Экзоскелеты и их применение

В этой статье рассказываем о современных экзоскелетах — что это такое, как они устроены и где применяются. Экзоскелеты изобрели в середине 20 века. Их назначение — восполнение утраченных функций и расширение физических возможностей человека. С каждым годом сфера применения экзоскелетов расширяется. В промышленности они используются для перемещения тяжелых предметов и при выполнении сложных операций, связанных с риском получения травм.

Фото: nbcnews.com

Из обзора вы узнаете о видах экзоскелетов и возможностях, открывающихся при использовании этих приспособлений.

Из истории развития отрасли

В середине XX века сразу несколько стран приступили к разработке новой технологии. Первоначально инженеры сфокусировали внимание на экзоскелетах, работающих на базе аккумуляторов и моторов. Одним из пионеров отрасли была американская компания General Electric.

Фото: ge.com

Разработанный в шестидесятых годах прошлого столетия образец крепился по всему телу. В его задачу входило увеличить силовой потенциал: помочь человеку поднимать и перемещать тяжести. 

Фото: ge.com 

В конце шестидесятых годов в Сербии и начале семидесятых в Америке разработали первые образцы для помощи при ходьбе. На протяжении нескольких десятилетий информации о новых разработках не появлялось, и только в начале 21 века был запущен массовый выпуск коммерческих моделей.

В 2001 году компания Lokomat изготовила экзоскелет для восстановления двигательной активности, который начали использовать в реабилитационных центрах по всему миру.

Фото: hocoma.com 

2013 год ознаменовался выпуском пятисотого устройства. 

Фото: hocoma.com 

Современные экзоскелеты используют рабочие на производствах и в строительстве, военные, инвалиды и люди, восстанавливающиеся после травм и операций.

Классификация экзоскелетов

По принципу действия

Фото: spectrum.ieee.org, активный экзоскелет грузчика

В зависимости от источников питания экзоскелеты бывают 2-х видов: активные и пассивные.

Активные

Активные экзоскелеты используют источники питания, размещенные на самом устройстве.

Для того, чтобы наглядно представить активные экзоскелеты, можно обратиться к образам из книг и кинофильмов. Погрузочный робот из кинофильма “Чужие” или летающий костюм “Железного человека” — хорошие примеры.

Для управления экзоскелетом пользователь прикладывает минимум усилий, за него работают пневматические, гидравлические или электрические приводы.

Управление экзоскелетами может осуществляться следующими способами:

• при помощи контроллеров позиционирования,
• при помощи контроллеров силы или крутящего момента,
• при помощи контроллеров силового взаимодействия.

В зависимости от задач, контроллеры экзоскелетов имеют различные программы. Система анализирует уровень нагрузки и положение и автоматически регулирует движения суставов. Недопустимые движения ограничены конструктивными особенностями системы.

Пассивные

Пассивные экзоскелеты работают без внешнего энергетического источника. Они функционируют на базе рычагов и противовесов, распределяя нагрузку на тело пользователя по заданным параметрам. Пассивный экзоскелет до 30% уменьшает нагрузку на мышцы человека. 

Фото: Media.ford.com

На фото выше: пассивный экзоскелет, защищающий от травматизма и профессиональных заболеваний на производственном участке, снижает нагрузку на мышцы спины, плечей и шеи. 

Среди пассивных систем выделяют индивидуальные вспомогательные подъемные устройства (PLAD) и устройства возврата без необходимости изгиба (BNDR). В основе обоих видов использована рама, которая поддерживает тело оператора в наклоне вперед или помогает выпрямиться с тяжелым предметом в руках. В системах BNDR рама располагается вдоль торса и таза и поддерживается грудью и верхней частью ног. Системы PLAD распределяют нагрузку между позвоночником, плечевым и тазовым отделами и ступнями. 

Различные типы экзоскелетов защищают и усиливают 4 основных отдела человеческого тела: ноги, руки, коленные суставы, спину. Каждая система может работать самостоятельно, а может быть элементом большой конструкции. Например, видеооператоры используют пару — пассивный экзоскелет для спины и рук.

Фото: tilta.com, экзоскелет видеооператора, стабилизирующий кронштейн для камеры

По функционалу

Производственные экзоскелеты

На производственных участках силовые и поддерживающие системы помогают перемещать и фиксировать тяжелые объекты, работать с инструментами. Экзоскелеты уменьшают нагрузку на мышцы работников и предотвращают производственный травматизм.

Экзоскелеты для применения в строительстве

Строители часто работают в статичных и неудобных положениях. Например, на весу или держа над головой тяжелый инструмент (перфоратор, болгарку, другое). Для облегчения рабочего процесса и уменьшения риска получения травмы служат экзоскелеты для спины и рук, они становятся незаменимым снаряжением строителя. 

Экзоскелеты для ходьбы и бега

Этот вид экзоскелетов может быть востребован у военных, курьеров, почтальонов. Системы служат для облегчения движения и уменьшения усталости человека. Экзоскелеты для ходьбы и бега облегчают движение, но не используют для реабилитации после болезней и травм, для этого применяют медицинские аналоги.

Медицинские экзоскелеты

Экзоскелеты, применяемые в медицине, могут быть активными и пассивными. По функционалу системы делятся на лечебные и вспомогательные. 

Лечебные экзоскелеты используют для реабилитации, то есть восстановления утраченных функций организма. Вспомогательные — искусственно восполняют недостающие функции.

Фото: hocoma.com 

Оснащенные моторами с батареями экзоскелеты для людей с травматическим или врожденным параличом нижних конечностей помогают им самостоятельно вставать и передвигаться, что раньше было невозможно.

Фото: robogeek.ru

Активные экзоскелеты для людей с ограниченными возможностями устроены следующим образом: электрические двигатели на каждой ноге двигают коленные и бедренные суставы, а вес пользователя удерживается конструкцией, но для поддержания равновесия человеку могут потребоваться костыли. Система управляется пультом, на котором можно регулировать скорость ходьбы, вид движений (спуск, подъем, остановка). 

Экзоскелеты для использования военными

Основная задача тактических экзоскелетов — усиление физических способностей оператора, таких как выносливость и сила, например — способность к длительному передвижению с грузом.

Фото: lockheedmartin.com 

По словам представителей компании Lockheed Martin, разрабатывающей экзоскелеты ONYX для американских военнослужащих, использование новой технологии увеличивает их выносливость в сложных ситуациях. Компенсируя усилия при продолжительной ходьбе и преодолении препятствий, системы увеличивают радиус и время автономного действия солдат, расширяют их возможности.

Экзоскелеты для увеличения силы

Источник: germanbionic.com

В зависимости от решаемых задач, устройства имеют конструктивные различия. 

В последние годы особой популярностью пользуются системы для поднятия тяжелых предметов. Это большая группа экзоскелетов, которые помогают людям, чья работа связана с регулярным подъемом, перемещением и удержанием тяжестей. Устройства работают по двум направлениям: уменьшение усталости при длительной нагрузке и увеличение силы для возможности поднимать объекты до 90 кг. 

Области применения экзоскелетов для поднятия тяжелых предметов: 

- Производственные участки любой отрасли

Транспортные погрузочно-разгрузочные работы, перемещение грузов на предприятии. 

- Складские терминалы

Складирование, погрузочно-разгрузочные работы.

- Железная дорога, авиация

Работы по ремонту и обслуживанию, транспортировка багажа.

- Коммунальное хозяйство

Транспортировка материалов и оборудования.

- Строительные и ремонтные работы

Строительство, отделка, малярные работы, монтаж электротехники, наладка систем коммуникаций и другие сферы.

Пример экзоскелета: SuitX

Фото: suitx.com

На примере образца SuitX, произведенного US Bionics, Inc., рассмотрим устройство и возможности экзоскелетов. 

Систему можно использовать комплектом — вариант MAX, а также отдельными блоками:

на ноги — LegX;

на плечи — ShoulderX;

на спину — ShoulderX.

Фото: suitx.com

SuitX MAX помогает людям, чья деятельность связана с регулярной высокой нагрузкой на ноги, поясницу, плечи. Система снижает риск травмирования, подходит для ношения на протяжении всего рабочего дня. 

Фото: suitx.com

Каждый блок системы включается непосредственно перед выполнением работы. В неактивном состоянии экзоскелет не стесняет движений, что позволяет свободно управлять оборудованием, в том числе транспортом, и выполнять другие задачи.

Источник: suitx.com

Экзоскелет SuitX MAX создан после долгих исследований, глубоко погружения в задачи различных отраслей. Разработчики изучали типичные действия на складских терминалах, строительных объектах, литейных и судостроительных заводах на территории Японии и Америки. На основании собранных данных в Университете Калифорнии были проведены лабораторные испытания. В результате была создана система SuitX MAX, уменьшающая нагрузку при выполнении сложных операций на 60%.

Фото: suitx.com

Экзоскелет SuitX MAX уже облегчает труд работников ряда известных корпораций.

Менеджер Siemens Gamesa C. Neilson рассказал, что их компания выбирает SuitX и использует на своих производствах во всем мире.

Как применяют экзоскелеты SuitX

Линия сборки

Руки работников, собирающих изделия, постоянно испытывают напряжение. 

Фото: suitx.com

В этой ситуации экзоскелет поддерживает мышцы плечевого пояса и предплечья, уменьшая нагрузку и соответственно усталость работника.

Работа на участках небольшой площади

Фото: suitx.com

Отсутствие достаточного для комфортной работы пространства вызывает повышенную утомляемость, которая может привести к некачественному результату работ и травмам исполнителя. Экзоскелет SuitX помогает зафиксировать комфортное положение, минимизируя дополнительную мышечную нагрузку.

Фото: suitx.com

Складские работы

Работа сотрудников склада связана не только с подъемом тяжестей. Монотонные повторяющиеся движения на протяжении длительного времени утомляют мышцы. Под защитой экзоскелета SuitX спина получает гораздо меньшую нагрузку. 

Работа с тяжелыми грузами

Ручной подъем тяжестей часто становится причиной травм на производстве, для их предотвращения также используют экзоскелеты. Они распределяют нагрузку таким образом, что человек с меньшими усилиями поднимает тяжести большего веса.

Итоги

Экзоскелеты становятся все более востребованными в разных областях. Благодаря таким устройствам снижается нагрузка на суставы и мышцы людей, уменьшается травматизм. Поддерживающие системы незаменимы для людей, чья работа связана с поднятием тяжестей, длительными монотонными действиями или выполнением операций в ограниченном пространстве, а в армии их используют для увеличения выносливости солдат. Медицинские образцы помогают людям восстановиться после тяжелых травм или болезней, “поднимают на ноги” людей с парализованными нижними конечностями. Применений этим устройствам можно найти множество.

С развитием отрасли производства экзоскелетов и уменьшением их стоимости, они станут более доступными и получат еще большее распространение.

Купите экзоскелеты SuitX в Top 3D Shop и повысьте производительность вашего персонала, расширяя возможности компании.