ЭКЗОСКЕЛЕТ
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.
Анатомическая параметризация — это определение соответствий между различными анатомическими характеристиками строения человеческого тела и параметрами механического устройства, обуславливающих оптимальную работу образующейся при этом биомеханической системы.
По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в России[4], Японии, США и Израиле. Экзоскелет может быть встроен в скафандр.
Экзоскелеты, созданные на сегодняшний день, или находящиеся в стадии перспективных разработок, могут быть классифицированы по следующим признакам:
- Тип исполнительного механизма
- Наличие привода усиления сочленений
- Анатомическое расположение усиленных сочленений
- Наличие встроенного источника энергии
- Вид используемого силового привода
- Способ получения управляющего сигнала
- Тип силовой установки и источника энергии
- Область практического применения
Наиболее полную и современную классификацию предложил профессор Воробьев А. А. и соавторы (2015 г.)
Возможной областью применения экзоскелетов является помощь травмированным людям и людям с инвалидностью, парализованным людям, пожилым людям, которые имеют проблемы с опорно-двигательным аппаратом из-за старческой немощи или других болезней.
Некоторые экзоскелеты (Hybrid Assistive Limb, Honda Walking Assist Device, ReWalk) позиционируются как устройства для людей с проблемами опорно-двигательного аппарата[12]. Honda Walking Assist Device был произведен компанией Honda в трёх размерах — малый, средний (масса 2,8 кг), большой.
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 подойдет 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. Со слов руководителей проекта, первые продажи начнутся в 2016 году…
Экзоскелет — это технологический механизм, предназначенный для восполнения утраченных функций человека, а также для усиления его мышечных способностей.
Современные модели способны увеличить силу в несколько раз или дарить радость движения почти парализованному человеку. Они применяются во многих сферах на производстве, в медицине и в военной сфере. Но обо всем по порядку.
История создания экзоскелетов
Первый механизм экзоскелета был спроектирован российским изобретателем-самоучкой Николаем Фердинандовичем Ягном еще в 1889 году. Аппарат, получивший название «эластипед», представлял собой систему пружин и поршней, которая крепилась к человеку с помощью эластичных ремней. По задумке Ягна, при сгибании конечностей во время ходьбы пружины должны были аккумулировать энергию и придавать телу дополнительный импульс.
Однако из-за технических ограничений того времени, а также недостатка опыта проект Ягна так и остался на чертежах, а сам ученый довольно быстро переключил свое внимание на разработку изобретений в сфере воздухоплавания и подводных аппаратов.
Первый прототип экзоскелета, который был воплощен «в железе», создали только в 1960-е годы. Устройство под брендом Hardiman – совместная разработка ВС США и компании General Electric. Механизм мог поднимать груз весом 110 кг при усилии всего 4,5 кг, однако был непрактичным из-за своей значительной массы в 680 кг. Кроме того, во время экспериментов инженерам никак не удавалось совладать с неконтролируемыми движениями экзоскелета, поэтому они так и не решились облачать в него человека, и в конце концов проект пришлось закрыть.
Позднее было еще несколько разработок, но свое бурное развитие экзоскелеты получили только в начале 21 века. Одним из первых реальных применений подобных устройств стала реабилитация ходьбы у пациентов с инсультом и травмами спинного мозга. Ранним примером стал экзоскелет компании Lokomat. Устройство было создано в 2001 году и до сих пор используется в больницах и реабилитационных центрах по всему миру.
Параллельно велась разработка нескольких моделей для промышленного использования. Первые такие пассивные системы (без приводов) были представлены в 2014 году.
Сегодня разработкой экзокостюмов занимаются несколько исследовательских лабораторий по всему миру, а их применение охватывает множество сфер: медицины, армии, спорта, судостроения и т.д.
Типы экзоскелетов по принципу действия
Активные
Активный экзоскелет – это механизм, который оснащен дополнительным источником энергии. Одним из успешных примеров активного экзоскелета является ReWalk. Бионический экзоскелет позволяет людям с параплегией стоять, ходить и подниматься по лестнице без посторонней помощи. Система весит около 23,3 кг и работает от аккумулятора, который находится в рюкзаке. Модель управляется при помощи дистанционного пульта, который надевается на запястье и распознает движения пользователя с помощью датчиков.
Пассивные
Пассивные модели работают преимущественно за счет использования рычагов и противовеса и не предполагают наличие приводов. Они просто перераспределяют нагрузку на разные части тела и работают без всякой электроники.
Экзокостюмы
В попытке еще больше уменьшить ограничения, которые могут быть вызваны размером, весом и большой жесткостью устройства, в последние пару лет появилась концепция экзокостюмов. Эти легкие роботизированные механизмы изготавливаются в основном из текстиля и могут носиться как одежда. Они обеспечивают поддержку с помощью приводных тросов, встроенных в текстиль, или легких пневматических