Картинка Benzoix, Freepik

В последнее время всё большую популярность приобретают индивидуальные средства мобильности, благодаря чему в последние несколько лет такие средства передвижения как электросамокаты получили огромное распространение.

На руку этой тенденции играет всё увеличивающаяся урбанизация (по некоторым оценкам, к середине этого века около 70-80% населения Земли будет жить в городах). Большая скученность людей, невозможность или проблемы с поиском свободной парковки для авто заставляют присмотреться к таким средствам передвижения внутри городов более пристально.

Однако, всё равно, такие средства передвижения как самокаты являются достаточно габаритными и не обладают полной гибкостью в применении, что заставляет различных изобретателей разрабатывать поистине компактные индивидуальные средства передвижения, из которых достаточно интересным видом такого устройства являются одеваемые на ноги компактные средства мобильности, существенно ускоряющие перемещение человека в пространстве. Благодаря своему небольшому конечному размеру, доступности мощных компактных электромоторов, ёмких элементов питания (не настолько ёмких, как хотелось бы, но, тем не менее:-) ), широкого распространения 3D принтеров и компактных микроконтроллеров наподобие esp32 и Arduino, с большой экосистемой подключаемых периферийных компонентов, — каждый самодельщик может попробовать реализовать потенциал сложившейся ситуации и испытать свои силы в разработке собственного варианта такого индивидуального средства передвижения.

Рассмотрим наиболее яркие известные примеры таких разработок и их технические решения, с целью что-то почерпнуть для себя.

Moonwalkers

И в качестве первого проекта, безусловно, один из самых ярких — «Moonwalkers» — от компании Shift Robotics:

Продукт проекта представляет собой специальные накладки на обувь, имеющие размер чуть больше обуви и надевающиеся прямо поверх неё.

Разработка проекта велась в течение последних пяти лет и прошла через девять поколений прототипов.

В основе устройства лежит металлическая шестерёнчатая коробка передач, которая распределяет крутящий момент от бесколлекторного двигателя на восемь полиуретановых колёс, несколько перекрывающих по расположению друг друга:

Картинка: kickstarter.com

Колёса сменные и могут быть заменены по мере износа. Тем не менее производителем утверждается, что прочность этих колёс находится на уровне лучших отраслевых стандартов для роликовых коньков и даже превосходит их.

Как личное наблюдение могу сказать, что безколлекторный двигатель очень сильно похож на те, что используются для авиамоделей, соответственно, можно попробовать взять стандартный авиамодельный двигатель + плату контроля за скоростью его вращения (ESC — Electronic Speed Controller) — управляющуюся с помощью подачи ШИМ-сигналов с любого микроконтроллера (с полгода назад нечто подобное делал, если кому интересно, то в одной из предыдущих статей есть даже код для такого управления под esp32).

Говоря о двигателе, можно отметить, что там используется достаточно мощный вариант (если судить по размеру), насколько удалось подсмотреть:

Картинка: Youtube-канал WIRED

Как ориентир, подобные двигатели на известном китайском сайте начинаются примерно от 3.000 р. и используются для приведения в движение больших авиамоделей, с размахом крыльев порядка 1 метра и более.

Большое количество колёс применено специально, чтобы имитировать функционал колёс большего диаметра, что помогает преодолевать неровности поверхности.

В разобранном состоянии устройство найти не удалось, равно как и любительские разборки энтузиастов, поэтому для понимания конструкции можно ориентироваться на единственную официальную картинку:

Картинка: kickstarter.com

Небольшое примечание: что касается меня, то я довольно часто в своём техническом творчестве применяю приём, когда стальные подшипники запрессовываются в 3D-печатную конструкцию (в моём случае, как правило, из ABS-пластика):



Получается весьма прочно (особенно если печатать на маленькой скорости и температуру повыше) и для этого я держу под рукой целую коробку с подшипниками разных размеров. По идее, некий подобный приём можно попробовать применить и здесь.

При включении устройство входит в режим блокировки, при котором все колёса заблокированы, и человек может идти в обычном режиме. Чтобы снять режим блокировки, необходимо поднять пятку правой стопы, согнув стопу и повернув её в сторону левой стопы (разворот на носке как бы). После этого устройство входит в режим ускорения человеческого шага. Чтобы обратно установить блокировку (например, для преодоления ступеней лестниц), необходимо также правую стопу согнув, поднять пятку вверх и опустить обратно на место, — блокировка колёс включена.

Каждое устройство, на каждой ноге снабжено акселерометром и гироскопом и связано друг с другом по Bluetooth, для обмена информацией о пространственном расположении друг друга (прямо просится реализовать такое на esp32).

Из интересного — устройство снабжено средствами машинного обучения, которые подстраиваются под стиль ходьбы конкретного человека за период, занимающий менее 10 шагов (только не уточнено, для каждой ноги или для двух в совокупности), что даёт возможность человеку избежать этапа обучения ходьбе на этом устройстве, и просто идти, привычным для себя шагом.

При этом оно подстраивается под скорость ходьбы человека и ускоряется, если он идёт быстрее или, соответственно, замедляется, если человек идёт медленнее. Для торможения необходимо всего лишь остановиться при ходьбе. «Тормозной путь» при торможении от максимальной скорости до нулевой составляет порядка 0,9 м. Тем не менее заявляется, что устройство является весьма манёвренным и позволяет эффективно лавировать в густой толпе людей (по-видимому, это объясняется использованием двигателя с большим крутящим моментом).

Декларируется, что устройство позволяет ускорить ходьбу человека на 250% от обычной скорости (какая конкретно скорость взята за «обычную» не уточняется).

Кроме ускорения ходьбы по горизонтальным плоскостям, устройство облегчает подъём на горки (с уклоном до 10°), а также автоматически обнаруживает, когда человек спускается с горки и включает торможение, что исключает неконтролируемое скатывание с них (видимо в этом процессе задействован гироскоп).

Возвращаясь к машинному обучению следует сказать, что эта тема сама по себе весьма интересная и она становится тем интереснее, что в этом случае, требуется запуск средств машинного обучения на микроконтроллере, что вполне реально, и для этого можно даже посмотреть ряд примеров с весьма примечательного сайта, где есть примеры для Arduino и esp32. Да и в целом эта тема весьма горячая, — при желании, можно погуглить тему TinyML. Таким образом, вы можете попробовать освоить новую для себя сферу и сделать это в привлекательном варианте, где на выходе не просто решение ученического вопроса, а постройка вполне себе работающего аппарата.

Полного заряда их батарей для приводов Moonwalkers хватает на работу в течение порядка полутора часов, за которые они могут пройти расстояние примерно в 9,7 км.

В качестве источника питания устройства используются элементы 18650, помещённые внутрь герметичного литого алюминиевого блока. Конкретное количество не указано, однако, как можно увидеть из приложенной выше картинки в разборе – похоже, что устройство для каждой ноги запитывается от 6 элементов 18650. Система содержит 7 датчиков температуры, 6 датчиков тока и 16 датчиков напряжения, а вся система в целом сертифицирована на соответствие требований по воспламеняемости UL94V (и тут становится понятно, почему они не используют литий-полимерные аккумуляторы — для обеспечения большего удобства и безопасности для конечного потребителя, чтобы не заставлять его разряжать аккумуляторы для хранения и хранить их в несгораемом ящике — владельцы таких аккумуляторов в курсе, о чём я :- ) ).

Грузоподъёмность устройства составляет порядка 100 кг. Тем не менее утверждается, что это всего лишь рекомендованный вес, и превышение его повлияет только на длину пробега от одного заряда и несколько замедлит передвижение при подъёме в горки.

В завершение можно сказать, что учитывая планируемую отпускную цену приблизительно в 1400 долларов, имеет смысл (конечно, если у вас есть интерес к подобным вещам) постараться разработать для себя нечто подобное самостоятельно, тем более что это не является чем-то нереальным и представляет собой весьма интересную инженерную задачу.

Rollkers

Вторым весьма любопытным проектом, который провёл премьеру своего продукта в январе 2023 года, является достаточно старый французский стартап Rollkers, первые упоминания о котором датируются ещё 2015 годом:

Устройство было представлено на выставке CES-2015 и на тот момент представляло собой моторизованные подошвы с электродвигателем и большими бесспицевыми колёсами. Система была снабжена литий-полимерными аккумуляторами на 1000 мАч (хотя на фотографиях ниже можно заметить, что там стоят на 1200 мАч, — видимо, создатели решили проапгрейдить конструкцию), обеспечивающими скорость движения до 11 км/ч, в течение 2 часов (конкретный километраж пробега от одного заряда — не упоминается).

Картинка: newatlas.com

Картинки: mobbit.info

Видимо, разработчики на тот момент ещё недостаточно проработали вопрос безопасности электропитания (и решили ли на данный момент – неизвестно, так как информация в открытых источниках отсутствует). Но нельзя не акцентироваться на интересном моменте – насколько разительно отличается пробег от одного заряда у этой итерации (2015 г.) проекта, если сравнивать с другими.

В настоящее время устройство прошло ряд изменений и представляет собой достаточно любопытное решение, интересное уже хотя бы тем, что это вариант «персонального движителя» с гусеничным приводом:

Устройство состоит из двух частично перекрывающихся гусениц, что хорошо видно на этом видео, начиная с 0:50:

Предположительно, подобная конструкция выбрана для того, чтобы обеспечить естественное сгибание человеческой стопы во время ходьбы.

Скорость передвижения на этом устройстве составляет порядка 11,26 км/ч, а заряда литий-ионных батарей хватает на 30 минут непрерывной работы или на пробег до 4 км. Общий вес подобной гусеничной обуви находится в пределах 4,5 кг (вес обоих приводов, на обе ноги, совокупно).

Для движения в тёмное время суток, на носу каждого из подобных приводов располагается подсветка:



Картинки: yankodesign.com

Кроме того, каждый привод снабжён интеллектуальными средствами анализа, на какой стадии шага и в какой позиции нога человека находится в каждый конкретный момент, что помогает приводам регулировать свою скорость и осуществлять предотвращение потенциальных падений.

Доступной для общественности информации не так много, известно лишь дополнительно ещё то, что подобное устройство предполагается продавать по цене порядка 700 долларов, и в данный момент проект занят лицензированием для передачи устройства на производство стороннему производителю.

Segway Drift W1

Некоторое время назад на этом попроще отметилась и компания Segway, выпустившая гироскопические коньки Segway Drift W1:



Картинки: the-gadgeteer.com

Штука достаточно интересная, однако пользователи отмечают большой вес, долгое время заряда порядка 6 часов и быстрый разряд (около получаса) а также высокие требования к качеству поверхности:

Более простые варианты

Но то, что мы рассматривали, представляет собой достаточно сложные экземпляры, а есть ли проще? Да, конечно, в начале 2010 годов, некий разработчик Peter Treadway создал свою модель «быстрых кроссовок» под названием spnKiX, которая к началу 2010 годов прошла уже порядка 30 итераций разработки:

Картинка: www.core77.com

И к моменту представления публике, являла собой прочную конструкцию из углеволокна, снабжённую моторизованными колёсами, управляемыми с помощью беспроводного пульта (регулируется скорость движения обоих приводов сразу). Конструкция могла развивать скорость до 16 км/ч и проехать до 5 км от одного заряда батареи:

Картинка: kickstarter.com

Похоже, в те годы это был тренд на похожие по конструкции устройства, так как примерно тогда же в этой области отметилась и известная компания Razor, выпустившая свои моторизованные роликовые коньки Turbo Jetts:

Суммарный вес обоих роликов составляет около 2,3 кг и развивают они скорость до 16 км/ч, с помощью спрятанных 80 Вт электродвигателей.

Тем не менее подобного типа конструкции, требующие от ездока передвижения с прямыми, не согнутыми в коленях ногами вызывают большие сомнения и опасения в травмоопасности, так как в своё время приходилось слышать инструктаж для сноубордистов, где обязательным называли стойку с согнутыми в коленях ногами, так как именно в такой позиции колено ездока более защищено, в противовес позиции с прямыми ногами, где возможны смещения верхней части ноги относительно нижней, что вызывает травму колена.

Тем не менее нельзя не отметить весьма простую конструкцию этого устройства и потенциальную лёгкую повторяемость.

Ещё один любопытный вариант, откуда можно позаимствовать идею, к тому же, похоже, никем не реализованную до этого (в моторизованном варианте), — выдвижные ролики из подошвы:

Да, здесь сразу возникают вопросы к надёжности конструкции, однако, подобная конструкция видится чуть ли не идеальной, когда роликовый привод никак не мешает при передвижении и как будто отсутствует, в то же время, выдвигаясь по мере необходимости! Есть над чем подумать…

Нельзя сказать, что идея мобильного средства передвижения появилась только недавно, например, вот здесь, есть весьма познавательная большая подборка индивидуальных средств передвижения, в том числе моторных, где встречаются моторные экземпляры даже 1917 года, а без двигателя датируются даже 1817 годом!

Поэтому не стоит удивляться тому, что если судить по известной фотографии 1961 года, что тогда уже существовали моторные роликовые коньки, правда на бензиновом приводе:

Картинка: tadviser.com

Или, другого принципа действия, где изобретатели пытались усилить и облегчить естественные человеческие движения, как, например, вот здесь известный вариант «Cамобега», рассмотренный в журнале «Юный Техник», в 5 номере от 1981 года:

Картинка: unteh.ru

В настоящее время этот вариант можно было бы воспринимать как курьёз, тем не менее и сейчас учёные предпринимают ряд усилий в этом направлении, например, в процессе разработки «мягких» экзоскелетов, с усиливающими искусственными сухожилиями, с 4:11:

Как можно видеть, работы в направлении индивидуальных средств передвижения продолжаются, и множество изобретателей по всему миру прилагают усилия в этом направлении. Наше время даёт новые возможности и технические средства для реализации подобных задумок, и, может быть, вы станете именно теми, кто создаст подобное в наилучшем варианте? ;-)

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх ????️