Развитие конструктивных схем экзоскелетов

Наука и технологии —это постоянное соперничество изобретательности человека и природы. С древнейших времен человек стремится изменить окружающий мир для улучшения своей жизнедеятельности, не нарушая законов природы. Некоторые беспозвоночные имеют внешний скелет, но у человека он отсутствует.

Сейчас появляется потребность в устройствах, усиливающих физические способности человека. Одним из путей разрешения предоставленной задачи считается использование человеко-машинных систем (устройств), где взаимодействие оператора и механизма приводит к отличным  показателям человеческих способностей. Одним из примеров разработок систем считаются экзоскелеты.

Экзоскелет — прибор, предназначенный для восполнения утраченных функций, наращивания силы мускул человека и расширения амплитуды перемещений за счёт наружного каркаса и приводящих частей. Аналогичные приборы могут применяться в военном деле ( антитеррор, штурмовые и саперные операции,  установка трудной брони и вооружения)  и в будничной жизни. В мирной жизни у экзоскелетов есть задачки трёх типов: строительно-логистическая, медицинская и особая. Строительный экзоскелет имеет возможность нести на себе строительное оснащение или же применяться в качестве погрузчика. Медицинские экзоскелеты можно использовать как инвалидные коляски для больных людей и инвалидов. Особые экзоскелеты могут быть как оборудованием для спасателей, так и механизированными водолазными или[5,c.253] же защитными костюмами. В настоящее время проводится функциональная разработка экзоскелетов. Разработки необходимы для создания систем вертикального положения человека и усиления его физических возможностей. Предлагается рассмотреть вопрос о применении экзоскелета для подъема груза в том[6,c24] случае, когда для этого[6,c24] потребуется перемещение всех  механизмов (рук, ног и корпуса). Аналогичные действия аппарата равносильны различной работе с грузом и функциональными действиями  оператора. Организация управляемого подъема груза из такового исходного положения соединит в себе задачи вертикализации механизма и манипулирования груза с поддержкой «рук» экзоскелета.

Для исследования рассмотрим модели экзоскелетов XOS 2 и HAL (Рис.1,2) XOS 2, при весе в 80 килограммов, позволяет человеку поднять 90 дополнительных килограммов, а экзоскелет HAL японского производителя роботов Cyberdyne обеспечивает возможность ходить людям с ограниченными возможностями и поднимать тяжелые грузы.

Рисунок 1.                                         Рисунок 2.

Предлагается система с гидравлическим приводом, управляемым оператором через систему рычагов, контролирующимися гидрораспределителями. В отличии от имеющихся аналогов, в разработке системы кое-какие суставные узлы станут двигать мускульные силы оператора. Для снижения нагрузки на позвоночник, мышцы и суставы человека используется полный каркас человеческого тела, дополнительные гидроцилиндры в коленных, локтевых суставах и суставах ступни, в поясничном отделе. Ступоходы экзоскелета изготавливаются  из плотного амортизирующего материала. Схему конструкции ноги  можно рассмотреть  на рисунке 3:[4]

Рисунок 3. Схема конструкции ноги экзоскелета человека (вид сбоку):[4]

1 – Нога человека; 2 - Стойка; 3 - Бедренное звено; 4 - Голень; 5 -  Стопа; 6, 7, 8 - Приводы линейного перемещения; 9 - Резиновая подошва; 10 - Датчик угла поворота (энкодер); 11 - Предохранительный концевой датчик; 12- Ремни для укрепления на ноге человека; 13 - Датчик нагрузки на опорную пяту. [4].

Ключевое различие в системе управления заключается в том, что она построена на основе механизмов, исключая электронику. Это повышает возможности ремонта и снижает  стоимость изделия. В  силовой установке возможно применять малогабаритные бензогенераторы, которые объединяются с электромотором, который приводит в движение вал гидронасоса. Управлять данным механизмом возможно при помощи 12-клапанного гидрораспределителя. Штоки гидрораспределителя можно приводить в движение при помощи тяг, контролируемых оператором, что упрощает починку в полевых условиях. Дополнительно возможно ввести датчик нагрузки и контроля напряжения питания для защиты батареи от полного разряда и информирования пользователя об оставшемся времени автономной работы. Примерная схема указана на рисунке 2.[2]

Рисунок. 4 Схема датчика [2]

Основными преимуществами данного экзоскелета являются энергетическая свобода, дешевизна в сборке и ремонте в разных условиях.

Механические системы очень широко распространяются в современной технике. Самым востребованным направлением в развитии и внедрении робототехнических систем являются экзоскелеты. Следовательно, с развитием новых технологий в разных областях науки, будут открываться новые возможности в изготовлении новых материалов, экзоскелеты будут усовершенствоваться, уменьшаться в размерах и становиться более точными.