Exoskeletony

Přestože je v poslední době o exoskeletonech slyšet stále více, ukazuje se, že historie tohoto vynálezu sahá až do devatenáctého století. Zjistěte, jak se v průběhu desetiletí měnil a jak vypadaly zlomy v jeho vývoji. 

1. Ilustrace z patentu Nikolaje Yagna

1890 – První inovativní nápady na vytvoření exoskeletonu pocházejí z 1890. století. V roce 420179 Nicholas Yagn patentoval ve Spojených státech (patent č. US XNUMX A) „Zařízení pro usnadnění chůze, běhu a skákání“ (1). Jednalo se o brnění ze dřeva, jehož účelem bylo zvýšit rychlost válečníka při mnohakilometrovém pochodu. Návrh se stal zdrojem inspirace pro další hledání optimálního řešení.

1961 - V 60. letech začala General Electric společně se skupinou vědců z University of Comell pracovat na vytvoření elektrohydraulického obleku, který podporuje lidské cvičení. Spolupráce s armádou na projektu Man Augmentation vedla k vývoji Hardiman (2). Cílem projektu bylo vytvořit oblek, který napodobuje přirozené pohyby člověka a umožňuje mu zvedat předměty o hmotnosti téměř 700 kg. Kostým samotný vážil stejně, ale hmatatelná váha byla pouhých 20 kg.

2. Prototypový výměník tepla General Electric

Navzdory úspěchu projektu se ukázalo, že jeho užitečnost je zanedbatelná a počáteční kopie by byly drahé. Jejich omezené možnosti mobility a složitý systém napájení nakonec učinily tato zařízení nepoužitelnými. Během testování se ukázalo, že Hardiman dokáže zvednout pouze 350 kg a při delším používání má sklony k nebezpečným, nekoordinovaným pohybům. Od dalšího vývoje prototypu bylo opuštěno pouze jedno rameno – zařízení vážilo asi 250 kg, ale bylo stejně nepraktické jako předchozí exoskelet.

Šedesátá léta. „Vzhledem ke své velikosti, váze, nestabilitě a problémům s napájením se Hardiman nikdy nedostal do výroby, ale průmyslový Man-Mate používal nějakou technologii z 60. let. Práva na technologii koupila společnost Western Space and Marine, kterou založil jeden z inženýrů GE. Produkt byl dále vyvinut a dnes existuje ve formě velkého robotického ramene, které dokáže zvednout až 4500 XNUMX kg pomocí silové zpětné vazby, díky čemuž je ideální pro ocelářský průmysl.

3. Exoskeletony postavené v Mihailo Pupin Institute v Srbsku.

1972 – Rané aktivní exoskelety a humanoidní roboty byly vyvinuty v Institutu Mihaila Pupina v Srbsku skupinou vedenou prof. Miomir Vukobratovič. Za prvé byly vyvinuty systémy pohybu nohou na podporu rehabilitace lidí trpících paraplegií (3). Při vývoji aktivních exoskeletonů ústav vyvinul také metody pro analýzu a kontrolu lidské chůze. Některé z těchto pokroků přispěly k vývoji dnešních vysoce výkonných humanoidních robotů. V roce 1972 byl na ortopedické klinice v Bělehradě testován aktivní pneumatický exoskeleton s elektronickým programováním pro paralýzu dolních končetin.

1985 „Inženýr v Los Alamos National Laboratory staví exoskelet zvaný Pitman, elektrické brnění pro pěšáky. Ovládání zařízení bylo založeno na senzorech, které snímají povrch lebky, umístěné ve speciální helmě. Vzhledem k možnostem tehdejší technologie to byl příliš složitý návrh na výrobu. Omezením byl především nedostatečný výpočetní výkon počítačů. Navíc zpracování mozkových signálů a jejich přeměna na pohyby exoskeletu zůstávalo v té době technicky prakticky nemožné.

4. Exoskeleton Lifesuit, navržený Monty Reedem.

1986 — Monty Reed, voják americké armády, který si při seskoku s padákem zlomil páteř, vyvinul exoskelet pro přežití (4). Inspirací mu byly popisy mobilních pěchotních obleků ve sci-fi románu Roberta Heinleina Starship Troopers, který četl, když se zotavoval v nemocnici. Reed však začal pracovat na svém zařízení až v roce 2001. V roce 2005 testoval prototyp záchranného obleku 4,8 v závodě St. Patrick's Day v Seattlu ve státě Washington. Vývojář tvrdí, že vytvořil rekord rychlosti chůze v robotických oblecích, kdy urazil 4 kilometry při průměrné rychlosti 14 km/h. Prototyp Lifesuit 1,6 byl schopen ujet 92 km plně nabitý a umožnil zvednout XNUMX kg.

1990-dosud - První prototyp HAL exoskeletonu navrhl Yoshiyuki Sankai (5), prof. Univerzita Tsukuba. Sankai strávil tři roky – od roku 1990 do roku 1993 – identifikací neuronů, které řídí pohyb nohou. Jemu a jeho týmu trvalo další čtyři roky, než prototyp zařízení. Třetí prototyp HAL, vyvinutý na počátku 22. století, byl připojen k počítači. Samotná baterie vážila téměř 5 kg, což ji činilo velmi nepraktickou. Oproti tomu pozdější model HAL-10 vážil pouhých 5 kg a měl baterii a řídicí počítač omotaný kolem pasu uživatele. HAL-XNUMX je v současné době lékařský exoskelet se čtyřmi končetinami (i když je k dispozici i verze pouze pro dolní končetiny) vyráběný japonskou společností Cyberdyne Inc. ve spolupráci s University of Tsukuba.

5. Profesor Yoshiyuki Sankai představuje jeden z modelů exoskeletu.

Působí přibližně 2 hodiny 40 minut uvnitř i venku. Pomáhá zvedat těžké předměty. Umístění ovládacích prvků a pohonu v nádobách uvnitř pouzdra umožnilo zbavit se „batohu“ tolik charakteristického pro většinu exoskeletonů, někdy připomínajících velký hmyz. Lidé s hypertenzí, osteoporózou a jakýmkoli srdečním onemocněním by se měli před použitím HAL poradit s lékařem a mezi kontraindikace patří mimo jiné kardiostimulátor a těhotenství. V rámci programu HAL FIT výrobce nabízí možnost využití léčebných sezení s exoskeletem pro nemocné i zdravé lidi. Designér HAL tvrdí, že další fáze upgradu se zaměří na vytvoření tenkého obleku, který uživateli umožní volně se pohybovat a dokonce i běhat. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni a jeho tým v Ekso Bionics vyvíjejí univerzální nosič lidského nákladu neboli HULC (6) je bezdrátový exoskeleton s hydraulickým pohonem. Jeho účelem je pomáhat válčícím vojákům dlouhodobě přenášet břemena o hmotnosti až 90 kg s maximální rychlostí 16 km/h. Systém byl veřejnosti představen na zimním sympoziu AUSA dne 26. února 2009, kdy byla uzavřena licenční smlouva se společností Lockheed Martin. Dominantním materiálem použitým v této konstrukci je titan, lehký, ale poměrně drahý materiál s vysokými mechanickými a pevnostními vlastnostmi.

Exoskeleton je vybaven přísavkami, které umožňují přenášet předměty o hmotnosti až 68 kg (zvedací zařízení). Napájení je zajištěno čtyřmi lithium-polymerovými bateriemi, které zajišťují běžný provoz zařízení při optimální zátěži až 20 hodin. Exoskeleton byl testován v různých bojových podmínkách a s různým zatížením. Po sérii úspěšných experimentů na podzim 2012 byl poslán do Afghánistánu, kde byl testován během ozbrojeného konfliktu. Navzdory mnoha pozitivním recenzím byl projekt pozastaven. Jak se ukázalo, design ztěžoval provádění určitých pohybů a ve skutečnosti zvýšil zatížení svalů, což bylo v rozporu s obecnou myšlenkou jeho vytvoření.

2001 – Probíhá projekt Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), původně určený hlavně pro armádu. V jeho rámci bylo dosaženo slibných výsledků v podobě autonomních řešení praktického významu. Nejprve bylo vytvořeno robotické zařízení připevněné ke spodní části těla, aby nohy získaly extra sílu. Zařízení bylo financováno Agenturou pro obranné pokročilé výzkumné projekty (DARPA) a vyvinuto Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, divize Kalifornské univerzity, oddělení strojního inženýrství v Berkeley. Systém exoskeletu Berkeley dává vojákům možnost přenášet velké užitečné zatížení s minimálním úsilím a přes jakýkoli typ terénu, jako je jídlo, záchranné vybavení, lékárničky, komunikace a zbraně. Kromě vojenských aplikací BLEEX v současné době vyvíjí civilní projekty. Laboratoř robotiky a lidského inženýrství v současné době zkoumá tato řešení: ExoHiker - exoskelet určený především pro členy expedice tam, kde je potřeba přepravovat těžkou techniku, ExoClimber - vybavení pro lidi lezoucí do vysokých kopců, Medical Exoskeleton - exoskelet pro osoby se zdravotním postižením fyzické schopnosti. poruchy hybnosti dolních končetin.

8. Prototyp Sarcos XOS 2 v akci

текст

2010 – Zobrazí se XOS 2 (8) je pokračováním exoskeletu XOS od Sarcos. Za prvé, nový design se stal lehčím a spolehlivějším, což vám umožňuje staticky zvedat břemena o hmotnosti až 90 kg. Zařízení připomíná kyborga. Ovládání je založeno na třiceti aktuátorech, které fungují jako umělé klouby. Exoskeleton obsahuje několik senzorů, které přenášejí signály do aktuátorů přes počítač. Tímto způsobem probíhá plynulý a nepřetržitý provoz a uživatel nepociťuje žádnou výraznou námahu. Hmotnost XOS je 68 kg.

2011-dosud – Americký úřad pro potraviny a léčiva (FDA) schvaluje lékařský exoskelet ReWalk (9). Jde o systém, který využívá silové prvky k posílení nohou a umožňuje lidem s paralýzou stát rovně, chodit a lézt po schodech. Energii zajišťuje baterie batohu. Ovládání se provádí pomocí jednoduchého ručního dálkového ovladače, který detekuje a koriguje pohyby uživatele. Celé to navrhl Amit Goffer z Izraele a prodává ho ReWalk Robotics Ltd (původně Argo Medical Technologies) za zhruba 85 XNUMX PLN. dolarů.

9. Lidé chodí v exoskeletonech ReWalk

V době vydání bylo zařízení k dispozici ve dvou verzích – ReWalk I a ReWalk P. První je používána zdravotnickými zařízeními pro výzkumné nebo terapeutické účely pod dohledem zdravotnického pracovníka. ReWalk P je určen pro osobní použití pacienty doma nebo ve veřejných prostorách. V lednu 2013 byla vydána aktualizovaná verze ReWalk Rehabilitation 2.0. To zlepšilo přizpůsobení pro vyšší osoby a zlepšilo ovládací software. ReWalk vyžaduje, aby uživatel používal berle. Jako kontraindikace jsou uváděny kardiovaskulární choroby a křehkost kostí. Omezením je také růst, do 1,6-1,9 m, a tělesná hmotnost do 100 kg. Toto je jediný exoskelet, ve kterém můžete řídit auto.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, dříve známá jako Berkeley Bionics, představuje svůj lékařský exoskelet. Projekt začal o dva roky dříve pod názvem eLEGS (10), a byl určen k rehabilitaci lidí s různým stupněm ochrnutí. Stejně jako ReWalk i konstrukce vyžaduje použití berlí. Baterie poskytuje energii na minimálně šest hodin používání. Exo set stojí cca 100tis. dolarů. V Polsku je známý projekt exoskeletonu Ekso GT, zdravotnického zařízení určeného pro práci s neurologickými pacienty. Jeho konstrukce umožňuje chůzi včetně lidí po mozkových příhodách, poraněních míchy, pacientů s roztroušenou sklerózou nebo s Guillain-Barrého syndromem. Zařízení může pracovat v několika různých režimech v závislosti na stupni dysfunkce pacienta.

2013 – Mindwalker, projekt exoskeletonu ovládaného myslí, získává finanční prostředky z Evropské unie. Design je výsledkem spolupráce mezi vědci ze Svobodné univerzity v Bruselu a nadací Santa Lucia v Itálii. Vědci testovali různé způsoby ovládání zařízení – věří, že nejlépe funguje rozhraní mozek-neuro-počítač (BNCI), které umožňuje ovládat jej myšlenkami. Signály procházejí mezi mozkem a počítačem a obcházejí míchu. Mindwalker převádí EMG signály, tedy malé potenciály (nazývané myopotenciály), které se objevují na povrchu kůže člověka, když svaly pracují, na elektronické pohybové příkazy. Exoskeleton je docela lehký, váží pouze 30 kg bez baterií. Udrží dospělou osobu o hmotnosti až 100 kg.

2016 – Technická univerzita ETH ve švýcarském Curychu pořádá první sportovní soutěž Cybathlon pro osoby se zdravotním postižením využívající asistenční roboty. Jednou z disciplín byl závod exoskeletonu na překážkové dráze pro osoby s ochrnutím dolních končetin. V této ukázce dovedností a technologií museli uživatelé exoskeletu plnit úkoly, jako je sezení na pohovce a vstávání, chůze po svazích, šlapání na skály (jako když překračuje mělkou horskou řeku) a šplhání po schodech. Ukázalo se, že nikdo nezvládl všechny cviky a nejrychlejším týmům zabralo překonání 50metrové překážkové dráhy více než 8 minut. Příští událost se bude konat v roce 2020 jako indikátor rozvoje technologie exoskeletonu.

2019 – Během letních ukázek v Commando Training Center v Lympstonu ve Spojeném království Richard Browning, vynálezce a generální ředitel společnosti Gravity Industries, předvedl svůj exoskeletonový tryskový oblek Daedalus Mark 1, který udělal obrovský dojem na armádu, a to nejen na Brity. Šest malých proudových motorů - dva z nich jsou instalovány vzadu a dva ve formě dalších párů na každém rameni - umožňují vystoupat do výšky až 600 m. Paliva je zatím dostatek pouze na 10 minut let...