Экзоскелеты: грань будущего уже в россии

      Комментарии к записи Экзоскелеты: грань будущего уже в россии отключены

Экзоскелеты: грань будущего уже в россии

Возможно ли наделить простого человека сверхчеловеческими свойствами? Так как усовершенствовать человеческое тело науке пока не удалось. И, так же, как и прежде, дабы поднять штангу весом более 100 кг, человеку необходимы годы тренировок.

Как сделать человека посильнее и выносливее? Ответить на данный вопрос наука сможет уже в ближайшие годы

Результаты фундаментальных изучений, взятых сейчас в области биомехатроники, разрешают создать новые классы технических устройств, «интегрированных» с организмом человека. Одним из таких устройств есть экзоскелет (внешний скелет), дублирующий опорно-двигательный аппарат человека и значительно расширяющий его физические возможности.

Что такое экзоскелет?

Экзоскелет (внешний скелет, греч.) – устройство, предназначенное для расширения физических возможностей человека за счет внешнего каркаса.

Биомеханическая совокупность человек-экзоскелет представляет собой человеко-машинную совокупность с солидным числом степеней свободы. В данной совокупности часть функций, таких, к примеру, как поддержание равновесия, остается за человеком. Тяжесть груза, что обязан перенести человек, ложится, по большей части, на механизм экзоскелета.

Управление таковой совокупностью представляет собой непростую проблему биомехатроники. При построении таковой совокупности нужно учитывать ограничения на мощность упрочнений, развиваемых приводами экзоскелета, ограничения на его габариты и массу аппарата. Особенность решаемой задачи связана кроме этого с сложностью и нелинейностью математической модели совокупности, которую требуется выстроить.

Сенсоры, применяемые в совокупности управления экзоскелетом, образуют необычную нервную совокупность механизма, «параллельную» нервной совокупности человека. Как раз исходя из этого задача по созданию экзоскелета не разрешиться без соответствующего комплекса фундаментальных изучений, которые связаны с разработкой математической модели, конструкции, совокупности очувствления, управляющей электроники, с минимизацией алгоритмов энергозатрат и синтезом управления.

Изучение известных конструкций экзоскелетов говорит о том, что создание экзоскелета есть сложной, комплексной проблемой, требующей участия экспертов разных областей науки и техники.

современность и История

  Разработки разных типов экзоскелетов начались более полувека назад. Первый экзоскелет был создан совместно компаниями General Electric и United States military в 60-х годах XX века, и именовался Hardiman. Человек, облаченный в данный экзоскелет, имел возможность поднимать груз массой 110 кг, наряду с этим человек затрачивал упрочнение, равное приблизительно 45 Ньютонам.

Но конструкция была непрактичной из-за большой массы в 680 кг и несовершенной совокупности управления.

Биотехническое устройство для помощи парализованным людям было создано под управлением доктора наук М. Вукобратовича в телесвязи имени и Институте автоматики М. Пупина (г. Белград, Югославия), в начале 70 годов XX века. Данный экзоскелет исследовался в НИИ механики МГУ имени М.В.

Ломоносова.

Узнаваемые разработки экзоскелетов, в собственном большинстве, сосредоточены на экзоскелетах нижних конечностей.

Область вероятного применения экзоскелетов представляется очень широкой. Они смогут быть использованы как в военных, так и в медицинских целях. Во многих промышленно-развитых государствах ведутся разработки в области создания экзоскелетов и уже показаны действующие образцы.

Одной из ответственных целей есть военное использование экзоскелетов. Клиентами соответствующих экзоскелетов выступают гиганты всемирный военно-промышленной индустрии.

Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) финансирует сходу пара свободных разработок экзоскелетов, каковые ведутся в интересах минобороны США.

В ходе разработок должны быть решены следующие задачи:

  • Повышение возможностей по переноске тяжелых грузов.
  • Воины должны носить на себе другое оборудование и тяжёлое оружие; помимо этого, увеличив собственные возможности, они смогут убирать препятствия со собственного пути на марше;
  • Повышение скорости передвижения. Средняя скорость воина 7–11 км/час, наряду с этим он обязан нести на себе 70 кг груза;
  • Прыжки на расстояние и большую высоту.

До тех пор пока еще неясно, как высоко и на большом растоянии смогут прыгать люди в экзоскелете, но предполагается, что воины должны преодолевать более высокие и широкие препятствия.

Став посильнее, воины в один момент станут и выносливее, смогут преодолевать громадные расстояния. Помимо этого, они смогут чинить тяжелое оборудование, которое в противном случае было бы нереально привести в рабочее состояние. Экзоскелеты будут кроме этого оборудованы датчиками и встроенными приемниками совокупности глобального позиционирования, благодаря которым воины будут двигаться к заданной точке по малоизвестной местности.

самые интересные практические результаты для армейского применения показаны в Калифорнийском университете в Беркли. Проект называющиеся HULC (Human Universal Load Carrier) ставит целью создание экзоскелета, повышающего скорость и грузоподъёмность передвижения воинов с полной боевой выкладкой. Результатом работ над проектом стал экзоскелет называющиеся BLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton).

Более сорока датчиков всегда анализируют положение человека и груза в пространстве, а гидравлические приводы перераспределяют нагрузку, возлагая солидную часть груза на экзоскелет.

Военно-промышленная компания Lockheed Martin купила разработку Беркли и внесла личные дополнения, подготовив экзоскелет к серийному производству называющиеся HULC.

Пример уже разрешает переносить груз до 90 кг в течение 1 часа со средней скоростью практически 5 км/ч и возможностью краткосрочных бросков со скоростью до 16 км/ч.

Представленный пример экзоскелета приобретает энергию от двухкилограммовой литий-полимерной батареи. В будущем компания Lockheed Martin собирается оснастить собственный экзоскелет вторыми источниками питания: в частности, в него планируется установить бесшумный топливный генератор, трудящийся на реактивном горючем марки JP8. С потребляемой мощностью порядка 250 Вт экзоскелет HULC сможет трудиться от для того чтобы генератора до 3 дней на одной заправке: предполагается, что солдат будет двигаться в экзоскелете по 8 часов в сутки.

По сообщениям прессы HULC весит всего 25 кг, а снимается и наряжается он в течение нескольких секунд. Разработчики HULC выделяют, что кроме того при севших батареях костюм все равно облегчает перемещения воина, компенсируя удары и нагрузку.

На данном этапе развития костюм HULC поддерживает лишь ноги и тело воина – работу рук он не поддерживает. Однако, особая совокупность креплений разрешает устанавливать на данный экзоскелет самое разнообразное дополнительное оборудование, а также бронированные конструкции для защиты от осколков и пуль, датчики, совокупности кондиционирования, а также станковый пулемет либо гранатомет с управлением от лазерного целеуказателя на шлеме.

Экзоатлет – инновационная разработка русских ученых

  В 2011 году в НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова начались работы по созданию экзоскелета. Команда разработчиков имеет обширный опыт изучений в области теоретической механики, теории управления, в области создания роботехнических устройств.

В команду входят доктора наук и научные сотрудники, имеющие много опубликованных монографии и статей. Настоящими результатами их разработок являются, к примеру, мобильный робот «КРОНУС» (защищен патентом № 97080, 2010 г.) и мобильный робот «ЗОРКИЙ» (защищен патентом №99370, 2010 г.).

Работы ведутся по госконтракту в рамках федеральной целевой разработки «и программы Исследования по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы».

Проект стал называться ExoAtlet. Базой проекта ExoAtlet являются инновационные разработки русских ученых в области расширения физических возможностей человека, защищенные патентами.

Целью проекта, в соответствии с договору, есть создание программно-аппаратного комплекса «Экзоскелетон», предназначенного для дублирования опорно-двигательного аппарата человека с целью уменьшения нагрузок на него при исполнении тяжелой физической работы в разных условиях. Разрабатываемый программно-аппаратный комплекс (ПАК), должен быть рекомендован:

  1. Для помощи людям с ограниченными физическими возможностями;
  2. Для разбора завалов при аварийно-ликвидации последствий и спасательных работах стихийных бедствий либо техногенных трагедий, для исполнения операций пожаротушения при ограниченных запасах воздуха в дыхательных аппаратах;
  3. Для решения задач, сопровождаемых переноской тяжелых грузов на громадные расстояния, для проведения и разминирования операций по борьбе с терроризмом.

В ходе работы над проектом были выделены две свободные части разработки: создание пассивной и активной модификаций экзоскелета.

  1. пассивный экзоскелет – это многозвенный механизм, не содержащий приводов. Таковой легкий экзоскелет должен быть приспособлен для задач разгрузки опорно-двигательного аппарата.
  2. деятельный экзоскелет – это многозвенный механизм, в сочленениях (шарнирах) которого должны быть смонтированы электро- и гидроприводы, усиливающие возможности опорно-двигательного аппарата.

Важными вопросами, воздействующими на ход и результаты разработки, были выбор типа сенсорной силовых приводов и системы.

Сенсорная совокупность, дублирующая элементы нервной совокупности человека, обязана воображать собой совокупность датчиков, измеряющих угловые скорости и углы в сочленениях механизма, и упрочнения, развиваемые в элементах конструкции. В зависимости от задач, каковые обязан решать экзоскелет, для управления им возможно использована кроме этого та либо другая информация об электрической активности мышц, которая характеризует развиваемые ими упрочнения, или информация, поступающая с датчиков упрочнений, размещенных на экзоскелете, информирующая о намерениях человека-оператора, касающихся его перемещений и т.д.

Датчики упрочнений не требуют контакта с кожей человека и их показатели не критичны к трансформациям, происходящим в организме человека на фоне стресса, усталости и т.п., чем грешат датчики, считывающие данные об электрической активности мышц. Для военного применения и в условиях ЧС это очень принципиально важно.

С подобной задачей разработчики столкнулись и при выборе между электро- и гидроприводами. Приводы, устанавливаемые в шарнирах механизма, должны создавать упрочнения, дублирующие (дополняющие) мышечные упрочнения человека. Благодаря этим приводам человек должен иметь возможность развивать громадные упрочнения, например, переносить грузы массой до 100 кг.

Выбор был остановлен на гидроприводах. Главной причиной для этого стало то, что статическая нагрузка – это один из главных режимов работы экзоскелета. К примеру, нужная нагрузка в 1000 Н ведет к происхождению момента в коленном шарнире равном приблизительно 300 Нм.

Так как статическая нагрузка есть негативным режимом работы для электропривода, для обеспечения таких параметров было нужно бы применять несколько двигатель-редуктор массой около 5 кг. Гидропривод разрешает реализовать перемещение в громадном диапазоне нагрузок и скоростей, не выходя за эксплуатационные нормы, снабжая оптимум массогабаритных черт.

Активная модификация экзоскелета до недавнего времени пребывала на стадии отладки совокупности управления, а действующий пример планировалось представить в конце 2013 года.

Первый в Российской Федерации действующий пример экзоскелета пассивной модификации Exoatlet P был показан на «6-м Интернациональном салоне Комплексной Безопасности 2013» и награжден золотой медалью в номинации «Лучшие инновационные ответы в области комплексной безопасности».

Пассивный экзоскелет, созданный в ходе проекта ExoAtlet – это довольно легкий механизм, что по большому счету не содержит источников и приводов питания. Тем самым он может употребляться человеком в течение долгого времени без подзарядки каких-либо батарей.

Существующая версия – далеко не окончательная. Разработчики собираются продолжить совершенствование пассивной модели. В ходе предстоящих изучений предполагается разглядеть другую конструкцию, и схемы управления с целью выбора самый совершенного варианта.

Применение пассивного экзоскелета разрешает значительно разгрузить опорно-двигательный аппарат человека при ходьбе по горизонтальной поверхности. При стоянии человека в экзоскелете на месте (на горизонтальной либо наклонной поверхности, или на уступе) с закрытыми коленными шарнирами человек фактически не чувствует груза, а также веса самого экзоскелета. Именно поэтому событию, для человека появляется возможность в ходе перемещения остановиться и отдохнуть, не снимая груза.

 Характеристики ExoatletP:

  • Грузоподъемность – до 100 кг
  • Время работы – неограниченно
  • Возможность размещения груза позади и спереди
  • готовности и Время надевания к работе – 2 60 секунд
  • Скорость ходьбы – до 5 км/ч
  • Масса – 12 кг
  • Регулировка размера – от 46 до 56

 

В рамках Международного Авиационно-космического салона 2013 года командой разработчиков проекта ExoAtlet был в первый раз показан новый вариант пассивной модификации экзоскелета Exoatlet P-1, адаптированный для переноски штурмового щита отряд специального назначения. Особое приспособление для твёрдого крепления штурмового щита к раме экзоскелета разрешает его скоро снимать и одевать, освобождает руки бойца. И, что важно, «перекладывает» вес щита (массой в 35 кг) и кинетическую энергию попадаемых в него пуль на каркас экзоскелета.

Основной упор в предстоящих разработках будет направлен на расширение функциональных возможностей, нужных для армейского применения экзоскелета – это представляется разработчикам самоё перспективным направлением развития проекта. Непременно, создание боевых роботов, управляемых сидящим в человеком, будоражит умы фантастов, что выливается в прекрасные сюжеты фантастических фильмов.

Но необходимо помнить о том, что в русском армии остается много задач, которые связаны с переноской громадных грузов. Ответу этих задач экзоскелет сможет оказать помощь уже в скором времени.

Масса полного штурмового набора отрядом специального назначения, состоящего, кроме щита, еще и из фартука, закрывающего ноги, образовывает приблизительно 50 кг. Масса защитного набора сапера – около 60 кг.

Аналогичных примеров возможно привести множество. Раздельно необходимо подчеркнуть трудные работы, делаемые воинами с снарядами как на складах, так и при подготовке боевой техники к эксплуатации. На данный момент команда разработчиков ведет переговоры с разными потенциальными клиентами на предмет ответа конкретных задач, которые связаны с применением экзоскелета в русском армии.

Кроме военного применения разработчики собираются подготовить пара моделей для гражданского применения.

Пассивный экзоскелет уже на данный момент пользуется спросом во множестве направлений производственно-технической деятельности, потому, что разрешенные нормативами массы грузов при перемещениях низкие: для дам – до 10 кг, для мужчин – до 25 кг. С применением пассивного экзоскелета эффективность работ с грузами возрастает в разы.

В частности пассивный экзоскелет актуален:

  • для работ при чрезвычайных обстановках, при разборах завалов, на различных производствах и шахтах;
  • при монтаже бытровозводимых конструкций;
  • для понижения нагрузок при переноске, к примеру актуально для медицинских работников при переноске больных в скорую помощь;
  • для применения в наборе с разным оборудованием: с бензопилами, емкостями для тушения лесных пожаров, при дезинфекции, дератизации, противорадиационной и инфекционной обработки, при обработке антиобледенительными реагентами в непростых полевых условиях, с газосварочным оборудованием и пр.

Напоследок хочется сообщить о том, что в области разработки экзоскелетов у России существует важное отставание – все ведущие зарубежные проекты развиваются уже более 10 лет и ими пройден важный путь. Драйвером развития этих проектов есть финансирование со стороны минобороны США, но результаты этих разработок уже начинают широко применяться в гражданских областях, например, в медицине.

К счастью, период безвременья для русского науки подходит к концу, отечественное государство проявляет интерес и осуществляет денежную помощь для перспективных инновационных проектов, например, экзоскелетов. И потому, что в Российской Федерации еще остались разработчики, владеющие нужным уровнем технической оснащённости и знаний, нужно постараться ликвидировать отставание в области разработок экзоскелетов. Команда проекта ExoAtlet сделает для этого все возможное.

Материалы по теме:

  • http://www.nanonewsnet.ru/…term/692/all

Грань будущего — дополнительные материалы 3


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: