Помню, как посмотрев «Аватар», совершенно обалдел от показанных там экзоскелетов. С тех пор, думаю, что за этими умными железками будущее. Еще очень хочется к этой теме свои не той стороной заточенные ручонки приложить. Тем более, что если верить аналитическому агентству ABI Research, объем мирового рынка экзоскелетов к 2025 году составит $1,8 млрд. На данном этапе не будучи технарем, инженером, архитектором и программистом, нахожусь в некотором замешательстве. Думаю, как к этой теме подступиться. Буду рад, если в комментариях к статье отметятся люди, которым потенциально было бы интересно в подобных проектах поучаствовать.
Сейчас на рынке экзоскелетов работают четыре ключевые компании: американская Indego, израильская ReWalk, японские Hybrid Assistive Limb и Ekso Bionics. Средняя стоимость их продукции от 75 до 120 тыс. евро. В России люди тоже не сидят без делала. Например, компания «Экзоатлет » активно работает над медицинскими экзоскелетами. 
Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и United States military в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъёме 4,5 кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680 кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего он никогда полноценно не испытывался с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340 кг, её вес составлял 750 кг, что в два раза превышало подъемную силу. Без получения вместе всех компонентов для работы практическое применение проекта Hardiman было ограничено.
Дальше будет краткое повествование о современных экзоскелетах, которые так или иначе вышли на уровень коммерческой реализации.
1. Самостоятельная ходьба. Не требует костылей или иных средств для стабилизации, оставляя при этом руки свободными.
4. Экзоскелет для ног позволяет: встать\присесть, повернуться, идти назад, стоять на одной ноге, идти по лестнице, ходить по различным, даже наклонным поверхностям.
5. Устройством очень легко управлять – все функции активируются при помощи джойстика.
6. Прибор можно использовать весь день, благодаря высокоемкостному съемному аккумулятору.
7. При небольшом весе REX составляющем всего 38 килограмм, он выдерживает пользователя весом до 100 килограммов и с ростом от 1,42 до 1,93 метров.
8. Удобная система фиксации не вызывает никакого дискомфорта даже, если вы носите его целый день.
9. Также когда пользователь не двигается, а просто стоит REX не тратит заряд аккумулятора.
10. Доступ в здания без пандусов, благодаря возможности ходить по лестнице без посторонней помощи.
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 (восстановление работы рук, ног и торса). При помощи HAL 5 оператор способен поднимать и переносить предметы, в пять раз превышающие по массе максимальную нагрузку при обычных условиях.Цена в России : обещали за 243 600 рублей . В информацию подтвердить не удалось.
Возможности и технические характеристики:
1. Вес устройства 12 кг.
3. Устройство может работать от 60 до 90 минут без подзарядки.
4. Экзоскелет активно применяется реабилитации пациентов с патологией моторных функций нижних конечностей из-за нарушений центральной нервной системы или как следствие нейромышечных заболеваний.
Rewalk
Rewalk - экзоскелет, позволяющий ходить людям, страдающим параличом нижних конечностей. Подобно наружному скелету или биоэлектронному костюму, устройство ReWalk при помощи специальных датчиков определяет отклонения в равновесии человека, а затем трансформирует их в импульсы, нормализующие его движения, что позволяет человеку ходить или стоять. ReWalk уже доступен в Европе, а на сегодняшний день одобрен FDA в Соединенных Штатах.Цена в России: от 3,4 млн. рублей (под заказ).
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 реабилитации пациентов с патологией моторных функций нижних конечностей из-за нарушений центральной нервной системы или как следствие нейромышечных заболеваний.
Ekso bionic
Ekso GT - это ещё один проект экзоскелета, который помогает людям с тяжёлыми заболеваниями двигательного аппарата, вновь обрести возможность передвигаться.Цена в России: от 7,5 млн. рублей (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 из-за нарушений центральной нервной системы или как следствие нейромышечных заболеваний.
DM
DM (Dream machine ) – гидравлический автоматизированный экзоскелет с голосовой системой управления.Цена в России: 700 000 рублей.
Возможности и технические характеристики:
1. Вес устройства 21 кг.
2. Экзоскелет должен выдерживать вес пользователя до 100 кг.
3. Сфера применения может быть значительно шире, чем реабилитация пациентов с патологией моторных функций нижних конечностей из-за нарушений центральной нервной системы или как следствие нейромышечных заболеваний. Это может быть промышленность, строительство, шоу-бизнес и индустрия моды.
Вопросы для обсуждения:
1. Каков оптимальный состав команды проекта?
2. Какова стоимость проекта на начальном этапе?
3. Каковы подводные камни?
4. Каким вам видится оптимальный срок реализации проекта от идеи до коммерческого старта?
5. Стоит ли начинать подобный проект сейчас и почему?
6. Какой должна быть география и экспансия на рынок?
7. Лично вы готовы принять участие в подобном проекте и если да, то в каком качестве?
З.Ы. Буду признателен за конструктивную дискуссию, мнения, доводы и аргументы за и против в комментариях. Уверен, что не я один такой в раздумьях. Между тем, я уверен, что экзоскелет – это новый iPhone в мировой массовой культуре на горизонте ближайших десяти лет.
Экзоскелет своими руками
Как можно самостоятельно реализовать экзоскелет.
Чтобы он был дико силён следует как я понимаю остановиться на гидравлике.
Чтобы работала гидравлическая система нужны:
-прочный и подвижный каркас
-минимально необходимый набор гидравлических поршней (назову их "мышцами")
-два вакуумных насоса, две барокамеры с системой клапанов соединённые трубкой.
-трубки, способные выдержать высокое давление.
-источник питания
экзоскелета
Чтобы управлять системой клапанов:
-Небольшой дохлый компьютер
-около 30 датчиков с семью(например) степенями пропорциональными степеням открытости клапанов
-специальная программа способная считать состояния датчиков и отправить соответствующие команды клапанам.
Для чего всё это необходимо:
-"мышцы" и каркас собственно это весь опорнодвигательный аппарат.
-вакуумные насосы. почему два? чтобы один увеличивал давление в барокамерах трубах и мышцах, а второй уменьшал.
-барокамеры соединённые трубкой. в одной давление увеличивать во второй понижать, а трубку оснастить клапаном открывающимися только в двух случаях:выравнивание давления, обеспечение холостого хода жидкости.
-клапаны. это простая и эффективная система управления, которая будет зависеть от давления в барокамере и управления компьютером. повышая давление в барокамере открыв клапаны каналов "напрягаемых мышц" позволит осуществлять те или иные действия повышая давление на гидравлические поршни, двигая части скелета(каркаса).
Датчики, почему примерно тридцать?по две на стопы, по три на ноги, по шесть на руки и 4 для спины. как их расположить? против движения конечностей. чтобы выдвигаемая вперёд нога давила изнутри на экзоскелет и на датчик на внутренней его стороне. далее объясню почему именно так.
-компьютер с программой. главная задача компьютера и программы сделать так, чтобы датчики не испытывали давления, тогда человек внутри не будет ощущать лишнего сопротивления экзоскелета, который будет стремиться повторить движения человека не зависимо от активности нервов, мышц или ещё каких биометрических показателей, тем самым позволит использовать гораздо более дешёвые датчики, чем к примеру в высокотехнологичных экзоскелетах. сигналы датчиков для компьютера должны быть разделены на две группы:с безусловным управлением гидравлической системой и принимаемые только при условии что противоположный ему датчик с безусловным управлением не испытывает давления. Эта реализация удержит ногу упёртую коленом в землю от автоматического разгибания если человек сам её не разогнёт. Но для этого прийдётся человеку внутри экзоскелета приподнимать ногу от земли(либо нужно программно снизить чувствительность датчиков срабатывающих с условием). На примере ноги: датчики с безусловным сигналом расположить с фронтальной стороны, с безусловным с тыльной. сами представьте как будет осуществляться движение. при сгибании ноги человеком, нога экзоскелета согнётся даже если весь вес человека будет на датчиках разгибающих ногу. Здесь при помощи акселерометра(либо другого аппарата аналогичного вестибулярному) программно можно задать изменение безусловности сигналов датчиков в зависимости от положения тела в пространстве, исключив скрючивание экзоскелета при падении на спину.
Далее руки-для увеличения силы сделать трёхпалыми, прочными, можно совместить гидравлику и металлический трос. рука должна быть отдельно от человеческой, то есть перед запястным суставом, это исключит конструктивные сложности связанные с нахождением руки человека в руке экзоскелета и не позволит травмировать человеческую руку, а равно как и стопа человека должна быть на голеностопном суставе экзоскелета и защищена.
-управление рукой. немного свободного пространства для двух третей свободы движения кисти и пальцев руки человека в руке экзоскелета и система из трёх колец на тросиках, три пальца от мизинца до среднего в одно, указательный в другое и большой в третье. всё управление сводится к тому, чтобы пальцы человека передвигая кольцо, которое на них надето, тросиком прокручивали колесо датчика, в зависимости от поворота которого сгибались и разгибались пальцы экзоскелета. это исключит лишнее усилие гидравлики на разгибание или сгибание пальцев руки экзоскелета сверх его конструктивных возможностей. на два кольца использовать по одному тросику, на одно-два. Почему? по тому что пальцы от мизинца до указательного нужно сгибать и разгибать только в одном направлении а большой палец в двух. Если хотите, можете проверить на собственных руках.
Источник питания экзоскелета - вот с этм опять таки выходит жуткая мудятина. Выбирать источник питания нужно только после произведения всех необходимых расчётов, максимальной оптимизации конструкции экзоскелета и измерения его энергопотребления.
Экзоскелетом называется внешний каркас, который позволяет человеку совершать поистине фантастические действия: поднимать тяжести, летать, бегать с огромной скоростью, совершать гигантские прыжки и т.д. И если вы думаете, что такими устройствами обладают только главные герои "Железного человека" или "Аватара", то вы глубоко ошибаетесь. Они доступны человечеству еще с 60-х гг. прошлого века; более того, вы можете узнать, как собрать экзоскелет своими руками! Впрочем, обо всем по порядку.
Экзоскелет: знакомство
Сегодня вы вполне можете приобрести себе экзоскелет - подобную продукцию выпускает Ekso Bionics и Hybrid Assistive Limb (Япония), Indego (США), ReWalk (Израиль). Но только если у вас есть лишние 75-120 тысяч евро. В России же пока производятся только медицинские экзоскелеты. Их проектирует и выпускает компания "Экзоатлет".
Первый экзоскелет своими руками изготовили ученые корпораций General Electric и United States Military еще в шестидесятых годах прошлого века. Он назывался Hardiman и мог свободно поднять в воздух груз, предельно равный 110 кг. Надевший же это устройство человек в процессе испытывал нагрузку, как при поднятии 4,5 кг! Только вот сам Hardiman при этом весил все 680 кг. Оттого он и не пользовался большим спросом.
Все экзоскелеты подразделяются на три типа:
- для ног.
полностью роботизированные;
Современные робокостюмы весят от 5 до 30 и выше кг. Они бывают как активными, так и пассивными (работающими только по команде оператора). По предназначению экзоскелеты делятся на военные, медицинские, промышленные и космические. Рассмотрим самые замечательные из них.
Самые впечатляющие экзоскелеты современности
Собрать такие экзоскелеты своими руками дома в ближайшее время, конечно, не получится, однако познакомиться с ними стоит:
- DM (Dream machine) . Это полностью автоматический гидравлический экзоскелет, который управляется голосом своего оператора. Устройство весит 21 кг и способно выдерживать человека весом до центнера. Пока что используется для реабилитации пациентов, которые не могут ходить вследствие заболеваний ЦНС или иных нейромышечных болезней. Примерная стоимость - 7 млн рублей.
- Ekso GT . Миссия этого экзоскелета та же, что и у предыдущего - он помогает людям с патологиями моторных функций ног. Характеристики схожи с предыдущим, цена - 7,5 млн рублей.
- ReWalk . Призван вновь подарить движение людям с параличом нижних конечностей. Весит устройство 25 кг и способно работать без подзарядки 3 часа. Экзоскелет доступен в Европе и США в сумме, эквивалентной 3,5 млн рублей.
- REX . Сегодня это устройство можно купить и в России за 9 млн рублей. Экзоскелет дарит людям с параличом ног не только самостоятельную ходьбу, но и возможность встать/сесть, повернуться, пойти "лунной походкой", спуститься по лестнице и т.д. REX управляется джойстиком, способен функционировать без подзарядки весь день.
- HAL (Hybrid Assistive Limb) . Существует в двух вариантах - для рук и для рук/ног/торса. Данное изобретение позволяет оператору поднять вес в 5 раз тяжелее предельного для человека. Также применяется для реабилитации парализованных людей. Весит этот экзоскелет всего 12 кг, а его зарядки хватает на 1,0-1,5 ч.
Как сделать экзоскелет своими руками: Джеймс Hacksmith Хобсон
Первым и пока единственным человеком, сумевшим сконструировать экзоскелет во внелабораторных условиях, является канадский инженер Джеймс Хобсон. Изобретатель собрал устройство, которое позволяет ему свободно поднимать в воздух 78-килограммовые шлакоблоки. Работает его экзоскелет на пневмоцилиндрах, которые снабжает энергией компрессор, а управляется устройство при помощи пульта.
Канадец не держит в секрете свое изобретение. Как собрать экзоскелет своими руками по его примеру, вы можете узнать на сайте инженера и на его канале на "Ютуб". Однако учтите, что тяжесть веса, поднимаемого таким экзоскелетом, ложится исключительно на позвоночник оператора.
Экзоскелет своими руками: примерная схема
Подробной инструкции, позволяющей в легкую собрать экзоскелет дома, нет. Однако понятно, что для него будет нужен:
- каркас, отличающийся прочностью и подвижностью;
- гидравлические поршни;
- барокамеры;
- вакуумные насосы;
- источник питания;
- прочные трубки, способные выдержать высокое давление;
- компьютер для управления;
- датчики;
- софт, позволяющий отправлять и преобразовывать сведения с датчиков для нужной работы клапанов.
Как будет примерно работать эта композиция:
- Один насос должен увеличивать давление в системе, другой - уменьшать.
- Работа клапанов зависит от давления в барокамерах, повышение/понижение которого и будет управлять системой.
- Расположение датчиков (против движения конечностей): шесть - руки, четыре - спина, три - ноги, два стопы (всего более 30).
- Компьютерное обеспечение должно исключить давление на датчики.
- Сигналы датчиков нужно подразделить на условные (информация с них полезна, если безусловный датчик не "говорит" о испытываемым им давлении) и безусловные. Условность/безусловность этих элементов может определять, например, акселерометр.
- Руки экзоскелета - трехпалые, отделенные от запястья оператора, - чтобы исключить травмы и придать дополнительную прочность.
- Источник питания выбирается после сборки и пробной апробации экзоскелета.
Пока что только в сфере реабилитации, уже начинают входить в нашу жизнь. Появляются изобретатели, способные соорудить такое устройство вне лаборатории. Вполне возможно, что в ближайшем будущем любой школьник сможет собрать экзоскелет Сталкера своими руками. Уже можно предсказать, что за такими системами - будущее.
Экзоскелет впервые может стать доступнее массовому потребителю, принося реальную практическую пользу. Последние новости на эту тему опубликовал отраслевой портал Composites Today !
Новый экзоскелет сделает пешие прогулки комфортнее и легче. Устройство представляет из себя ботинки, созданные с применением композиционных материалов и не требует для работы источников питания!
Новый экзоскелет! Чем полезен?
Группа американских разработчиков в составе Стивена Коллинса , Брюса Виджина и Грэгори Савицки представила миру новый экзоскелет в виде своеобразных ботинок. Новинка интересна тем фактом, что ее конструкция создана с применением инновационных материалов и не предполагает использование аккумуляторов и внешних источников питания. Указанные особенности позволили не только существенно снизить вес устройства (каждый ботинок весит менее полутора килограмм ) но и сделать его полностью автономным!
Проведенные исследования показали, что «пешеходный» экзоскелет способен уменьшать расход человеком энергии при ходьбе до 7% ! Данный результат поистине можно назвать – прорывным ! Хоть первые попытки облегчить человеческое передвижение начались еще в 80-х годах прошлого века, на сегодняшний день наибольшего успеха в этом вопросе, из автономных приспособлений, добились лишь специализированные резиновые ленты, которым далеко до показателей упомянутых ботинок. Что касается экзоскелетов в принципе, то в мире существует уже множество агрегатов подобного типа, но все они, как правило, используют искусственные источники энергии. Это, в свою очередь, ограничивает свободу и автономность перемещения.
Экзоскелет – Ботинки: Принцип работы (видео)
Принцип работы экзоскелета
в виде ботинок довольно прост. Устройство, изготовленное из углеродного волокна, имеет пружину, которая крепится к ноге через механическое устройство (храповик) на тыльной стороне чуть ниже колена. Экзоскелет имеет каркас, сделанный из облегченного волокнистого углеродного материала, а также пружину, которая соединяет заднюю часть стопы с верхней частью голени (чуть ниже задней части колена), где она соединена с механической муфтой сцепления. Когда ахиллово сухожилие растягивается, муфта зацепляется в верхнем положении, пружина растягивается подобно сухожилию, накапливая энергию. После того, как шагающая нога опускается, муфта переходит в нижнее положение, пружина расслабляется, высвобождая упругую энергию, которая снова толкает муфту в верхнее положение, начиная следующий цикл. В общем виде цикл работы экзоскелета состоит из следующих этапов:
- Храповик входит в зацепление;
- Пружина ослабевает, высвобожденная упругая энергия толкает храповик вверх;
- Храповик фиксируется в высшей точке;
- После перемещения веса пружина растягивается;
- Пружина достигает максимального натяжения;
- Храповик высвобождается, нога переносится на шаг вперед, и цикл повторяется снова.
Следует отметить, что ученые работали над этим проектом долгие годы. Было испробовано много вариантов конструкции и материалов. В конечном итоге выбор пал на композиционный материал с использованием углеродного волокна.
Представленный экземпляр можно считать прорывом в индустрии и готовым (в той или иной степени) к практическому применению, тем не менее, исследователи не останавливаются на достигнутом! Уже сейчас прорабатываются варианты усовершенствования конструкции за счет применения электроники, которая позволит отслеживать индивидуальные особенности ходьбы и особенности местности (например – подъем в гору).
Кроме того, создатели инновационного экзоскелета надеются на объединение с производителями спортивного инвентаря, чтобы обрести финансовую и технологическую поддержку, которые позволят коммерциализовать изобретение. Предполагается, что экзоскелетные ботинки будут стоить не дороже ботинок лыжных. Учитывая эти предпосылки можно предположить, что новая разработка явно найдет своего покупателя и будет пользоваться спросом.
История экзоскелета
Первым в истории устройством, которое можно классифицировать как экзоскелет, можно назвать изобретение русского умельца Николая Янга . В 1890 году он представил конструкцию, состоящую из мешков со сжатым газом и позволявшее облегчить передвижение. По понятным причинам, первый экзоскелет был крайне примитивен.
Очередной шаг в вопросе разработки экзоскелетов был сделан американским изобретателем Лэсли Келли в 1917 году. Конструкция, получившая название pedomotor , использовала энергию пара.
Первый экзоскелет, в современном понимании этого слова, был разработан в 1960 году компанией General Electric для нужд вооруженных сил США. Устройство под названием Hardiman позволяло поднимать вес до 110 килограмм, используя при этом усилие, сопоставимое с поднятием человеком веса в 4,5 кг. Конструкция экзоскелета включала гидравлические механизмы и электроэнергию, как источник для работы. Тем не менее, Hardiman обладал и рядом существенных недостатков: большой собственный вес (порядка 680 кг.); низкая скорость работы; низкий уровень контроля за манипуляциями. Следует отметить, что данное устройство никогда не испытывалось с человеком внутри, из-за большого риска для жизни и здоровья испытателя.
В 1969 году в Югославии был разработан первый, шагающий экзоскелет на пневматическом приводе.
Экзоскелет от DARPA (Фото: en.Wikipedia.org)
Куда большего успеха добился Монти Рид , работая в проекте DARPA . Рид получил травму в результате неудачного прыжка с парашютом. Находясь в больнице, на восстановлении, он читал книгу Роберта Хайнлайна «Звездный десант ». В ней экзоскелет престает как ключевое обмундирование солдата. Книга вдохновила Рида, и в 1986 году миру был представлен LifeSUIT , созданный в рамках проекта Pitman . Разработки в этом направлении продолжились. Одной из последних модификаций стал экзоскелет LifeSUIT 14, способный преодолевать расстояние в 1 милю на полной зарядке и поднимать оператору вес до 92 кг.
В январе 2007 года стало известно о том, что Минобороны США (Пентагон) разместило заказ и предоставило средства Университету штата Техас на предмет создания нового класса экзоскелетов военного назначения. В рамках проекта, помимо прочего, планировалось исследовать искусственные электроактивные полимеры, призванные увеличить коэффициент прочности, снизить вес конструкции и повысить эффективность передвижения. В результате разработчики добились существенных успехов! Были на основе капроновой нити и лески. «Полимерные мышцы» из США превышают возможности человеческих мышц в 100 раз! При этом их цена составляет всего 5$ за килограмм, в то время, как мышцы для экзоскелета сделанные из сплавов титан и никеля стоят не менее 3 000$ за 1 кг.
С конца 2013 года активные исследования в вопросе экзоскелетов ведутся и в России. Проект, получивший название ExoAtlet предполагает своей целью создание механизма, предназначенного для медицинских целей.
Зачем нужен экзоскелет?
Механизм, способный облегчить пердвижение человека и повысить его физическую силу сулит большими перспективами!
На сегодняшний день эксперты выделяют 3 основные сферы, где экзоскелет будет очень востребован.
- В первую очередь это – военная индустрия ! Собственно именно здесь экзоскелеты и получили свой изначальный толчок к развитию и прогрессу. Конструкция поможет солдату переносить больший вес (в том числе оружие) и защитит его слоем брони.
- Большую пользу экзоскелеты могут принести и в медицинском сегменте . Они облегчат жизнь и помогут с передвижением людям с поврежденным опорно-двигательным аппаратом.
- Третьим направлением, где экзоскелеты будут востребованы, является использование подобных конструкций для работы . Например, в строительстве или погрузочно-разгрузочных работах.
Таким образом, можно констатировать, что экзоскелет – агрегат будущего ! Если у вас есть пара-тройка миллионов долларов, вероятно Вам стоит задуматься о инвестировании именно в этот сектор народного хозяйства.
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter
