Exoskeleton ( kreikaksi έξω - ulkoinen ja σκελετος - luuranko) - laite, joka on suunniteltu kompensoimaan menetettyjä toimintoja, lisäämään ihmisen lihasvoimaa ja laajentamaan liikealuetta ulkoisen rungon ja käyttöosien ansiosta [1] , sekä siirtämään kuorma siirrettäessä rahtia ulkorungon läpi eksoskeleton jalan tukitasolle.
Eksoskeleton toistaa ihmisen biomekaniikkaa, mikä lisää suhteellisesti ponnistuksia liikkeiden aikana. Näiden mittasuhteiden määrittämiseksi tulisi käyttää anatomisen parametrisoinnin käsitettä.
Anatominen parametrisointi on ihmiskehon rakenteen eri anatomisten ominaisuuksien ja mekaanisen laitteen parametrien välisten vastaavuuksien määrittämistä, jotka määrittävät tuloksena olevan biomekaanisen järjestelmän optimaalisen toiminnan. [2] [3]
Avointen lehdistötietojen mukaan tällä hetkellä toimintamalleja on luotu Venäjällä [4] [5] , Japanissa , Yhdysvalloissa [6] ja Israelissa . Eksoskeleton voidaan rakentaa avaruuspukuun .
Ensimmäisen eksoskeleton kehitettiin yhdessä General Electricin ja Yhdysvaltain armeijan kanssa 60-luvulla, ja sitä kutsuttiin Hardimaniksi . Hän pystyi nostamaan 110 kg 4,5 kg:n nostovoimalla. Se oli kuitenkin epäkäytännöllinen merkittävän 680 kg:n massansa vuoksi. Projekti ei onnistunut. Kaikki yritykset käyttää koko eksoskeletonia päättyivät intensiiviseen hallitsemattomaan liikkeeseen, minkä seurauksena sitä ei koskaan testattu ihmisen kanssa. Jatkotutkimukset ovat keskittyneet yhteen käteen. Vaikka hänen piti nostaa 340 kg, hänen painonsa oli 750 kg, mikä oli kaksinkertainen nostokyky. Ilman kaikkien komponenttien yhdistämistä Hardiman-projektin käytännön soveltaminen oli rajoitettua [7] .
ReWalk Roboticsin kehittämä ReWalk-eksoskeleton mahdollistaa halvaantuneiden ihmisten kävellä. Uutta järjestelmää voivat tutkijoiden mukaan käyttää potilaat jokapäiväisessä elämässä [8] .
Tähän mennessä luodut tai lupaava kehitysvaiheessa olevat eksoskeletonit voidaan luokitella seuraavien kriteerien mukaan [9] :
Täydellisimmän ja nykyaikaisimman luokituksen ehdottivat professori Vorobjov A. A. ja muut kirjoittajat (2015) [10]
Ehdotettu luokittelu perustuu useisiin periaatteisiin.
Kehityksen pääsuunta on eksoskeletonin sotilaallinen käyttö taktisten ryhmien ja jalkaisin toimivien yksiköiden liikkuvuuden lisäämiseksi kompensoimalla sotilaiden liiallisesta painosta aiheutuvaa fyysistä kuormitusta. [12] Ihmisen liikkuvuuden ja nopeuden lisääntymiseen saattaa liittyä myös ulkopuolista luurankoa käyttävän henkilön voiman lisääntyminen.
Eksoskeletonin integrointi laitteistoon liittyy sen muuntamiseen monitoimijärjestelmäksi. Päätarkoituksensa lisäksi se voi suorittaa sähkögeneraattorin, akkuvaraston, panssarisuojamoduulien kiinnityskehyksen, tietoliikennelaitteiden, erilaisten antureiden ja muuntimien toimintoja, voimalinjojen asennusta ja tiedonsiirtoa. [12] Huomionarvoista on eksoskeleton rakenneosien käyttö antennijärjestelmänä radiosignaalien lähettämiseen ja vastaanottamiseen. [12]
Toinen mahdollinen eksoskeleton käyttöalue on auttaa loukkaantuneita ja vammaisia , vanhuksia, joilla on ikänsä vuoksi ongelmia tuki- ja liikuntaelimistön kanssa .
Alaleuan murtumia sairastavien potilaiden kuntoutukseen kehitettiin alaleuan eksoskeleton [13] , jonka tarkoituksena on hoitaa alaleuan vaurioita potilailla, joilla on mahdollisuus palauttaa puremistoiminto varhaisessa postoperatiivisessa vaiheessa ja kuntoutuksen vaiheissa. Tämä laite [14] ensimmäistä kertaa ei tarjoa potilaalle vain alaleuan motorista aktiivisuutta, vaan myös kompensoi patologisia voimia, jotka johtuvat ulkoisen luufragmenttien kiinnityslaitteen käytöstä [15] [16] . Alaleuan eksoskeleton YouTubessa
Eksoskeletonin ja joidenkin niiden mallien modifikaatiot voivat tarjota pelastajille merkittävää apua romahtaneiden rakennusten raunioiden analysoinnissa. Samalla eksoskeleton voi suojata pelastajaa putoavilta roskilta.
Nykyään suuri este täysimittaisten eksoskeletonin rakentamisen aloittamiselle on sopivien energialähteiden puute, jonka avulla kone voisi toimia itsenäisesti pitkään.
1960-luvulla General Electric kehitti sähköisen ja hydraulisen rakenteen nimeltä Hardiman, joka on muotoiltu ulkopuolisen luurankon kuormaajaksi, jota luutnantti Ellen Ripley (elokuvassa " Aliens ") käyttää viimeisessä taistelussa Alien kohtua vastaan [17] , mutta painona oli 1500 kiloa ( 680, 4 kg) suunnittelu oli tehoton.
Toimivia esimerkkejä eksoskeletoneista on rakennettu, mutta tällaisten mallien laaja käyttö ei ole vielä mahdollista. Tämä on esimerkiksi Sarcos XOS exoskeleton, joka kehitettiin tilauksesta Yhdysvaltain armeijalta. Lehdistön mukaan kone oli hyvin suunniteltu, mutta riittävän kapasiteetin akkujen puutteen vuoksi esittely jouduttiin toteuttamaan verkkovirralla (video esittelyllä on YouTubessa [18] ).
Jotkut eksoskeletonit ( Hybrid Assistive Limb , Honda Walking Assist Device) on sijoitettu laitteiksi ihmisille, joilla on tuki- ja liikuntaelinongelmia [19] . Honda valmisti Honda Walking Assist Device -laitetta kolmessa koossa - pieni, keskikokoinen (paino 2,8 kg), suuri.
ExoAtlet - nimisen venäläisen eksoskeletonin kehitystyötä tekee ExoAtlet-projektin tutkijaryhmä, joka on ensimmäinen venäläinen lääketieteellinen eksoskeleton, joka on tarkoitettu alaraajojen heikentyneen liikuntakyvyn omaavien ihmisten kuntoutukseen, sosiaaliseen sopeutumiseen ja integraatioon. Kehittäjien mukaan tällainen eksoskeleton ei sovellu vain selkäydinvammaisille, vaan myös ihmisille, joilla on aivohalvauksen seurauksia. Tällä hetkellä tuotteesta on luotu useita toimivia prototyyppejä. Uusinta modifikaatiota, ExoAtlet Albert, ohjataan kainalosauvoilla ja sen avulla ihminen voi kävellä, istua ja nousta seisomaan itsenäisesti. Projektipäälliköiden mukaan ensimmäinen myynti alkaa vuonna 2016.
Active Electric on aktiivinen teollinen eksoskeleton, jonka on kehittänyt Norilsk Nickel Digital Laboratory yhteistyössä Southwestern State Universityn (Southwestern State University, Kursk) ja Exomed-yrityksen [20] (Kursk) kanssa. Alaraajojen teollinen eksoskeleton AE on suunniteltu kuormien nostamiseen, kantamiseen ja pitämiseen sekä pitkään staattisessa tilassa olemiseen liittyvien töiden suorittamiseen, sitä käytetään estämään työtapaturmia ja parantamaan tuotannon tehokkuutta [21] [22 ] ] . Varustettu älykkäällä sähkökäyttöjen ohjausjärjestelmällä ja sarjalla sisäisiä antureita, jotka analysoivat ympäristön, käyttäjän ja kuormituksen parametreja. Eksoskeleton modulaarinen rakenne sisältää painovoimakompensaattorit ja sähkökäyttöisen kuormannostomoduulin, jonka avulla eksoskeleton kantaa itsensä jopa 90 % kuorman painosta maksimikantavuuden ollessa 60 kg. Eksoskeleton on suunniteltu 160-195 cm pituisille käyttäjille, ja se sisältää myös ajotietokoneen, joka mahdollistaa reaaliaikaisen ympäristön ilmansaasteiden tason, ilman lämpötilan, valaistuksen, käyttäjätilan ja muiden parametrien seurannan. Kaikki tiedot näkyvät mobiililaitteella ja ne voidaan siirtää yritysverkkoon [23] . Parhaillaan yrityksissä testataan kokeellista erää.
ExoHeaver Lowebacker on pehmeä tyyppinen passiivinen eksoskeleton, joka on suunniteltu purkamaan selkää kuormannosto-, varasto- ja kuljetustöiden aikana [24] . Suunniteltu toimimaan jopa 25 kg painavilla kuormilla, ja se voidaan varustaa anturijärjestelmällä integroitavaksi "älykäs työntekijä" -järjestelmään. Sillä on TR TS- ja GOST R -sertifikaatit, ja sitä käytetään menestyksekkäästi useissa yrityksissä Venäjällä, Kazakstanissa ja Valko-Venäjällä [25] .
ExoHeaver Holdupper on passiivinen eksoskeleton, jossa on rinnakkainen kinematiikkamekanismi, joka on suunniteltu purkamaan käyttäjän yläraajoja, kun työskentelet raskaalla työkalulla tai kuormalla, joka painaa jopa 20 kg.
XOS 2 on toisen sukupolven robottipuku, jonka Raytheon on kehittänyt Yhdysvaltain armeijalle. Yritys esitteli ensimmäisen kerran eksoskeleton kyvyt tutkimuskeskuksessaan Salt Lake Cityssä, Utahissa syyskuussa 2010. Robottipuku lisää siinä olevan sotilaan voimaa, ketteryyttä ja kestävyyttä. XOS 2 käyttää korkeapaineista hydraulijärjestelmää, jonka avulla käyttäjä voi nostaa raskaita esineitä suhteessa 17:1 (todellinen paino havaittuun painoon). Näin voit nostaa kuormaa toistuvasti ilman väsymystä tai loukkaantumisia.
Yhdysvaltain puolustusalan edistyneiden tutkimusprojektien virasto (DARPA) aloitti eksoskeletonin kehittämisen vuonna 2001 osana Exoskeletons for Human Performance Augmentation -ohjelmaa. Virasto on rahoittanut 50 miljoonaa dollaria eri osallistujille viisivuotisen ohjelman kautta. Kuitenkin vain kaksi heistä on aktiivisesti mukana kehittämässä eksoskeleton prototyyppejä Yhdysvaltain armeijalle.
XOS-järjestelmän kehitti alun perin Wearable Energetically Autonomous Robot (WEAR) -yrityksenä Sarcos Research of Salt Lake City, Utah. Biomekaanisen robotin kehitys alkoi vuonna 2000. Raytheon osti vuonna 1983 perustetun yrityksen marraskuussa 2007.
Toisen sukupolven XOS 2 -robottipuku käyttää kevyempää materiaalia ja on noin 50 % tehokkaampi kuin XOS 1. Eksoskeleton odotetaan painavan noin 95 kg. Se käyttää ohjaimien, antureiden, korkean lujan alumiinin ja teräksen yhdistelmää, jotta rakenteet ja toimilaitteet voivat suorittaa tehtäviä.
XOS 2 -järjestelmä on varustettu hydraulisella polttomoottorilla, jossa on sähköjärjestelmä. Prototyyppi on sidottu langalla hydraulivirtalähteeseen. Moottori ohjaa hydraulikäyttöjä. Erilaiset anturit, jotka on varustettu kaikkialla järjestelmässä, määrittävät asennon ja tarvittavan voiman.
Panasonicin tytäryhtiön ActiveLinkin projekti . Sovellettuja eksoskeletoneja käytetään lisäämään sotilaiden voimaa; Lisäksi robottijalkatuet voivat auttaa halvaantuneita kävelemään, ja niitä voivat käyttää ydinvoimalaitosten työntekijät ja hätätilanneministeriön työntekijät luonnonkatastrofien sattuessa.
ActiveLink-puvut on suunniteltu niin, että käyttäjät voivat pukea ne päälle ja olla valmis 30 sekunnissa tai vähemmän. Kuntoutukseen tai muihin lääketieteellisiin sovelluksiin tarkoitetut sähkökäyttöiset eksoskeletonit käyttävät usein sähköisiä lihasten aktiivisuusantureita, joiden kalibrointi vie aikaa.
Kovapuvun avulla sukeltajat voivat sukeltaa 1000 metrin syvyyteen. Eksoskeleton on valmistettu A536-alumiiniseoksesta. Paino - alkaen 225 kilogrammaa. Maksimi sukellusaika on 50 tuntia.
Solar System Expressin tuote. RL Mark VI mahdollistaa laskeutumisen jopa 62 mailia (100 km) maanpinnan yläpuolelle avaruuden reunalla ja laskeutumisen pystysuoraan käyttämällä gyroskooppeja laskuvarjon sijaan. Tämä puku parantaa turvallisuutta ja suorituskykyä miehitetyillä avaruuslennoilla, tarjoaa keinon paeta mahdollisia katastrofaalisia onnettomuuksia ja parantaa avaruusmatkailun ja tieteellisen tutkimuksen mahdollisuuksia.
Eidos Montreal ja Open Bionics julkaisevat yhdessä 3D-tulostettuja proteeseja osana Deus Ex: Mankind Dividedin PR-kampanjaa. Tämän projektin proteesien erottuva piirre on niiden alhaiset kustannukset.
Laevo ( Alankomaat ) on kehittänyt passiivisen version eksoskeletonista, joka käyttää hydraulisylintereitä. Se on suunniteltu helpottamaan logististen toimintojen suorittamista ja vähentää subjektiivista käsitystä kuormasta 40-50%. Vartaloa kallistettaessa tai kyykkyssä eksoskeleton hydraulisylintereihin kertyy ylipaine, joka vapautuu, kun vartalo palaa alkuperäiseen asentoonsa, mikä luo tällä hetkellä lisäponnistusta vastaavien lihasten purkamiseen. V2.4-version tuotteen paino on 2,5 kg, V2.5-version 2,8 kg. Hydraulisylinterit on suunniteltu vähintään 250 000 toimintoon 3 vuoden sisällä. Ympäristön lämpötilan on käytön aikana oltava nollan yläpuolella. Eksoskeleton sai lääketieteellisen todistuksen "CE - Medical Device Class I ".
Vuonna 2019 Volgogradin lääkärit Aleksanteri Vorobjov ja Fedor Andryushchenko esittelivät ensimmäisen kirurgin eksoskeleton, joka on suunniteltu helpottamaan tuntikausien endoskooppisten leikkausten suorittamista vähentämällä kirurgin selkärangan ja käsien kuormitusta. [26] Maaliskuun lopussa tehtiin ensimmäinen leikkaus käyttämällä tätä eksoskeletonia. [27]
Suunnittelija suitX, joka tunnetaan myös nimellä US Bionics. Yrityksen johtaja on Homayoon Kazerooni . PHOENIX - on yksi kevyimmistä eksoskeletoista, joka painaa 12,25 kg. Suunniteltu ihmisille, joilla on tuki- ja liikuntaelinten vajaatoiminta , eli ihmisille, jotka eivät pysty kävelemään yksin. Ajonopeus on 0,5 m/s, se on varustettu ladattavalla akulla , jonka jatkuva tehoreservi on jopa 4 tuntia ja jopa 8 tuntia taukojen kanssa. Siinä on säädettävät koot ja se voidaan säätää eri fysikaalisille ja -pituisille käyttäjille. PHOENIX on varustettu reisimoottoreilla, jotka antavat voiman ulkopuolisen luuston polvinivelille, mikä mahdollistaa vapaan liikkeen. Se on suunniteltu siten, että käyttäjä ei tunne sen painoa ja on sen päällä. Törmäyksessä esteeseen eksoskeleton kompensoi törmäyksen siirtämättä sitä omistajalle.
Eksoskeletonit esiintyvät usein tieteiskirjallisuudessa , useimmiten sotilasvarusteina - voimapanssarin tai taistelupuvun muodossa [28] .
Eksoskeletoneja tai vastaavia rakenteita käyttävät elokuvasarjan " The Matrix " (APU - Armored Personnel Units), elokuvien " Avatar ", " Attraction ", " District No. 9 " (jotain eksoskeletonin ja kävelijän välimaastossa ) hahmot. [28] , " Elysium - Paradise not on Earth ", " Toss of the Cobra ", " Spy Kids 4D ". Yksi kuuluisimmista eksoskeletoihin liittyvistä kohtauksista [28] esitetään elokuvassa " Aliens ", jossa päähenkilö Ellen Ripley käyttää eksoskeletonkuormaajaa viimeisessä taistelussa Alien Queenia vastaan. Elokuvassa " Edge of Tomorrow " kaikki taistelijat taistelevat eksoskeletoissa. Animaatiosarjassa Echo Platoon ajatus lentävien eksoskeletonien torjumisesta on juonen ytimessä [28] .