Экзоскелет: назначение, принцип работы и разновидности

Для строительства

Экзоскелеты Sarcos Robotics серии Guardian обеспечивают перенос веса из одной части тела на другую при выполнении определенного типа работ. Также они смещают нагрузку с рук на ноги, когда рабочему нужно долго держать руки на весу. Это помогает снизить мышечное напряжение и повысить выносливость работников стройплощадок.

Экзоскелет Sarcos Robotics

Экзоскелет имеет 24 степени свободы и предупреждающие о препятствиях датчики.

Он оснащен удобным интерфейсом управления, который отображает различные уведомления. Режим «Свободные руки» позволяет оператору заблокировать руки костюма с грузом на весу, чтобы одновременно выполнять сложные задачи своими собственными.

Многие компании выпускают экзоскелеты, обеспечивающие поддержку рук, так как они лучше всего подходят для выполнения задач, связанных с резкой, сверлением и шлифованием поверхностей. Конструкции поддерживают руки и плечи таким образом, что нагрузка от постоянного удерживания тяжелых инструментов уменьшается.

Индустрия 4.0

VR-модели и дроны-наблюдатели: как технологии меняют стройку

Так, EksoVest Bionics задействовала механизм на пружинах в обеих руках экзоскелета, чтобы человеку было проще удерживать на весу тяжелые предметы. А экзоскелет от компании Levitate Technologies использует систему колесиков с приводами для решения аналогичной задачи.

Экзоскелет EksoVest Bionics

Военные экзоскелеты

Министерства обороны и военно-исследовательские институты разных стран ещё с прошлого века пытаются разработать лёгкую, простую и прочную систему для солдат.

В Пентагоне этим занимается агентство перспективных разработок DARPA, в России – институты и инженерные бюро, действующие по заказу Минобороны. Схожие проекты ведутся в Китае, Японии, Израиле, европейских странах.

XOS 2

Один из самых известных экзоскелетов для армии. Его задача – увеличение физических способностей солдата. Броня в снаряжение не включена.

Костюм помогает в логистике и штурмах. Он прибавляет сил, достаточных для переноса больших тяжестей, разрушения деревянных брусов и кирпичных стен.

Talos

Это комплексный костюм. У него есть функции брони и системы, увеличивающей силу. Он помогает вести бой со снаряжением до 45 кг. Костюм отслеживает жизненные показатели и даже останавливает кровотечение.

Состав и конкретные характеристики оборудования обычно не публикуются – Talos показывают на тематических выставках с общей презентацией.

ExoHiker

Этот скелет не позиционируется как армейский, но интересен для военных. Его задача – облегчить перенос тяжёлых рюкзаков во время похода. ExoHiker весит 14 кг, но снимает нагрузку 70 кг. На одном заряде без подключения солнечной батареи он проходит 65 км со скоростью около 4 км/час.

Что такое экзоскелеты?

Экзоскелеты – это, по сути, носимые машины, которые обеспечивают человеческие возможности аугментации . В зависимости от функции экзоскелет может быть изготовлен из твердых материалов (например, из пластика или металла) или из мягких материалов (например, ткани). Кроме того, некоторые из них могут быть моторизованными или электрическими, а другие просто механическими и без двигателя.

Чаще всего экзоскелет каким-то образом расширяет возможности владельца. Есть несколько вариантов использования экзоскелетов, в том числе:

• Повышение прочности и производительности.
• Снижение утомляемости.
• Минимизация травм.
• Оказание поддержки.
• Возвратная функция (в случае паралича или травмы).

Сколько стоит экзоскелет

Главная задача, которую должен решить производитель – это снижение массы устройства. Именно большой вес экзоскелетов не позволил им стать популярными в прошлом веке и не дает развиваться в 21-м. Чтобы снизить массу костюма, изобретатели используют в конструкции редкие материалы, из-за которых и формируется огромная стоимость экзоскелета.

Реабилитационные и медицинские экзоскелеты можно приобрести за цену от 1 миллиона рублей. Самые доступные модели этой категории имеют такую цену:

1. ExoLite P (Реабилитационный) – 3.5 млн рублей.
2. ReWalk (Ортопедический) – 6.4 млн рублей.
3. REX (Реабилитационный) – 9,48 млн рублей.
4. ЭкзоАтлет (Реабилитационный) – 3.6 млн рублей.

Силовые устройства для грузчиков имеют меньшую цену, так как принцип работы экзоскелета для предприятий отличается от медицинских аналогов. В них реализованы простые технологические решения, при небольшом размере – они значительно помогают при нагрузках. Например, ассистента для погрузки «Muscle Suit» можно купить за 400 тысяч рублей.

Как и подобает инновационным разработкам, первоначально экзоскелеты предназначались для использования военнослужащими, но постепенно перекочевали в медицину и на производство. В будущем следует ожидать развития вектора разработок и готовиться к внедрению экзо-устройств в общественную и бытовую жизнь.

Три причины использовать экзоскелет

­­­Есть множество причин, которые подтверждают целесообразность применения экзоскелетов на предприятиях. Мы рассмотрим три основные.

1. Увеличение производительности труда сотрудников и эффективности всего производства в целом. Устройство позволяет человеку выполнять сложные технологические операции быстрее, при этом затрачивать меньше усилий. Приведем простой пример: обычно установкой на трубопровод задвижки весом 52 кг на высоте 1,2 – 1,3 метра занимаются три человека. Выполнение данной операции занимает у них 3 мин 24 с. Один работник в экзоскелете способен сделать ту же работу за 3 мин 48 сек (почти то же время). Следовательно, остальные два человека в этот момент могут выполнять другую работу. Это наглядно показывает, что использование экзоскелетов помогает высвобождать человеческие ресурсы, повышать эффективность и производительность работников.
2. Снижение количества травм на производстве. Неожиданная судорога, усталость – все это может привести к тому, что работник уронит тяжелый предмет и получит травму. Экзоскелет помогает избежать подобных ситуаций.
3. Снижение риска возникновения профессиональных заболеваний. Из-за постоянных физических нагрузок на производстве (в том числе переноса тяжелых предметов, постоянной работы с поднятыми руками и т.п.) у работника могут развиться серьезные заболевания опорно-двигательного аппарата (межпозвоночная грыжа, ревматоидный артрит и т.п.). Благодаря экзоскелету уровень нагрузки на тело человека при выполнении указанных манипуляций значительно снижается, что позволяет свести к минимуму вероятность возникновения  профессиональных заболеваний.

  Немного статистики

Все приведенные выше факты подтверждают важность данных устройств на современных предприятиях. Становится понятно, что давно назрела необходимость их повсеместного ввода в эксплуатацию на производствах для облегчения тяжелого труда людей, уменьшения количества травм и повышения эффективности работы (как всего производства, так и отдельных сотрудников)

Типы экзоскелетов

Уже используются различные экзоскелеты. Многие из них используются в строительной отрасли и предназначены для повышения производительности и безопасности рабочих.

Силовые перчатки

Силовые перчатки, такие как Bioservo Ironhand, обнаруживают действия пользователя с помощью датчиков в перчатке. Когда перчатка обнаруживает, что владелец собирается схватить объект, Ironhand увеличивает силу захвата владельца. Сила варьируется в зависимости от ощущаемого веса объекта.

Поддержка верхней части тела

Экзоскелеты, предназначенные для поддержки верхней части тела, перераспределяют вес с рук и плеч на другие части тела, включая ядро ​​и ноги. Это снижает напряжение и утомляемость, связанные с работой над головой, такой как подъем, штукатурка, резка и сверление.

Обычно они работают, обеспечивая металлический каркас, который окружает сундук или ядро. Отсюда металлический стержень (или другая технология распределения веса, такая как шкивы или пружины) проходит к рычагам, обеспечивая противовес рабочей нагрузке.

Примером этого является экзоскелет корпуса Levitate Technology . В корпусе самолета используется система шкивов, позволяющая снизить нагрузку до 80% при выполнении задач над головой. Шкивы активируются, когда пользователь поднимает руки, и постепенно отпускают их по мере их опускания. Другой пример – здравоохранение, где прототип костюма используется, чтобы помочь медсестрам поднимать пациентов на кровати и вставать с них .

Приседание и поддержка стоя

Когда пользователь приседает, экзоскелет нижней части тела фиксируется, чтобы выдержать вес его тела, так что его ноги и колени не должны выполнять какую-либо работу

Это также позволяет рабочим сидеть и снимать вес с ног, что важно для тех, кто стоит долгие часы

LegX от suitX является примером экзоскелета с опорой на корточки. Он поставляется с индивидуальными рабочими ботинками и ремнями для инструментов, а также использует датчики, чтобы определять, когда пользователь приседает, стоит или идет, обеспечивая поддержку по мере необходимости.

Экзоскелеты всего тела

Экзоскелеты всего тела, как следует из названия, обеспечивают поддержку всего тела. Примером является костюм X, который снимает вес с пользователя, когда он наклоняется , поднимает предметы над головой, приседает или просто стоит. В костюме X используются пневматические пружины и вспомогательные механизмы.

В настоящее время разрабатываются несколько экзоскелетов, обеспечивающих движение обратно инвалидам и раненым (например, с инсультом или травмами позвоночника, утратившими способность двигаться).

Фактически, уже существует несколько экзоскелетов нижней части тела, которые обеспечивают эту функцию. В медицинских учреждениях эти экзоскелеты с электроприводом позволяют пациентам снова нести свой вес и ходить. Некоторые из них работают, принимая активность мозга и переводя ее в движение (управляя экзоскелетом с помощью вашего разума).

Местонахождение[]

«Тень Чернобыля»

• Бар — в продаже у Бармена, может появиться при отличной репутации (обычно после передачи документов из лаборатории X16 Бармену). Стоит 200 000 RU.
• Армейские склады — в продаже у Скряги. Стоит — 150 000 RU, но до вступления в «Свободу» цена будет такой же как и у Бармена.
• Саркофаг

  На ящике у входа в лабораторию.

  — в синем ящике, в оружейном складе «Монолита», на нижних уровнях.

• Управление Монолитом — в комнате в прямом направлении от входа.
• ЧАЭС

  1.0003 Под лестницей на крыше ЧАЭС.

  — на крышах ЧАЭС.

«Чистое Небо»

• Тёмная Долина — после вступления в «Свободу» появляется в продаже у Ашота, если плацдарм на Свалке захвачен и при высоком уровне материального обеспечения группировки.
• НИИ «Агропром» — в продаже у Дрозда, если ГГ — одиночка

  После вступления в «Долг» появляется в продаже у Митяя, если плацдарм на Свалке захвачен и при высоком уровне материального обеспечения группировки.

  и группировка, в которой он состоит, обладает большим количеством ресурсов.

«Зов Припяти»

• Затон — можно заказать у Шустрого. Цена — 60 000 RU, с первоначальным взносом в 12 000 RU. После данной покупки открываются более дешёвые варианты:
  1. В продаже у Сыча за 45 000 RU после получения достижений «Свой парень» или «Авторитет» (необходимо достижение «Состоятельный клиент»). При получении достижения «Торговец информацией» цена уменьшается до 40 000 RU.
  2. В продаже у Гавайца за 45 000 RU после получения достижения «Состоятельный клиент», «Друг „Долга“» или «Друг „Свободы“».

Вкалывают роботы или человек

«От нас как разработчиков постоянно ждут какого-то голливудского шоу. В реальности экзоскелеты наиболее эффективны для узкоспециализированных производственных задач, которые, как правило, рутинны и травмоопасны, — ​говорит Максим Скоков. — ​Примерно четверть производственных травм связано с перегрузками различного рода, прежде всего физическими. А из них 70% приходится на опорно-двигательный аппарат. Неслучайно Минпромторг относит экзоскелеты к средствам индивидуальной защиты, а Центр медицины труда прямо сейчас составляет два ГОСТа, описывающих, как подобная техника должна защищать здоровье сотрудников».

Скрыть текст

Коленный сустав блокируется и разблокируется с помощью вентилей на гидроцилиндрах, управляемых вручную

Если экзоскелеты вводятся в федеральную нормативно-правовую базу, значит, на них уже имеется спрос со стороны крупных и средних производств. Желая улучшить эффективность труда, промышленники в первую очередь задумываются о роботизации, то есть о полном исключении человека из производственного процесса. Однако роботы хороши для простых и часто повторяющихся операций. Если работник конвейера делает, скажем, три операции по очереди, то заменить его, скорее всего, смогут только три робота. Но даже если один умный робот сумеет заменить трех человек, ему все равно понадобится настройка и обслуживание, то есть услуги высококвалифицированного и высокооплачиваемого специалиста.

Экзоскелеты упрощают не только рутинный труд. «Нашим первым гражданским заказчиком был владелец стоматологической клиники, — ​рассказывает Максим Скоков, — ​он много лет занимается зубными имплантами. Во время операций, которые длятся до шести часов, у врача устают ноги, спина, шея, руки». Статические нагрузки характерны для очень многих профессий. Во всех этих случаях может помочь экзоскелет. Правда, его эффективность трудно оценить, просто примерив. Нужно отработать смену, день или два, чтобы понять: внешний каркас снимает как минимум половину усталости.

Скрыть текст

Отдельные модули «спина» и «ноги» работают и по отдельности. Соединяясь, они образуют единый силовой каркас

Поднять груз единожды и носить его целый день — ​большая разница. Непонимание этого часто приводит к травмам. Поэтому, согласно СНиП, иметь дело с грузом больше 15 кг уже вредно, а поднимать 50 кг и больше можно только вдвоем. Но что делать, если хочешь в одиночку перетаскивать автомобили? В Голливуде ответ давно знают: поможет активный экзоскелет.

HULC

Экзоскелет HAL корпорации Cyberdyne Inc. помогает парализованным снова начать ходить, а костюм HULC, разработанный компанией Lockheed Martin, превращает здоровых солдат в механизированных воинов, увеличивая их силу, скорость и выносливость до непревзойденного уровня.

Выбравшись за пределы комиксов и фильмов, таких как «Бросок кобры», экзоскелеты теперь помогают солдатам в полевых условиях

Гидравлический экзоскелет HULC помогает солдатам выдерживать сверхчеловеческие нагрузки, позволяя нести до 90 кг груза по пересеченной местности в течение нескольких часов без перерыва, сохраняя при этом максимальную мобильность. Это достигается путем увеличения возможностей солдата с помощью активных титановых ног и экзоскелета, управляемого компьютером и оборудованного встроенным источником питания. Этот механизм переносит вес груза на землю, обеспечивая при этом солдата силами для продолжительного, быстрого перемещения в области военных действий.

Благодаря усовершенствованной композитной конструкции и специальным материалам, HULC защищает своих пользователей от повреждений опорно-двигательного аппарата, вызываемых переносом тяжелых грузов. В действительности, если учесть, что HULC может также повысить эффективность обмена веществ человека, уменьшить потребление кислорода и снизить вероятность утомления, сложно представить будущее вооруженных столкновений без подобных механизированных воинов.

Производство экзоскелетов

Первые экзоскелеты были разработаны во второй половине 20 века. Они, как и многие их «потомки», обладали огромной массой. Устройства создавались с целью подъема тяжелых грузов, однако большой вес не позволил внедрить их в практическое использование.

Постепенно масса экзоскелетов уменьшалась, а функции расширялись. Металлические элементы по возможности стали заменяться на легкие прочные пластики, из конструкции исключались лишние элементы, не несущие полезных функций.

Как и другие механизмы, узлы экзоскелетов нуждаются в смазывании для снижения трения и изнашивания.

Однако пользователи отмечают, что пластичные смазки, используемые на деталях, пачкают их одежду и тело, испаряются и обладают резким запахом.

Производители экзоскелетов нашли решение. В некоторых узлах на этапе их производства стали использовать твердую смазку – антифрикционные покрытия, которые снижают трение лучше, чем обычные смазки, но при этом обладают сухой текстурой, не испаряются, не выделяют токсичных веществ. Например, на регулировочные пластины медицинских и других экзоскелетов стали наносить антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY 1066.

Благодаря этому повысился комфорт пользования экзоскелетами, устранился скрип при перемещении элементов, повысился ресурс деталей и устранилась необходимость в их обслуживании.

Это только один из современных примеров модернизации экзоскелетных комплексов для повышения доступности и комфорта их использования.

Проблемы и ограничения экзоскелетов

Прежде чем экзоскелеты станут более полезными, дешевыми и распространенными, необходимо преодолеть несколько проблем.

Источник питания

Для экзоскелета с приводом требуется источник питания. Прокладка кабелей от экзоскелета создает проблемы с безопасностью и эффективностью, поэтому батареи подходят гораздо лучше. Но батареи требуют зарядки и частой замены. Батареи также значительно увеличивают вес экзоскелета, что может усложнить его конструкцию и повысить эффективность. Это означает, что нам могут потребоваться значительные достижения в области аккумуляторных технологий для создания жизнеспособных и мощных экзоскелетов.

Компания Sarcos, занимающаяся разработкой экзоскелетов, работает над Guardian XO, который может работать при мощности менее 500 Вт (намного меньше, чем у большинства конкурентов) в течение более 8 часов и заменять батареи без отключения экзоскелета.

Материалы и вес

Еще одна серьезная проблема – найти прочные, но легкие материалы, которые не должны работать экзоскелету, чтобы поднимать собственный вес, и при этом быть доступными. Углеродное волокно и аналогичные материалы обычно прочные и достаточно легкие, но довольно дорогие. Сталь, будучи достаточно прочной, часто бывает слишком тяжелой и снижает или разрушает эффективность экзоскелета.

Гибкость суставов и приведение в действие

Наконец, экзоскелет должен как двигаться вместе с человеческим телом, так и обеспечивать силу или поддержку. Это означает, что он должен иметь суставы, соответствующие диапазону движений человеческих конечностей (и позвоночника), а также быть достаточно мощными, чтобы выполнять свою работу. Это сложнее, чем кажется на первый взгляд!

Мягкие экзоскелеты намного лучше жестких экзоскелетов в плане гибкости, но обеспечивают гораздо меньшую поддержку (пока). И есть несколько технологий, которые используются для обеспечения силы суставов. Один интересный пример – пневматическая мышца, которая работает очень аналогично человеческим мышцам, за исключением использования сжатого воздуха.

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:

1. Один насос должен увеличивать давление в системе, другой — уменьшать.
2. Работа клапанов зависит от давления в барокамерах, повышение/понижение которого и будет управлять системой.
3. Расположение датчиков (против движения конечностей): шесть — руки, четыре — спина, три — ноги, два стопы (всего более 30).
4. Компьютерное обеспечение должно исключить давление на датчики.
5. 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.
6. Руки экзоскелета — трехпалые, отделенные от запястья оператора, — чтобы исключить травмы и придать дополнительную прочность.
7. Источник питания выбирается после сборки и пробной апробации экзоскелета.

Роботизированные костюмы, 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.

Источник

Для ходьбы и бега

Группа инженеров под руководством Конора Уолша из Гарвардского университета в 2019 году представила носимый экзоскелет, способный снижать энергозатраты во время ходьбы и бега. Он подтягивает ноги в определенные моменты движения. Во время ходьбы экзоскелет снижает энергозатраты на 9,3%.

Экзоскелет для ходьбы и бега

Экзоскелет состоит из нескольких связанных между собой частей. Они крепятся на бедрах, талии и плечах. На задней части устройства расположен блок с электромоторами, связанными с двумя тросами. На других концах эти тросы закреплены на бедрах. Когда нога движется назад, трос натягивается с помощью электромотора и облегчает работу мышц.

В 2020 году ученые из Стэнфорда разработали свой прототип экзоскелета, который дает возможность снизить нагрузку на ноги при беге и при ходьбе. Он позволяет снизить затраты энергии на бег уже на 15%.

Экзоскелет крепится к голени при помощи ремней, также он закрепляется на обуви при помощи веревки, которая пропускается петлей под стопой. У экзоскелета есть небольшая поддерживающая углепластиковая платформа, которая размещается под стопой. Он управляется с использованием системы тросов, натягиваемых или ослабляемых внешними электромоторами.

Прототип экзоскелета стэнфордских инженеров

Подобные экзоскелеты позволят облегчить работу курьеров и почтальонов, а также работников других сфер, которым требуется много ходить.

Немного истории

Фантастический роман, в котором главный герой впервые соорудил настоящий паровой механизм, позволяющий ему передвигаться со скоростью 95 км/час при охоте на индейцев и быков, вышел еще в 1868 году. Автор книги «Паровой человек прерий» Эдвард Сильвестр Эллис, разумеется, представил совершенно невообразимую на то время идею, о которой ранее, возможно, никто никогда и не задумывался.

Чтобы человек всерьез начал размышлять о создании первого прототипа современного экзоскелета, с момента выхода книги Эллиса должно было пройти еще около 30 лет. Именно 1890-х годах Николай Янг — российский инженер и конструктор, живший в Америке, запатентовал около десятка собственных чертежей и идей своеобразных приспособлений, которым можно было бы дать название «механический экзоскелет», ориентированных на военную сферу применения. Его проекты, будь они реализованы, должны были помогать солдатам ходить, бегать и прыгать с большей скоростью и легкостью. Также можно было бы использовать их для поднятия тяжестей. Впрочем, разработки Янга в области первых костюмов Железного человека так и не увидели свет, а сам инженер скорее известен изобретением автоматического механизма, подающего воду в паровые котлы, — так называемого «Друга кочегара».

Однако идею создать экзоскелет будущего, дающий своему хозяину сверхспособности не за счет каких-то магических и мистических свойств, а исключительно силой технологий, ученые и инженеры не забросили. Слишком уж заманчиво она звучала, и особенно в период расцвета технологического бума в середине XX века, который спустя десятилетия подарил нам смартфоны и роботы-пылесосы.

Конечно, первые сигналы по-прежнему приходили из области культуры (человеку свойственно проверять живучесть своих теории абстрактно). Так, в 1963 году Marvel Comics впервые создала своего «Железного человека», которого сейчас широкая публика знает в первую очередь по фильмам. В тот же год Роберт Хайнлайн, один из известнейших писателей-фантастов, выпустил книгу «Звездный десант», герои которой, проживая в будущем, использовали боевой экзоскелет так же легко, как мы используем обычную одежду.

Механизм робота-экзоскелета

Основой конструкции экзоскелета является металлический или произведенный из легких прочных полимеров корпус.

Как правило, экзоскелеты для нижних конечностей производятся именно из металла. Хоть они и имеют вес, равный нескольким десяткам килограмм, пользователь этого не ощущает.

Приведение устройства в движение осуществляется при помощи электроники и системы датчиков, регистрирующих электрическую активность мышц.

Регулировочный механизм робота-экзоскелета позволяет менять его размер в соответствии с индивидуальными особенностями тела пользователя для повышения комфорта использования.

Увеличению доступности экзоскелетов во многом способствует внедрение материалов, повышающих срок их службы – антифрикционных твердосмазочных покрытий.

Такие составы уже успешно применяются отечественными компаниями по производству экзоскелетов. Они формируют на деталях экзоскелетов прочный слой, снижающий трение без необходимости обновления. Благодаря этому подвижные детали, которые обычно подвергаются самому интенсивному износу и первыми выходят из строя, функционируют столько же, сколько и остальные компоненты, а иногда и дольше.

Например, покрытие MODENGY 1066 наносится на регулировочные пластины экзоскелетов, поверхность которых при перемещении в процессе регулирования размера экзоскелета подвергается сильному трению и износу. Применение материала позволило продлить срок службы пластин.

Кроме того, важным преимуществом твердой смазки является сухая текстура, нетоксичность и отсутствие испарений. Используемые ранее смазки пачкали одежду и части тела пользователей, а также оказывали негативное влияние на их здоровье из-за вредных испарений.

Для получения энергии активные экзоскелеты оснащаются источниками питания.

Для стабильной работы экзоскелета без перекосов и оптимального распределения нагрузки механизм оснащается автоматическими контроллерами.

Механизм робота-экзоскелета пассивного типа основан на базовых законах механики. За счет рычагов и противовесов нагрузка оптимально распределяется между разными частями тела оператора.

Какие бывают?

Чтобы обеспечить удовлетворение потребностей в различных областях инженерами были созданы несколько типов экзоскелетов. В первую очередь они могут быть активными и пассивными по принципу работы. Не сложно догадаться, что активный экзоскелет имеет в своем строении предусмотренный элемент питания, за счет которого и происходит движение приводов. Сразу можно представить в качестве аналога костюм «Железного человека» из фантастической киновселенной Marvel. Устройства с электрическими приводами способны многократно увеличивать прилагаемую человеком силу.

Управление активным экзоскелетом может осуществляться за счет нескольких типов контроллеров:

• силового взаимодействия;
• крутящего момента/силы;
• положения.

Подача команд на сами контроллеры осуществляются за счет воздействия определенного набора движений. При любом изменении в показателях веса, нагрузки, положения, система реагирует соответствующими действиями.

В отличие от активных пассивные экзоскелеты не требуют источника дополнительного питания, а весь их принцип действия базируется на основных законах механики. За счет использования в конструкции рычагов и противовесов костюм распределяет нагрузку равномерно и снижает ее в среднем на 30%. На данный момент существуют персональные вспомогательные подъемные устройства и устройства возврата, которые не предусматривают возможность сгибания. Оба имеют раму, которая выполняет основную функцию поддержания и распределения нагрузки. Более подробно об особенностях тех и других моделей описано в статье «Чем отличается активный экзоскелет от пассивного?».

Также экзоскелеты делятся в зависимости от метода ношения:

• для рук;
• для ног;
• для коленных суставов;
• для спины.

Механизмы используются как самостоятельные вспомогательные устройства так и в качестве элементов целого костюма. В качестве примера можно привести комбинацию элементов для рук и спины, которые часто применяются операторами для ведения более чистой и качественной съемки.

Недостатки устройств

Хотя современные модели гораздо легче и дешевле своих прототипов, инженерам пока удалось решить не все проблемы.

• Материал. В распоряжении ученых не так много материалов, которые подходят для основы конструкции. Сталь и алюминий доступны, но для длительного использования не подходят. Алюминий накапливает усталость, а сталь имеет большой вес, что приводит к снижению эффективности «костюма». Углепластик – эффективен, но дорог.
• Питание. В качестве питания для экзоскелета могут использоваться электрическая сеть (не самый мобильный вариант) или бензиновый двигатель-ранец (неудобно, а в военном деле еще и небезопасно). Сегодня активно развиваются модели со сменными батареями.
• Управление. Непреднамеренные или нежелательные движения владельца, часто влекут за собой разрушительные последствия.

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.

История создания экзоскелетов

В середине 20 века велась разработка экзоскелетов сразу в нескольких странах одновременно. Одними из первых, кто добился в этом успеха стала компания General Electric из Америке, а устройство получило название Hardiman. Конструкция была чрезвычайно объемной, громоздкой и охватывало все тело. Основное назначение Хардимана – помогать пользователю поднимать и переносить большие тяжести.

Принимая во внимание то, как устроен экзоскелет от Дженерал Электрик примерно в тоже время (60-70-е года 20 века) были разработаны экзоскелеты медицинского назначения: в институте Михайло Пупина в Сербии и в Университете Висконсин-Мэдисон в США. Однако в серийное производство технология была запущена только в начале двухтысячных и одной из первых моделей, помогающей восстанавливать двигательные функции человека был Lokomat

И в пир, и в мир

На данном этапе развития у экзоскелетов существует только два недостатка. Первый — это их недоработанность. Да, мы уже можем сделать многое, но не меньше остается за пределами возможностей современных технологий. Впрочем, это всего лишь вопрос времени.

Второй недостаток, частично вытекающий из первого, — это дороговизна уже существующих приспособлений. Пока производство экзоскелетов требует слишком много ресурсов, увы, они не будут доступны для каждого человека, который в них нуждается. Также невозможно точно сказать, сколько стоит экзоскелет, потому что для каждого отдельного случая он будет разрабатываться специально. Речь здесь ведется, конечно же, о медицинских костюмах и протезах. Как правило, у оборонной промышленности достаточно средств для того, чтобы оснастить солдат последними технологическими достижениями.