan praktikus volt, mint az előző exoskeleton.

70 éves. „Mérete, súlya, instabilitása és teljesítményproblémái miatt a Hardiman soha nem került gyártásba, de az ipari Man-Mate a 60-as évekből származó technológiát használt. A technológia jogait a GE egyik mérnöke által alapított Western Space and Marine vásárolta meg. A terméket továbbfejlesztették, és ma egy nagy robotkar formájában létezik, amely akár 4500 kg-ot is képes megemelni erővisszacsatolás segítségével, így ideális az acélipar számára.

3. A szerbiai Mihailo Pupin Intézetben épített exoskeletonok.

1972 – A szerbiai Mihailo Pupin Intézetben korai aktív exoskeletonokat és humanoid robotokat fejlesztett ki egy prof. Miomir Vukobratovics. Először is lábmozgató rendszereket fejlesztettek ki a paraplégiában szenvedők rehabilitációjának támogatására.3). Az aktív exoskeletonok fejlesztése során az intézet az emberi járás elemzésére és ellenőrzésére is módszereket dolgozott ki. Ezen előrelépések némelyike ​​hozzájárult a mai nagy teljesítményű humanoid robotok kifejlesztéséhez. 1972-ben egy belgrádi ortopédiai klinikán teszteltek egy aktív pneumatikus exoskeletont az alsó végtagok bénulására elektronikus programozással.

1985 „A Los Alamos National Laboratory egyik mérnöke a Pitman nevű exoskeletont építi, amely gyalogosok számára készült erőpáncél. A készülék vezérlése a koponya felszínét pásztázó szenzorokon alapult, amelyeket egy speciális sisakba helyeztek el. Az akkori technológia adottságait tekintve túl bonyolult volt a gyártás. A korlátot elsősorban a számítógépek elégtelen számítási teljesítménye jelentette. Ráadásul az agyi jelek feldolgozása és exoskeleton mozgássá alakítása technikailag akkoriban gyakorlatilag lehetetlen volt.

4. Exoskeleton Lifesuit, tervezte Monty Reed.

1986 - Monty Reed, az amerikai hadsereg katonája, aki ejtőernyős ugrás közben eltörte a gerincét, túlélőruha külső csontvázat fejleszt (4). Robert Heinlein Csillaghajókatonák című sci-fi-regényében található mozgó gyalogsági ruhák leírása ihlette meg, amelyet a kórházban lábadozás közben olvasott. Reed azonban csak 2001-ben kezdett el dolgozni a készülékén. 2005-ben tesztelt egy prototípus 4,8 mentőruhát a St. Patrick's Day versenyen Seattle-ben, Washingtonban. A fejlesztő állítása szerint járási sebességrekordot döntött robotruhában, 4 kilométert tett meg 14 km/h-s átlagsebességgel. A Lifesuit 1,6 prototípus teljesen feltöltve 92 km-t tudott megtenni, és XNUMX kg-ot tudott felemelni.

1990-jelenleg - A HAL exoskeleton első prototípusát Yoshiyuki Sankai javasolta (5), prof. Tsukuba Egyetem. Sankai három évet - 1990 és 1993 között - töltött a lábmozgást szabályozó neuronok azonosításával. Neki és csapatának további négy évébe telt a berendezés prototípusa. A harmadik, a 22. század elején kifejlesztett HAL prototípust számítógéphez kötötték. Maga az akkumulátor közel 5 kg-ot nyomott, ami miatt nagyon nem volt praktikus. Ezzel szemben a későbbi HAL-10 modell mindössze 5 kg-ot nyomott, és az akkumulátort és a vezérlő számítógépet a felhasználó derekára tekerték. A HAL-XNUMX jelenleg a japán Cyberdyne Inc. cég által gyártott, négy végtagból álló orvosi exoskeleton (bár van egy csak alsó végtagra való változat is). a Tsukuba Egyetemmel együttműködve.

5. Yoshiyuki Sankai professzor bemutatja az egyik exoskeleton modellt.

Körülbelül 2 óra 40 percet működik bel- és kültéren egyaránt. Segít nehéz tárgyak emelésében. A kezelőszervek és a tokban lévő konténerekben elhelyezett meghajtó lehetővé tette, hogy megszabaduljunk a legtöbb exoskeletonra oly jellemző „hátizsáktól”, amely néha nagy rovarra emlékeztet. A magas vérnyomásban, csontritkulásban és bármilyen szívbetegségben szenvedőknek konzultálniuk kell orvosukkal a HAL alkalmazása előtt, és az ellenjavallatok közé tartozik, de nem kizárólagosan, a pacemaker és a terhesség. A gyártó a HAL FIT program részeként lehetőséget kínál exoskeletonos kezelések alkalmazására betegek és egészséges emberek számára egyaránt. A HAL tervezője azt állítja, hogy a frissítés következő szakaszaiban egy vékony öltöny létrehozására összpontosítanak, amely lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy szabadon mozogjon és akár futhasson. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni és csapata az Ekso Bionics-nál egy Universal Human Cargo Carrier vagy HULC-t fejleszt (6) egy vezeték nélküli exoskeleton hidraulikus meghajtással. Célja, hogy segítse a harcoló katonákat akár 90 kg-os terhek hosszú távú, 16 km/h maximális sebességű szállításában. A rendszert 26. február 2009-án az AUSA Winter Symposiumon mutatták be a nagyközönségnek, amikor licencszerződést kötöttek a Lockheed Martinnal. Ebben a kialakításban a domináns anyag a titán, egy könnyű, de viszonylag drága anyag, magas mechanikai és szilárdsági tulajdonságokkal.

Az exoskeleton tapadókorongokkal van felszerelve, amelyek lehetővé teszik akár 68 kg súlyú tárgyak szállítását (emelőeszköz). Az áramellátást négy lítium-polimer akkumulátor biztosítja, amelyek biztosítják a készülék normál működését optimális terhelés mellett akár 20 óráig. Az exoskeletont különféle harci körülmények között és különféle terhelésekkel tesztelték. 2012 őszén sikeres kísérletsorozat után Afganisztánba küldték, ahol egy fegyveres konfliktus során tesztelték. A sok pozitív vélemény ellenére a projektet felfüggesztették. Mint kiderült, a kialakítás megnehezített bizonyos mozdulatok végrehajtását, és valójában növelte az izmok terhelését, ami ellentmond a létrehozásának általános elképzelésének.

2001 – Folyamatban van az eredetileg főként a hadseregnek szánt Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) projekt. Ennek keretében ígéretes eredmények születtek gyakorlati jelentőségű autonóm megoldások formájában. Mindenekelőtt egy roboteszközt készítettek, amelyet az alsó testre erősítettek, hogy extra erőt adjon a lábaknak. A berendezést a Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) finanszírozta, és a Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory fejlesztette ki, amely a Kaliforniai Egyetem Berkeley Mechanical Engineering Department részlege. A Berkeley exoskeleton rendszer lehetővé teszi a katonák számára, hogy minimális erőfeszítéssel és bármilyen terepen nagy terheket szállítsanak, például élelmiszert, mentőfelszerelést, elsősegélynyújtó készletet, kommunikációt és fegyvereket. A katonai alkalmazások mellett a BLEEX jelenleg polgári projekteket fejleszt. A Robotikai és Humánmérnöki Laboratórium jelenleg a következő megoldásokat kutatja: ExoHiker - exoskeleton, amelyet elsősorban az expedíciós tagok számára terveztek, ahol nehéz felszerelések szállítására van szükség, ExoClimber - felszerelés magas hegyekre mászóknak, Medical Exoskeleton - mozgáskorlátozottak számára készült exoskeleton fizikai képességek. alsó végtag mobilitási zavarai.

8. A Sarcos XOS 2 prototípusa működés közben

a szöveg

2010 – megjelenik az XOS 2 (8) a Sarcos XOS exoskeletonjának folytatása. Először is, az új kialakítás könnyebbé és megbízhatóbbá vált, lehetővé téve akár 90 kg súlyú terhek emelését statikusan. Az eszköz egy kiborgra hasonlít. A vezérlés harminc állítóműre épül, amelyek mesterséges csuklóként működnek. Az exoskeleton több érzékelőt tartalmaz, amelyek számítógépen keresztül továbbítják a jeleket az aktuátorokhoz. Ily módon zökkenőmentes és folyamatos működés megy végbe, és a felhasználó nem érez jelentős erőfeszítést. Az XOS súlya 68 kg.

2011-jelenleg – Az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hatósága (FDA) jóváhagyta a ReWalk orvosi exoskeletont (9). Ez egy olyan rendszer, amely erőelemekkel erősíti a lábakat, és lehetővé teszi a bénult emberek számára, hogy egyenesen álljanak fel, járjanak és lépcsőzzenek. Az energiát a hátizsák akkumulátora biztosítja. A vezérlés egy egyszerű kézi távirányítóval történik, amely érzékeli és korrigálja a felhasználó mozgását. Az egészet az izraeli Amit Goffer tervezte, és a ReWalk Robotics Ltd (eredetileg Argo Medical Technologies) értékesíti körülbelül 85 XNUMX PLN-ért. dollárt.

9 ember sétál a ReWalk Exoskeletonban

A kiadás időpontjában a berendezés két változatban volt elérhető - ReWalk I és ReWalk P. Az elsőt egészségügyi intézmények használják kutatási vagy terápiás célokra, egészségügyi szakember felügyelete mellett. A ReWalk P páciensek személyes használatra készült otthon vagy nyilvános helyiségekben. 2013 januárjában megjelent a ReWalk Rehabilitation 2.0 frissített verziója. Ez javította a magasabb emberek illeszkedését, és javította a vezérlőszoftvert. A ReWalk megköveteli, hogy a felhasználó mankókat használjon. Ellenjavallatként említik a szív- és érrendszeri betegségeket és a csontok törékenységét. A korlát még a növekedés, 1,6-1,9 m-en belül, és a testsúly 100 kg-ig. Ez az egyetlen exoskeleton, amelyben autót vezethet.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Az Ekso Bionics, korábbi nevén Berkeley Bionics bemutatja orvosi exoskeletonját. A projekt két évvel korábban eLEGS néven indult (10), és különböző fokú bénultságban szenvedők rehabilitációjára szolgált. A ReWalkhoz hasonlóan a felépítéshez is mankók használata szükséges. Az akkumulátor legalább hat órányi használathoz biztosít energiát. Az Exo készlet körülbelül 100 ezerbe kerül. dollárt. Lengyelországban ismert az Ekso GT exoskeleton projekt, egy olyan orvosi eszköz, amelyet neurológiai betegek kezelésére terveztek. Kialakítása lehetővé teszi a járást, beleértve az agyvérzést, gerincvelő-sérülést, sclerosis multiplexben szenvedő vagy Guillain-Barré-szindrómás betegeket is. A berendezés többféle üzemmódban működhet, a beteg működési zavarának mértékétől függően.

2013 – A Mindwalker, az elme által irányított exoskeleton projekt támogatást kap az Európai Uniótól. A terv a Brüsszeli Szabadegyetem tudósai és az olaszországi Santa Lucia Alapítvány együttműködésének eredménye. A kutatók különböző módokat teszteltek az eszköz vezérlésére – úgy vélik, hogy az agy-neuro-számítógép interfész (BNCI) működik a legjobban, amely lehetővé teszi, hogy gondolatokkal irányítsa. A jelek áthaladnak az agy és a számítógép között, megkerülve a gerincvelőt. A Mindwalker az EMG-jeleket, azaz a kis potenciálokat (úgynevezett myopotenciálokat), amelyek az ember bőrének felületén jelennek meg, amikor az izmok dolgoznak, elektronikus mozgásparancsokká alakítja át. Az exoskeleton meglehetősen könnyű, akkumulátorok nélkül mindössze 30 kg. Legfeljebb 100 kg-ig elbír egy felnőttet.

2016 – A svájci zürichi ETH Műszaki Egyetem ad otthont az első olyan Cybathlon sportversenynek, amely fogyatékkal élők számára kisegítő robotokat használ. Az egyik diszciplína az alsó végtagbénultaknak szánt akadálypályán exoskeleton verseny volt. A készségek és a technológia ezen a bemutatóján az exoskeleton használóinak olyan feladatokat kellett végrehajtaniuk, mint a kanapén ülni és felkelni, lejtőkön sétálni, sziklákra lépni (például sekély hegyi folyón átkelni) és lépcsőzni. Kiderült, hogy senki sem tudott minden gyakorlatot elsajátítani, a leggyorsabb csapatoknak több mint 50 percbe telt a 8 méteres akadálypálya teljesítése. A következő eseményre 2020-ban kerül sor, az exoskeleton technológia fejlődésének mutatójaként.

2019 – Az egyesült királyságbeli Lympstonban található Commando Training Center nyári bemutatói során Richard Browning, a Gravity Industries feltalálója és vezérigazgatója bemutatta Daedalus Mark 1 exoskeleton sugárhajtású ruháját, amely hatalmas benyomást tett a katonaságra, és nem csak a britekre. Hat kisméretű sugárhajtóművel - kettő hátul, kettő pedig további pár formájában mindkét karra - lehetővé teszi, hogy akár 600 m magasságba is feljuss. Eddig csak 10 percre elegendő üzemanyag repülés...