Как сделать экзоскелет своими руками

Как сделать экзоскелет своими руками

Джонатан Типпетт сидит за маленьким красным складным столиком рядом с лабораторией eatART на территории промышленного комплекса, заставленного морскими контейнерами и складскими ангарами. На горизонте виднеются горы Северного побережья, еще не растерявшие своих снежных шапок. Я приехал так далеко, чтобы увидеть, как Типпетт прыгает на своей «гигантской ноге». Увы, мне не повезло, его «нога» не действует, и это для меня большая неудача. Но поскольку я гость, он поднимается со стула и ведет меня в лабораторию, чтоб хотя бы показать, сколь внушительно выглядит его творение.

Контроллер Exo-Frame (сверху) и управляемая с его помощью нога Alpha Leg в лаборатории eatART в Ванкувере, Британская Колумбия.

Гигантская нога

Нога, о которой идет речь, — многосуставная конструкция двухметровой высоты, сваренная из стальных труб, с вплетенными гидроприводами, амортизаторами и пневмопружинами. Механизм привинчен к трейлеру с плоской платформой через двухметровую поворотную башню, которая, в свою очередь, закреплена на трейлере четырьмя добротными нейлоновыми ремнями. От ноги отходят гидравлические магистрали, которые подключены к креслу пилота, стоящему на земле рядом с трейлером. Это кресло, которое Типпетт называет Exo-Frame, «Экзорама», сделано на базе слегка модифицированного седла от одноколесного велосипеда. Оно снабжено пятиточечными ремнями безопасности и суставной металлической конструкцией, которая фиксируется на руке с помощью надувной манжеты.

Проект машины Prosthesis: человек, сидящий внутри, приводит конечности машины в движение своими руками и ногами.

Цель изобретения — расширить человеческие возможности. Типпетт с группой добровольцев научили свою полуторатонную ногу реагировать непосредственно на движения руки. Она может двигаться вверх и вниз и даже подпрыгивать, стократно приумножая силу, которую прилагает ее хозяин. Механическая нога снабжена и обратной связью, то есть способна вернуть хозяину приложенное усилие. Если она с притопом возвращается из прыжка на землю, пропорциональный (хотя и ослабленный) этому удару шлепок передается на руку управляющего человека. Собственно, седло должно монтироваться сверху на этой ноге, чтобы хозяин ехал верхом, управляя ею как транспортным средством. Правда, Типпетт признает, что эта идея пока еще в реальных условиях не испытывалась. Да и вообще, агрегат проработал пока не больше десяти часов, но это только начало.

Сейчас Типпетт с помощниками пытаются встроить аккумуляторы в силовой агрегат, который сделает механизм надежным и мобильным. Это финальный этап, а вся работа целиком заняла у Типпетта и его команды целых три года. Скоро «нога» поедет в турне по фестивалям The Burning Man — Maker Faire — Ars Electronica, и там, среди понимающей публики, она должна вызвать настоящий фурор. Даже при таких перспективах труд, вложенный в этот проект, Типпетт считает только первым этапом. Он называет свое создание Alpha Leg, намекая на то, что это всего лишь прототип и испытательная платформа для будущей машины, которую считает целью своей жизни. Это будет управляемый человеком гигантский четвероногий ходячий экзоскелет Prosthesis («Протез»).

История мехов

У идеи Типпетта было множество предшественников. В 1960-х Ральф Мошер, инженер из компании General Electric, разработал целую серию устройств, умножающих человеческую силу за счет электромеханических элементов. Среди этих машин был четвероногий шагающий экипаж, а также гигантская клешня — на фотографиях позировавшие с этой клешней инженеры выглядели как какие-то чудовища-киборги. Сейчас, оглядываясь в прошлое, мы не можем не поражаться столь крупномасштабным проектам, но они в конце концов были закрыты, так как управление механизмами оказалось крайне сложным.

Зато идея была с благодарностью подхвачена Голливудом. Ранние примеры — шагоходы AT-AT и AT-ST из «Звездных войн» и погрузчик, который используется для борьбы с пришельцами в фильме «Чужие». Потом «силовой костюм AMP» появляется в «Аватаре», а «Егери» (Jaeger), роботы величиной с дом, борются с чудовищами в фильме «Тихоокеанский рубеж». Эти гигантские, управляемые людьми машины породили целый жанр научной фантастики, который теперь принято называть «мехи».

Были и попытки реализовать идею. Японский производитель сельхозтехники Sakakibara Kikai разработал множество гигантских механизмов. В 1990-е годы финская компания Plustech Oy (в дальнейшем поглощенная компанией John Deere) разработала шестиногий трелевочный трактор для лесоповала. На видеороликах, рекламирующих эти машины, они выглядят неуклюжими монстрами. Но эти медлительные увальни не для Типпетта. Ему нужна бегающая, прыгающая, юркая машина. «Первый в мире спортивный робот» — вот его лозунг.

Читайте также:  Как сделать дугу в автокаде

На общественных началах

И это не легкомысленная самонадеянность. В команде Типпетта уже разработана концепция будущей машины. Она должна стать членом «будущей лиги роботов-гонщиков», что уже сейчас означает подготовку соответствующих логотипов, футболок, бейсболок и, конечно же, красных комбинезонов — таких, какие носит сам Типпетт, когда снимается рядом со своей механической ногой. Один из членов его команды, программист-разработчик видеоигр Джеральд Орбан, показывает мне графический пользовательский интерфейс, который разрабатывает для машины Prosthesis. Это насыщенная цветами анимация, пульсирующая секторными диаграммами, в точности как в фильме «Железный человек». Важная сторона производственного процесса — умный маркетинг. Команда Типпетта рассчитывает собрать $80 000 на разработку своей машины через сервис Indiegogo.

И Alpha Leg, и Prosthesis предполагается создавать именно в такой атмосфере — с помощью добровольцев, с бессистемным финансированием, в мире, где работают по вечерам. Тем не менее есть множество оснований для оптимизма — эти доказательства разбросаны по всей лаборатории eatART. Около входа стоит Mondo Spider — полностью работоспособный восьминогий шагающий экипаж, который управляется так же просто, как колесный трактор. Типпетт построил этот агрегат в 2006 году. А у задней стены лаборатории приткнулась Titanoboa, кошмарная 15-метровая электромеханическая змея, сконструированная в прошлом году соратником Типпетта Чарли Бринсоном.

Инженерная интуиция впервые проявилась у Типпетта в детстве, когда он гонял машинки с дистанционным управлением по трассе, укатанной за его домом в Оуквилле, штат Онтарио. «Я часами мог возиться в подвале, настраивая подвеску моего вездехода», — рассказывает Типпетт. Он закончил инженерный факультет в Университете Британской Колумбии, профессионально занимался гидроприводами в морской технике, топливными элементами и медицинскими имплантатами. И сейчас он работает по совместительству в одной медицинской компании, разрабатывая протезы. Сейчас ему 39 лет, и он считает, что на создание аппарата Prosthesis потребуется еще года два. Я спрашиваю, что он будет делать, когда машина будет готова, и с удивлением слышу, что его дальнейшие планы имеют сугубо домашний характер. «Пожалуй, я займусь созданием семьи, — сказал он. — Женюсь, обзаведусь детьми». Но тут глаза его загораются: «Хотя… у меня тут вызревает проект еще одной машины».

Помню, как посмотрев «Аватар», совершенно обалдел от показанных там экзоскелетов. С тех пор, думаю, что за этими умными железками будущее. Еще очень хочется к этой теме свои не той стороной заточенные ручонки приложить. Тем более, что если верить аналитическому агентству ABI Research, объем мирового рынка экзоскелетов к 2025 году составит $1,8 млрд. На данном этапе не будучи технарем, инженером, архитектором и программистом, нахожусь в некотором замешательстве. Думаю, как к этой теме подступиться. Буду рад, если в комментариях к статье отметятся люди, которым потенциально было бы интересно в подобных проектах поучаствовать.
Сейчас на рынке экзоскелетов работают четыре ключевые компании: американская Indego, израильская ReWalk, японские Hybrid Assistive Limb и Ekso Bionics. Средняя стоимость их продукции от 75 до 120 тыс. евро. В России люди тоже не сидят без делала. Например, компания «Экзоатлет» активно работает над медицинскими экзоскелетами.

Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и United States military в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъёме 4,5 кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680 кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего он никогда полноценно не испытывался с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340 кг, её вес составлял 750 кг, что в два раза превышало подъемную силу. Без получения вместе всех компонентов для работы практическое применение проекта Hardiman было ограничено.


Дальше будет краткое повествование о современных экзоскелетах, которые так или иначе вышли на уровень коммерческой реализации.

REX — моторизированный экзоскелетный костюм (костюм экзоскелет), обеспечивающий прямохождение людям, страдающим параличом нижних конечностей. Созданный REX Bionics он доступен для покупки на территории России.

Возможности и технические характеристики:

1. Самостоятельная ходьба. Не требует костылей или иных средств для стабилизации, оставляя при этом руки свободными.
4. Экзоскелет для ног позволяет: встатьприсесть, повернуться, идти назад, стоять на одной ноге, идти по лестнице, ходить по различным, даже наклонным поверхностям.
5. Устройством очень легко управлять – все функции активируются при помощи джойстика.
6. Прибор можно использовать весь день, благодаря высокоемкостному съемному аккумулятору.
7. 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.
8. Удобная система фиксации не вызывает никакого дискомфорта даже, если вы носите его целый день.
9. Также когда пользователь не двигается, а просто стоит REX не тратит заряд аккумулятора.
10. Доступ в здания без пандусов, благодаря возможности ходить по лестнице без посторонней помощи.

Читайте также:  Как поменять экран блокировки на huawei

HAL (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:

1. Вес устройства 12 кг.
2. Экзоскелет может выдержать до 80 кг.
3. Устройство может работать от 60 до 90 минут без подзарядки.
4. Экзоскелет активно применяется реабилитации пациентов с патологией моторных функций нижних конечностей из-за нарушений центральной нервной системы или как следствие нейромышечных заболеваний.

Rewalk

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.

Возможности и технические характеристики:

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

Ekso bionic

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:

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

Далее предлагаю поле для фантазии. Давайте вместе поразмышляем, каким бы мог быть настоящий «народный экзоскелет»?

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

Цена в России: 700 000 рублей.

Возможности и технические характеристики:

1. Вес устройства 21 кг.
2. Экзоскелет должен выдерживать вес пользователя до 100 кг.
3. 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.

Вопросы для обсуждения:

1. Каков оптимальный состав команды проекта?
2. Какова стоимость проекта на начальном этапе?
3. Каковы подводные камни?
4. Каким вам видится оптимальный срок реализации проекта от идеи до коммерческого старта?
5. Стоит ли начинать подобный проект сейчас и почему?
6. Какой должна быть география и экспансия на рынок?
7. Лично вы готовы принять участие в подобном проекте и если да, то в каком качестве?

З.Ы. Буду признателен за конструктивную дискуссию, мнения, доводы и аргументы за и против в комментариях. Уверен, что не я один такой в раздумьях. Между тем, я уверен, что экзоскелет – это новый iPhone в мировой массовой культуре на горизонте ближайших десяти лет.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта

Читайте также:  Как изменить графический ключ если забыл

Экзоскелет своими руками

Как можно самостоятельно реализовать экзоскелет.

Чтобы он был дико силён следует как я понимаю остановиться на гидравлике.
Чтобы работала гидравлическая система нужны:

-прочный и подвижный каркас
-минимально необходимый набор гидравлических поршней (назову их "мышцами")
-два вакуумных насоса, две барокамеры с системой клапанов соединённые трубкой.
-трубки, способные выдержать высокое давление.
-источник питания экзоскелета
Чтобы управлять системой клапанов:
-Небольшой дохлый компьютер
-около 30 датчиков с семью(например) степенями пропорциональными степеням открытости клапанов
-специальная программа способная считать состояния датчиков и отправить соответствующие команды клапанам.

Для чего всё это необходимо:

-"мышцы" и каркас собственно это весь опорнодвигательный аппарат.
-вакуумные насосы. почему два? чтобы один увеличивал давление в барокамерах трубах и мышцах, а второй уменьшал.
-барокамеры соединённые трубкой. в одной давление увеличивать во второй понижать, а трубку оснастить клапаном открывающимися только в двух случаях:выравнивание давления, обеспечение холостого хода жидкости.
-клапаны. это простая и эффективная система управления, которая будет зависеть от давления в барокамере и управления компьютером. повышая давление в барокамере открыв клапаны каналов "напрягаемых мышц" позволит осуществлять те или иные действия повышая давление на гидравлические поршни, двигая части скелета(каркаса).

-датчики, почему примерно тридцать?по две на стопы, по три на ноги, по шесть на руки и 4 для спины. как их расположить? против движения конечностей. чтобы выдвигаемая вперёд нога давила изнутри на экзоскелет и на датчик на внутренней его стороне. далее объясню почему именно так.
-компьютер с программой. главная задача компьютера и программы сделать так, чтобы датчики не испытывали давления, тогда человек внутри не будет ощущать лишнего сопротивления экзоскелета, который будет стремиться повторить движения человека не зависимо от активности нервов, мышц или ещё каких биометрических показателей, тем самым позволит использовать гораздо более дешёвые датчики, чем к примеру в высокотехнологичных экзоскелетах. сигналы датчиков для компьютера должны быть разделены на две группы:с безусловным управлением гидравлической системой и принимаемые только при условии что противоположный ему датчик с безусловным управлением не испытывает давления. Эта реализация удержит ногу упёртую коленом в землю от автоматического разгибания если человек сам её не разогнёт. Но для этого прийдётся человеку внутри экзоскелета приподнимать ногу от земли(либо нужно программно снизить чувствительность датчиков срабатывающих с условием). На примере ноги: датчики с безусловным сигналом расположить с фронтальной стороны, с безусловным с тыльной. сами представьте как будет осуществляться движение. при сгибании ноги человеком, нога экзоскелета согнётся даже если весь вес человека будет на датчиках разгибающих ногу. Здесь при помощи акселерометра(либо другого аппарата аналогичного вестибулярному) программно можно задать изменение безусловности сигналов датчиков в зависимости от положения тела в пространстве, исключив скрючивание экзоскелета при падении на спину.

Далее руки-для увеличения силы сделать трёхпалыми, прочными, можно совместить гидравлику и металлический трос. рука должна быть отдельно от человеческой, то есть перед запястным суставом, это исключит конструктивные сложности связанные с нахождением руки человека в руке экзоскелета и не позволит травмировать человеческую руку, а равно как и стопа человека должна быть на голеностопном суставе экзоскелета и защищена.
-управление рукой. немного свободного пространства для двух третей свободы движения кисти и пальцев руки человека в руке экзоскелета и система из трёх колец на тросиках, три пальца от мизинца до среднего в одно, указательный в другое и большой в третье. всё управление сводится к тому, чтобы пальцы человека передвигая кольцо, которое на них надето, тросиком прокручивали колесо датчика, в зависимости от поворота которого сгибались и разгибались пальцы экзоскелета. это исключит лишнее усилие гидравлики на разгибание или сгибание пальцев руки экзоскелета сверх его конструктивных возможностей. на два кольца использовать по одному тросику, на одно-два. Почему? по тому что пальцы от мизинца до указательного нужно сгибать и разгибать только в одном направлении а большой палец в двух. Если хотите, можете проверить на собственных руках.

Источник питания экзоскелета — вот с этм опять таки выходит жуткая мудятина. Выбирать источник питания нужно только после произведения всех необходимых расчётов, максимальной оптимизации конструкции экзоскелета и измерения его энергопотребления.

Ссылка на основную публикацию
Как сделать цвет в автокаде
У многих возникает вопрос, «Как в Автокаде сделать белый фон?». На самом деле все очень просто. При начальных настройках пространство...
Как сделать нумерацию страницы в ворде
Microsoft Word — одна из самых часто используемых программ для работы с текстовыми документами. Когда текст слишком большой, для комфортной...
Как сделать обратную матрицу в excel
Приложение Excel выполняет целый ряд вычислений, связанных с матричными данными. Программа обрабатывает их, как диапазон ячеек, применяя к ним формулы...
Как сделать цитату в html
Цитата — дословная выдержка (отрывок) из какого-либо текста с указанием авторства или источника. Цитаты обычно используются на сайтах, где периодически...
Adblock detector