Экзоскелеты в фильмах (слева-направо): «Грань будущего», 2014; «Элизиум — рай не на Земле», 2013 г.

Человеческие возможности достаточно ограничены и с самого начала времён человек старался придумать приспособления, которые бы увеличили его силу, скорость, возможности выживать в непростом мире. С развитием технологий человек изобретал всё новые и новые способы расширения возможностей своего тела, одним из которых стала идея экзоскелета,- внешнего каркаса, являющегося несущей конструкцией, и одновременно, увеличивающей возможности. Как вы уже догадались, речь в этой статье пойдёт об экзоскелете.

Экзоскеле́т (от греч. έξω — внешний и σκελετος — скелет) — устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей, а также для передачи нагрузки при переносе груза через внешний каркас в опорную площадку стопы экзоскелета.

Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. Для определения этих пропорций следует пользоваться понятием анатомическая параметризация.

Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и ВС США в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъёме 4,5 кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680 кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего он никогда не проверялся с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340 кг, её вес составлял 750 кг, что в два раза превышало подъёмную мощность. Без соединения вместе всех компонентов практическое применение проекта Hardiman было ограничено.

Экзоскелет ReWalk, разработанный ReWalk Robotics, позволяет парализованным людям ходить. Новая система, по словам исследователей, может применяться пациентами в повседневной жизни.

▍ Направления разработок экзоскелетов

Главным направлением разработок является военное применение экзоскелетов с целью повышения мобильности тактических групп и подразделений, действующих в пешем порядке, за счёт компенсации физической нагрузки солдат, вызванной чрезмерным весом экипировки. Повышение подвижности и скорости человека может также сопровождаться увеличением силы того, кто использует экзоскелет.

Интеграция экзоскелета в экипировку будет сопровождаться превращением его в многофункциональную систему. Помимо своего основного предназначения, он может выполнять функции электрогенератора, хранилища аккумуляторных батарей, каркаса для крепления модулей бронезащиты, средств телекоммуникаций, различного рода сенсоров и датчиков, прокладки линий электропитания и передачи данных. Заслуживает внимания применение элементов конструкции экзоскелета в роли антенной системы для передачи и приёма радиосигналов.

Другой возможной областью применения экзоскелетов является помощь травмированным людям и людям с инвалидностью, пожилым людям, которые, в силу своего возраста, имеют проблемы с опорно-двигательным аппаратом.

Модификации экзоскелетов, а также отдельные их модели, могут оказывать значительную помощь спасателям при разборах завалов рухнувших зданий. При этом экзоскелет может защитить спасателя от падения обломков.

В 1960-е гг. компания General Electric разработала электрическую и гидравлическую конструкцию под названием Hardiman, по форме напоминавшую погрузчик-экзоскелет, который лейтенант Эллен Рипли (В фильме «Чужие») использует в финальном бою против матки Чужих.

Рабочие примеры экзоскелетов были построены, но широкое применение таких моделей пока невозможно. Это, например, экзоскелет XOS компании Sarcos, который был разработан на заказ армии США. По заявлениям прессы, машина удачно спроектирована, но из-за отсутствия аккумуляторов достаточной ёмкости, демонстрацию пришлось проводить в режиме работы от сети.

Разработкой российского экзоскелета под названием ЭкзоАтлет занимается команда учёных из проекта ExoAtlet, первого российского медицинского экзоскелета для реабилитации, социальной адаптации и интеграции людей с нарушением локомоторных функций нижних конечностей. Как заявляют разработчики, такой экзоскелет подойдёт не только людям с травмой спинного мозга, но и с последствиями инсульта. В настоящее время создано несколько действующих прототипов изделия. Последняя модификация, ExoAtlet Albert, управляется с костылей и позволяет человеку самостоятельно ходить, садиться, вставать.

▍ Экзоскелеты компании EXORISE

Российский промышленный пассивный экзоскелет X-Soft (компания Exorise). Автор: Игорь Ложкин, Источник

Экзоскелеты компании EXORISE — уникальная разработка профессиональных инженеров и конструкторов, учёных и изобретателей (линейка пассивных промышленных экзоскелетов — X-Soft, X-Arm, X-Rise).

Три основных модели компании Экзорайз:

1. Основная массовая модель X-Soft (мягкий пассивный экзоскелет). Основная функция модели X-Soft — разгрузка спины человека при частых наклонах, поворотах с грузом и без. Он самый лёгкий (до 2 кг), простой в использовании и недорогой.
2. Тяжёлая модель X-Arm — это, по сути, третья рука с возможностью комплектацией конструкцией экзоскелета ног для работы с инструментом. X-Arm весит около 10 кг, с «ногами» — около 17 кг. Это решение позволяет нивелировать вес как самого экзоскелета, так и ручного инструмента через конструкцию «ног» в землю.
3. Модель X-Rise, которая сделана специально для автопроизводителей, но может быть применена и в других секторах промышленности. Модель весит около 3 кг, её задача — поддержка рук при операциях, требующих длительного удержания на весу.

Российский промышленный пассивный экзоскелет X-RISE (компания Exorise). Автор: Игорь Ложкин, Источник

X-RISE — пассивный экзоскелет, обеспечивающий поддержку рук для работников конвейерных производств. Для повышения эффективности при поднятии груза он может быть совмещён с моделью X-Soft.

В то время как автоматизированные технологии, безусловно, снизили нагрузку на заводы по всему миру, тяжёлый труд и долгие часы работы людей по-прежнему составляют большую часть производственного процесса.

X-rise — это пассивный экзоскелет верхней части тела, который поднимает и поддерживает руки работника (снимается нагрузку с плеч), перенося вес на бёдра, чтобы помочь оператору в выполнении задач, связанных с подъёмом и/или удержанием рук (с грузом или без) выше груди. Экзоскелет разработан с учётом физиологических особенностей человека, что делает его удобным для ношения в любых условиях, обеспечивая свободу движений и высокую эффективность.

Конструкция экзоскелета, дополнительно к основному действию, оказывает дисциплинирующее влияние на осанку работника при выполнении работ (реализована технология комбинированного демпфера в поясничной области). Помимо основной конструкции, экзоскелет X-rise комплектуется поддержкой головы и набором силовых жгутов (натуральный силикон, армированный спецволокном с рабочим режимом температур от −40 до +200 градусов по Цельсию).

▍ Экзоскелет Raytheon XOS 2

XOS 2 — это роботизированный костюм второго поколения, разработанный Raytheon для армии США. Компания впервые продемонстрировала возможности экзоскелета в своём исследовательском центре в Солт-Лейк-Сити в штате Юта в сентябре 2010 года. Роботизированный костюм увеличивает силу, ловкость и выносливость солдата внутри него. В XOS 2 используется гидравлическая система высокого давления, позволяющая владельцу поднимать тяжёлые предметы в соотношении 17:1 (фактический вес к воспринимаемому весу). Это позволяет повторно поднимать нагрузку без усталости или травмы.

Агентство перспективных исследовательских проектов обороны США (DARPA) инициировало разработку экзоскелетов в 2001 году в рамках программы Exoskeletons for Human Performance Augmentation. Агентство финансировало 50 млн долларов различным участникам в рамках пятилетней программы. Однако только двое из них активно участвуют в разработке прототипов экзоскелета для американских военных.

Система XOS была первоначально разработана как Wearable Energetically Autonomous Robot (WEAR) от Sarcos Research из Солт-Лейк-Сити, штат Юта. Разработка биомеханического робота началась в 2000 году. Компания, основанная в 1983 году, была приобретена Raytheon в ноябре 2007 года.

Роботизированный костюм второго поколения XOS 2 использует более лёгкий материал и примерно на 50 % эффективнее, чем XOS 1. Ожидается, что экзоскелет будет весить около 95 кг. Он использует комбинацию контроллеров, датчиков, высокопрочного алюминия и стали, которые позволяют структурам и приводам выполнять задачи.

Система XOS 2 оснащена гидравлическим двигателем внутреннего сгорания с электрическими системами. Прототип привязан к источнику питания гидравлики с помощью провода. Двигатель управляет гидравлическими приводами. Различные датчики, оборудованные всей системой, определяют положение и требуемую силу.

▍ Варианты экзоскелетов

Показанные в начальной картинке к статье экзоскелеты использовались для целей кино и не являются реальными образцами. Однако, попробуем порассуждать, если бы мы попытались построить экзоскелет, в каком направлении нам следовало бы двигаться? И особо остановимся на приводе экзоскелета, так как именно от него зависит эффективность и вообще жизнеспособность идеи в принципе.

Если проанализировать все доступные в сети варианты экзоскелетов как создаваемых крупными корпорациями, так и отдельными энтузиастами, среди них можно выделить две наиболее крупные группы:

• приводимые в действие электродвигателем;
• приводимые в действие пневматическим приводом.

Первый вариант сулит, конечно, много преимуществ: он является достаточно компактным, может весьма точно управляться электроникой, развивает максимальный момент за минимальное время.

Однако, к сожалению, ахиллесовой пятой всех электрических устройств является электропитание — до тех пор, как пока не придумали компактный и мощный источник энергии, который является своего рода «Чашей Грааля» в современной науке, подобные экзоскелеты будут достаточно дорогими и с весьма ограниченным сроком действия.

Что же касается достаточно распространённых самодельных пневматических систем, то они являются достаточно мощными, простыми в создании и управлении (по крайней мере, для них легко можно приобрести как компрессорные системы, так и соответствующие трубопроводы, пневматические цилиндры, а также пневмораспределители, — специальные устройства, которые управляют пневматическими клапанами, с помощью электроники).

Однако, на мой взгляд, использование пневматических систем здесь не слишком оправдано, — так как они обладают всё-таки достаточно ограниченной мощностью и для развития существенных усилий требуются достаточно громоздкие пневматические цилиндры.

Кроме того, нагнетание рабочего воздуха в цилиндр, с нужным для развития соответствующего усилия давлением занимает существенное время и при работе в активном режиме потребление воздуха существенно возрастает, — с чем может не справиться компактный компрессор.

Видимо, именно в этом и заключается причина того, что до сих пор в сети не было замечено ни одного экзоскелета с носимым компактным пневматическим компрессором.

Какие же тогда есть ещё другие варианты? Электрический привод мы отбросили как достаточно дорогой и ограниченный по времени действия…

Однако есть ещё один весьма замечательный вариант, который позволяет построить достаточно компактную и весьма мощную систему привода экзоскелета, с очень длительным периодом автономного действия — использование гидравлического привода!

Все работы, производимые с гидравлическими жидкостями высокого давления, могут быть очень опасными! Автор не отвечает за вашу безопасность в процессе реализации изложенных ниже концепций. Берегите себя и будьте аккуратны!

Для начала оговоримся, что именно гидравлический привод используется в качестве силовой системы для известного робота-мула bigdog, у которого он использован для привода ног, точное устройство привода по понятным причинам является достаточно закрытым вопросом.

Кроме того, в истории известны и достаточно интересные типы техники с применением гидравлического привода: например, мотоцикл с гидроприводом на колёса:

Или, например, использование гидравлики в тормозной системе легковых автомобилей, где может развиваться давление, в момент нажатия на педаль, — до 200 бар! Таким образом, мы видим, что использование гидравлики достаточно распространено.

Для многих словосочетание «гидравлическая система» может уже звучать достаточно пугающе. Однако, «не всё так страшно, как оно есть на самом деле». Изучим несколько подробнее, из чего состоит типовая гидравлическая система.

Сердцем любого гидропривода является гидронасос. Гидронасос может быть выполнен в виде (ниже – неполная, сокращённая классификация):

• Шестерённой гидромашины. Так же как и другие виды объёмных роторных гидромашин эта машина принципиально может работать как в режиме насоса, так и в режиме гидромотора. В том случае, если к валу гидромашины прикладывается вращательный момент, то машина работает в режиме насоса. Если на вход гидромашины подаётся под давлением рабочая жидкость, то с вала снимается вращающий момент, и машина работает в режиме гидромотора.

Автор: Д.Ильин, Источник


Автор: Jahobr, Источник

• Коловратной гидромашины — объёмная гидромашина роторного типа с вращающимися рабочими звеньями, находящимися в контакте друг с другом, но не передающими крутящий момент. Вытеснение в коловратных гидромашинах производится за счёт синхронизированного вращения двух кулачковых роторов в специально профилированном корпусе.

Автор: McDavid, Источник

• Аксиально-плунжерной гидромашины — являются одним из наиболее распространённых типов гидромашин. Применяются как в качестве насосов, так и в качестве гидромоторов. Их устанавливают, например, в гидросистемах многих одноковшовых экскаваторов, также привод некоторых бульдозеров, в которых управление построено по принципу джойстика, также осуществляется аксиально-плунжерными насосами и гидромоторами. Широкое распространение данный вид гидромашин получил в гидроприводе станков, асфальтовых катков, строительной техники и самолётов. Также используются в некоторых мойках высокого давления.

Автор: StromBer, Источник


Автор: Vivan755, Источник

Таким образом, самый распространённый тип гидронасоса представляет собой блок поршней, наклонённых под углом к оси привода двигателя. От угла наклона зависит, насколько большой путь поршни будут проходить внутри своих цилиндров, и, соответственно, производительность гидронасоса в целом. Подобное устройство используется повсеместно в гидравлических системах: экскаваторах, погрузчиках и т.д. и т.п.

Кроме того, для создания своей гидравлической системы экзоскелета потребуются и гидроклапаны с электронным управлением.

Обычно они называются «распределитель гидравлический с электронным пропорциональным управлением».

Для лучшего понимания, как вообще строятся гидравлические системы, рекомендую посмотреть видео ниже — там разобрано несколько схем их создания. Сразу скажу, что там используются механические способы управления клапаном, в нашем же случае следует использовать электронное управление, и, соответственно, клапаны с электронным управлением. Кроме того, во втором видео, показана такая интересная штука, как «секционные гидрораспределители», которые позволяют управлять сразу несколькими гидроприводами:

Для привода в действие гидравлического насоса необходим источник вращения, в качестве которого может выступить с успехом компактный бензодвигатель. В качестве которого можно использовать любой четырёхтактный двигатель, например, наподобие тех, что носят на спине в ранце работники, воздуходувкой раздувающие сухие листья:

В сухом остатке у нас получается следующая система:

• компактный рюкзачный аппарат;
• все приводы экзоскелета функционируют на основе гидравлического принципа;
• гидравлические цилиндры приводов намного меньшего сечения (чем могли бы быть пневматические), так как жидкость является несжимаемой в отличие от воздуха, и мгновенно передаёт усилие во все точки связанные с ней. Поэтому мы можем сделать цилиндры весьма компактными. Условно говоря, если в случае пневматического привода — цилиндры были бы диаметром в 10 см, то в случае гидравлического привода цилиндра могут быть вполне диаметром в мизинец! Да, понятно, что это несколько утрированное изложение и от диаметра цилиндра (т.е. на какую площадь поршня давит жидкость) напрямую зависит развиваемое цилиндром усилие на штоке, однако суть, я, думаю, ясна. При прочих равных – гидроцилиндры выигрывают в компактности. А конкретный диаметр цилиндра надо вычислять, в зависимости от требуемого от него усилия.
• электроклапаны системы приводятся в действие от аккумуляторов либо от комбинированной системы, где аккумулятор постоянно подзаряжается от электрогенератора, соединённого с валом бензинового двигателя. Но даже если мы будем использовать аккумуляторный принцип, без подпитки со стороны генератора, всё равно это будет гораздо более эффективно, и позволят системе работать намного дольше, чем при непосредственном электрическом приводе механических частей конструкции экзоскелета. В качестве генераторной системы удобно использовать небольшой компактный бензодвигатель, совмещённой с генератором. Например, из тех, что продаются в изобилии в хозяйственных магазинах и имеют выходную электрическую мощность порядка 650 ватт — 1 квт. Потребуется только дополнительно насадить на его выходной вал гидронасос, который будет накачивать гидросистему.

Таким образом, что мы будем иметь на выходе: весьма компактный, технологичный экзоскелет, длительного периода действия (приблизительно и очень грубо, подобная система будет потреблять порядка 5 литров бензина для работы в течение 32 часов), развивающий большую мощность на всех своих исполнительных механизмах, все исполнительные механизмы достаточно компактные (гидравлические цилиндры толщиной в мизинец или что-то около того), работающие очень быстро — благодаря как малому сечению, так и быстрой накачке гидравлической жидкости с помощью многоплунжерного гидронасоса.

Вы хотели party экзоскелет — нет вопросов нате…

В завершение следует отметить некоторые существенные моменты этого проекта гипотетического экзоскелета:

• все существующие на рынке элементы гидравлических систем является достаточно габаритными и дорогими, так как предназначены для использования в рамках достаточно масштабных и силовых промышленных применений: экскаваторов, автогрейдеров, гидравлических приводов промышленных машин и т.д. и т.п. В нашем же случае такая мощь является, в достаточной степени, избыточной и, скорее всего, потребуется изготовить гидронасос и остальные элементы системы в более компактном варианте, самостоятельно.
  
  Это, вполне возможно, и открывает широкий простор для технического творчества увлечённых людей. Например, элементы гидронасоса могут быть изготовлены с использованием трёхмерного моделирования и 3D печати, после чего отлиты с применением метода литья по выжигаемой или выплавляемым модели.
• Гидравлические цилиндры и поршни могут быть изготовлены с использованием небольшого компактного домашнего токарного станка по металлу. Например, следующим образом: 1) на первом этапе поршень и цилиндр доводятся до необходимого диаметра/сечения протачиванием, после чего, финальное "выглаживание" поверхности поршня и цилиндра «в зеркало» производится прокатыванием по их поверхности металлического шарика от подшипника, закреплённого вместо токарного резца, на металлической палочке. Это позволяет получать после ряда прокатов (обильно поливая в процессе, машинным маслом) — практически идеальную, зеркальную поверхность, которая может работать в качестве гидравлической системы (например, автор этих строк неоднократно проводил подобные работы и всё получается достаточно легко и просто, поэтому не надо бояться создания своих собственных гидравлических систем с нуля). Шариковый инструмент легко изготавливается самостоятельно из любого имеющегося под рукой шарикоподшипника.
  
  Более «крутым» способом, по сравнению с прокаткой шарикоподшипником, является прокатка специальным алмазным наконечником. И в том и в другом случае инструмент, использующийся для этой работы, называется «раскаткой» — шариковой или алмазной, соответственно.

Если же эта тема для вас слишком сложна, вполне можно поискать на рынке и готовые решения.

Например, в статье «Что такое микрогидравлика и где она используется?», опубликованной в журнале fluidpowerworld.com, говорится о том, что существуют на рынке и готовые микрогидравлические решения:

«Микрогидравлика позволяет получить значительное усилие от источника минимальной мощности в очень ограниченном пространстве. Во многих случаях эти системы идеально подходят для широкого спектра применений, таких как медицинское ортопедическое и протезное оборудование, подъёмники для людей, экзоскелеты, ручные инструменты, роботы-спасатели, самолёты и ракеты, гоночные автомобили и океанографические приборы.

Например, Bieri Hydraulik, подразделение Hydac International, базирующееся в Либефельде, Швейцария, производит шесть стандартных версий микроаксиально-поршневых насосов типа AKP с тремя или пятью поршнями. Например, 5-поршневой насос размера AKP36 имеет диаметр всего 1,4 дюйма (36 мм) и длину 3,9 дюйма (99 мм). Он имеет рабочий объём 0,36 куб.см /об при максимальном давлении 250 бар и максимальной скорости 4000 об/мин.

Размер AKP103 имеет диаметр 1,9 дюйма (50 мм) и длину 3,8 дюйма (98 мм). Он имеет 3 поршня, рабочий объём 0,1 куб.см /об, максимальное номинальное давление 500 бар и скорость вращения до 5000 об/мин. Версия с 5 поршнями обеспечивает рабочий объём 0,3 куб.см /об.

Сообщается, что малошумные агрегаты обеспечивают высокую объёмную эффективность даже при минимальной скорости 100 об/мин.

Компания Hydro Leduc, Азерайль, Франция, предлагает полный ассортимент микронасосов с фиксированным и регулируемым рабочим объёмом; микромоторы (скорости от 350 до 6500 об/мин); обратные, предохранительные, электромагнитные и пилотные клапаны; и полные блоки питания для работы в самых разных условиях.

Например, их микронасос постоянного рабочего объёма PB32 имеет диаметр корпуса всего 1,28 дюйма (32 мм) с рабочим объёмом всего 0,0007 куб.дюйма, максимальной скоростью 5000 об/мин в непрерывном режиме и 6000 в пиковом режиме, а также максимальным давлением в 4350 фунтов на квадратный дюйм в непрерывном режиме. и пиковое давление 5075 фунтов на квадратный дюйм. Немного более крупная версия PB33 HP имеет рабочий объём 0,0027 куб.дюйма и максимальное номинальное постоянное давление 13 050 фунтов на квадратный дюйм и максимальное пиковое давление 14 500 фунтов на квадратный дюйм (1000 бар).»

Электронная начинка экзоскелета может быть построена на основе микроконтроллеров для любительских проектов, например, arduino или esp32 (я лично взял бы второе, чтобы иметь возможность беспроводного подключения, обновления прошивки, «слива» телеметрии и мониторинга систем и т.д. и т.п.).

И напоследок: на мой взгляд, именно использование гидравлических систем позволяет построить достаточно мощный и компактный экзоскелет, примерно аналогичный, показанным в фильмах «Грань будущего» и «Элизиум — рай не на Земле».

Есть достаточно большое число людей, увлекающихся самодельной гидравликой. И у них даже вполне неплохо получается (однако на видео ниже, — не многоплунжерный насос — поэтому скорость работы гидравлики оставляет желать лучшего. С многоплунжерным аксиальным насосом — всё будет многократно быстрее):

И в качестве бредовой идеи (но кто знает?!): а ведь в качестве источника жидкости высокого давления, подаваемой с большой скоростью — можно использовать и обычные водяные автомойки! Подобрать вариант с бенз. двигателем -и вуаля… Готовая рюкзачная система высокого давления для экзоскелета (со встроенным весьма высокопроизводительным аксиально-плунжерным насосом!). Или, например, взять отдельно небольшую автомойку и отдельно — компактный бензогенератор. Потом скомпоновать всё это в виде «рюкзака». Вес системы не сильно важен (всё равно она «висит» на каркасе экзоскелета, а не удерживается человеком).

Стартап по производству дешёвых и мощных экзоскелетов из подручных материалов? Why not...

Использованные источники, в том числе:

1. Wikipedia.org
2. Слюсар, В.И. Тактический экзоскелет как антенная система
3. Доклиническое испытание экзоскелета нижней челюсти (реферат) — Оперативная хирургия и клиническая анатомия — 2018-01 — Издательство «Медиа Сфера» 13
4. Hardiman