Версия для слабовидящих
Экзоскелеты: грань будущего уже в России Печать Email
Новости об инновациях
31.08.2015

Можно ли наделить обычного человека сверхчеловеческими способностями? Ведь усовершенствовать человеческое тело науке пока не удалось. И, по-прежнему, чтобы поднять штангу весом более 100 кг, человеку нужны годы тренировок. Как сделать человека сильнее и выносливее? Ответить на этот вопрос наука сможет уже в ближайшие годы

Результаты фундаментальных исследований, полученных в последнее время в области биомехатроники, позволяют разработать новые классы технических устройств, «интегрированных» с организмом человека. Одним из таких устройств является экзоскелет (внешний скелет), дублирующий опорно-двигательный аппарат человека и существенно расширяющий его физические возможности.

Что такое экзоскелет?

Экзоскелет (внешний скелет, греч.) – устройство, предназначенное для расширения физических возможностей человека за счет внешнего каркаса.

Биомеханическая система человек-экзоскелет представляет собой человеко-машинную систему с большим числом степеней свободы. В этой системе часть функций, таких, например, как поддержание равновесия, остается за человеком. Тяжесть груза, который должен перенести человек, ложится, в основном, на механизм экзоскелета.

Управление такой системой представляет собой сложнейшую проблему биомехатроники. При построении такой системы необходимо учитывать ограничения на мощность усилий, развиваемых приводами экзоскелета, ограничения на массу аппарата и его габариты. Особенность решаемой задачи связана также с нелинейностью и сложностью математической модели системы, которую требуется построить.

Сенсоры, используемые в системе управления экзоскелетом, образуют своеобразную нервную систему механизма, «параллельную» нервной системе человека. Именно поэтому задача по созданию экзоскелета не может быть решена без проведения соответствующего комплекса фундаментальных исследований, связанных с разработкой математической модели, конструкции, системы очувствления, управляющей электроники, с синтезом алгоритмов управления и минимизацией энергозатрат.

Изучение известных конструкций экзоскелетов показывает, что создание экзоскелета является сложной, комплексной проблемой, требующей участия специалистов различных областей науки и техники.

История и современность

  Разработки различных типов экзоскелетов начались более полувека назад. Первый экзоскелет был создан совместно компаниями General Electric и United States military в 60-х годах XX века, и назывался Hardiman. Человек, облаченный в этот экзоскелет, мог поднимать груз массой 110 кг, при этом человек затрачивал усилие, равное примерно 45 Ньютонам. Однако конструкция оказалась непрактичной из-за значительной массы в 680 кг и несовершенной системы управления.

Биотехническое устройство для помощи парализованным людям было разработано под руководством профессора М. Вукобратовича в Институте автоматики и телесвязи имени М. Пупина (г. Белград, Югославия), в начале 70 годов XX века. Этот экзоскелет исследовался в НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова.

Известные разработки экзоскелетов, в своем большинстве, сосредоточены на экзоскелетах нижних конечностей.

Область возможного применения экзоскелетов представляется весьма широкой. Они могут быть использованы как в военных, так и в медицинских целях. Во многих промышленно-развитых странах ведутся разработки в области создания экзоскелетов и уже продемонстрированы действующие образцы. Одной из важных целей является военное применение экзоскелетов. Заказчиками соответствующих экзоскелетов выступают гиганты мировой военно-промышленной индустрии.

Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) финансирует сразу несколько независимых разработок экзоскелетов, которые ведутся в интересах министерства обороны США.

В процессе разработок должны быть решены следующие задачи:

  • Увеличение возможностей по переноске тяжелых грузов.
  • Солдаты должны носить на себе тяжелое оружие и другое оборудование; кроме того, увеличив свои возможности, они смогут убирать препятствия со своего пути на марше;
  • Увеличение скорости передвижения. Средняя скорость солдата 7–11 км/час, при этом он должен нести на себе 70 кг груза;
  • Прыжки на большую высоту и расстояние.

Пока еще неясно, насколько высоко и далеко смогут прыгать люди в экзоскелете, но предполагается, что солдаты должны преодолевать более высокие и широкие препятствия.

Став сильнее, солдаты одновременно станут и выносливее, смогут преодолевать большие расстояния. Кроме того, они смогут чинить тяжелое оборудование, которое иначе было бы невозможно привести в рабочее состояние. Экзоскелеты будут также оборудованы датчиками и встроенными приемниками системы глобального позиционирования, с помощью которых солдаты будут двигаться к заданной точке по неизвестной местности.

Наиболее интересные практические результаты для военного применения продемонстрированы в Калифорнийском университете в Беркли. Проект под названием HULC (Human Universal Load Carrier) ставит целью создание экзоскелета, повышающего грузоподъемность и скорость передвижения солдат с полной боевой выкладкой. Результатом работ над проектом стал экзоскелет под названием BLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton). Более сорока датчиков постоянно анализируют положение груза и человека в пространстве, а гидравлические приводы перераспределяют нагрузку, возлагая большую часть груза на экзоскелет.

Военно-промышленная компания Lockheed Martin приобрела разработку Беркли и внесла собственные дополнения, подготовив экзоскелет к серийному производству под названием HULC.

Образец уже позволяет переносить груз до 90 кг в течение 1 часа со средней скоростью почти 5 км/ч и возможностью кратковременных бросков со скоростью до 16 км/ч.

Представленный образец экзоскелета получает энергию от двухкилограммовой литий-полимерной батареи. В дальнейшем компания Lockheed Martin планирует оснастить свой экзоскелет другими источниками питания: в частности, в него планируется установить бесшумный топливный генератор, работающий на реактивном топливе марки JP8. С потребляемой мощностью порядка 250 Вт экзоскелет HULC сможет работать от такого генератора до 3 суток на одной заправке: предполагается, что солдат будет двигаться в экзоскелете по 8 часов в день.

По сообщениям прессы HULC весит всего 25 кг, а снимается и одевается он в течение нескольких секунд. Разработчики HULC подчеркивают, что даже при севших батареях костюм все равно облегчает движения солдата, компенсируя удары и нагрузку.

На данном этапе развития костюм HULC поддерживает только ноги и тело солдата – работу рук он не поддерживает. Тем не менее, специальная система креплений позволяет устанавливать на этот экзоскелет самое разнообразное дополнительное оборудование, в том числе бронированные конструкции для защиты от пуль и осколков, датчики, системы кондиционирования, и даже станковый пулемет или гранатомет с управлением от лазерного целеуказателя на шлеме.

Экзоатлет – инновационная разработка российских ученых

  В 2011 году в НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова начались работы по созданию экзоскелета. Команда разработчиков имеет большой опыт исследований в области теоретической механики, теории управления, в области создания роботехнических устройств. В состав команды входят профессора и научные сотрудники, имеющие большое количество опубликованных статей и монографии. Реальными результатами их разработок являются, например, мобильный робот «КРОНУС» (защищен патентом № 97080, 2010 г.) и мобильный робот «ЗОРКИЙ» (защищен патентом №99370, 2010 г.).

Работы ведутся по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы».

Проект получил название ExoAtlet. Основой проекта ExoAtlet являются инновационные разработки российских ученых в области расширения физических возможностей человека, защищенные патентами.

Целью проекта, согласно контракту, является создание программно-аппаратного комплекса «Экзоскелетон», предназначенного для дублирования опорно-двигательного аппарата человека с целью уменьшения нагрузок на него при выполнении тяжелой физической работы в различных условиях. Разрабатываемый программно-аппаратный комплекс (ПАК), должен быть предназначен:

  1. Для помощи людям с ограниченными физическими возможностями;
  2. Для разбора завалов при аварийно-спасательных работах и ликвидации последствий стихийных бедствий или техногенных катастроф, для выполнения операций пожаротушения при ограниченных запасах воздуха в дыхательных аппаратах;
  3. Для решения задач, сопровождаемых переноской тяжелых грузов на большие расстояния, для разминирования и проведения антитеррористических операций.

В процессе работы над проектом были выделены две независимые части разработки: создание пассивной и активной модификаций экзоскелета.

  1. пассивный экзоскелет – это многозвенный механизм, не содержащий приводов. Такой легкий экзоскелет должен быть приспособлен для задач разгрузки опорно-двигательного аппарата.
  2. активный экзоскелет – это многозвенный механизм, в сочленениях (шарнирах) которого должны быть смонтированы электро- и гидроприводы, усиливающие возможности опорно-двигательного аппарата.

Немаловажными вопросами, влияющими на ход и результаты разработки, оказались выбор типа сенсорной системы и силовых приводов.

Сенсорная система, дублирующая элементы нервной системы человека, должна представлять собой совокупность датчиков, измеряющих углы и угловые скорости в сочленениях механизма, а также усилия, развиваемые в элементах конструкции. В зависимости от задач, которые должен решать экзоскелет, для управления им может быть использована также та или иная информация об электрической активности мышц, которая характеризует развиваемые ими усилия, либо информация, поступающая с датчиков усилий, размещенных на экзоскелете, информирующая о намерениях человека-оператора, касающихся его перемещений и т.д.

Датчики усилий не требуют контакта с кожей человека и их показатели не критичны к изменениям, происходящим в организме человека на фоне стресса, усталости и т.п., чем грешат датчики, считывающие информацию об электрической активности мышц. Для военного применения и в условиях чрезвычайных ситуаций это крайне важно.

С аналогичной дилеммой разработчики столкнулись и при выборе между электро- и гидроприводами. Приводы, устанавливаемые в шарнирах механизма, должны создавать усилия, дублирующие (дополняющие) мышечные усилия человека. Благодаря этим приводам человек должен иметь возможность развивать большие усилия, в частности, переносить грузы массой до 100 кг.

Выбор был остановлен на гидроприводах. Основной причиной для этого стало то, что статическая нагрузка – это один из основных режимов работы экзоскелета. Например, полезная нагрузка в 1000 Н приводит к возникновению момента в коленном шарнире равном примерно 300 Нм. Так как статическая нагрузка является неблагоприятным режимом работы для электропривода, для обеспечения таких параметров пришлось бы использовать пару двигатель-редуктор массой около 5 кг. Гидропривод позволяет реализовать движение в большом диапазоне скоростей и нагрузок, не выходя за эксплуатационные нормы, обеспечивая оптимум массогабаритных характеристик.

Активная модификация экзоскелета до недавнего времени находилась на стадии отладки системы управления, а действующий образец планировалось представить в конце 2013 года.

Первый в России действующий образец экзоскелета пассивной модификации Exoatlet P был продемонстрирован на «6-м Международном салоне Комплексной Безопасности 2013» и награжден золотой медалью в номинации «Лучшие инновационные решения в области комплексной безопасности».

Пассивный экзоскелет, созданный в рамках проекта ExoAtlet – это относительно легкий механизм, который вообще не содержит приводов и источников питания. Тем самым он может использоваться человеком в течение длительного времени без подзарядки каких-либо батарей.

Существующая версия – далеко не окончательная. Разработчики планируют продолжить совершенствование пассивной модели. В процессе дальнейших исследований предполагается рассмотреть альтернативную конструкцию, а также схемы управления с целью выбора наиболее совершенного варианта.

Использование пассивного экзоскелета позволяет существенно разгрузить опорно-двигательный аппарат человека при ходьбе по горизонтальной поверхности. При стоянии человека в экзоскелете на месте (на горизонтальной или наклонной поверхности, либо на уступе) с запертыми коленными шарнирами человек практически не ощущает груза, в том числе веса самого экзоскелета. Благодаря этому обстоятельству, для человека возникает возможность в процессе движения остановиться и отдохнуть, не снимая груза.

 Технические характеристики ExoatletP:

  • Грузоподъемность – до 100 кг
  • Время работы – неограниченно
  • Возможность размещения груза сзади и спереди
  • Время надевания и готовности к работе – 2 минуты
  • Скорость ходьбы – до 5 км/ч
  • Масса – 12 кг
  • Регулировка размера – от 46 до 56
 

В рамках Международного Авиационно-космического салона 2013 года командой разработчиков проекта ExoAtlet был впервые продемонстрирован новый вариант пассивной модификации экзоскелета Exoatlet P-1, адаптированный для переноски штурмового щита спецназа. Специальное приспособление для жесткого крепления штурмового щита к раме экзоскелета позволяет его быстро снимать и одевать, освобождает руки бойца. А также, что немаловажно, «перекладывает» вес щита (массой в 35 кг) и кинетическую энергию попадаемых в него пуль на каркас экзоскелета.

Основной акцент в дальнейших разработках будет направлен на расширение функциональных возможностей, необходимых для военного применения экзоскелета – это представляется разработчикам наиболее перспективным направлением развития проекта. Безусловно, создание боевых роботов, управляемых сидящим внутри человеком, будоражит умы фантастов, что выливается в красивые сюжеты фантастических фильмов. Но нужно не забывать о том, что в российской армии остается немало задач, связанных с переноской больших грузов. Решению этих задач экзоскелет сможет помочь уже в ближайшем будущем.

Масса полного штурмового комплекта спецназа, состоящего, помимо щита, еще и из фартука, прикрывающего ноги, составляет примерно 50 кг. Масса защитного комплекта сапера – около 60 кг.

Подобных примеров можно привести множество. Отдельно стоит отметить тяжелые работы, выполняемые солдатами с боеприпасами как на складах, так и при подготовке боевой техники к эксплуатации. В настоящее время команда разработчиков ведет переговоры с различными потенциальными заказчиками на предмет решения конкретных задач, связанных с применением экзоскелета в российской армии.

Помимо военного применения разработчики планируют подготовить несколько моделей для гражданского использования.

Пассивный экзоскелет уже сейчас востребован во множестве направлений производственно-технической деятельности, поскольку разрешенные нормативами массы грузов при перемещениях очень низкие: для женщин – до 10 кг, для мужчин – до 25 кг. С использованием пассивного экзоскелета эффективность работ с грузами возрастает в разы.

В частности пассивный экзоскелет актуален:

  • для работ при чрезвычайных ситуациях, при разборах завалов, на шахтах и различных производствах;
  • при монтаже бытровозводимых конструкций;
  • для снижения нагрузок при переноске, например актуально для медицинских работников при переноске больных в скорую помощь;
  • для использования в комплекте с различным оборудованием: с бензопилами, емкостями для тушения лесных пожаров, при дезинфекции, дератизации, противорадиационной и инфекционной обработки, при обработке антиобледенительными реагентами в сложных полевых условиях, с газосварочным оборудованием и пр.

В заключение хочется сказать о том, что в области разработки экзоскелетов у России существует серьезное отставание – все ведущие иностранные проекты развиваются уже более 10 лет и ими пройден серьезный путь. Драйвером развития этих проектов является финансирование со стороны оборонного ведомства США, но результаты этих разработок уже начинают активно использоваться в гражданских областях, в частности, в медицине.

К счастью, период безвременья для российской науки подходит к концу, наше государство проявляет интерес и осуществляет финансовую поддержку для перспективных инновационных проектов, в частности, экзоскелетов. И поскольку в России еще остались разработчики, обладающие необходимым уровнем знаний и технической оснащенности, необходимо попытаться ликвидировать отставание в области разработок экзоскелетов. Команда проекта ExoAtlet сделает для этого все возможное.


Материалы по теме:

Источник - http://www.nanonewsnet.ru/news/2015/ekzoskelety-gran-budushchego-uzhe-v-rossii

 
Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта
incest xxx free rarefilm.net