Применение экзоскелета в различных областях
Применение экзоскелета в различных областях
(см. основную статью Книжка про экзоскелет)
1. Экзоскелеты военного назначения.
•Экзоскелет с интегрированной в конструкцию бронёй может использоваться для ведения боевых действий (экзоскелет поля боя). При этом типовым сценарием применения будет попадание в различные части тела пехотинца боеприпасов, выпущенных из стрелкового вооружения заданного калибра. Основной задачей экзоскелета при этом будет обеспечение защиты оператора, в том числе и от так называемых "запреградных" травм. Как показывают расчёты, боевая эффективность пехотинца, после снаряжения его защитной экипировкой на базе экзоскелета, может вырасти на порядок.
•Такелажный экзоскелет может найти себе применение при подготовке к вылету летательных аппаратов (установка вооружения на узлы подвески), что особенно ценно в условиях ограниченных пространств, таких как помещения авианесущего корабля.
2. Экзоскелеты, обеспечивающие предупреждение и ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций.
•Тушение пожаров в высотных зданиях. При оснащении экзоскелетом пожарные смогут быстро и без лишних физических усилий добраться до места тушения пожара. Экзоскелет должен обеспечивать передвижение оператора по лестничным пролётам и в условиях завалов. Выдвигаются повышенные требования к пожаро- и взрывозащищённости.
•Возведение защитных сооружений при стихийных бедствиях, строительство плотин при наводнениях. Спасатели, снабжённые экзоскелетами, могут оперативно и в течение длительного промежутка времени выполнять свои функции.
•Перенос грузов в заплечном ранце на заданные расстояния: доставка средств первой медицинской помощи, продовольствия и других грузов в недоступные для транспортных средств районы.
3. Экзоскелеты для применения в промышленной и строительной сфере.
Предельные физические нагрузки, выпадающие на долю рабочих-сборщиков, монтажников, строителей, приводят к большому количеству производственных травм, в том числе хронических, таких как различные формы грыж, болезни суставов, позвоночника. Широкое применение экзоскелетов в промышленном производстве, строительстве может коренным образом переломить сложившуюся ситуацию.
•Проведение погрузочно-разгрузочных работ с помощью экзоскелета нижних и верхних конечностей, что особенно актуально при строительно-монтажных работах. Типовой сценарий применения заключается в переносе грузов на небольшие расстояния: необходимо подойти к грузу, нагнуться или присесть, закрепить груз на руках, встать, подойти с грузом к месту разгрузки, нагнуться или присесть и положить груз в нужное место.
•Удержание массивных элементов конструкций при их монтаже или фиксация деталей при сборке агрегатов.
•Сборка металлоконструкций, каркасов домов, несущих элементов, срубов, установка их на фундамент.
•Укладка труб, строительство трубопроводов и других подземных коммуникаций.
•Выкапывание траншей в условиях тяжёлого грунта и невозможности привлечения специальной строительной техники или оборудования.
•Строительство железнодорожных путей, кабельных сетей, особенно в ограниченных пространствах, где не может работать тяжёлая строительная техника (например, шахты, бункеры и другие подземные сооружения).
•Использование для работ на ручном вибрационном инструменте (отбойный молоток, трамбовочная машина, дорожно-строительные виброплиты) экзоскелета нижних и верхних конечностей способно предотвратить развитие вибрационной болезни. Необходимо проработать возможность использования экзоскелета верхних конечностей, обеспечивающего эффективное демпфирование колебаний инструмента.
•Монтаж и демонтаж строительного оборудования.
•Монтаж-демонтаж щитовой опалубки, опалубочных систем.
•Дорожное строительство, работа коммунальных служб.
4. Экзоскелеты для медицинского применения.
•Обеспечение реабилитации пациентов: антропоморфная ходьба.
•Экзоскелет, способный передвигаться по ровной, слабо пересечённой местности и по лестницам, является хорошей альтернативой инвалидному креслу.
Актуальное состояние разработок ЭС
1. Автономный экзоскелет нижних конечностей BLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton), разработанный в лаборатории робототехники и эргономики Калифорнийского университета Беркли (Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory) в 2004 г., и предназначенный для военного применения. BLEEX, безусловно, стал одним из пионерских проектов за счёт применения системы электрогидравлических приводов, силового управления и наличия бортовой силовой установки на базе ДВС. Грузоподъёмность ИМ не превышает 32 кг. Этот экзоскелет рамного типа принадлежит к классу комбинированных, так как усилены только наиболее нагруженные сочленения. Степени подвижности, не оснащённые приводами, снабжены упругими элементами для уменьшения нагрузок на человека. Это можно проследить на примере голеностопного сочленения.
2. Неавтономный экзоскелет с ИМ рамного типа XOS 2, разработанный подразделением Sarcos компании Raytheon (США) в 2010 г., также является прорывным проектом. XOS 2 - первый экзоскелет с усиленными нижними и верхними конечностями. В качестве исполнительных приводов использованы электрогидравлические привода, реализовано силовое управление. Грузоподъёмность этого такелажного экзоскелета военного назначения - порядка 90 кг.На рисунке представлен один из возможных сценариев применения XOS 2 - установка вооружения на узлы подвески летательных аппаратов.
3. Гражданский экзоскелет Body Extender предназначен для аварийно-спасательных, промышленных и строительных работ. Имеет 22 степени подвижности, управляемые электроприводами. Каждая рука может поднимать до 50 кг. Масса ИМ составляет 160 кг.
4. Отечественный автономный экзоскелет нижних конечностей ExoAtlet, предназначенный для медицинского применения, разработанный совместно НИИ Механики МГУ им. М.В. Ломоносова и компанией Экзороботикс в 2015 г. Изменение угловых координат в сочленениях ИМ происходит за счёт электромеханических приводов, получающих питание от аккумуляторной батареи. Наиболее существенным недостатком данного экзоскелета является программное управление, т.е. по сути отсутствие обратной связи ИМ с оператором.
5. Автономный экзоскелет нижних и верхних конечностей HAL 5 (Hybrid Assistive Limb), разработанный корпорацией Cyberdyne (Япония) в 2012 г. Приоритетными областями применения HAL являются медицина, строительство и ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций. ИМ рамного типа оснащён системой электроприводов, сигналы управления экзоскелетом получают на основе регистрации биопотенциалов на поверхности тела оператора. В качестве источника энергии используется аккумуляторная батарея. Заявленная грузоподъёмность HAL составляет 70 кг. Автономность, метод управления и отсутствие узкой ориентированности на какую-либо одну область применения существенно выделяет HAL на фоне аналогичных проектов.
6. Консорциумом из 12 научно-исследовательских институтов и коммерческих предприятий из 7 стран Европы, начиная с 2013 г., разрабатывается экзоскелет нижних и верхних конечностей Robo-Mate, предназначенный для применения в промышленности. Координатором проекта является профессор Wernher van de Venn, занимающий пост главы института мехатронных систем (Institute of Mechatronic Systems), входящего в состав Цюрихского университета прикладных наук (Zurich University of Applied Sciences). В число основных задач Robo-Mate входит защита спины оператора от повреждений, поддержка осанки и снижение нагрузок при поднятии оператором тяжёлых грузов. В 2015 г. был создан первый прототип Robo-Mate. Оператор, снаряжённый этим экзоскелетом, поднимает груз массой 15 кг, развивая при этом усилия, необходимые для поднятия груза массой 1.5 кг. Когда оператор стоит на месте с прямыми ногами, сочленения ног ИМ блокируются таким образом, что человек может удерживать своё положение, не прилагая существенных усилий. На рисунке представлен прототип пассивного экзоскелета верхних конечностей, изготовленный в процессе реализации проекта Robo-Mate.
7.Фирмой Ekso Bionics (США) разрабатывается ряд экзоскелетов, ориентированных на военное, медицинское и строительное применение. На риcунке показан строительный экзоскелет нижних конечностей пассивного типа, представленный в 2015 г. Одной из ключевых особенностей этого ИМ рамного типа является то, что в момент, когда оператор стоит на месте, коленные сочленения блокируются, что позволяет уменьшить нагрузку на оператора в процессе выполнения работ. Необходимо отметить, что экономические расчёты, проведённые разработчиком [18], подтверждают рентабельность применения Exo Works, что во многом объясняется большим размером выплат работнику, получившему производственную травму, установленным американским законодательством.
8.Американская корпорация Lockheed Martin в 2014 г. представила пассивный экзоскелет нижних конечностей Fortis для применения в промышленности. Внешне и по своим параметрам Ekso Works очень похож на Fortis. Вопрос, кому принадлежит приоритет в разработке остаётся открытым, несмотря на то, что Fortis был представлен ранее Ekso Works.
9.Компания Daewoo (Южная Корея) разработала автономный экзоскелет нижних конечностей, ориентированный на применение в судостроении и машиностроении. Грузоподъёмность ИМ рамного типа составляет 30 кг, при этом можно работать только с парамагнетиками, так как в качестве рабочего органа для подъёма груза используется электромагнит. Силовые приводы - электрогидравлические, в качестве источника энергии используются аккумуляторные батареи. Разработчик намерен в дальнейшем совершенствовать технические характеристики экзоскелета.
10. Экзоскелет Chairless Chair разработан швейцарским стартап-проектом Noonee в сотрудничестве с Audi. Он позволяет рабочему выбирать и фиксировать с помощью гидравлического устройства, работающего по принципу демпфера, положение своего тела, существенно уменьшая физические усилия, необходимые для поддержания выбранного положения. Помимо этого, Chairless Chair помогает оператору поддерживать правильную осанку при выполнении сборочных операций. ИМ крепится к бёдрам, коленям и лодыжкам оператора, его масса составляет 2.4 кг, силовые элементы каркаса изготовлены из углеродного волокна. В феврале 2015 г. первые три прототипа экзоскелета были отправлены на испытания на завод Audi в Неккарзульме (Neckarsulm).
11.На рисунке показан неавтономный активный экзоскелет нижних и верхних конечностей Power Loader, представленный подразделением ActiveLink компании Panasonic (Япония) в 2010 году. ИМ экзоскелета оснащён электромеханическими приводами. Также разработана облегченная автономная версия для медицинского применения. В числе недостатком этого экзоскелета можно упомянуть отсутствие бортовой силовой установки, большие габариты и массу. Но наиболее существенным недостатком является неантропоморфный тип конструкции.
12.Автономный экзоскелет спины AWN-02, разработанный компанией ActiveLink, показан на рисунке. Экзоскелет предназначен для строителей и рабочих складских подразделений. Он помогает оператору разгибаться и сгибаться, удерживая груз в руках. Масса AWN-02 немного превышает 7 кг (без учёта батарей), а грузоподъёмность - 15 кг. Время автономной работы от одной литий-ионной батареи - 150 мин. К настоящему времени разработана более совершенная модель экзоскелета спины. Помимо уменьшения массы на 1 кг, достигнутого за счёт применения в конструкции ИМ углеродного волокна, усовершенствованная модель отличается увеличенным до 8 часов временем автономной работы.
,_%D0%AF%D0%BF%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%8F.jpg)
13.Французская компания RB3D, разрабатывающая экстремальные экзоскелеты Hercule по заказу Генерального директората по вооружениям Франции (Direction generale de l'armement), создала также промышленную версию автономного активного ЭС для нижних конечностей. Дополнительно к этому, совместно с швейцарской фирмой Colas создан прототип промышленного экзоскелета нижних конечностей, Colexo 1.0, который также является по сути гражданской версией военного ЭС Hercule.
Квази-экзоскелеты
В отдельную группу следует выделить несколько реализованных проектов и концептуальных разработок, которые не являются экзоскелетами в полном смысле, и которые, очевидно, корректнее было бы называть - квази-экзоскелеты. К ней относятся машины, в исполнительных механизмах которых реализованы концепции робототехники, но управление осуществляется устройствами экзоскелетного типа, т.е. основанными на биомеханике оператора и обеспечивающими параллельные связи с ИМ. Некоторые специалисты также используют термин консольные экзоскелеты.
1.Погрузочный робот Guardian GT - Big Arm, разработанный подразделением Sarcos компании Raytheon (США) в 2011 г. на базе гусеничного шасси компании Ditch Witch, имеет в своём составе копирующую установку в виде экзоскелета верхних конечностей. Он заслуживает внимания благодаря своим высоким техническим характеристикам: реализовано силовое очувствление, грузоподъёмность составляет порядка 180 кг (в качестве силовых приводов использованы электрогидравлические приводы), скорость передвижения шасси робота в пространстве превышает 6 км/ч. Использование гусеничного шасси позволило разработчикам уйти от проблем, связанных с реализацией походки.
Разработчик предполагает использовать такой погрузчик не только в строительстве и промышленности, но и для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций и работы в опасных средах, так как оператор может располагаться на значительном удалении от места проведения работ.
2.Робототехнический комплекс Prosthesis, разрабатывается командой волонтёров под руководством канадского дизайнера Jonathan Tippett. Механизм сочетает в себе копирующую установку экзоскелетного типа и дистанционно управляемый робот в качестве исполнительного устройства. В конечном итоге планируется создать четырёхногий шагающий робот, управляемый оператором, находящимся внутри робота.
3.Аварийно-спасательный робот T-52 Enryu разработан японской компанией Tmsuk при сотрудничестве с университетом Киото (Kyoto University), Пожарным Управлением Китакюсю (Kitakyushu Fire Department) и Японским Национальным Исследовательским Институтом Пожара и Стихийных бедствий в Токио (Japan's National Research Institute of Fire and Disaster in Tokyo). Его предназначение - проведение аварийно-спасательных работ. Робот может управляться как из кабины, так и удалённо, благодаря наличию системы видеонаблюдения и элементам управления экзоскелетного типа.
Преимущества внедрения экзоскелетов
Внедрение экзоскелетов в промышленно-строительную сферу может обеспечить ряд преимуществ:
•увеличение интегральной функции работоспособности оператора за счёт выполнения большего количества действий в единицу времени и расширения физических возможностей в части грузоподъёмности; радикальное улучшение условий труда, снижение травмоопасности производства;
•экономический эффект за счёт уменьшения потребного количества рабочих и увеличения безопасности труда (уменьшение количества выплат, связанных травмами на производстве);
•компании, использующие технологии такого уровня в производственном процессе, обеспечивают себе серьёзные репутационные преимущества. Этот факт может служить основой масштабной рекламной кампании.
Основные проблемы на этапах разработки и внедрения
Сложности и проблемы, встающие на пути разработки и внедрения промышленного и строительного экзоскелета:
1. Известно, что у тела человека 244 степени подвижности. Полностью повторить биомеханику человека при актуальном уровне развития техники и технологии не представляется возможным. Таким образом, экзоскелет в любом случае накладывает существенные ограничения на подвижность оператора.
2. Остро стоит проблема создания совершенных приводов. Электрогидравлические, электромеханические и электропневматические приводы отстают по своим удельным характеристикам от мышц человека в заданных габаритах, причём не только в части создаваемых усилий, но и в части потребной мощности. На сегодняшний день наиболее перспективным направлением являются искусственные мускулы на основе высокомолекулярных соединений.
3. Проблема создания совершенной системы управления с обратной связью от оператора, обеспечивающей устойчивое интуитивно понятное пропорциональное управление.
4. Проблема увеличения автономности робота может быть решена за счёт создания энергоэффективных алгоритмов управления ИМ, системы энергоэффективных приводов, совершенных силовых установок и источников энергии с высокой плотностью энергии.
5. Необходимость разработки и внедрения принципиально новых норм техники безопасности.
6. Повышение требований к квалификации рабочих.
Заключение
Внедрение промышленных, в том числе, строительных экзоскелетов в производственный процесс, безусловно, не является задачей критической важности для предприятий и компаний, ведущих свою деятельность в отраслях машиностроения, горно-перерабатывающей, металлургической, строительной и близких. Однако даже ограниченное применение промышленных экзоскелетов способно обеспечить существенные преимущества, среди которых можно особо выделить радикальное улучшение условий труда, повышение безопасности производства, увеличение интегральной функции работоспособности рабочих, снаряжённых экзоскелетами, а также существенные репутационные преимущества. Все эти преимущества, в конечном счёте, неизбежно выльются в существенный экономический эффект, который обещает быть прямо пропорциональным широте внедрения экзоскелетов в производственный процесс.
Требования, предъявляемые к перспективным промышленным экзоскелетам, являются принципиально выполнимыми с учётом актуального уровня развития техники и технологии. Среди факторов, определяющих актуальность использования экзоскелетов в промышленности и строительстве на первое место выходят экономические факторы, а также возможность значительного уменьшения травмоопасности производства.
(источник:http://www.str-t.ru/reports/19/)
