Студент ИТМО разработал активный экзоскелет, в котором можно без труда поднять до 80 килограммов
Студент факультета систем управления и робототехники Университета ИТМО Алексей Ледюков создал экзоскелет, который в перспективе сможет поднимать до 80 килограммов. При этом сам костюм получился довольно легким: в нем можно активно двигаться и даже бегать. В интервью ITMO.NEWS Алексей рассказал, как, еще будучи школьником, сделать свой первый экзокостюм в гараже из проволоки и чем разработка может быть полезна МЧС и страйкбольным фанатам.
— Расскажи, пожалуйста, как вообще появилась идея создать экзоскелет.
— Еще с восьмого класса я увлекался робототехникой — сам сделал радиоуправляемый танк. А потом захотел сконструировать что-то более сложное и решил попробовать сделать экзоскелет. Начал смотреть ролики на YouTube, сделал макет из бумаги. Мне помогал дедушка — с ним мы в гараже сварили первый каркас из проволоки. Вручную делали каждую деталь, замеряли, ставили метки маркером, потом приваривали.
И так, постепенно, собирался первый «Франкенштейн». У того костюма везде были сварочные швы, так что смотрелся он жутковато. К тому же экзоскелету не хватало жесткости, так как он был сделан из вязальной проволоки. Когда я его разобрал, то увидел, что спина из-за нагрузок выгнулась.
Я учел эти ошибки при разработке второго костюма — усилил каркас, добавил новые точки подвижности. Всего с дедушкой мы сделали два варианта, я конструировал как пассивные, так и активные экзоскелеты. Сейчас я разрабатываю уже пятый активный костюм.
— А что представляют собой активные и пассивные экзоскелеты? Чем они отличаются?
— Активный экзоскелет совершает какую-то работу, он оснащен дополнительным источником энергии, за счет которого костюм и помогает человеку. Такие костюмы есть, например, в армии и на промышленном производстве. А пассивный костюм разгружает и лишь частично переносит вес, который берет на себя человек.
У существующих активных экзокостюмов есть проблема — они очень малоподвижны.
Человек не может, например, бегать в промышленном костюме, он даже ходит в нем с трудом, поскольку конструкция очень массивная.
Пассивный бронированный экзоскелет. Фото из личного архива собеседника
— Какой первый груз ты поднял, когда сконструировал свой экзоскелет? Какие были ощущения?
— Это был свинцовый аккумулятор для машины, он весил около 15–20 килограммов. Тяжесть, конечно, немного ощущалась, но основную нагрузку костюм брал на себя. Вообще, в экзоскелете чувствуешь себя примерно так же, как когда ты ведешь машину. Например, если какая-то гайка не закручена, ты тут же это ощутишь.
— В ИТМО ты поступал с этим проектом? Или только потом рассказал, что у тебя есть свой экзоскелет в шкафу?
— Еще учась в школе, я участвовал в Балтийском научно-инженерном конкурсе, Geek Picnic, учился в Академии цифровых технологий. Когда пришло время поступления в вуз, я выбирал между ИТМО и Политехом. В ИТМО проект заметили и пригласили меня, в итоге это и определило мой выбор.
— Каким был костюм тогда и что он представляет собой сейчас?
— У второго варианта экзокостюма было два главных недостатка — большой вес и малая подвижность в тазовой части. Поэтому я начал проектировать новый вариант, освоил 3D-моделирование.
У следующего прототипа уже можно было менять размер, подгонять его под определенного человека, были добавлены дополнительные оси вращения в спине, тазовой части, плечах. Костюм уже не сковывал человека, но по-прежнему был тяжелым из-за использования стального каркаса.
Третий вариант весил под 100 килограммов. А тот, что я разрабатываю сейчас, в собранном состоянии будет весить 40―45 килограммов. За счет уменьшения габаритов и использования композитов мне удалось снизить вес почти наполовину.
Алексей Ледюков в экзоскелете. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS
— Из чего сейчас состоит конструкция?
— Корпус сделан из углепластика, пневмопоршни — из стали и алюминия, подшипники — из закаленной стали.
Держатели и закрывающие элементы выполнены из латуни, АБС-пластика и стеклопластика.
— Какие планы по дальнейшей модификации?
— Новая версия будет более эргономичной и технологичной. Раньше все формы печатались на 3D-принтере, затем сверху вручную наматывался углепластик и все это обрабатывалось бурмашиной. Новую модель мы планируем сделать с помощью литья. Создадим силиконовую форму, а в нее зальем двухкомпонентный пластик, армированный углеволокном.
— Расскажи подробнее, как работает костюм. Что ощущаешь, поднимая, например, 20-литровую канистру с водой?
— Когда человек поднимает руку или ногу, то срабатывают резистивные датчики давления, расположенные в определенных местах. Именно по ним вычисляется скорость и направление движения привода. Костюм не оказывает никакого сопротивления, он двигает приводы в ту же сторону, откуда идет сигнал от датчиков. Сигнал обрабатывается и открывает-закрывает клапаны, идущие к приводам экзокостюма.
Затем, когда человек берет груз, изменяется вектор движения. Соответственно, костюм это «понимает» и старается компенсировать прикладываемое усилие. Когда в руке груз, то человек будет ощущать его, но при этом мышцы не будут напрягаться.
Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS
— Кто сможет носить костюм?
— Новая модель подойдет людям с ростом от 170 до 190 см.
— А где еще можно использовать разработку, помимо промышленности и армии?
— Еще одна сфера использования — МЧС. Этот костюм довольно подвижный, для заводских нужд такие характеристики не нужны, на производстве достаточно просто уметь поднимать грузы и быть достаточно мобильными.
А вот для сотрудников МЧС костюм будет хорошим подспорьем. Например, та же тяжелая техника не может проехать в разрушенное здание, пока спасатели не разберут завалы. Кроме того, костюм сам по себе будет служить защитой от падающих обломков или, допустим, высокой температуры, если сделать его огнеупорным.
В МЧС знают о нашей разработке — они предлагали протестировать экзоскелет на испытательном полигоне.
Алексей Ледюков в экзоскелете. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS
— Сколько человек сейчас входит в команду разработчиков? Кто и чем занимается?
Наша команда состоит из шести человек: каждый выполняет свою роль. Есть исполнители, генераторы идей и люди, которые эти идеи описывают и публикуют.
В перспективе мы планируем подать заявки на несколько грантов. Также в этом году хотим поучаствовать с проектом в Акселераторе ИТМО, а к лету выйти на мелкосерийное производство пассивных походных костюмов. Кроме того, у нас есть заказ разработать экзокостюм для страйкбола.
— А зачем в страйкболе такие разработки?
— Я сам удивился, когда ко мне обратились организации, занимающиеся поставкой снаряжения для страйкбола. Костюм может выполнять роль «танка», который не боится пуль. Это своего рода имитация прорыва периметра.
Использование экзокостюма по сути позволит изменить саму концепции игры, которая строится на одном попадании.
— Рассматривал ли ты вариант сконструировать экзоскелет для людей с ограниченными возможностями?
— У меня нет таких планов. Существующие медицинские костюмы довольно хороши, их основная проблема — дороговизна. Поэтому разработчикам просто нужно найти способ удешевить их.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Source:
Университет ИТМО
Via:
Мария Осина
Теги: Экзоскелеты
Главная — Экзоскелетные технологии «ЭКЗОРАЙЗ»
Новости
Какие экзоскелеты скрывает Новосибирская ТЭЦ-4?
На одной из площадок СИБУРа начинаются промышленные испытания экзоскелетов EXORISE
Компания «ЭКЗОРАЙЗ» приняла участие в международных специализированных мероприятиях в респ. Беларусь
Новая высота Exorise
Внедряя прогрессивные технологии
На «Казаньоргсинтезе» протестировали экзоскелеты для рабочих
Все новости
Экзоскелеты EXORISE
Уникальность продукта
Первые российские промышленные экзоскелеты, внедряемые на крупнейших предприятиях (ПАО «ММК», ПАО «Северсталь», ОК «Русал», ПАО «Газпромнефть», ГК «ПИК», ОАО «МЗПВ» и других)
Собственные
запатентованные технологии
Безопасность и эффективность, подтвержденные
лабораторными испытаниями
Снижение нагрузки на позвоночник от 30% до 80% в зависимости от модели
Более 200 успешных испытаний в условиях реального производства на предприятиях России
Более 50 внедрений на производственных площадках России и СНГ
Продукция
сертифицирована по системе ГОСТ Р
Единственный российский экзоскелет для женщин — X-Soft Lady, занятых поднятием и переносом тяжестей
Все модели могут быть укомплектованы аккумуляторными
батареями для переносного инструмента, а также уникальными датчиками показателей внешней среды EXORISE EXO-Sense
Стоимость решений ниже аналогов при сохранении высочайшего уровня разработки и производства
Собственная техническая лаборатория по разработке и изготовлению экзоскелетов на основе математической и биомеханической моделей ОДС человека
Антропоморфическая форма экзоскелетов обеспечивает максимальный комфорт, не сковывая движения
Сертификаты
Наши партнеры
Мы благодарим наших клиентов и партнёров за доверие и надеемся на дальнейшее успешное сотрудничество!
Отзывы
«Нет напряжения в спине, при наклоне и подъеме намного легче и комфортнее, чем без экзоскелета.
Главное – настроить под себя, чтобы было удобно»
Александр, работник цеха укладки и профилирования, компания «Альтернатива»
«В экзоскелете удобно, движения он не сковывает, на позвоночник нагрузки нет. Проще поднимать тяжелые коробки, намного проще»
Кирилл, стропальщик отдела складского хозяйства и логистики «Воркутауголь»
«Сегодня я работаю в подборе, собираю товар на паллет и отвожу в определенные зоны по городам. Физически это нелегко, нагрузка идет не только на руки, но и на спину, на ноги. Преимущество экзоскелета в том, что с ним на спину нет нагрузки, и спина остается прямой. Легче поднимать тяжести. Только первые два часа непривычно. Лично я буду в нем работать и всем рекомендую попробовать!»
Дмитрий, старший кладовщик сети супермаркетов цифровой и бытовой техники
«Часть операций, которые производятся у нас на сборочном конвейере, предполагают сборку элементов трактора с поднятыми руками. Если это сделать один раз в течение минуты, то никаких проблем.
Но когда это восьмичасовая смена и десяток выпущенных тракторов, то на эту проблематику мы смотрим уже по-другому»
Георгий Семененко, Генеральный директор ГК «Кировский завод»
«Во-первых, забота о работниках завода, снижение физического воздействия на человека ввиду тяжелых условий труда, а также снижение уровня заболеваний опорно-двигательного аппарата, ведут к росту производительности труда. Во-вторых, производство, идущее в ногу со временем, равно как и применение новизны в операционной деятельности, делают нас конкурентоспособными на рынке. В эпоху развития Индустрии 4.0, эпоху цифровизации и роботизации, наша задача – облегчить труд и установить благоприятные условия для работников на заводе».
Виталий Галкин, Директор ЗАО «МЗПВ»
«Впечатления от экзоскелета X-Soft хорошие, осанка всегда прямая! Я пробовал брать с самого поля тяжелое колесо – намного легче. За полчаса к нему привыкаешь и уже не чувствуешь его на себе. Буду носить!»
Ильдар, рабочий монтажного цеха завода «Мерседес»
«Я на производстве уже 34 года.
Ближе к 40 только начал понимать, что здоровье беречь надо, его не купишь. А в экзоскелете сразу чувствуется поддержка — спина зафиксирована, и помощь — вот он прям разгибает после наклона. Жалко раньше таких вещей было»
Алексей, рабочий металлургического завода
«Я занимаюсь загрузкой мела. Экзоскелет нагрузку со спины снимает точно. Поначалу непривычно, но эффект чувствуется!»
Сергей, рабочий цеха компании по производству красок
Previous
Next
Как сделать экзокостюм, который помогает при неудобных подъемах
Технический институт электроники и нанотехнологий Джорджии
Предоставлено: Технологический институт электроники и нанотехнологий Джорджии.
По словам Аарона Янга, исследователя из Технологического института Джорджии, за последние несколько лет экзокостюмы с механическими вспомогательными средствами, которые долгое время изображались в научно-фантастических произведениях и фильмах, наконец начали коммерческое использование.
Большинство этих экзокостюмов имеют так называемую пассивную конструкцию, помогающую владельцу использовать элементы без питания, такие как пружины.
Активные экзокостюмы, включающие в себя электронику и моторы, еще не нашли широкого применения. Они, как правило, большие и тяжелые, и полагаются на жесткие экзоскелеты для переноса веса с тела на землю. По словам Янга, экзоскелеты также добавляют большую жесткость. Надевание большинства активных экзокостюмов немного похоже на работу с вилочным погрузчиком, ограничивая пользователя подъемом тяжестей в вертикальной плоскости.
По всем этим причинам костюм Янга с асимметричной спиной (ABX), описанный в выпуске журнала 9 от 5 октября0009 IEEE Transactions on Robotics очень нестандартен. Нет экзоскелета, жесткой конструкции, ничего, что соприкасалось бы с полом. Если владелец просто стоит там, он ничего не делает, кроме добавления 14 фунтов к его ногам. Но если они поднимают свое тело из наклонного положения, это издает несколько безумный шум: это звук ABX, помогающий им поворачивать туловище, помогающий им скручиваться.
Хотя большинство активных экзокостюмов поддерживают вертикальный подъем, вращательные и скручивающие движения также широко распространены, особенно в определенных областях ручного труда, таких как сбор мусора и обработка багажа. По словам Янга, во многих случаях эти движения могут быть неловкими и напряженными, что приводит к травмам на работе, а также к болям в спине. Боль в спине, в свою очередь, прямо коррелирует с силой сжимающих и сдвигающих сил, которые действуют на позвоночник.
При разработке своего экзокостюма исследователи искали способ уменьшить эти нагрузки на суставы позвоночника. Его надевание немного похоже на надевание футуристического рюкзака. Два мотора сначала привязываются к задней части каждого бедра. Затем эти двигатели подключаются к задней части противоположных плеч, каждый со своим собственным кабелем, образуя два кабеля, которые перекрываются по диагонали. Экзокостюм оказывает помощь, натягивая тросы, когда обнаруживает, что пользователь поднимается из согнутого положения.
«Это определенно другое ощущение, чем стандартный экзоскелет. Это не ваш стандартный дизайн», — сказал Янг.
Поскольку компонент движения диагональных тросов является горизонтальным, они оказывают тяговое усилие на туловище, которое может помочь скручивать его из стороны в сторону. В ходе испытаний исследователи показали, что, когда владелец ABX перебрасывал груз с земли на одну сторону, экзокостюм уменьшал активацию мышц спины в среднем на 16%, что измерялось датчиками электромиографии (ЭМГ). Экзокостюм также обеспечивает снижение напряжения мышц спины на 37%, когда пользователь поднимает вес симметрично, прямо над землей — уровень помощи, сравнимый с более жесткими конструкциями.
«Люди определенно чувствовали, что технология помогает им, и это здорово. И мы действительно видели одновременное снижение ЭМГ», — сказал Янг. «Я думаю, что это отличный первый шаг».
В некотором смысле ношение экзокостюма похоже на привязывание двух дополнительных мышц к телу — необычных мышц, которые идут прямо от спины к ноге.
Интересно, что именно расположение этих мышц, а не их грубая сила, делает их функциональными, сказал Янг.
Моторы тянут кабели с гораздо меньшей силой, чем мышцы тела. Однако кабели располагаются намного дальше от стыков. Благодаря такому расположению тросы получают больший рычаг и механическое преимущество, позволяя пользователю уменьшить общую мышечную мощность и, следовательно, нагрузку, которую они оказывают на позвоночник. (Нагрузка на позвоночник напрямую не измерялась в исследовании.)
По словам Янг, помимо общих характеристик, гибкость и асимметричность костюма делают его уникальным. В настоящее время нет других активных экзокостюмов, которые помогают скручиваться и вращаться в сопоставимом диапазоне движений. Хотя в других экзокостюмах также используются кабели, ни один из них не располагал их по диагонали.
Янг в настоящее время ищет возможности сотрудничества с отраслевыми партнерами для дальнейшей разработки экзокостюма. В будущей работе он видит, что его система управления нуждается в улучшении.
В настоящее время, когда человек поднимает туловище из опущенного положения, тросы просто тянут с постоянным натяжением. Но должна быть возможность заставить систему обнаруживать различные действия владельца и корректировать свою тягу в ответ.
Дополнительная информация:
Джаред М. Ли и др., Дизайн и проверка асимметричного заднего экзокостюма с тросовым приводом, IEEE Transactions on Robotics (2021). DOI: 10.1109/TRO.2021.3112280
Информация журнала:
Транзакции IEEE в робототехнике
Предоставлено
Технологический институт электроники и нанотехнологий Джорджии
Цитата :
Как сделать экзокостюм, который помогает при неудобных подъемах (2021, 15 октября)
получено 5 мая 2023 г.
с https://techxplore.com/news/2021-10-exosuit-awkward.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Как сделать экзокостюм, который помогает справляться с неудобными подъемами
За последние несколько лет механически вспомогательные экзокостюмы, долгое время изображаемые в научно-популярных произведениях и фильмах, наконец начали коммерческое использование, по словам Аарона Янга, профессора Школа машиностроения Джорджа В. Вудраффа в Технологическом институте Джорджии. Большинство этих экзокостюмов имеют так называемую пассивную конструкцию, помогающую владельцу использовать элементы без питания, такие как пружины.
Активные экзокостюмы, включающие электронику и моторы, еще не нашли широкого применения.
Они, как правило, большие и тяжелые, и полагаются на жесткие экзоскелеты для переноса веса с тела на землю. По словам Янга, экзоскелеты также добавляют большую жесткость. Надевание большинства активных экзокостюмов немного похоже на работу с вилочным погрузчиком, ограничивая пользователя подъемом тяжестей в вертикальной плоскости.
По всем этим причинам костюм Янга с асимметричной спиной (ABX), описанный в выпуске IEEE Transactions on Robotics от 5 октября, является крайне нестандартным. Нет экзоскелета, жесткой конструкции, ничего, что соприкасалось бы с полом. Если владелец просто стоит там, он ничего не делает, кроме добавления 14 фунтов к его ногам. Но если они поднимают свое тело из наклонного положения, это издает несколько безумный шум: это звук ABX, помогающий им поворачивать туловище, помогающий им скручиваться.
Хотя большинство активных экзокостюмов поддерживают вертикальный подъем, вращательные и скручивающие движения также широко распространены, особенно в определенных областях ручного труда, таких как сбор мусора и обработка багажа.
По словам Янга, во многих случаях эти движения могут быть неловкими и напряженными, что приводит к травмам на работе, а также к болям в спине. Боль в спине, в свою очередь, прямо коррелирует с силой сжимающих и сдвигающих сил, которые действуют на позвоночник.
При разработке своего экзокостюма исследователи искали способ уменьшить эти нагрузки на суставы позвоночника. Его надевание немного похоже на надевание футуристического рюкзака. Два мотора сначала привязываются к задней части каждого бедра. Затем эти двигатели подключаются к задней части противоположных плеч, каждый со своим собственным кабелем, образуя два кабеля, которые перекрываются по диагонали. Экзокостюм оказывает помощь, натягивая тросы, когда обнаруживает, что пользователь поднимается из согнутого положения.
«Это определенно другое ощущение, чем стандартный экзоскелет. Это не ваш стандартный дизайн, — сказал Янг.
Поскольку компонент движения диагональных тросов является горизонтальным, они оказывают тяговое усилие на туловище, которое может помочь скручивать его из стороны в сторону.
В ходе испытаний исследователи показали, что, когда владелец ABX перебрасывал груз с земли на одну сторону, экзокостюм уменьшал активацию мышц спины в среднем на 16%, что измерялось датчиками электромиографии (ЭМГ). Экзокостюм также обеспечил снижение напряжения мышц спины на 37%, когда пользователь поднимал вес симметрично, прямо над землей — уровень помощи, сравнимый с более жесткими конструкциями.
«Люди определенно чувствовали, что технология помогает им, и это здорово. И мы действительно видели одновременное снижение ЭМГ», — сказал Янг. «Я думаю, что это отличный первый шаг».
В некотором смысле ношение экзокостюма похоже на привязку двух дополнительных мышц к телу — необычных мышц, которые идут прямо от спины к ноге. Интересно, что именно расположение этих мышц, а не их грубая сила, делает их функциональными, сказал Янг.
Моторы тянут кабели с гораздо меньшей силой, чем мышцы тела. Однако кабели располагаются намного дальше от стыков. Благодаря такому расположению тросы получают больший рычаг и механическое преимущество, позволяя пользователю уменьшить общую мышечную мощность и, следовательно, нагрузку, которую они оказывают на позвоночник.
(Нагрузка на позвоночник напрямую не измерялась в исследовании.)
По словам Янг, помимо общих характеристик, гибкость и асимметричность костюма делают его уникальным. В настоящее время нет других активных экзокостюмов, которые помогают скручиваться и вращаться в сопоставимом диапазоне движений. Хотя в других экзокостюмах также используются кабели, ни один из них не располагал их по диагонали.
Янг в настоящее время ищет возможности сотрудничества с отраслевыми партнерами для дальнейшей разработки экзокостюма. В будущей работе он видит, что его система управления нуждается в улучшении. В настоящее время, когда человек поднимает туловище из опущенного положения, тросы просто тянут с постоянным натяжением. Но должна быть возможность заставить систему обнаруживать различные действия владельца и корректировать свою тягу в ответ.
Ссылки
Дж. М. Ли, Д. Д. Молинаро, А. С. Кинг, А. Мазумдар и А. Дж. Янг, «Проектирование и проверка асимметричного заднего экзокостюма с тросовым приводом», в IEEE Transactions on Robotics, doi: 10.