Exoskelett
Även om vi har hört mer och mer om exoskelett på sistone, visar det sig att historien om denna uppfinning går tillbaka till artonhundratalet. Ta reda på hur det har förändrats under decennierna och hur vändpunkterna i dess utveckling såg ut.
1. Illustration från Nikolai Yagnas patent
1890 – De första innovativa idéerna för att skapa ett exoskelett går tillbaka till 1890-talet. 420179 patenterade Nicholas Yagn i USA (patentnummer US XNUMX A) "En anordning för att underlätta gång, spring och hoppa" (1). Det var pansar gjord av trä, vars syfte var att öka en krigares hastighet under en flera kilometer lång marsch. Designen blev en inspirationskälla för vidare sökande efter den optimala lösningen.
1961 – På 60-talet började General Electric, tillsammans med en grupp forskare från University of Comell, arbetet med att skapa en elektrohydraulisk dräkt som stödjer mänsklig träning. Samarbete med militären i Man Augmentation-projektet ledde till utvecklingen av Hardiman (2). Målet med projektet var att skapa en kostym som skulle imitera en persons naturliga rörelser, så att han kunde lyfta föremål som väger nästan 700 kg. Själva dräkten vägde lika mycket, men den påtagliga vikten var bara 20 kg.
2. General Electric värmeväxlare prototyp
Trots framgången med projektet visade det sig att dess användbarhet var försumbar, och de första kopiorna skulle bli dyra. Deras begränsade mobilitetsmöjligheter och komplexa kraftsystem gjorde i slutändan dessa enheter oanvändbara. Vid testning visade det sig att Hardiman endast kan lyfta 350 kg, och när den används under långa perioder har den en tendens att göra farliga, okoordinerade rörelser. Endast en arm övergavs från vidareutveckling av prototypen - enheten vägde cirka 250 kg, men den var lika opraktisk som det tidigare exoskelettet.
70-talet. "På grund av sin storlek, vikt, instabilitet och kraftproblem kom Hardiman aldrig i produktion, men den industriella Man-Mate använde en del teknik från 60-talet. Rättigheterna till tekniken köptes av Western Space and Marine, grundat av en av GE:s ingenjörer. Produkten har vidareutvecklats och finns idag i form av en stor robotarm som kan lyfta upp till 4500 XNUMX kg med force feedback, vilket gör den idealisk för stålindustrin.
3. Exoskelett byggda vid Mihailo Pupin Institute i Serbien.
1972 – Tidiga aktiva exoskelett och humanoida robotar utvecklades vid Mihailo Pupin Institute i Serbien av en grupp ledd av prof. Miomir Vukobratovich. För det första har benrörelsesystem utvecklats för att stödja rehabilitering av personer som lider av paraplegi (3). Vid utvecklingen av aktiva exoskelett utvecklade institutet även metoder för att analysera och kontrollera mänsklig gång. Några av dessa framsteg har bidragit till utvecklingen av dagens högpresterande humanoida robotar. 1972 testades ett aktivt exoskelett med pneumatisk drivning och elektronisk programmering för paraplegiker på en ortopedisk klinik i Belgrad.
1985 "En ingenjör vid Los Alamos National Laboratory bygger ett exoskelett som kallas Pitman, kraftrustning för infanterister. Styrningen av enheten baserades på sensorer som skannar ytan på skallen, placerade i en speciell hjälm. Med tanke på kapaciteten hos den tidens teknik var det en för komplex design att tillverka. Begränsningen var främst datorernas otillräckliga datorkraft. Dessutom var det tekniskt praktiskt taget omöjligt att bearbeta hjärnsignaler och omvandla dem till exoskelettrörelser vid den tiden.
4. Lifesuit exoskelett designat av Monty Reed.
1986 — Monty Reed, US Army-soldat som brutit sin ryggrad under fallskärmshoppning, utvecklar ett exoskelett för överlevnadsdräkt (4). Han inspirerades av beskrivningarna av mobila infanteridräkter i Robert Heinleins science fiction-roman Starship Troopers, som han läste när han återhämtade sig på sjukhus. Men Reed började inte arbeta på sin enhet förrän 2001. 2005 testade han en prototyp 4,8-gauge flyktdräkt i St. Patrick's Day-loppet i Seattle, Washington. Utvecklaren påstår sig ha satt rekord för gånghastighet i robotdräkter, som täcker 4 kilometer med en medelhastighet på 14 km/h. Lifesuit 1,6-prototypen kunde färdas 92 km fulladdad och kunde lyfta XNUMX kg.
1990-nutid - Den första prototypen av HAL exoskelettet föreslogs av Yoshiyuki Sankai (5), Prof. Universitetet i Tsukuba. Sankai tillbringade tre år, från 1990 till 1993, med att identifiera nervcellerna som styr benrörelserna. Det tog honom och hans team ytterligare fyra år att prototypa utrustningen. Den tredje HAL-prototypen, utvecklad i början av 22-talet, kopplades till en dator. Själva batteriet vägde nästan 5 kg, vilket gör det väldigt opraktiskt. Däremot vägde den senare modellen HAL-10 endast 5 kg, och batteriet och kontrolldatorn lindades runt användarens midja. HAL-XNUMX är för närvarande ett medicinskt exoskelett med fyra ben (även om en version för endast nedre extremiteter också finns) tillverkad av det japanska företaget Cyberdyne Inc. i samarbete med University of Tsukuba.
5. Professor Yoshiyuki Sankai presenterar en av exoskelettmodellerna.
Fungerar cirka 2 timmar 40 minuter både inomhus och utomhus. Hjälper till att lyfta tunga föremål. Arrangemanget av kontroll- och drivelement i behållare inuti kroppen gjorde det möjligt att bli av med "ryggsäcken" som är så karakteristisk för de flesta exoskelett, ibland liknar en stor insekt. Personer med högt blodtryck, osteoporos och någon hjärtsjukdom bör konsultera en läkare innan de använder HAL, och kontraindikationer inkluderar, men är inte begränsade till, pacemaker och graviditet. Som en del av HAL FIT-programmet erbjuder tillverkaren möjligheten att använda terapeutiska sessioner med ett exoskelett för både sjuka och friska personer. Designern HAL hävdar att nästa steg av moderniseringen kommer att syfta till att skapa en tunn kostym som gör att användaren kan röra sig fritt och till och med springa.
2000 - prof. Homayoun Kazeruni och hans team på Ekso Bionics utvecklar en Universal Human Cargo Carrier, eller HULC (6) är ett trådlöst exoskelett med hydraulisk drivning. Syftet är att hjälpa stridande soldater att bära laster som väger upp till 90 kg under långa perioder, med en maxhastighet på 16 km/h. Systemet presenterades för allmänheten vid AUSA Winter Symposium den 26 februari 2009, när ett licensavtal nåddes med Lockheed Martin. Det dominerande materialet som används i denna design är titan, ett lätt men relativt dyrt material med höga mekaniska och hållfasthetsegenskaper.
Exoskelettet är utrustat med sugkoppar som gör att det kan bära föremål som väger upp till 68 kg (lyftanordning). Strömförsörjningen kommer från fyra litium-polymerbatterier, som säkerställer normal drift av enheten vid optimal belastning i upp till 20 timmar. Exoskelettet testades i olika stridsförhållanden och med olika belastningar. Efter en rad framgångsrika experiment skickades han hösten 2012 till Afghanistan, där han testades under den väpnade konflikten. Trots många positiva recensioner avbröts projektet. Som det visade sig gjorde designen det svårt att utföra vissa rörelser och ökade faktiskt belastningen på musklerna, vilket stred mot den allmänna idén om dess skapelse.
2001 – Projektet Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), ursprungligen avsett främst för armén, pågår. Inom dess ram har lovande resultat uppnåtts i form av autonoma lösningar av praktisk betydelse. Först och främst skapades en robotanordning, fäst på underkroppen för att ge benen extra styrka. Utrustningen finansierades av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) och utvecklades av Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, en avdelning av University of California, Berkeley Mechanical Engineering Department. Berkeleys exoskelettsystem ger soldater möjligheten att bära stora nyttolaster med minimal ansträngning och över alla typer av terräng, såsom mat, räddningsutrustning, första hjälpen-kit, kommunikationer och vapen. Förutom militära tillämpningar utvecklar BLEEX för närvarande civila projekt. Robotics and Human Engineering Laboratory undersöker för närvarande följande lösningar: ExoHiker - ett exoskelett designat främst för expeditionsmedlemmar där det finns behov av att transportera tung utrustning, ExoClimber - utrustning för personer som klättrar i höga kullar, Medical Exoskelett - ett exoskelett för personer med funktionsnedsättning fysiska förmågor. rörlighetsstörningar i nedre extremiteter.
8. Sarcos XOS 2 prototyp i aktion
текст
2010 – XOS 2 visas (8) är en fortsättning på XOS exoskelettet från Sarcos. Först och främst har den nya designen blivit lättare och mer pålitlig, vilket möjliggör statiska lyft av laster som väger upp till 90 kg. Enheten liknar en cyborg. Styrningen baseras på trettio ställdon som fungerar som konstgjorda leder. Exoskelettet innehåller flera sensorer som överför signaler till ställdon via en dator. Således sker en jämn och kontinuerlig kontroll utan att användaren känner någon större ansträngning. XOS väger 68 kg.
2011-nutid – US Food and Drug Administration (FDA) godkänner ReWalks medicinska exoskelett (9). Det är ett system som använder styrkeelement för att stärka benen och låter paraplegiker stå upprätt, gå och gå i trappor. Energi tillhandahålls av ett ryggsäcksbatteri. Styrningen sker med hjälp av en enkel handhållen fjärrkontroll, som känner av och korrigerar användarens rörelser. Allt detta utvecklades av Amit Goffer från Israel och säljs av ReWalk Robotics Ltd (ursprungligen Argo Medical Technologies) för cirka 85 tusen PLN. dollar.
9. Människor går i ReWalk exoskelett
Vid tidpunkten för utgivningen fanns utrustningen tillgänglig i två versioner - ReWalk I och ReWalk P. Den första används av medicinska institutioner för forskning eller terapeutiska syften under överinseende av en läkare. ReWalk P är avsedd för personligt bruk av patienter i hemmet eller på offentliga platser. I januari 2013 släpptes en uppdaterad version av ReWalk Rehabilitation 2.0. Detta förbättrade sittställningen för längre personer och förbättrade kontrollmjukvaran. ReWalk kräver att användaren använder kryckor. Kardiovaskulära sjukdomar och benskörhet nämns som kontraindikationer. Begränsningar är också höjd, inom 1,6-1,9 m, och kroppsvikt upp till 100 kg. Detta är det enda exoskelettet där du kan köra bil.
10. eLEGS från Ex Bionics
2012 Ekso Bionics, tidigare känt som Berkeley Bionics, presenterar sitt medicinska exoskelett. Projektet startade två år tidigare under namnet eLEGS (10), och var avsedd för rehabilitering av personer med olika grader av förlamning. Liksom ReWalk kräver designen användning av kryckor. Batteriet ger energi för minst sex timmars användning. Exo-kitet kostar cirka 100 tusen. dollar. I Polen är Ekso GT exoskelettprojektet känt - en medicinsk apparat som är designad för att fungera med neurologiska patienter. Dess design tillåter promenader, inklusive personer efter stroke, ryggmärgsskador, patienter med multipel skleros eller med Guillain-Barre syndrom. Utrustningen kan fungera i flera olika lägen, beroende på graden av dysfunktion hos patienten.
2013 – Mindwalker, ett sinneskontrollerat exoskelettprojekt, får finansiering från Europeiska unionen. Designen är resultatet av ett samarbete mellan forskare från Fria universitetet i Bryssel och Santa Lucia Foundation i Italien. Forskarna testade olika sätt att styra enheten – de tror att hjärnan-neuro-dator-gränssnittet (BNCI) fungerar bäst, vilket gör att du kan styra den med tankar. Signaler passerar mellan hjärnan och datorn och går förbi ryggmärgen. Mindwalker omvandlar EMG-signaler, det vill säga små potentialer (kallade myopotentialer) som uppträder på ytan av en persons hud när musklerna arbetar, till elektroniska rörelsekommandon. Exoskelettet är ganska lätt, väger endast 30 kg utan batterier. Den kommer att stödja en vuxen som väger upp till 100 kg.
2016 – ETH Technical University i Zürich, Schweiz, är värd för den första Cybathlon-idrottstävlingen för personer med funktionshinder som använder hjälprobotar. En av disciplinerna var exoskelettloppet på en hinderbana för personer med förlamning av nedre extremiteter. I denna demonstration av färdigheter och teknik var exoskelettanvändare tvungna att utföra uppgifter som att sitta på en soffa och resa sig upp, gå på sluttningar, trampa på stenar (som när de korsar en grund bergflod) och klättra i trappor. Det visade sig att ingen kunde bemästra alla övningar och det tog de snabbaste lagen mer än 50 minuter att klara den 8 meter långa hinderbanan. Nästa evenemang kommer att äga rum 2020 som en indikator på utvecklingen av exoskelettteknologi.
2019 – Under sommardemonstrationer vid Commando Training Center i Lympston, Storbritannien, visade Richard Browning, uppfinnare och VD för Gravity Industries, upp sin Daedalus Mark 1 exoskelett-jetdräkt, som gjorde ett enormt intryck på militären, och inte bara britterna. Sex små jetmotorer - två av dem är installerade på baksidan och två i form av ytterligare par på varje arm - gör att du kan klättra till en höjd av upp till 600 m. Än så länge finns det bara tillräckligt med bränsle för 10 minuter av flyg...
