Exoskeleton ( görögül έξω - külső és σκελετος - csontváz) - az elveszett funkciók kompenzálására, az emberi izomerő növelésére és a mozgási tartomány kiterjesztésére a külső keret és a hajtóelemek miatt [1] , valamint a terhelés, amikor a rakományt a külső kereten keresztül az exoskeleton láb támasztóplatformjába szállítják.
Az exoskeleton megismétli az emberi biomechanikát a mozgás közbeni erőfeszítések arányos növelése érdekében. Ezen arányok meghatározásához az anatómiai paraméterezés fogalmát kell használni.
Az anatómiai parametrizálás az emberi test szerkezetének különböző anatómiai jellemzői és a mechanikai eszköz paraméterei közötti összefüggések meghatározása, amelyek meghatározzák a létrejövő biomechanikai rendszer optimális működését. [2] [3]
Nyílt sajtóértesülések szerint jelenleg működő modelleket Oroszországban [4] [5] , Japánban , az USA -ban [6] és Izraelben hoztak létre . Az exoskeleton űrruhába építhető .
Az első exoskeletont a General Electric és az amerikai hadsereg közösen fejlesztette ki a 60-as években, Hardiman néven . 110 kg-ot tudott felemelni a 4,5 kg emelésekor alkalmazott erővel. Jelentős, 680 kg-os tömege miatt azonban nem volt praktikus. A projekt nem járt sikerrel. A teljes exoskeleton használatára tett minden kísérlet intenzív, ellenőrizhetetlen mozgással végződött, ami azt eredményezte, hogy soha nem tesztelték emberrel. A további kutatások az egyik oldalra összpontosítottak. Bár 340 kg-ot kellett volna emelnie, súlya 750 kg volt, ami kétszerese az emelőképességnek. Az összes komponens összekapcsolása nélkül a Hardiman projekt gyakorlati alkalmazása korlátozott volt [7] .
A ReWalk Robotics által kifejlesztett ReWalk exoskeleton lehetővé teszi a bénult emberek járását. Az új rendszert a kutatók szerint a betegek a mindennapi életben is használhatják [8] .
Az eddig létrejött vagy ígéretes fejlődési szakaszban lévő exoskeletonok a következő kritériumok szerint osztályozhatók [9] :
A legteljesebb és legmodernebb osztályozást Vorobjov A. A. professzor és társszerzők javasolták (2015) [10]
A javasolt osztályozás több elven alapul.
A fejlesztés fő iránya az exoskeletonok katonai alkalmazása a gyalogosan tevékenykedő harcászati csoportok, egységek mobilitásának növelése érdekében, kompenzálva a katonák túlzott súlya miatti fizikai megterhelését. [12] Az emberi mobilitás és sebesség növekedése az exoskeletont használó erősségének növekedésével is együtt járhat.
Az exoskeleton berendezésbe való integrálása együtt jár majd annak multifunkcionális rendszerré alakításával. Fő rendeltetésén túl képes ellátni elektromos generátor, akkumulátortároló, páncélvédő modulok rögzítésére szolgáló keret, távközlési berendezések, különféle szenzorok és jelátalakítók, vezetékek lefektetése és adatátvitel funkcióit. [12] Figyelemre méltó az exoskeleton szerkezeti elemek antennarendszerként történő alkalmazása rádiójelek továbbítására és vételére. [12]
Az exoskeletonok másik lehetséges alkalmazási területe a sérült és fogyatékkal élők , idősek segítése, akiknek életkorukból adódóan mozgásszervi problémáik vannak .
Az alsó állcsonttöréses betegek rehabilitációjára egy mandibularis exoskeletont fejlesztettek ki [13] , melynek célja a betegek mandibula defektusainak kezelése, a rágási funkció helyreállításának lehetőségével a korai posztoperatív időszakban és a rehabilitáció szakaszaiban. Ez az eszköz [14] első ízben biztosítja a páciens számára nemcsak az alsó állkapocs motoros aktivitását, hanem kompenzálja a külső csonttöredékek rögzítésére szolgáló eszköz használatából eredő kóros erőket is [15] [16] . Mandibuláris exoskeleton a YouTube -on
Az exoskeletonok módosításai, valamint egyes modelljeik jelentős segítséget nyújthatnak a mentőknek az összedőlt épületek romjainak elemzésében. Ugyanakkor az exoskeleton megvédheti a mentőt a lehulló törmeléktől.
Napjainkban a teljes értékű exoskeletonok építésének megkezdésének nagy akadálya a megfelelő energiaforrások hiánya, amely lehetővé tenné a gép hosszú távú önálló működését.
Az 1960-as években A General Electric kifejlesztett egy elektromos és hidraulikus kialakítást, a Hardiman-t, amely az exoskeleton rakodóhoz hasonlít, amelyet Ellen Ripley hadnagy (Az " Aliens " című filmben) használ az Alien méh elleni utolsó csatában [17] , de 1500 font súlyú ( 680, 4 kg) tervezése nem volt hatékony.
Az exoskeletonokra működő példákat építettek, de az ilyen modellek széles körű alkalmazása még nem lehetséges. Ilyen például a Sarcos XOS exoskeleton, amelyet az amerikai hadsereg megrendelésére fejlesztettek ki. A sajtó szerint a gépet jól megtervezték, de a kellő kapacitású akkumulátorok hiánya miatt a bemutatót hálózati módban kellett végrehajtani (bemutatóval ellátott videó a YouTube-on [18] ).
Egyes exoskeletonokat ( Hybrid Assistive Limb , Honda Walking Assist Device) mozgásszervi problémákkal küzdők eszközeként helyezik el [19] . A Honda Walking Assist eszközt a Honda három méretben gyártotta - kicsi, közepes (súly 2,8 kg), nagy.
Az ExoAtlet nevű orosz exoskeleton fejlesztését az ExoAtlet projekt tudóscsoportja végzi, amely az első orosz orvosi exoskeleton az alsó végtagok mozgásszervi funkcióival küzdők rehabilitációjára, szociális adaptációjára és integrációjára. A fejlesztők szerint egy ilyen exoskeleton nem csak a gerincvelő-sérültek számára alkalmas, hanem a stroke következményeivel küzdők számára is. Jelenleg a termék több működő prototípusa is elkészült. A legújabb módosítás, az ExoAtlet Albert mankóval vezérelhető, és lehetővé teszi az ember számára, hogy önállóan tudjon járni, leülni és felállni. A projektvezetők szerint az első értékesítés 2016-ban kezdődik.
Az Active Electric egy aktív ipari exoskeleton, amelyet a Norilsk Nickel Digital Laboratory fejlesztett ki a Southwestern State University-vel (Southwestern State University, Kursk) és az Exomed céggel [20] (Kursk) együttműködve. Az alsó végtagok ipari exoskeletonja AE terhek emelésére, hordozására és tartására, valamint hosszú statikus állapotban tartó munkák elvégzésére szolgál, a munkahelyi sérülések megelőzésére és a termelés hatékonyságának javítására szolgál [21] [22 ] ] . Az elektromos hajtások intelligens vezérlőrendszerével és fedélzeti érzékelőkkel, amelyek elemzik a környezetet, a felhasználói és a rakomány paramétereit. Az exoskeleton moduláris felépítése gravitációs kompenzátorokat és elektromos meghajtású teheremelő modult tartalmaz, amely lehetővé teszi, hogy az exoskeleton a teher súlyának 90%-át fel tudja venni, maximum 60 kg teherbírással. Az exoskeleton 160-195 cm magas kezelők számára készült, és tartalmaz egy fedélzeti számítógépet is, amely lehetővé teszi a környezeti levegő szennyezettségének, a levegő hőmérsékletének, a megvilágításnak, a felhasználói módnak és egyéb paramétereknek valós idejű nyomon követését. Minden adat megjelenik egy mobileszközön, és átvihető a vállalati hálózatra [23] . Jelenleg egy kísérleti tételt tesztelnek a vállalkozásoknál.
Az ExoHeaver Lowebacker egy puha típusú passzív exoskeleton, amelyet a hát teheremelési, raktározási és szállítási munkák során történő tehermentesítésére terveztek [24] . Legfeljebb 25 kg-os terhekkel való munkavégzésre tervezték, és felszerelhető érzékelőrendszerrel az "okos dolgozó" rendszerbe való integráláshoz. TR TS és GOST R tanúsítvánnyal rendelkezik, és sikeresen használják Oroszországban, Kazahsztánban és Fehéroroszországban [25] .
Az ExoHeaver Holdupper egy passzív exoskeleton párhuzamos kinematikai mechanizmussal, amelyet arra terveztek, hogy tehermentesítse a felhasználó felső végtagjait, amikor nehéz szerszámmal vagy 20 kg-ig terjedő teherrel dolgozik.
Az XOS 2 egy második generációs robotruha, amelyet a Raytheon fejlesztett ki az amerikai hadsereg számára. A vállalat először 2010 szeptemberében mutatta be az exoskeleton képességeit a Utah állambeli Salt Lake Cityben lévő kutatóközpontjában. A robotruha növeli a benne lévő katona erejét, mozgékonyságát és kitartását. Az XOS 2 nagynyomású hidraulikus rendszert használ, amely lehetővé teszi viselőjének, hogy nehéz tárgyakat 17:1 arányban emeljen fel (a tényleges súly az érzékelt súlyhoz képest). Ez lehetővé teszi a teher többszöri felemelését fáradtság vagy sérülés nélkül.
Az amerikai Védelmi Fejlett Kutatási Projektek Ügynöksége (DARPA) 2001-ben kezdeményezte az exoskeletons for Human Performance Augmentation program részeként az exoskeletonok kifejlesztését. Az ügynökség 50 millió dollárt finanszírozott különböző résztvevőknek egy ötéves programon keresztül. Közülük azonban csak ketten vesznek részt aktívan az amerikai hadsereg számára készült exoskeleton prototípusok fejlesztésében.
Az XOS rendszert eredetileg viselhető energetikailag autonóm robotként (WEAR) fejlesztette ki a utahi Salt Lake City Sarcos Research nevű szervezete. A biomechanikus robot fejlesztése 2000-ben kezdődött. Az 1983-ban alapított céget 2007 novemberében vásárolta meg a Raytheon.
A második generációs XOS 2 robotruha könnyebb anyagot használ, és körülbelül 50%-kal hatékonyabb, mint az XOS 1. Az exoskeleton várhatóan 95 kg körüli lesz. Szabályozók, érzékelők, nagy szilárdságú alumínium és acél kombinációját használja, hogy lehetővé tegye a szerkezetek és aktuátorok feladatainak elvégzését.
Az XOS 2 rendszer elektromos rendszerekkel ellátott hidraulikus belső égésű motorral van felszerelve. A prototípus egy vezetékkel van kötve egy hidraulikus áramforráshoz. A motor vezérli a hidraulikus hajtásokat. A rendszerben különféle érzékelők határozzák meg a pozíciót és a szükséges erőt.
A Panasonic leányvállalatának, az ActiveLinknek a projektje . Alkalmazott exoskeletonokat használnak a katonák erejének növelésére; továbbá a robot lábtámaszok segíthetik a bénult emberek járását, és természeti katasztrófák esetén használhatják az atomerőművek dolgozói és a Vészhelyzeti Minisztérium munkatársai.
Az ActiveLink öltönyöket úgy tervezték, hogy a felhasználók legfeljebb 30 másodperc alatt felvehessék és üzembe helyezhessék őket. A rehabilitációs vagy más orvosi alkalmazásokhoz használt motoros exoskeletonok gyakran használnak elektromos izomaktivitás-érzékelőket, amelyek kalibrálása időbe telik.
A keményruha lehetővé teszi, hogy a búvárok 1000 láb mélységig merüljenek. Az exoskeleton A536 alumíniumötvözetből készül. Súly - 225 kilogrammtól. A maximális merülési idő 50 óra.
A Solar System Express terméke. Az RL Mark VI lehetővé teszi, hogy 100 km-re ereszkedjen le a Föld felszíne fölé az űr legszélén, és függőlegesen leszálljon giroszkóppal, ejtőernyő helyett. Ez a ruha javítja a biztonságot és a teljesítményt az emberes űrrepülés során, lehetőséget biztosít a potenciális katasztrófa-balesetek elkerülésére, valamint növeli az űrturizmus és a tudományos kutatás lehetőségeit.
Az Eidos Montreal és az Open Bionics közösen 3D-nyomtatott protéziseket ad ki a Deus Ex: Mankind Divided PR kampányának részeként. A projekt protéziseinek megkülönböztető jellemzője az alacsony költség.
A Laevo ( Hollandia ) kifejlesztette az exoskeleton passzív változatát, amely hidraulikus hengereket használ. Úgy tervezték, hogy megkönnyítse a logisztikai műveletek végrehajtását, és 40-50%-kal csökkenti a rakomány szubjektív észlelését. A törzs megdöntésekor vagy guggoláskor túlnyomás halmozódik fel az exoskeleton hidraulikus hengereiben, amely felszabadul, amikor a test visszatér eredeti helyzetébe, és ebben a pillanatban további erőfeszítést jelent a megfelelő izmok tehermentesítésére. A V2.4-es változat terméktömege 2,5 kg, a V2.5-ös verzió 2,8 kg. A hidraulikus hengereket 3 éven belül legalább 250 ezer műveletre tervezték. Működés közben a környezeti hőmérsékletnek nulla felett kell lennie. Az exoskeleton megkapta a "CE - Medical Device Class I " orvosi minősítést.
2019-ben Alekszandr Vorobjov és Fedor Andryuscsenko volgográdi orvosok bemutatták az első exoskeletont egy sebész számára, amelyet arra terveztek, hogy megkönnyítse az órákig tartó endoszkópos műtétek elvégzését azáltal, hogy csökkenti a sebész gerincére és kezére nehezedő terhelést. [26] Március végén végezték el az első műtétet ezzel az exoskeletonnal. [27]
A suitX, más néven US Bionics tervezte. A cég igazgatója Homayoon Kazerooni . PHOENIX - az egyik legkönnyebb exoskeleton, súlya 12,25 kg. Csökkent mozgásszervi rendszerrel rendelkező emberek számára készült , nevezetesen azoknak, akik nem tudnak önállóan járni. A haladási sebesség 0,5 m/s, újratölthető akkumulátorral van felszerelve, melynek folyamatos teljesítménytartaléka akár 4 óra, szünetekkel akár 8 óra. Állítható méretekkel rendelkezik, különböző testalkatú és magasságú felhasználókhoz állítható. A PHOENIX combmotorokkal van felszerelve, amelyek az exoskeleton térdízületeit táplálják, lehetővé téve a szabad mozgást. Úgy van kialakítva, hogy a kezelő ne érezze a súlyát és rajta legyen. Egy akadállyal való ütközéskor az exoskeleton kompenzálja az ütközést anélkül, hogy átadná a tulajdonosnak.
Az exoskeletonok gyakran jelennek meg a sci-fi -ben, leggyakrabban katonai felszerelésként - erőpáncél vagy harci ruha formájában [28] .
Exoskeletonokat vagy hasonló szerkezeteket használnak a „ The Matrix ” (APU – Armored Personnel Units), az „ Avatar ”, „ Attraction ”, „ Körzet No. 9 ” (valami az exoskeleton és a walker között ) című filmsorozat szereplői. [28] , " Elysium - Paradise not on Earth ", " Toss of the Cobra ", " Spy Kids 4D ". Az egyik leghíresebb exoszkeletonokkal kapcsolatos jelenet [28] az „ Aliens ” című filmben látható , ahol a főszereplő Ellen Ripley egy exoskeleton-rakodót használ az idegen királynő elleni végső csatában . Az " Edge of Tomorrow " című filmben minden harcos exoskeletonban küzd. Az Echo Platoon című animációs sorozatban a repülő exoskeletonok elleni küzdelem ötlete áll a cselekmény középpontjában [28] .