В одной из лабораторий факультета систем управления и робототехники ИТМО разрабатывают экзоскелет из титана, который можно будет производить серийно. Пока проект на стадии 3D-печатного макета, но уже сейчас он выделяется на фоне аналогичных разработок своей подвижностью ― почти не сковывает движения. А будущий прототип из титана не потеряет в подвижности, зато ― по прочностному расчету ― поможет работать с весом до 80 кг. В этой статье рассказываем, откуда появился и как развивается проект.

Дисклеймер:

Со словом «экзоскелет» у многих возникают медицинские ассоциации. Действительно, есть целый класс изделий, которые фиксируют травмированные конечности и тем самым способствуют их более быстрому восстановлению. Но в этой статье речь пойдет о принципиально другой разработке, не связанной с медициной ― об экзоскелетах, которые предназначены для разгрузки опорно-двигательного аппарата здорового человека и помогают решать задачи в промышленности или МЧС.

Если в медицине, как правило, востребованы устойчивые конструкции, то промышленные экзоскелеты, наоборот, должны обладать максимальной подвижностью. Их задача ― защищать человека от воздействия внешней нагрузки. Экзоскелет самостоятельно стоит на поверхности, а весь внешний груз закрепляется на его каркасе, минуя опорно-двигательный аппарат. Те есть в статике эта нагрузка вообще не заметна. В динамике, понятно, она ощущаться будет, но для ее компенсации экзоскелет можно сделать активным, используя приводы.

Очевидное применение промышленного экзоскелета ― грузоперевозки, необорудованные производственные линии, где необходимо вручную перемещать тяжелые предметы между конвейерными лентами, любые предприятия, где грузы нужно переносить по лестницам. В зависимости от решаемой задачи, экзоскелеты могут быть не полноростовые, а представлять собой отдельные модули. К примеру, это может быть конструкция для поддержки рук человека, который выполняет операции на подвесном конвейере на заводе по производству тех же автомобилей.

В чем проблема существующих разработок

Промышленный экзоскелет не должен сковывать движения, то есть имеет смысл строить его на такой кинематической схеме, которая позволяет суставам человека двигаться естественным образом. Однако схема эта не так проста.

Большая часть экзоскелетов, которые сегодня разрабатываются в мире, основаны на работах Миомира Вукобратовича. Это югославский инженер, который в 1970-х годах занимался антропоморфной робототехникой. Он предложил кинематическую схему, которая до сих пор используется разными предприятиями ― например Sarcos, «ЭкзоАтлет», «Эксорайз», ExoHeaver и другими производителями экзоскелетов и носимых роботов. 

Плюс этой схемы в том, что она уже не один раз описана и хорошо изучена. Минус ― у нее сразу несколько конструктивных ограничений подвижности. Например, в схеме крайне примитивно реализованы коленный и тазобедренный сустав. Это значит, что в любом экзоскелете, основанном на такой кинематической схеме, человеку будет попросту сложно двигаться. Многие производители пытаются учитывать ограничения и дорабатывать свои конструкции, но это получается не всегда успешно.  

Команда факультета систем управления и робототехники ИТМО предложила собственную кинематическую схему экзоскелета, которая по степени подвижности обходит большинство существующих решений. Спойлер ― отличия от творения «отца экзоскелетостроения» наглядно видны на графике имитационного моделирования (подробнее о нем далее).

Предыстория

Как это часто бывает, проект начался случайно ― просто в один момент на факультете собрались люди, у каждого из которых уже накопились собственные наработки в области экзоскелетов.

Например, студенты Алексей Ледюков, Иван Смирнов и Леонид Нагорный занимались различными конструкциями экзоскелетов еще со школы. Так что к моменту объединения в команду уже успели опробовать множество удачных и не очень прототипов гаражного уровня. Среди них были и довольно интересные модели ― подробную информацию по ним можно найти на канале IVAN SMIT. Кстати, Иван ― ведущий этого канала, как и Леонид, его коллега по команде, ― поступали в ИТМО по конкурсу ITMO.STARS как раз со своими экзоскелетами. Работы Ивана представлены на канале, а Леонид демонстрировал свой электрический экзоскелет верхних конечностей с AR-шлемом.

Но главной ценностью образовавшейся команды стали даже не конкретные модели, а наработки в области кинематики экзоскелетов. Проблему подвижности участники решали с чисто практической стороны ― очень много экспериментировали с разными конструкциями, постепенно доводя их до ума. И этот подход дал свои результаты.

Для примера возьмем тазобедренный сустав человека. Он имеет три степени свободы:

• вперед-назад;

• вправо-влево;

• вращение вокруг своей оси.

Далеко не каждый разработчик экзоскелетов реализует третью ось, поскольку с ней конструкцию сложно скомпоновать. И даже если реализуется три оси, нужно еще учесть соосность бедренной кости и элементов экзоскелета ― ее отсутствие вызывает смещения при движении.

Вот пример простой реализации (старый проект Ивана Смирнова):

Экспериментируя с разными решениями, команда нашла удачную схему с тремя осями. Это трехзвенный сустав, где центры осей вращения сведены к одной точке, совпадающей с головкой бедренной кости (максимально точно попадающий в геометрию сустава человека).

Конструкция была реализована в одной из предыдущих моделей ― AUXILIUM model A, о которой мы подробно писали на портале ИТМО.

Важно отметить, что это был наукоемкий прототип для отработки различных узлов. Модель не предназначена для серийного производства, поскольку в ней использовались специфические технологии ― например наматывание углепластика на 3D-печатный каркас.

Адаптация к серии

Весной прошлого года команда получила предложение поучаствовать в научно-технических и опытно-конструкторских работах (НИОКТР). В рамках проекта планировалось создать экзоскелет только для нижних конечностей, но адаптированный под массовое производство. По решению комиссии университета, проекту было одобрено финансирование. Руководителем проекта стал Леонид Нагорный, а научным консультантом выступил Юрий Андреев, доцент, заместитель декана факультета систем управления и робототехники ИТМО.

Выбор основного материала

Часть деталей экзоскелета решили выпускать на собственном опытно-экспериментальном производстве университета ― оно располагается в корпусе на улице Гривцова в Петербурге.   

После консультации со специалистами производства в качестве основного материала для несущего каркаса выбрали титан марки ВТ1, поскольку он обладает хорошим запасом прочности при малом весе (общая масса экзоскелета ― порядка 10 кг, аналогичная конструкция из стали весила бы 20 кг, а то и больше). С этого и началась проработка прототипа.

Идея и макет

Выбрав за основу титановые трубы, летом прошлого года команда взялась за моделирование. К осени была готова 3D-модель. В ее состав вошли наиболее удачные из решений, разработанные за все предыдущие годы. Кстати, конструкция подразумевает индивидуальную настройку, когда надеваешь ее в первый раз: например, можно регулировать длину голени, бедра и ширину таза. Это позволяет компенсировать различия в анатомии разных людей (а также то, что сустав ― это не идеальный шарнир кость-кость, в его работу вносит определенные коррективы хрящевая ткань).

Имитационное моделирование показало, что созданная конструкция действительно будет обладать отличной подвижностью ― все движения человек сможет повторить и в экзоскелете. Основа такого моделирования ― датасет с записанными с помощью motion capture и других технологий движениями человека, а результат ― графики отклонений для всех типов движений.

И на фоне коммерчески успешных проектов, основанных на классической кинематической схеме (например, проекты «Норникеля» или «Северстали», если рассматривать для чистоты сравнения только нижние конечности без лебедок и прочего оборудования), отклонения нового экзоскелета минимальны.

Реализация

На первом этапе сделали пластиковый макет. Фактически, это та же конструкция, что будет выполнена из титана, но напечатанная за пару недель на нескольких 3D-принтерах из ABS-пластика. 

Макет помог провести необходимые исследования, в том числе проверить подвижность и общее удобство ношения экзоскелета, после чего наступил этап производства полноценной версии из титана. Команда ориентировалась на то, что экзоскелет должен выдерживать нагрузку порядка 80 кг. Согласно требованиям охраны труда при транспортировке и перемещении грузов, масса груза, приходящаяся на одного работника, не должна превышать 40 кг. Но команда решила взять двукратный запас прочности, заложив его в расчет (все цифры актуальны для будущего прототипа из титана; пластиковый макет ― не силовой).

Надо отметить, что в НИОКТР речь идет о базовой версии, то есть пассивном экзоскелете ― без приводов. Это значит, что в статике экзоскелет позволит человеку не чувствовать нагрузки. Однако в динамике эта нагрузка может ощущаться. Чтобы это скомпенсировать, в будущем на экзоскелет можно будет поставить приводы под решение конкретных задач. И команда заранее предусмотрела в модели места для их крепления.

Еще один интересный момент ― разработанная модель модульная. Дополнительно к нижним конечностям прорабатывается грудной модуль. Это значит, что на платформу на груди можно устанавливать различное оборудование. Аналогичный модуль можно создать для спины.

Переход на титан

В рамках второго этапа НИОКТР будет изготовлен первый реальный прототип экзоскелета уже из титана.

По конструкторской задумке в экзоскелете нужны трубы, согнутые под определенным углом. Такие работы выполняются на специальном гибочном станке с ЧПУ, поскольку вручную соблюсти размеры и углы намного сложнее. Впоследствии детали необходимо сварить ― и это тоже особый процесс, которому нужна газовая среда с обдувом, иначе титан может повести. Далеко не все отечественные производства серийно работают с титаном, чаще всего используют сталь и алюминий. Поэтому найти подходящее предприятие было не так просто. Пожалуй, это и был самый сложный этап работы.

Но команде удалось найти в Петербурге завод по производству трубопроводов, который согласился выпустить требуемые детали на своем оборудовании. Сейчас проект находится на стадии обсуждения чертежей и расчета смет. Первый серийный образец команда планирует выпустить во второй половине 2024 года. 

А что дальше?

Первые эксперименты всегда сложны, но, по словам участников команды, экзоскелет готов к серии. Предполагается, что дальше, после выпуска первого образца, работа пойдет быстрее, то есть все интересные практические применения экзоскелетов можно будет масштабировать за рамки одного экспериментального образца.

Кроме того, в перспективе на базе разработанной конструкции можно создать и полноростовой вариант, то есть добавить руки и верх спины. Также в конструкции экзоскелета уже заложена возможность установки приводов ― от актуаторов до гидравлики и пневматики. В своих параллельных проектах команда использует пневмоприводы, поскольку костюмы с ними получаются легче. В то же время неточность позиционирования поршня и некоторое демпфирование (на фоне, например, шаговых двигателей) как раз идет на пользу, поскольку на самом деле вся система экзоскелет-человек не является очень точной.

Установка приводов связана также с разработкой системы управления. Но здесь нет принципиальных сложностей ― можно не разрабатывать единую систему, а разбить ее на универсальные блоки для каждой конечности. Поскольку вычисления там несложные (по сути надо обработать сигналы с датчика и подать другой сигнал на привод) с этой задачей для одной конечности вполне справится процессор STM32. Таким образом, все это можно реализовать довольно быстро.