Экзоскелет. Проект Экзоскелет. Экзоскелет применение в космической индустрии и в повседневной жизни Введение

• Название: Экзоскелет применение в космической индустрии и в повседневной жизни Введение
• Анкор: Экзоскелет
• Дата: 29.03.2022
• Размер: 38.61 Kb.
• Имя файла: Проект Экзоскелет.docx
• Тип: Документы; #425288

Экзоскелет – применение в космической индустрии и в повседневной жизни

Введение

Сейчас во всем мире всё чаще говорится об освоении космоса и пригодных планет для жизни людей, в частности об освоении Марса как больше всего подходящей планеты. Но так как Марс имеет не такую поверхность и атмосферу как у Земли, то при освоении Марса людям понадобятся приспособления которые позволят им облегчить свою работу в непривычной и сложной обстановке каковой является полет и высадка людей на Марс. Экзоскелет – является одним из прогрессирующим из всех ныне существующих приспособлений для облегчения этой миссии.

В своём проекте мне бы хотелось поднять и разобрать актуальный вопрос:

- что же из себя представляет Экзоскелет;

- его изобретение;

- применение и улучшения существующих Экзоскелетов;

- более объемное применении Экзоскелета в космической индустрии и повседневной жизни.

Изучение этой темы очень интересно и имеет большие перспективы в будущем, так как является востребованной в связи с прорывами новых технологий.

Научно-технический прогресс не перестает удивлять достижениями. Кажется, еще совсем недавно мы удивлялись тому, что можно играть на экране телевизора с помощью приставок. Радиотелефон был чудом техники, а про персональный компьютер и интернет мы не могли даже мечтать. Про мобильные телефоны, со множеством функций и возможностей даже фантасты не писали, описывая вместо них наручные радиочасы-мониторы. Сейчас даже первоклассники имеют айфоны, за которые пару десятков лет назад фирмы заплатили бы миллионы долларов.

А теперь пришло время экзоскелетов.

Цель создания моего проекта – это исследование существующих моделей и возможностей Экзоскелета с учетом экономической и технической составляющих и составление на их основе коммерчески более выгодного предложения для обычного потребителя.

Изучив все материалы которые мне попадались (книги, статьи, публикации, фильмы, передачи) я пришел к мысли о создании макета Экзоскелета, но так как я не имею образования в этой сфере науки, технических знаний и умений, то я решил создать его из подручных мне материалов, а точнее из деталей конструктора. Конечно в жизни настоящие макеты и прототипы создаются в специальных центрах и лабораториях таких как: NASA, Роскосмос, Сколково, и специалистами в этой области с помощью специальных компьютеров, программ, оборудования, материалов, технологий.

План действий и сроки выполнения проекта

1. 
   Знакомство с темой экзоскелетов во время летних каникул и книгами, ставшими для меня путеводителем по данной теме.
   

Экзоскелеты, Анализ конструкций, принципы создания, основы моделирования Монография, Яцун С.Ф., Савин С.И., Емельянова О.В., Яцун А.С., Турлапов Р.Н.

Поезжаева, Е. В. Развитие конструктивных схем экзоскелетов / Е. В. Поезжаева, Д. А. Соколов, В. К. Курочкина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018

2. 
   Изучение материалов по теме проекта. Изучение учебной и технической литературы, обзор видеоматериалов сети ютуб и форумов в течении 1 четверти.
   
3. 
   Исследование разных видов экзоскелетов и сравнение их характеристик осеннние каникулы.
   
4. 
   Создание макета проекта, выбора части экзоскелета для создания модели и изучение вариантов его выполнения - 2 четверть.
   
5. 
   Создание экзоруки и испытание ее технических возможностей во время зимних
   
6. 
   Оформление теоритической части проекту презентации проекта зимние каникулы.
   

Теоретическая часть

Для начала мы узнаем что же такое Экзоскелет и для чего он нужен.

В дословном переводе с греческого экзоскелет – это внешний скелет. Автоматическая конструкция, которая восстанавливает утраченные или усиливает имеющиеся функции тела. Он состоит из прочного каркаса и приводов, которые отвечают за перемещения. Такие системы дублируют работу опорно-двигательного аппарата, рассчитывают усилия и безопасность движений.

Идея применения механического экзоскелета, который поможет человеку переносить тяжёлое обмундирование и совершать длительные переходы, появилась вместе с первыми научно-фантастическими романами.

На сегодняшний день немало исследовательских центров по всему миру работают над созданием действующих образцов подобного снаряжения.

В середине 20 века велась разработка экзоскелетов сразу в нескольких странах одновременно. Одними из первых, кто добился в этом успеха стала компания General Electric из Америки, а устройство получило название Hardiman. Конструкция была чрезвычайно объемной, громоздкой и охватывало все тело. Основное назначение Хардимана – помогать пользователю поднимать и переносить большие тяжести.

Экзоскелеты делают пассивными и активными. Первые не увеличивают силу и не забирают на себя физическую нагрузку, а распределяют её по телу. У активных моделей есть свой упор на земле. Они берут часть нагрузки на себя. Так пользователь поднимает больше тяжестей – получается эффект увеличения силы. В зависимости от систем энергопитания экзоскелеты могут быть автономными и неавтономными; по конструкции — экзоскелетами верхней или нижней части тела, а также полноразмерными.

Старение населения при спаде рождаемости в развивающихся странах приводит к нехватке работников. Ожидается, что примерно в середине XXI века средняя продолжительность жизни на планете приблизится к 80 годами, соответственно, значительное число людей будут жить до 100 лет и более. Увеличение продолжительности жизни в развитых странах сопровождается сокращением рождаемости. Бизнес-преимущества промышленных экзоскелетов интуитивно очевидны. В некоторых случаях экзоскелеты могут использоваться вместо промышленных роботов, что устраняет необходимость в дорогостоящих «полноценных» решениях для автоматизации. Экзоскелеты также могут позволить стареющим работникам продолжать выполнять трудоемкие задачи, что очень актуально для данного сектора экономики, так как молодежь сейчас не стремится работать на производствах, предпочитая другие виды деятельности. Поэтому для предприятий внедрение экзоскелетов — это возможность продлить срок службы сотрудника, не терять время на обучение и поиск нового кандидата, а также уменьшить риск травмы на рабочем месте.

Будущее стремительно наступает, и прогресс двигают вперёд именно военные технологии. Первые Разработки США по созданию так называемого экзоскелета сделали большой прорыв в сфере повышения боеспособности солдат во время боевых действий. Министерства обороны и военно-исследовательские институты разных стран ещё с прошлого века пытаются разработать лёгкую, простую и прочную систему для солдат. В Пентагоне этим занимается агентство перспективных разработок DARPA, в России – институты и инженерные бюро, действующие по заказу Минобороны. Концепция механизированного экзоскелета, способного значительно расширить возможности человеческого тела, привлекала Пентагон еще в начале 1960-х. Но лишь недавно, благодаря мощному развитию электронных технологий и созданию новых материалов, фантастическая идея стала явью. В 2010 году оборонный подрядчик Raytheon продемонстрировал экспериментальную разработку XOS 2. Новинка представляет собой управляемую человеком роботизированную униформу. XOS 2 легко поднимает тяжести, весом в 2-3 раза больше физического предела обычного солдата, причем без всяких усилий со стороны оператора. Другая компания, Trek Aerospace, занята разработкой летательного аппарата персональной авиации Springtail, экзоскелетного каркаса, снабженного реактивным ранцем, который позволит человеку спокойно лететь со скоростью более 100 км/ч и даже зависать в воздухе на высоте в несколько тысяч метров.

Схожие проекты ведутся в Китае, Японии, Израиле, европейских странах. Пример: ExoHiker - этот скелет не позиционируется как армейский, но интересен для военных. Его задача – облегчить перенос тяжёлых рюкзаков во время похода. ExoHiker весит 14 кг, но снимает нагрузку 70 кг. На одном заряде без подключения солнечной батареи он проходит 65 км со скоростью около 4 км/час.

Также Экзоскелет могут использовать те, у кого частично или полностью не двигается нижняя часть тела. Руки должны быть достаточно сильными, чтобы удержать костыли, которые помогают сохранять равновесие при переносе ноги и управлять аппаратом. Устройство подстраивается под скорость, высоту и ширину шага каждого человека. Пример: ExoAtlet I полностью повторяет естественную походку человека. Он рассчитан на автоматическую ходьбу: система управления построена на сигналах силомоментных датчиков и электромиограммы. Но это не значит, что пациент не участвует в процессе. Чтобы заново научиться держать равновесие и начать ходить, пусть и не быстро, нужно от одного до нескольких дней. Сроки зависят от уровня физической подготовки. С третьего — пятого дня тренировок пациенты сами могут надеть аппарат.

Далее я составил сравнительную экономически-техническая характеристику существующих экзосккелетов.

REX — моторизированный экзоскелетный костюм (костюм экзоскелет), обеспечивающий прямохождение людям, страдающим параличом нижних конечностей. Созданный REX Bionics он доступен для покупки на территории России.
Цена в России: около 9 млн. рублей.

Возможности и технические характеристики:

• Самостоятельная ходьба. Не требует костылей или иных средств для стабилизации, оставляя при этом руки свободными.

• Экзоскелет для ног позволяет: встать\присесть, повернуться, идти назад, стоять на одной ноге, идти по лестнице, ходить по различным, даже наклонным поверхностям.

• Устройством очень легко управлять – все функции активируются при помощи джойстика.

• Прибор можно использовать весь день, благодаря высокоемкостному съемному аккумулятору.

• При небольшом весе REX составляющем всего 38 килограмм, он выдерживает пользователя весом до 100 килограммов и с ростом от 1,42 до 1,93 метров.

• Удобная система фиксации не вызывает никакого дискомфорта даже, если вы носите его целый день.

• Также когда пользователь не двигается, а просто стоит REX не тратит заряд аккумулятора.

• Доступ в здания без пандусов, благодаря возможности ходить по лестнице без посторонней помощи.

 (Hybrid Assistive Limb) – представляет собой роботизированный экзоскелет с верхними конечностями. На данный момент разработано два прототипа — HAL 3 (восстановление двигательной функции ног) и HAL 5 (восстановление работы рук, ног и торса). При помощи HAL 5 оператор способен поднимать и переносить предметы, в пять раз превышающие по массе максимальную нагрузку при обычных условиях.
Цена в России: обещали за 243 600 рублей. В открытых источниках информацию подтвердить не удалось.
Возможности и технические характеристики:

• Вес устройства 12 кг.

• Экзоскелет может выдержать до 80 кг.

• Устройство может работать от 60 до 90 минут без подзарядки.

• Экзоскелет активно применяется реабилитации пациентов с патологией моторных функций нижних конечностей из-за нарушений центральной нервной системы или как следствие нейромышечных заболеваний. 

ReWalk — экзоскелет, позволяющий ходить людям, страдающим параличом нижних конечностей. Подобно наружному скелету или биоэлектронному костюму, устройство ReWalk при помощи специальных датчиков определяет отклонения в равновесии человека, а затем трансформирует их в импульсы, нормализующие его движения, что позволяет человеку ходить или стоять. ReWalk уже доступен в Европе, а на сегодняшний день одобрен FDA в Соединенных Штатах.

Цена в России: от 3,4 млн. рублей (под заказ).

Возможности и технические характеристики:

• 
  Вес устройства 25 кг.
  
• 
  Экзоскелет может выдержать до 80 кг.
  
• 
  Устройство может работать до 180 минут без подзарядки.
  
• 
  Время зарядки батареи 5-8 часов
  
• 
  Экзоскелет активно применяется реабилитации пациентов с патологией моторных функций нижних конечностей из-за нарушений центральной нервной системы или как следствие нейромышечных заболеваний. 
  

Ekso-Gt— это ещё один проект экзоскелета, который помогает людям с тяжёлыми заболеваниями двигательного аппарата, вновь обрести возможность передвигаться.
Цена в России: от 7,5 млн. рублей (под заказ).

Возможности и технические характеристики:

• 
  Вес устройства 21,4 кг.
  
• 
  Экзоскелет может выдержать до 100 кг.
  
• 
  Максимальная ширина бедер: 42 см;
  
• 
  Масса батареи: 1,4 кг;
  
• 
  Размеры (ВхШхГ): 0,5 х 1,6 х 0,4 м.
  
• 
  Экзоскелет активно применяется  реабилитации пациентов с патологией моторных функций нижних конечностей из-за нарушений центральной нервной системы или как следствие нейромышечных заболеваний. 
  

DM (Dream machine) – гидравлический автоматизированный экзоскелет с голосовой системой управления.

Цена в России: 700 000 рублей.

Возможности и технические характеристики:

• 
  Вес устройства 21 кг.
  
• 
  Экзоскелет должен выдерживать вес пользователя до 100 кг.
  
• 
  Сфера применения может быть значительно шире, чем реабилитация пациентов с патологией моторных функций нижних конечностей из-за нарушений центральной нервной системы или как следствие нейромышечных заболеваний. Это может быть промышленность, строительство, шоу-бизнес и индустрия моды.
  

Тема моего проекта связана с космосом и поэтому сейчас мы разберем для чего нужен Экзоскелет в космической индустрии. Экзоскелет найдет себе применение и в космосе. Ведь для того, чтобы сжать ладонь в скафандре требуется усилие около 25 килограмм. Согнуть руку или ногу, тоже требует больших усилий. Для выхода в космос, за пределами радиационного пояса Земли понадобится солидная, тяжелая защита от космической радиации. Для прогулки по Луне, кроме этого, нужна система автономного жизнеобеспечения. Все это нивелирует преимущества невесомости или низкой гравитации. А ведь космонавты на Луну лететь будут для работы и исследований, а не ради прогулки среди кратеров и любования нашей планетой, видимый диск которой, в 3,9 раза больше Луны в ночном небе Земли.

Очередной прототип испытывают и специалисты Американского космического агентства NASA, работающие в связке с инженерами из Института Флориды по изучению людей и машин (Florida Institute for Human and Machine Cognition).

Экзоскелет под кодовым названием Х1 в будущем поможет астронавтам перемещаться по поверхности Марса. Помимо этого у изобретения есть вполне "земное" применение — костюм вернёт инвалидам с парализованными нижними конечностями возможность ходить.

Часть технологий для экзоскелета была позаимствована из другого проекта NASA – андроида Robonaut 2, в рамках которого были разработаны человекоподобные роботы для помощи космонавтам на Международной космической станции. 

Нынешнее устройство весит 26 килограммов, имеет специальные жгуты для крепления на ногах, спине и плечах человека. X1 также обладает четырьмя сервоприводами в области тазобедренных и коленных суставов. Десять степеней свободы помогают сгибать и разгибать ноги. 

По сути дела X1, это робот, которого человеку предлагают надевать на себя. Множество регулировок позволяют подогнать оборудование под размер человека, а особый алгоритм работы может как помогать движениям, так и затруднять их, что превращает X1 в прекрасный тренажёр для людей, работающих на орбите.

Известно, что длительное пребывание в невесомости приводит к атрофии мышц, изменению костной ткани человека. Даже после нескольких месяцев, проведённых на МКС, космонавты некоторое время испытывают трудности с передвижением. 

Во время длительного перелёта к Марсу, это может стать серьёзной проблемой, так как по прибытии космическим путешественникам придётся столкнуться с гравитацией Красной планеты. Экзоскелет поможет им поддерживать физическую форму в пути, а впоследствии значительно облегчит прогулки по склонам марсианских вулканов.

Сейчас Х1 проходит серию испытаний. Специалисты планируют снабдить его системой обратной связи, которая будет передавать на Землю параметры работы экипажа. Также будут добавлены дополнительные активные соединения на лодыжки и бёдра. Сочетание передовых технологий NASA и алгоритмов, разработанных Флоридским институтом познания человека и машины, позволит X1 выдавать более высокий вращающий момент и оказывать помощь в поднятии тяжестей, а также в передвижении по лестницам и неровным поверхностям.

Подобные устройства позволяют человеку выполнять необходимые операции, находясь на значительном расстоянии от места действия, при этом робот выполняет все необходимые действия с поразительной точностью. 

Пока до экспедиции на другие планеты ещё далеко, но экзоскелет уже сейчас может найти широкое применение.


Над созданием опытного образца, который достойно смотрелся бы даже в научной фантастике, учёные бьются больше полувека. Процесс идёт маленькими шагами, но с каждым новым прототипом человечество приближается к цели. Постепенно сдаёт позиции проблема громоздкости: благодаря современным материалам и технологиям, в частности 3D-печати и новым сплавам, детали экзоскелетов стало легче изготавливать, а весят они в итоге меньше. Сложнее всего с источниками энергии. Пока что от их размера напрямую зависит время автономной работы экзоскелета: чем больше батарея в заплечном ранце оператора, тем дольше он сможет двигаться в своём роботизированном костюме. Конструируя броню Железного человека, Тони Старк из вселенной Marvel прежде всего бился именно с проблемой бесперебойного питания — и нашёл решение, применив холодный ядерный синтез. В реальности современные учёные предпочитают литий-полимерные аккумуляторы — ничего лучше пока не изобрели.

Но при решении старых проблем возникают новые. Создание экзоскелета отягощено разнообразными трудностями — и главная из них заключается в синхронизации подсистем: не так-то просто настроить слаженную работу всех программ, обеспечивающих симбиоз механики с человеческим организмом. Предполагается, что, пройдя необходимое обучение и прочие этапы подготовки, оператор сможет управлять экзоскелетом бессознательно, на уровне рефлексов. Успешный прототип должен чутко реагировать на все импульсы, исполняя команды в точности и без задержек. Калибровка датчиков движения, работа с контроллерами, передача экзоскелету сигналов от нервных окончаний — это словно попытка объединить два мира в третий, не нарушив их целостности и научив гармонично сосуществовать. 

В отличие от промышленных и военных экзоскелетов, представленный прототип вполне компактный. Спрятать под одеждой его вряд ли получится, но цель ведь и не в этом?

В России в Курске есть разработчики, занимающиеся исследованиями, моделированием и изготовлением экзоскелетов с 2014 года. Ими давно интересуются военные, но финансово пока не поддерживают. На фото — один из прототипов, исследовали различные особенности кинематики движения, пока поняли, что не самое лучшее решение и приостановили его (пневматики там нет).
После долгих сравнительных анализов и общения с инвалидами эта компания пришла к выводам, что в области медицинских ассистирующих экзоскелетов аппараты типа экзобионикс, ревалк или экзоатлет, имеющие 4 привода в бедрах и коленях и малопригодны из-за костылей, они не обеспечивает устойчивости и человек сам вынужден балансировать при ходьбе и вставании.
Поэтому они пошли по пути Rex и создали экзоскелет ExoLite — он сам способен вертикализовать человека и ходить без всякой дополнительной поддержки — exomed.org. Сделали уже три аппарата, активно работают с инвалидами и занимаются клиническими испытаниями и сертификацией. Такая схема сборки значительно усложняет и конструкцию, и систему управления, но зато дает гораздо больше возможностей для пользователя.

Так что Экзоскелеты прочно входят в нашу жизнь уже сейчас и будущее когда человек сможет летать как «Железный человек» от создателей Марвел, а Пентагон получит в свое распоряжение целую армию суперсолдат, которые будут двигаться со скоростью автомашин, совершать головокружительные прыжки и таскать грузы на зависть тяжелоатлетам, уже не за горами. Что же они принесут с собой: угрозу или осуществление мечты многих поколений?

Экзоскелеты находятся на пути к тому, чтобы стать господствующей технологией будущего. Их появление помимо благ, может значительно усложнить существование человечества.

Практическая часть.

В результате проведенных работ я создал экзоруку со следующими характеристиками:

• 
  Высота: 500мм;
  
• 
  Рабочая зона (при полностью вытянутом манипуляторе): от 200мм до 500мм вокруг основания;
  
• 
  Потребляемый объем жидкости 10мл.
  

 

 

 

Экономический расчет проекта

№ п/п	Название	Цена (руб.) за 1 м. (1шт)		Расход	Всего, руб.
1	Картон (коробка из под бумаги и ЛЕГО)	0		1 м	0
2	Шприцы	10		5 шт	50
3	Система капельницы	100		1 шт	100
4	Детали из ЛЕГО (подшипники, шайба, болт)	0		9 шт	0
5	Использованная пальчиковая батарейка	0		1	0
6	Изолента	50		0,3	15
7	Клей	40		0,5	20
Итого расход			185 рублей

Стоимость готовой робо-руки в магазине составляет 2 190 руб., экономия 2 005 руб.

Выводы.

В начале работы над проектом я думал создать модель экзоскелета, без сборки и испытанй. Но в процессе углубления в суть вопроса у меня возникла идея использовать часть экзоскелета-экзоруку для образовательного процесса в лицее на уроках Технологии и Физики.

В готовом состоянии рука сможет вращаться на 360 градусов в горизонтальной и вертикальной плоскости, подниматься и опускаться. Конструкцию можно использовать в игровых целях для борьбы роборук при изготовлении других аналогов. При помещении конструкции на колеса роборука может двигаться в заданном направлении.  

Полученная конструкция экзорука имеет массу преимуществ перед многими моделями, которые сейчас есть в продаже:

• 
  легкость в создании в связи с простотой конструкции.
  
• 
  высокая функциональность - может использоваться в различных целях (как захватчик деталей, как робот-боец, как робот-машина).
  
• 
  экономичность конструкции - использовались материалы, имеющиеся в наличии дома.
  
• 
  доступность. Любой желающий может сделать самостоятельно.
  

Ограничение моей конкретной модели состоит в том, что взятый мной картон оказался недостаточно жестким недостаточно для полноценного применения на практике и потребовал усиления, что позволило надежно удерживать более тяжелые предметы.

Таким образом, созданное мной изделие, является моделью, на основании которой я изучил принципы работы экзоконструкций и смог оценить полезность разработки для промышленного использования.

В дальнейшем, я планирую продолжить свои исследования. Я хочу создать экзоруку из металлических конструкций с использование электроприводов и основ программирования. Это и будет предметом моего следующего проекта.

 Заключение.

В результате выполнения работы, я выяснил:

1.     Создать функциональную роботизированную руку можно из имеющегося дома материалов.  

2.     Самостоятельное создание модели экзоруки позволяет на практике изучить основные принципы работы экзоскелета.

3.     Созданная конструкция имеет низкую себестоимость, соответственно, экономически выгодна.

4.     Экзорука отвечает требованиям природоохранной деятельности (создана из вторичного сырья).

Считаю полезным произведенные исследования и считаю нужным ознакомить учащихся лицея с данной работой.

 

 

 

Список литературы

1. 
   Корендясев А.И. «Теоретические основы робототехники.» Издательство М.: Наука, 2006 г.;
   
2. 
   Экзоскелеты, Анализ конструкций, принципы создания, основы моделирования Монография, Яцун С.Ф., Савин С.И., Емельянова О.В., Яцун А.С., Турлапов Р.Н.
   
3. 
   Поезжаева, Е. В. Развитие конструктивных схем экзоскелетов / Е. В. Поезжаева, Д. А. Соколов, В. К. Курочкина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018
   
4. 
   Мамичев Д.И. «Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника» Издательство: Солон-пресс, 2016 г.;
   
5. 
   Филиппов С.А. «Уроки робототехники. Конструкция. Движение.Управление.»  Издательство: Лаборатория знаний, 2017г.;
   
6. 
   Юревич Е.И. «Основы робототехники. Учебное пособие» Издательство: BHV, 2016 г
   
7. 
   https://www.youtube.com/
   
8. 
   https://habr.com/