Exoskelett (från grekiska έξω - extern och σκελετος - skelett) - en anordning utformad för att kompensera för förlorade funktioner, öka mänsklig muskelstyrka och utöka rörelseomfånget på grund av den yttre ramen och drivande delar [1] , samt att överföra last vid överföring av last genom den yttre ramen till stödplattformen på exoskelettfoten.
Exoskelettet upprepar mänsklig biomekanik för en proportionell ökning av ansträngningarna under rörelser. För att bestämma dessa proportioner bör begreppet anatomisk parametrisering användas.
Anatomisk parametrisering är bestämningen av överensstämmelse mellan olika anatomiska egenskaper hos människokroppens struktur och parametrarna för en mekanisk anordning, som bestämmer den optimala driften av det resulterande biomekaniska systemet. [2] [3]
Enligt öppna pressrapporter har för närvarande fungerande modeller skapats i Ryssland [4] [5] , Japan , USA [6] och Israel . Exoskelettet kan byggas in i en rymddräkt .
Det första exoskelettet utvecklades gemensamt av General Electric och den amerikanska militären på 60-talet och kallades Hardiman . Han kunde lyfta 110 kg med kraften när han lyfte 4,5 kg. Den var dock opraktisk på grund av dess betydande massa på 680 kg. Projektet var inte framgångsrikt. Varje försök att använda hela exoskelettet slutade i intensiva okontrollerbara rörelser, vilket resulterade i att det aldrig testades med en människa inuti. Ytterligare forskning har fokuserat på ena sidan. Trots att hon skulle lyfta 340 kg var hennes vikt 750 kg, vilket var dubbelt så mycket lyftkapacitet. Utan att koppla ihop alla komponenter var den praktiska tillämpningen av Hardiman-projektet begränsad [7] .
ReWalk exoskelettet, utvecklat av ReWalk Robotics, låter förlamade människor gå. Det nya systemet, enligt forskarna, kan användas av patienter i vardagen [8] .
Exoskelett som har skapats hittills, eller som befinner sig i ett lovande utvecklingsstadium, kan klassificeras enligt följande kriterier [9] :
Den mest kompletta och moderna klassificeringen föreslogs av professor Vorobyov A. A. och medförfattare (2015) [10]
Den föreslagna klassificeringen bygger på flera principer.
Den huvudsakliga utvecklingsriktningen är militär användning av exoskelett för att öka rörligheten för taktiska grupper och enheter som arbetar till fots, genom att kompensera för den fysiska belastningen av soldater som orsakas av utrustningens överdrivna vikt. [12] Ökningen av mänsklig rörlighet och hastighet kan också åtföljas av en ökning av styrkan hos den som använder exoskelettet.
Integreringen av exoskelettet i utrustningen kommer att åtföljas av dess omvandling till ett multifunktionellt system. Förutom sitt huvudsyfte kan den utföra funktionerna hos en elektrisk generator, batterilagring, en ram för att fästa pansarskyddsmoduler, telekommunikationsutrustning, olika sensorer och givare, lägga kraftledningar och dataöverföring. [12] Anmärkningsvärt är användningen av exoskelettstrukturella element som ett antennsystem för att sända och ta emot radiosignaler. [12]
Ett annat möjligt användningsområde för exoskelett är att hjälpa skadade personer och personer med funktionsnedsättning , äldre, som på grund av sin ålder har problem med rörelseapparaten .
För rehabilitering av patienter med underkäksfrakturer utvecklades ett underkäksexoskelett [13] , det syftar till att behandla underkäksdefekter hos patienter med möjlighet att återställa tuggfunktionen i den tidiga postoperativa perioden och i rehabiliteringsstadierna. Denna anordning [14] förser för första gången patienten inte bara med den motoriska aktiviteten i underkäken, utan kompenserar också för de patologiska krafter som härrör från användningen av en extern fixeringsanordning för benfragment [15] [16] . Mandibular exoskelett på YouTube
Modifieringar av exoskelett, såväl som några av deras modeller, kan ge betydande hjälp till räddare i analysen av spillrorna från kollapsade byggnader. Samtidigt kan exoskelettet skydda räddaren från nedfallande skräp.
Nuförtiden är ett stort hinder för att påbörja konstruktionen av fullfjädrade exoskelett bristen på lämpliga energikällor som skulle kunna göra det möjligt för maskinen att arbeta självständigt under lång tid.
På 1960-talet General Electric utvecklade en elektrisk och hydraulisk design som kallas Hardiman, formad som exoskelettlastaren som löjtnant Ellen Ripley (I filmen " Aliens ") använder i den sista striden mot Aliens livmoder [17] , men med en vikt av 1 500 pounds ( 680, 4 kg) designen var ineffektiv.
Arbetsexempel på exoskelett har byggts, men den utbredda användningen av sådana modeller är ännu inte möjlig. Detta är till exempel Sarcos XOS exoskelett, som utvecklats på beställning från den amerikanska armén. Enligt pressen var maskinen väldesignad, men på grund av bristen på batterier med tillräcklig kapacitet var demonstrationen tvungen att genomföras i elnätsläge (en video med en demonstration finns på YouTube [18] ).
Vissa exoskelett ( Hybrid Assistive Limb , Honda Walking Assist Device) är placerade som anordningar för personer med muskuloskeletala problem [19] . Honda Walking Assist Device tillverkades av Honda i tre storlekar - liten, medium (vikt 2,8 kg), stor.
Utvecklingen av det ryska exoskelettet kallat ExoAtlet utförs av ett team av forskare från ExoAtlet-projektet, det första ryska medicinska exoskelettet för rehabilitering, social anpassning och integration av personer med nedsatt rörelsefunktion i de nedre extremiteterna. Enligt utvecklarna är ett sådant exoskelett lämpligt inte bara för personer med ryggmärgsskada, utan också för personer med konsekvenserna av en stroke. För närvarande har flera fungerande prototyper av produkten skapats. Den senaste modifieringen, ExoAtlet Albert, styrs med kryckor och låter en person gå, sitta ner och stå upp självständigt. Enligt projektledarna börjar den första försäljningen 2016.
Active Electric är ett aktivt industriellt exoskelett utvecklat av Norilsk Nickel Digital Laboratory i samarbete med Southwestern State University (Southwestern State University, Kursk) och Exomed-företaget [20] (Kursk). Det industriella exoskelettet i de nedre extremiteterna AE är utformat för att lyfta, bära och hålla laster, såväl som för att utföra arbete relaterat till en lång vistelse i statiskt tillstånd, används för att förebygga skador i arbetet och förbättrar produktionseffektiviteten [21] [22 ] . Utrustad med ett intelligent styrsystem för elektriska drivningar och en uppsättning inbyggda sensorer som analyserar miljö, användar- och belastningsparametrar. Exoskelettets modulära design inkluderar gravitationskompensatorer och en elektriskt driven lastlyftmodul, som gör att exoskelettet kan ta på sig upp till 90 % av lastens vikt med en maximal lastkapacitet på upp till 60 kg. Exoskelettet är designat för operatörer med en höjd på 160 till 195 cm, och inkluderar även en inbyggd dator som möjliggör realtidsövervakning av nivån av omgivande luftföroreningar, lufttemperatur, belysning, användarläge och andra parametrar. All data visas på en mobil enhet och kan överföras till ett företagsnätverk [23] . Ett experimentparti testas för närvarande på företag.
ExoHeaver Lowebacker är ett passivt exoskelett av mjuk typ utformat för att lasta av ryggen under lastlyftnings-, lager- och transportarbete [24] . Designad för att arbeta med laster som väger upp till 25 kg, och kan utrustas med ett sensorsystem för integration i "smart worker"-systemet. Den har TR TS- och GOST R-certifiering och används framgångsrikt på olika företag i Ryssland, Kazakstan och Vitryssland [25] .
ExoHeaver Holdupper är ett passivt exoskelett med en parallell kinematisk mekanism utformad för att avlasta användarens övre extremiteter vid arbete med ett tungt verktyg eller last som väger upp till 20 kg.
XOS 2 är en andra generationens robotdräkt utvecklad av Raytheon för den amerikanska armén. Företaget demonstrerade först exoskelettets kapacitet vid sitt forskningscenter i Salt Lake City, Utah i september 2010. Robotdräkten ökar styrkan, smidigheten och uthålligheten hos soldaten i den. XOS 2 använder ett högtryckshydrauliskt system som gör det möjligt för bäraren att lyfta tunga föremål i förhållandet 17:1 (faktisk vikt till upplevd vikt). Detta gör att du kan lyfta lasten upprepade gånger utan trötthet eller skada.
US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) initierade utvecklingen av exoskelett 2001 som en del av Exoskeletons for Human Performance Augmentation-programmet. Byrån har finansierat 50 miljoner dollar till olika deltagare genom ett femårigt program. Men bara två av dem är aktivt involverade i utvecklingen av exoskelettprototyper för den amerikanska militären.
XOS-systemet utvecklades ursprungligen som en Wearable Energetically Autonomous Robot (WEAR) av Sarcos Research i Salt Lake City, Utah. Utvecklingen av den biomekaniska roboten började år 2000. Företaget, som grundades 1983, förvärvades av Raytheon i november 2007.
Andra generationens XOS 2 robotdräkt använder ett lättare material och är cirka 50 % effektivare än XOS 1. Exoskelettet förväntas väga runt 95 kg. Den använder en kombination av styrenheter, sensorer, höghållfast aluminium och stål för att göra det möjligt för strukturer och ställdon att utföra uppgifter.
XOS 2-systemet är utrustat med en hydraulisk förbränningsmotor med elektriska system. Prototypen är bunden till en hydraulisk kraftkälla med en vajer. Motorn styr de hydrauliska drivningarna. Olika sensorer utrustade i hela systemet bestämmer position och erforderlig kraft.
Ett projekt från Panasonics dotterbolag ActiveLink . Tillämpade exoskelett används för att öka styrkan hos soldaterna; robotbenstöd kan också hjälpa förlamade människor att gå och kan användas av arbetare vid kärnkraftverk och anställda vid ministeriet för nödsituationer i händelse av naturkatastrofer.
ActiveLink-dräkter är designade så att användare kan ta på dem och vara igång på 30 sekunder eller mindre. Drivna exoskelett för rehabilitering eller andra medicinska tillämpningar använder ofta elektriska muskelaktivitetssensorer som tar tid att kalibrera.
Hardsuiten tillåter dykare att dyka till djup på 1 000 fot. Exoskelettet är tillverkat av A536 aluminiumlegering. Vikt - från 225 kg. Den maximala dyktiden är 50 timmar.
En produkt från Solar System Express. RL Mark VI kommer att tillåta nedstigning upp till 62 miles (100 km) över jordens yta vid ytterkanten av rymden och landa vertikalt med gyrostövlar istället för fallskärm. Den här dräkten kommer att förbättra säkerheten och prestanda under bemannad rymdfärd, ge ett sätt att undkomma potentiella katastrofala olyckor och förbättra möjligheterna för rymdturism och vetenskaplig forskning.
Eidos Montreal och Open Bionics släpper tillsammans 3D-printade proteser som en del av en PR-kampanj för Deus Ex: Mankind Divided . En utmärkande egenskap hos proteserna i detta projekt kommer att vara deras låga kostnad.
Laevo ( Nederländerna ) har utvecklat en passiv version av exoskelettet som använder hydraulcylindrar. Den är utformad för att underlätta utförandet av logistikoperationer och minskar den subjektiva uppfattningen av lasten med 40-50%. När man lutar bålen eller sitter på huk, ackumuleras övertryck i exoskelettets hydraulcylindrar, som släpps när kroppen återgår till sin ursprungliga position, vilket i detta ögonblick skapar en extra ansträngning för att lossa motsvarande muskler. Produktvikten för V2.4-versionen är 2,5 kg, V2.5-versionen är 2,8 kg. Hydraulcylindrar är designade för minst 250 tusen operationer inom 3 år. Omgivningstemperaturen under drift måste vara över noll. Exoskelettet fick medicinsk certifiering "CE - Medical Device Class I ".
2019 presenterade Volgograd-läkarna Alexander Vorobyov och Fedor Andryushchenko det första exoskelettet för en kirurg, designat för att underlätta utförandet av timmar långa endoskopiska operationer genom att minska belastningen på ryggraden och kirurgens händer. [26] I slutet av mars utfördes den första operationen med detta exoskelett. [27]
Designad av suitX, även känd som US Bionics. Direktör för företaget är Homayoon Kazerooni . PHOENIX - är ett av de lättaste exoskeletten som väger 12,25 kg. Designad för personer med nedsatt muskuloskeletala systemet , nämligen för personer som inte kan gå på egen hand. Körhastigheten är 0,5 m/s, den är utrustad med ett uppladdningsbart batteri med en kontinuerlig kraftreserv på upp till 4 timmar och upp till 8 timmar med raster. Den har justerbara storlekar och kan justeras för användare av olika fysik och höjder. PHOENIX är utrustad med lårmotorer som driver exoskelettets knäleder, vilket möjliggör fri rörelse. Den är utformad på ett sådant sätt att operatören inte känner av dess vikt och är på den. Vid en kollision med ett hinder kompenserar exoskelettet för påverkan utan att överföra den till ägaren.
Exoskelett förekommer ofta i science fiction , oftast som militär utrustning - i form av kraftrustning eller en stridsdräkt [28] .
Exoskelett eller liknande strukturer används av karaktärerna i filmserien " The Matrix " (APU - Armored Personnel Units), filmerna " Avatar ", " Attraktion ", " Distrikt nr 9 " (något mellan ett exoskelett och en rollator ) [28] , " Elysium - Paradise not on Earth ", " Toss of the Cobra ", " Spy Kids 4D ". En av de mest kända scenerna förknippade med exoskelett [28] visas i filmen " Aliens ", där huvudkaraktären Ellen Ripley använder en exoskelettladdare i den sista striden mot Alien-drottningen . I filmen " Edge of Tomorrow " slåss alla fighters i exoskelett. I den animerade serien Echo Platoon är idén om att bekämpa flygande exoskelett kärnan i handlingen [28] .