Здесь представлен обзор дипломного проекта «Экзоскелет для МЧС — Exo Strong» созданного Калашниковой Анастасией на кафедре культурологии и дизайна Уральского федерального университета.

Автор – Калашникова Анастасия
Руководитель – доцент Ляпцева Людмила Георгиевна

Краткое описание

Проектируемый экзоскелет может стать отличным средством для помощи спасателям при работе на аварийных участках, а костюм одеваемый под него – защитой тела от возможных повторных обрушений. Лаконичный и простой экзоскелет позволит спасателю поднимать груз до 100 килограмм. Главной положительной стороной проекта, будет возможность использовать экзоскелет отдельно от костюма и наоборот, например, в случае когда спасателю придется действовать в условиях ограниченной подвижности, он может воспользоваться только лишь защитным костюмом. Так как в случае аварийных ситуаций специальная защитная ткань, подобно мышцам тела будет оберегать самые важные участки, препятствуя их повреждению.

Данный проект нацелен на мирные нужды и спасение людей, его реализация позволит многим гражданам проживающих в сейсмически опасных зонах, обрести уверенность, в том, что их всегда смогут спасти.

Идея проекта

Предлагается создание экзоскелета для МЧС на основе существующих гидроприводов, разработанных Российской Академией Наук, а так же специального защитного костюма, который будет одеваться под экзоскелет. При совместном использовании обмундирования работа спасателя становится безопасной и повышается коэффициент полезного действия. Спасатели всегда приходят первыми в экстренных случаях и действуют, рискуя своей жизнью, именно поэтому, для своего проекта автор выбрал концепцию – «спасение жизней – наша работа».

Поднятие тяжести и скорость передвижения ограничиваются лишь только физическими способностями человека, поэтому основная идея это создание костюма, который облегчит работу и сможет надежно защитить тело. Экзоскелет позволяет переносить груз в 100 кг, при этом ощущая вес в 4,5 кг, использовать такой костюм сможет почти любой, это означает, что не придется тратить годы на тренировки мышц.

Главной положительной стороной проекта будет возможность использовать экзоскелет отдельно от костюма и наоборот, например, в случае, когда спасателю придется действовать в условиях ограниченной подвижности, он может воспользоваться только лишь защитным костюмом. Так как в случае аварийных ситуаций специальная защитная ткань, подобно кокону будет оберегать самые важные участки, препятствуя их повреждению. Также, с точки зрения большей подвижности, целесообразнее использовать строение костюма подобное мышечному, чтобы человек чувствовал себя в нем более комфортно, как в подобии «второй кожи», только прочной и надежной. Шлем спасателя оснащен специальной системой ночного видения, используя которую, можно обнаружить пострадавших в темноте и прийти им на помощь, а для условий повышенной запыленности предусмотрена система фильтрации воздуха.

Для крепления экзоскелета непосредственно к телу предусмотрены специальные застежки-фастексы, которые будут надежно фиксировать все движения.

Застежки-фиксаторы

Для большей маневренности экзоскелета, автором были использованы запатентованные искусственные мускулы Cry Fibril на основе наноклетчатки, которые позволят спасателю быть более мобильным, при этом, не стесняя его движения.

Приводы и система регенерации воздуха

В поясничном отсеке располагается поршень который закрыт защитным кожухом и при выполнении махов ногой, он приводится в движение, и сжимаясь позволяет спасателю нагибаться и садится в костюме без лишних усилий.

Поршень

По всему экзоскелету в местах соприкосновения с телом расположены датчики, которые считывают движения выполненные человеком, отправляют данные на обработку в бортовой компьютер, который передает сигнал на гидроприводы приводя их в движение. На левом предплечье экзоскелета находится удобный интерфейс управления.

Интерфейс модуля управления

В верхней строке меню расположены кнопки:

– управление голосом (в экзоскелете встроена система управления голосом, бортовой компьютер запоминает все ранее выполненные действия и может работать в режиме голосового управления); – аварийное сбрасывание (предусмотрена система аварийного сбрасывания экзоскелета, для ее активации необходимо удерживать соответствующую кнопку в течение 5 секунд); – сигнал для медицинских служб о тяжело раненых (так как в местах аварий всегда присутствуют работники медицинских служб, такая функция поможет подготовить им необходимые медикаменты). — в центральной части расположен джойстик аварийного управления, предусмотренный на случай отключения систем.Отдельным элементом вынесена кнопка включения.

В основе экзоскелета было решено использовать гидравлическую систему, так как в сравнении с остальными она будет более надежной для данных условий эксплуатации. В процессе проектирования было рассмотрено две системы: гидравлическая и пневматическая. В ходе исследования работы систем в условиях повышенной запыленности у пневматической были выявлены поломки, поэтому было решено использовать гидравлическую систему.

Главной особенностью проектируемого экзоскелета для спасателей является его эргономичная и лаконичная форма, которая подчеркивается диодной подсветкой. Диоды интегрированные в шарниры в местах подвижных частей помогут идентифицировать спасателя в темное время суток, что будет полезно не только для служб, ликвидирующих последствия аварии, но и для пострадавших, которым требуется помощь. Специальный защитный костюм было решено сделать подобно мышечному строению, так как это положительно с точки зрения эстетики и безопасности .

В аварийном случае, части костюма, выполненные из защитного материала Deflexion, подобно второй коже будут защищать все тело спасателя. Автор решил сделать проектируемый экзоскелет спасательным средством, а не военным и медицинским, в отличие от аналогов, использующихся в мире.

Костюм, одеваемый под экзоскелет

Главным положительным аспектом проекта будет: нацеленность на спасение человеческих жизней. Министерства Чрезвычайных Ситуации по всему миру ищут способы безопасного извлечения людей из-под завалов, особенно в ситуациях, где возможны повторные обрушения. В таких случаях специальной технике не справиться, а подвергать людей риску не разумно. На данный момент в мире не существует готовых используемых костюмов, что позволяет создать новый продукт, который будет обладать повышенным спросом на рынке.

Экзоскелет предполагается использовать автономно, что обеспечит большую степень подвижности, неограниченность в расстоянии. Все это будет обеспечивать li-ion аккумулятор. На случай неисправности или окончании заряда батареи, предусмотрено резервное питание на 30 минут или же спасатель сможет воспользоваться кнопкой оперативной системы сброса, удерживая ее в течение 5 секунд. В случае если спасательные работы проводятся в зоне пониженной видимости и сильной запыленности, в шлеме находится встроенная система ночного видения, с которой спасатель, не затрудняясь, сможет ориентироваться в темноте и система очищения воздуха.

Размерная сетка экзоскелета.

Эргономика

Желание максимально упростить и обезопасить труд человека ведет к разработкам различных технических новинок. Пытаясь максимально упростить работу спасателей большинство стран пытались безуспешно заменить человека роботизированными машинами. В данное время проекты разработки экзоскелетов для спасателей только начинаются. Но если брать на рассмотрение военные аналоги экзоскелетов, все они обладают огромными габаритами и однообразными аскетичными формами. Главным помощником дизайнера в решении данной проблемы будет эргономика. Применение эргономики позволит максимально упростить конструкцию экзоскелета, при этом не уменьшая его функционал. Например, спасателю не придется самому поднимать и переносить тяжести, а также одевать громоздкие защитные костюмы.

При разработке экзоскелета были приняты во внимание самые проблемные стороны уже ранее изготовленых действующих образцов и произведена адаптация под специфические условия работы. В первую очередь с точки зрения эргономики экзоскелет не должен иметь острых углов, должен быть максимально подобным человеческому телу по строению, а также быть мобильным. Поэтому в процессе изучения аналогов автором было решено использовать новейшие материалы, а также уменьшить диаметр сечения гидроцилиндров, что не скажется отрицательным образом на работе экзоскелета, а только снизит вес самого костюма, что позволит сделать его более легким. Во вторых, использование новейших материалов экзоскелета и костюма, одеваемого под него позволит спасателям работать в опасных условиях труда без риска для их здоровья.

Конструктивное решение

В качестве привода звеньев экзоскелета целесообразно применить гидропривод, так как гидропривод по сравнению с электро- и пневмоприводами имеет ряд преимуществ. Главными из них являются высокое быстродействие и высокая удельная мощность, что позволяет создать более компактный привод, а также данный механизм идеально подходит для аварийных условий эксплуатации (в отличие от пневмоприводов не возникает опасности засорения мелкодисперсной пылью).

Гидравлический привод – устройство, предназначенное для приведения в движение механизмов посредством жидкости.

Гидравлическая схема

Гидропривод представляет собой своего рода «гидравлическую вставку» между приводным двигателем и нагрузкой (машиной или механизмом) и выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ремённая передача и т. д.). Гидропривод поворотного движения, который будет использован в проекте, совершает возвратно-поворотное движение на угол, меньший 360 °С.

В качестве источника энергии было решено использовать Li-ion аккумуляторы, так как они позволяют обеспечить необходимый заряд, не увеличивая вес костюма. Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) – тип электрического аккумулятора, широко распространённый в современной бытовой электронной технике. В настоящее время это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, электромобили, цифровые фотоаппараты и видеокамеры.

Число активных степеней подвижности на ногах и руках экзоскелета равно 10. Кинематическая схема экзоскелета разработана в Robotics Research который находится в Сингапуре. Принципиальная кинематическая схема экзоскелета с использованием гидроцилиндров включает в себя десять исполнительных гидродвигателей, по числу активных степеней подвижности, насосную станцию и управляющие гидроаппараты.

Кинематическая схема экзоскелета

В настоящее время гидропривод, разрабатываемый в качестве исполнительных предполагает использовать поворотные гидродвигатели, которые должны монтироваться в суставах экзоскелета.

Схема с использованием гидроцилиндров

Массовые характеристики этого гидроцилиндра и элементов экзоскелета приведены в таблице.

Применение гидроцилиндров в качестве гидродвигателей может привести к созданию более компактной схемы и с лучшими весовыми характеристиками, так как поворотные гидродвигатели имеют достаточно большие габариты и массу, небольшие крутящие моменты, меньшую надёжность и ресурс по сравнению с гидроцилиндрами. Окончательное решение о применении поворотных гидродвигателей или гидроцилиндров может быть принято после макетного изготовления экзоскелета и его испытаний.

Материалы

Существует великое множество созданных человеком материалов, которые применяются в быту, при строительстве или на производстве. Каждый из нас в жизни встречается с пластиками, металлами, стеклом и керамикой. Встретить эти материалы можно и в быту. Общим при получении всех этих материалов является использование сырья в раздробленном состоянии, а также применение термообработки. При получении изделий из пластмасс, металла или стекла следует получить сплав, из которого можно формовать изделия. Температуры плавления пластиков – невысоки, а для металлов и стекол – значительные. Матерал для костюма одеваемого под экзоскелет: высокопрочные и термостойкие современные ткани, такие как Nomexот фирмы DuPontи Deflexion. Слоган компании DuPont – «Мы защищаем людей, помогая им работать в сложных условиях». Разработки компании полностью соответствуют их девизу, фирма постоянно совершенствует свои материалы, проводя испытания.

При использовании данных тканей производитель гарантирует:
– возможность покинуть место аварии;
– снижение поражений от ожогов;
– повышение шансов на выживание;
– ткань не плавится,не горит и не поддерживает горение;
– кратковременная изоляция от высокой температуры;
– обеспечение постоянства защитных свойств.

Термоогнестойкая ткань с постоянными свойствами, производится из волокна, имеющего постоянные свойства без химической обработки.

Преимущества:
– огнестойкость не меняется во время стирок;
– волокно имеет высокую стойкость к истиранию.

Химические вещества внедряются в хлопковое волокно или наносятся в качестве отделки для снижения горючести. Огнестойкие пропитки «активируются» повышением температуры и выделяют вещества, в том числе газы, замедляющие горение. Возможна потеря огнестойкости при неправильном уходе (стирках) и вследствие механического износа и снижения веса ткани.

Состав ткани

Ткань Deflexion – новый тип силиконовой ткани с особой молекулярной структурой. Разработчики утверждают, что ткань Deflexion намного эффективнее, чем даже кевлар. В обычном состоянии она эластичная, а под давлением становится твердой и прочной. Материал можно изготовить любой толщины, веса, гибкости, воздухопроницаемости, что позволяет дизайнеру сделать больше вариантов защиты тела.

Материал обладает огромным количеством преимуществ:
– высокая степень защиты;
– не сковывает движения;
– прочность;
– возможность стирки;
– воздухопроводимость;
– водостойкость;
– не становится жестким при воздействии экстремальных температур;
– наличие в рулонах позволяет легко вырезать различные формы;
– комфортен в использовании, эластичен, гибок, менее громоздок, чем аналоги, которые обладают тем же уровнем защиты.

Материал, который будет использоваться непосредственно для самого экзоскелета – высокопрочный армированный пластик Fibrosan.

Преимущества использования пластика:
– пластик относится к группе термосет, поэтому не деформируется от перепада температур;
– высокая устойчивость к агрессивным средам, не подвержен гниению, ржавчине, плесени;
– высокое сопротивление к пятнам, различным трещинам; использование данного пластика позволяет на 40 % облегчить массу, тем самым, сделать конструкции более легкими; – термальная устойчивость (низкий коэффициент теплопроводимости).

Безопасность при использовании

На сегодняшний день в мире не существует аналогов экзоскелетов в спасательной сфере деятельности. Цель дипломного проекта – создание экзоскелета, отвечающего не только эргономическим и эстетическим, но и необходимым требованиям безопасности. Автор ставит перед собой цель – создание современного, надежно и безопасного экзоскелета, который будет служить нуждам людей.

Экзоскелет представляет из себя достаточно жёсткую конструкцию, чтобы выдерживать большие статические и динамические нагрузки, но в то же время он эргономичен и легок. Конструкция экзоскелета предусматривает возможность работы в опасных и загрязнённых средах, а также при низкой видимости, эффективную и надежную систему питания, воздействие между человеком и костюмом. Размер стопы регулируемый. Главной особенностью проектируемого экзоскелета для спасателей является его эргономичная форма, которая подчеркивается диодной подсветкой. Диоды интегрированные в шарниры помогут идентифицировать спасателя в темное время суток, что будет полезно не только для служб ликвидирующих последствия аварии, но и для пострадавших, которым требуется помощь.

Безусловно, учитывая специфические условия труда, необходимо обеспечить безопасность самого спасателя. Автор предполагает для большей надежности использовать специальный костюм, одеваемый под экзоскелет, который будет состоять из высокопрочных и термостойких современных тканей, таких как Nomex от фирмы Du Pont и Deflexion. Материалы в сочетании друг с другом обеспечат не только влагостойкость и термостойкость, но и дополнительную защиту тела благодаря свойствам ткани Deflexion. А непосредственно сам экзоскелет позволит спасателю без дополнительных физических усилий и без использования специальной техники извлечь пострадавших из-под завалов и при необходимости оказать им первую медицинскую помощь.

Экзоскелет предполагается использовать автономно. Все это будет обеспечивать Li-ion аккумулятор. На случай неисправности или окончании заряда батареи, предусмотрено резервное питание на 30 минут или же спасатель сможет воспользоваться кнопкой оперативной системы сброса, удерживая ее в течение 5 секунд. В случае если спасательные работы проводятся в зоне пониженной видимости и сильной запыленности, в шлеме находится встроенная система ночного видения с которой спасатель не затрудняясь сможет ориентироваться в темноте и система очищения воздуха. В качестве привода звеньев экзоскелета целесообразно применить гидропривод, так как гидропривод по сравнению с электро- и пневмоприводами имеет ряд преимуществ. Главными из них являются высокое быстродействие и высокая удельная мощность, что позволяет создать более компактный привод, а так же данный механизм идеально подходит для аварийных условий эксплуатации (в отличие от пневмоприводов не возникает опасности засорения мелкодисперсной пылью).

Проектируемый экзоскелет не должен быть источником опасностей для человека и будет эксплуатироваться в опасных (экстремальных условиях). Работа в опасных условиях не допускается за исключением ликвидаций аварий, проведения экспертных работ для предупреждения аварийных ситуаций.

Возможные источники опасности при работе с экзоскелетом:

– движущееся оборудование, подвижные части;
Источником механических травм могут быть: незащищенные подвижные элементы, шероховатости на поверхности изделия. К перечисленным выше источникам можно добавить воздействия, связанные с коррозией металлов, являющейся причиной ослабления прочности конструкции и способствующей внезапному ее разрушению; падением на скользких поверхностях, действием нагрузок при подъеме тяжестей и т.д.

Согласно ГОСТ 12.4.026-76 было решено использовать сигнальные световые знаки (диодная подсветка в местах шарнирных креплений) которую будет легко увидеть в темноте. В случае отказа батареи будет запущен блок резервного питания, после использования энергии которого спасатель при помощи кнопки оперативной системы сброса сможет освободиться от экзоскелета.

Согласно ГОСТ 12.4.011-89 для того чтобы обезопасить человека, который будет использовать экзоскелет было решено использовать поверх гидроприводов специальные защитные кожухи из высокопрочного пластика. Что позволит закрыть движущиеся механизмы а так же предотвратить быстрое старение материалов, которые могут подвергаться внешним неблагоприятным факторам.

– источник шума;
Данный экзоскелет является источником шума, так как в основе конструкции используется гидропривод.

Согласно ГОСТ 12.1.029-80 в процессе разработки было решено использовать:
– средства индивидуальной защиты – шлем;
– средства, снижающие шум на пути его распространения – защитные звукопоглощающие кожухи;
– эластичные противошумные вкладыши.

– виброаккустические колебания;
Виброаккустические колебания – это упругие колебания твердых тел, газов и жидкостей, возникающие в рабочей зоне при работе технологического оборудования, движении технологических транспортных средств, выполни разнообразных технологических операций. Вибрацией в свою очередь называют малые механические колебания, возникающие в упругих телах.

Согласно ГОСТ 26568-85 в проекте будет использован специальное демфирующие покрытие и вибропоглащающий кожух.

– электрический ток;
Поражение электрическим током может произойти при прикосновении к токоведущим частям, находящимся под напряжением, отключенным токоведущим частям, на которых остался заряд или появилось напряжение в результате случайного включения в сеть, к нетоковедущим частям, выполненным из проводящего электрический ток материала, после перехода на них напряжения с токоведущих частей.

Согласно ГОСТ Р МЭК 536-94 в данном проекте будут использоваться защитные изоляционные кожухи, а так же дополнительная обмотка гидроцилиндров на случай сильных механических повреждений. Проектом предусмотрена защита от опасности электрического поражения: кнопка оперативной системы сброса, которую необходимо удерживая в течение 5 секунд, а так же система распознания голосовых команд, на случай если голосовой аппарат спасателя поврежден.

– эргономика и техническая эстетика.
Внешняя среда, окружающая человека на производстве, влияет на организм, на его физиологические функции, психику производительность труда. Проблемами приспособления производственной среды к возможностям человеческого организма занимается эргономика, которая изучает систему «человек – орудие труда – производственная среда» и ставит своей задачей разработать задачи по ее оптимизации. Техническая эстетика предусматривает конструирование и эксплуатацию оборудования, приспособлений, инструмента и включает:
– архитектонику (учет форм, пропорций, гармоничность);
– безопасность работы (ограждения, предохранительные устройства).

На основе стандартных антропометрических данных автор проводил разработку экзоскелета.

Антропометрические данные

Чтобы сделать костюм более удобным и заставить его двигаться подобно человеческому телу, автор использовал в качестве примера принцип движения скелета человека.

В первую очередь к пользованию экзоскелетом должны допускаться только те люди, которые прошли специальную подготовку и не имеют физических отклонений. Каждый раз перед началом спасательных работ необходимо проводить подробный инструктаж по технике безопасности. Условия работы спасателей расцениваются как чрезвычайно опасные естественного или антропогенного происхождения.

– работа в чрезвычайно опасных условиях труда (пожар);

Согласно ГОСТ Р 22.9.05-95 в экзоскелете и костюме одеваемом под него должны использоваться негорючие материалы, автор решил для этих целей использовать в составе самого экзоскелета высокопрочный термостойкий пластик, а для костюма современные защитные ткани Nomex от фирмы Du Pont и Deflexion.

При эксплуатации экзоскелета на месте ликвидации последствий аварии возможны следующие чрезвычайные ситуации:
– повторное обрушение, причиной которого может быть: неосторожность спасателей и использование тяжелой техники, в этом случае предусмотрено срабатывание защитного эффекта ткани Deflexion. – порывы ветра, могут возникнуть при грозе, на этот случай костюм обладает достаточно надежной системой, чтобы выдержать порывы ветра до 17,2 м/с, а в случае более сильных порывов ветра рекомендуется отложить спасательные операции до установления оптимальных погодных условий.
– землетрясение, возможны в сейсмически опасных районах, в этом случае экзоскелет упадет вместе со спасателем, в данной ситуации человеку придется воспользоваться кнопкой оперативной системы сброса экзоскелета, или отправить сигнал для медицинских служб.

Выводы по разделу

В разделе безопасность жизнедеятельности дипломного проекта была исследована безопасность эксплуатации проектируемого изделия.

При разработке экзоскелета для спасателей учитывались все нормы и допуски для безопасного пребывания в нем человека:
– экзоскелет безопасен с точки зрения движущихся частей, так как для этого предусмотрены защитные кожухи и диодная подсветка;
– с точки зрения шума и вибрации так же были разработаны защитные шумо- и вибропоглощающие кожухи;
– так же предусмотрена защита от повреждения элекстрическим током, специальными защитными электрообмотками и системой оперативного сброса. К работе с данным экзоскелетом допускается только персонал прошедший специальную подготовку.

Фотографии с защиты дипломного проекта.

Выставочный плакат

Проекции модели экзоскелета

Контактные данные автора проекта:

тел: 89086362301
email: bykalash@gmail.com

Категория: Дизайн проекты | 45 комментариев »

Комментарии