Exoskeletons

Er ein bod wedi bod yn clywed mwy a mwy am exoskeletons yn ddiweddar, mae'n ymddangos bod hanes y ddyfais hon yn dyddio'n ôl i'r bedwaredd ganrif ar bymtheg. Darganfyddwch sut mae wedi newid dros y degawdau a sut olwg oedd ar drobwyntiau ei esblygiad. 

1. Darlun o batent Nikolai Yagna

1890 – Mae’r syniadau arloesol cyntaf ar gyfer creu allsgerbwd yn dyddio’n ôl i’r 1890eg ganrif. Yn 420179, patentodd Nicholas Yagn yn yr Unol Daleithiau (Patent Rhif US XNUMX A) “Dyfais ar gyfer hwyluso cerdded, rhedeg a neidio” (1). Roedd yn arfwisg wedi'i gwneud o bren, a'i bwrpas oedd cynyddu cyflymder rhyfelwr yn ystod gorymdaith aml-cilomedr. Daeth y dyluniad yn ffynhonnell ysbrydoliaeth ar gyfer chwilio ymhellach am yr ateb gorau posibl.

1961 - Yn y 60au, dechreuodd General Electric, ynghyd â grŵp o wyddonwyr o Brifysgol Comella, weithio ar greu siwt electro-hydrolig a fyddai'n cefnogi ymarfer corff dynol. Arweiniodd cydweithredu â'r fyddin ar y prosiect Man Augmentation at ddatblygiad Hardiman (2). Nod y prosiect oedd creu siwt a fyddai'n dynwared symudiadau naturiol person, gan ganiatáu iddo godi gwrthrychau sy'n pwyso bron i 700 kg. Roedd y siwt ei hun yn pwyso'r un peth, ond dim ond 20 kg oedd y pwysau diriaethol.

2. Prototeip cyfnewidydd gwres trydan cyffredinol

Er gwaethaf llwyddiant y prosiect, daeth yn amlwg bod ei ddefnyddioldeb yn ddibwys, a byddai'r copïau cychwynnol yn ddrud. Yn y pen draw, roedd eu hopsiynau symudedd cyfyngedig a'u systemau pŵer cymhleth yn golygu na ellid defnyddio'r dyfeisiau hyn. Yn ystod y profion, canfuwyd mai dim ond 350 kg y gall y Hardiman ei godi, a phan gaiff ei ddefnyddio am gyfnodau hir o amser, mae ganddo dueddiad i wneud symudiadau peryglus, heb eu cydlynu. Dim ond un fraich a adawyd o ddatblygiad pellach y prototeip - roedd y ddyfais yn pwyso tua 250 kg, ond roedd yr un mor anymarferol â'r exoskeleton blaenorol.

70au. – Oherwydd ei faint, pwysau, ansefydlogrwydd a phroblemau pŵer, ni lwyddodd yr Hardiman i gynhyrchu, ond roedd cangen ddiwydiannol Man-Mate yn ymgorffori rhywfaint o dechnoleg o'r 60au. Prynwyd yr hawliau i'r dechnoleg gan Western Space and Marine, a sefydlwyd gan un o beirianwyr GE. Datblygwyd y cynnyrch ymhellach a heddiw mae'n bodoli ar ffurf braich robotig fawr a all, gan ddefnyddio adborth grym, godi pwysau hyd at 4500 kg, gan ei gwneud yn ddelfrydol ar gyfer y diwydiant dur.

3. Exoskeletons a adeiladwyd yn y Mihailo Pupin Institute yn Serbia.

1972 – Datblygwyd allsgerbydau gweithredol cynnar a robotiaid humanoid yn Sefydliad Pupin Mihajlo yn Serbia gan grŵp dan arweiniad yr Athro. Miomir Vukobratovich. Yn gyntaf, mae systemau symud coes wedi'u datblygu i gefnogi adsefydlu pobl â pharaplegia (3). Wrth ddatblygu allsgerbydau gweithredol, datblygodd y sefydliad hefyd ddulliau ar gyfer dadansoddi a rheoli cerddediad dynol. Mae rhai o'r datblygiadau hyn wedi cyfrannu at ddatblygiad robotiaid humanoid perfformiad uchel heddiw. Ym 1972, profwyd allsgerbwd gweithredol gyda gyriant niwmatig a rhaglennu electronig ar gyfer paraplegiaid mewn clinig orthopedig yn Belgrade.

1985 – Mae peiriannydd yn Labordy Cenedlaethol Los Alamos yn adeiladu allsgerbwd o’r enw Pitman, arfwisg pŵer ar gyfer milwyr traed. Roedd rheolaeth y ddyfais yn seiliedig ar synwyryddion yn sganio wyneb y benglog, wedi'u gosod mewn helmed arbennig. O ystyried galluoedd technoleg y cyfnod, roedd yn ddyluniad rhy gymhleth i'w gynhyrchu. Y cyfyngiad yn bennaf oedd pŵer cyfrifiadurol annigonol cyfrifiaduron. Yn ogystal, roedd prosesu signalau ymennydd a'u trosi'n symudiadau exoskeleton yn parhau i fod yn dechnegol amhosibl ar y pryd.

4. Exoskeleton Lifesuit a gynlluniwyd gan Monty Reed.

1986 - Mae Monty Reed, milwr o Fyddin yr UD a dorrodd ei asgwrn cefn mewn naid barasiwt, yn datblygu allsgerbwd ar gyfer siwt goroesi (4). Cafodd ei ysbrydoli gan y disgrifiadau o siwtiau troedfilwyr symudol yn nofel ffuglen wyddonol Robert Heinlein Starship Troopers, a ddarllenodd wrth wella yn yr ysbyty. Fodd bynnag, ni ddechreuodd Reed weithio ar ei ddyfais tan 2001. Yn 2005, profodd siwt ddianc prototeip 4,8-mesurydd yn ras Dydd San Padrig yn Seattle, Washington. Mae'r datblygwr yn honni ei fod wedi gosod record ar gyfer cyflymder cerdded mewn siwtiau robot, gan gwmpasu 4 cilomedr ar gyflymder cyfartalog o 14 km/h. Roedd y prototeip Lifesuit 1,6 yn gallu teithio 92 km yn llawn gwefr ac roedd yn gallu codi XNUMX kg.

1990-presennol - Cynigiwyd y prototeip cyntaf o'r exoskeleton HAL gan Yoshiyuki Sankai (5), Proff. Prifysgol Tsukuba. Treuliodd Sankai dair blynedd, o 1990 i 1993, yn nodi'r niwronau sy'n rheoli symudiad coesau. Cymerodd bedair blynedd arall iddo ef a'i dîm brototeipio'r offer. Roedd trydydd prototeip HAL, a ddatblygwyd yn gynnar yn yr 22ain ganrif, wedi'i gysylltu â chyfrifiadur. Roedd y batri ei hun yn pwyso bron i 5kg, gan ei gwneud yn anymarferol iawn. Mewn cyferbyniad, roedd y model diweddarach HAL-10 yn pwyso dim ond 5 kg, ac roedd y batri a'r cyfrifiadur rheoli wedi'u lapio o amgylch canol y defnyddiwr. Ar hyn o bryd mae HAL-XNUMX yn sgerbwd meddygol pedwar aelod (er bod fersiwn braich yn unig ar gael hefyd) a weithgynhyrchir gan y cwmni Japaneaidd Cyberdyne Inc. mewn cydweithrediad â Phrifysgol Tsukuba.

5. Yr Athro Yoshiyuki Sankai yn cyflwyno un o'r modelau exoskeleton.

Yn gweithredu tua 2 awr 40 munud y tu mewn a'r tu allan. Yn helpu i godi gwrthrychau trwm. Roedd trefniant yr elfennau rheoli a gyrru mewn cynwysyddion y tu mewn i'r corff yn ei gwneud hi'n bosibl cael gwared ar y “backpack” sydd mor nodweddiadol o'r mwyafrif o ecsgerbydau, weithiau'n debyg i bryfyn mawr. Dylai pobl â gorbwysedd, osteoporosis ac unrhyw glefyd y galon ymgynghori â meddyg cyn defnyddio HAL, ac mae gwrtharwyddion yn cynnwys, ond heb fod yn gyfyngedig i, rheolydd calon a beichiogrwydd. Fel rhan o raglen HAL FIT, mae'r gwneuthurwr yn cynnig y posibilrwydd o ddefnyddio sesiynau therapiwtig gydag allsgerbwd ar gyfer pobl sâl ac iach. Mae'r dylunydd HAL yn honni y bydd camau nesaf y moderneiddio yn cael eu hanelu at greu siwt denau a fydd yn caniatáu i'r defnyddiwr symud yn rhydd a rhedeg hyd yn oed. 

2000 - prof. Mae Homayoun Kazerouni a'i dîm yn Ekso Bionics yn datblygu'r Cludwr Cargo Cyffredinol Dynol, neu HULC (6) yn exoskeleton di-wifr gyda gyriant hydrolig. Ei bwrpas yw helpu milwyr sy'n ymladd i gludo llwythi sy'n pwyso hyd at 90 kg am gyfnodau hir o amser, gyda chyflymder uchaf o 16 km/h. Dadorchuddiwyd y system i'r cyhoedd yn Symposiwm Gaeaf AUSA ar Chwefror 26, 2009, pan ddaethpwyd i gytundeb trwyddedu gyda Lockheed Martin. Y prif ddeunydd a ddefnyddir yn y dyluniad hwn yw titaniwm, deunydd ysgafn ond cymharol ddrud sydd â phriodweddau mecanyddol a chryfder uchel.

Mae'r exoskeleton wedi'i gyfarparu â chwpanau sugno sy'n caniatáu iddo gario gwrthrychau sy'n pwyso hyd at 68 kg (dyfais codi). Cyflenwir pŵer o bedwar batris lithiwm-polymer, sy'n sicrhau gweithrediad arferol y ddyfais ar y llwyth gorau posibl am hyd at 20 awr. Profwyd yr exoskeleton mewn amodau ymladd amrywiol a chyda llwythi amrywiol. Ar ôl cyfres o arbrofion llwyddiannus, yn ystod cwymp 2012 cafodd ei anfon i Afghanistan, lle cafodd ei brofi yn ystod y gwrthdaro arfog. Er gwaethaf llawer o adolygiadau cadarnhaol, cafodd y prosiect ei atal. Fel y digwyddodd, roedd y dyluniad yn ei gwneud hi'n anodd perfformio rhai symudiadau ac mewn gwirionedd yn cynyddu'r llwyth ar y cyhyrau, a oedd yn gwrth-ddweud y syniad cyffredinol o'i greu.

2001 – Mae prosiect Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), a fwriadwyd yn wreiddiol yn bennaf ar gyfer y Fyddin, ar y gweill. O fewn ei fframwaith, cafwyd canlyniadau addawol ar ffurf atebion ymreolaethol o bwysigrwydd ymarferol. Yn gyntaf, crëwyd dyfais robotig a oedd ynghlwm wrth waelod y corff i roi cryfder ychwanegol i'r coesau. Ariannwyd yr offer gan yr Asiantaeth Prosiectau Ymchwil Uwch Amddiffyn (DARPA) a'i ddatblygu gan Labordy Roboteg a Pheirianneg Ddynol Berkeley, is-adran o Brifysgol California, Adran Peirianneg Fecanyddol Berkeley. Mae system exoskeleton Berkeley yn rhoi'r gallu i filwyr gario llwythi mawr heb fawr o ymdrech a thros unrhyw fath o dir, fel bwyd, offer achub, citiau cymorth cyntaf, offer cyfathrebu ac arfau. Yn ogystal â cheisiadau milwrol, mae BLEEX ar hyn o bryd yn datblygu prosiectau sifil. Mae'r Labordy Roboteg a Pheirianneg Ddynol ar hyn o bryd yn ymchwilio i'r atebion canlynol: ExoHiker - exoskeleton a gynlluniwyd yn bennaf ar gyfer cyfranogwyr alldaith lle mae angen cludo offer trwm, ExoClimber - offer i bobl sy'n dringo bryniau uchel, Exoskeleton Meddygol - exoskeleton ar gyfer pobl â anableddau galluoedd corfforol. nam ar symudedd yr eithafion isaf.

8. Prototeip Sarcos XOS 2 ar waith

текст

2010 – XOS 2 yn ymddangos (8) yn barhad o'r exoskeleton XOS o Sarcos. Yn gyntaf oll, mae'r dyluniad newydd wedi dod yn ysgafnach ac yn fwy dibynadwy, gan ganiatáu codi llwythi sy'n pwyso hyd at 90 kg yn statig. Mae'r ddyfais yn debyg i cyborg. Mae'r rheolaeth yn seiliedig ar ddeg ar hugain o actuators sy'n gweithredu fel cymalau artiffisial. Mae'r exoskeleton yn cynnwys sawl synhwyrydd sy'n trosglwyddo signalau i actiwadyddion trwy gyfrifiadur. Felly, mae rheolaeth esmwyth a pharhaus yn digwydd heb i'r defnyddiwr deimlo unrhyw ymdrech sylweddol. Mae'r XOS yn pwyso 68 kg.

2011-presennol - Mae Gweinyddiaeth Bwyd a Chyffuriau'r UD (FDA) yn cymeradwyo'r exoskeleton meddygol ReWalk (9). Mae'n system sy'n defnyddio elfennau cryfder i gryfhau'r coesau ac yn caniatáu i baraplegiaid sefyll yn unionsyth, cerdded a dringo grisiau. Darperir ynni gan batri backpack. Mae rheolaeth yn cael ei wneud gan ddefnyddio teclyn rheoli o bell syml â llaw, sy'n canfod ac yn cywiro symudiadau'r defnyddiwr. Datblygwyd hyn i gyd gan Amit Goffer o Israel ac fe'i gwerthir gan ReWalk Robotics Ltd (Argo Medical Technologies yn wreiddiol) am oddeutu PLN 85 mil. doleri.

9. Mae pobl yn cerdded yn allsgerbydau ReWalk

Ar adeg rhyddhau, roedd yr offer ar gael mewn dwy fersiwn - ReWalk I a ReWalk P. Defnyddir y cyntaf gan sefydliadau meddygol at ddibenion ymchwil neu therapiwtig o dan oruchwyliaeth gweithiwr meddygol proffesiynol. Bwriedir ReWalk P at ddefnydd personol cleifion gartref neu mewn mannau cyhoeddus. Ym mis Ionawr 2013, rhyddhawyd fersiwn wedi'i diweddaru o ReWalk Rehabilitation 2.0. Roedd hyn yn gwella'r safle eistedd i bobl dalach ac yn gwella'r meddalwedd rheoli. Mae ReWalk yn ei gwneud yn ofynnol i'r defnyddiwr ddefnyddio baglau. Mae afiechydon cardiofasgwlaidd a breuder esgyrn yn cael eu crybwyll fel gwrtharwyddion. Cyfyngiadau hefyd yw uchder, o fewn 1,6-1,9 m, a phwysau corff hyd at 100 kg. Dyma'r unig sgerbwd allanol lle gallwch chi yrru car.

10. eLEGS o Ex Bionics

2012 – Mae Ekso Bionics, a elwid gynt yn Berkeley Bionics, yn cyflwyno ei sgerbwd meddygol exoskeleton. Dechreuodd y prosiect ddwy flynedd ynghynt dan yr enw eLEGS (10), ac fe'i bwriadwyd ar gyfer adsefydlu pobl â graddau amrywiol o barlys. Fel y ReWalk, mae'r dyluniad yn gofyn am ddefnyddio baglau. Mae'r batri yn darparu ynni am o leiaf chwe awr o ddefnydd. Mae'r pecyn Exo yn costio tua 100 mil. doleri. Yng Ngwlad Pwyl, mae prosiect exoskeleton Ekso GT yn hysbys - dyfais feddygol a gynlluniwyd i weithio gyda chleifion niwrolegol. Mae ei ddyluniad yn caniatáu cerdded, gan gynnwys pobl ar ôl strôc, anafiadau llinyn asgwrn y cefn, cleifion â sglerosis ymledol neu â syndrom Guillain-Barre. Gall yr offer weithredu mewn sawl dull gwahanol, yn dibynnu ar raddau camweithrediad y claf.

2013 – Mae Mindwalker, prosiect exoskeleton a reolir gan y meddwl, yn derbyn cyllid gan yr Undeb Ewropeaidd. Mae'r dyluniad yn ganlyniad cydweithrediad rhwng gwyddonwyr o Brifysgol Rydd Brwsel a Sefydliad Santa Lucia yn yr Eidal. Profodd yr ymchwilwyr wahanol ffyrdd o reoli'r ddyfais - maen nhw'n credu bod y rhyngwyneb ymennydd-niwro-gyfrifiadur (BNCI) yn gweithio orau, sy'n caniatáu ichi ei reoli â'ch meddyliau. Mae signalau'n teithio rhwng yr ymennydd a'r cyfrifiadur, gan osgoi llinyn y cefn. Mae Mindwalker yn trosi signalau EMG, sef potensial bach (a elwir yn myopotentials) sy'n ymddangos ar wyneb croen person pan fydd cyhyrau'n gweithio, yn orchmynion symud electronig. Mae'r exoskeleton yn eithaf ysgafn, yn pwyso dim ond 30 kg heb fatris. Gall gynnal oedolyn sy'n pwyso hyd at 100 kg.

2016 – Mae ETH Zurich, y Swistir, yn cynnal y gystadleuaeth chwaraeon Cybathlon gyntaf ar gyfer pobl ag anableddau sy'n defnyddio robotiaid cynorthwyol. Un o'r disgyblaethau oedd ras exoskeleton ar gwrs rhwystrau i bobl â pharaplegia. Yn yr arddangosiad hwn o sgiliau a thechnoleg, roedd yn rhaid i ddefnyddwyr exoskeleton gyflawni tasgau fel eistedd ar soffa a sefyll ar ei thraed, cerdded ar lethrau, camu ar greigiau (fel wrth groesi afon fynydd fas), a dringo grisiau. Daeth i'r amlwg na allai neb gwblhau'r holl ymarferion, a chymerodd y timau cyflymaf fwy na 50 munud i gwblhau'r cwrs rhwystr 8-metr. Bydd y digwyddiad nesaf yn cael ei gynnal yn 2020 fel dangosydd o ddatblygiad technoleg exoskeleton.

2019 – Yn ystod gwrthdystiadau’r haf yng Nghanolfan Hyfforddi Commando yn Lympstone, y DU, dangosodd Richard Browning, dyfeisiwr a Phrif Swyddog Gweithredol Disgyrchiant Diwydiannau, ei siwt jet exoskeleton Daedalus Mark 1, a wnaeth argraff enfawr ar y fyddin, ac nid y rhai Prydeinig yn unig. Mae chwe injan jet bach - dau ohonynt wedi'u gosod yn y cefn a dau ar ffurf parau ychwanegol ar bob braich - yn caniatáu ichi godi i uchder o hyd at 600 m. Hyd yn hyn, dim ond ar gyfer 10 munud o hedfan mae'r tanwydd yn ddigon. ...