Простой мысли о том, чтобы нести на себе 70-фунтовый тюк на протяжении нескольких миль рельефной местности или на протяжении 50 пролетов лестницы достаточно, чтобы вызвать гримасу неудовольствия даже у самых крепких мужчин.

Однако крайне важное исследование в области робототехники, проводимое в Калифорнийском университете Беркли, может вскоре значительно упростить эту задачу – самоходный экзоскелет эффективно разгружает спину того, кто надевает его на себя.

«Мы приступили к созданию экзоскелета, который сочетает систему управления человека с мышцами робота,» – говорит Хомаюн Казеруни (Homayoon Kazerooni), профессор-преподаватель инженерной механики и директор Лаборатории человеко-машинного взаимодействия при Калифорнийском университете Беркли. «Мы разработали эту систему, чтобы сделать экзоскелет эргономичным, высокоманевренным и технически надежным, чтобы тот, кто носит этот экзоскелет, мог ходить, сидеть на корточках, сгибаться и поворачиваться из стороны в сторону без каких-либо значительных потерь подвижности. Человек-пилот также может перешагивать через препятствия и пролезать под ними, неся на себе оборудование и провизию.»

Экзоскелет нижней конечности из Беркли (BLEEX) помогает облегчить физическую нагрузку на пользователя такого костюма. (фото предоставлено Калифорнийским университетом Беркли)

Экзоскелет нижних конечностей Беркли (BLEEX), как он официально называется, состоит из механических металлических ножных подпорок, жестко прикрепленных к пользователю у его стопы, а также где-нибудь еще, но уже не так жестко, с целью предотвращения истирания. Устройство включает в себя блок питания и ранцеподобный каркас, используемый для переноски крупного груза.

Такая машина могла бы стать бесценным инструментом для любого, кто нуждается в пешем перемещении на большие расстояния с тяжелыми грузами. Такой экзоскелет мог бы использоваться военными медиками, чтобы выносить раненых солдат с полей сражений, пожарными, чтобы проносить свое оборудование на десятки лестничных пролетов вверх для тушения пламени в многоэтажках, или спасателями, чтобы доставлять пищу и предметы первой помощи в места, недоступные для транспорта.

«Разработанную нами базовую технология также можно усовершенствовать для оказания помощи людям с ограниченными двигательными возможностями, чтобы помочь им нормально ходить,» говорит Казеруни.

Ученые отмечают, что «пилот» не нуждается в джойстике, кнопке или специальной клавиатуре для «приведения» устройства. Скорее, сама машина сконструирована таким образом, чтобы пилот стал составной частью экзоскелета, при этом специальной тренировки «пилота» не требуется. В экспериментах лаборатории Калифорнийского университета человек перемещается по комнате с надетым 100-фунтовым экзоскелетом и с 70-фунтовым ранцем за плечами, и при этом он чувствует себя так, словно несет всего лишь 5 фунтов.

Проект, финансируемый Управлением перспективного планирования научно-исследовательских работ США, или DARPA, стартовал в самом начале 2000 года. На следующей неделе с 9 по 11 марта, Казеруни и его команда ученых будут демонстрировать свой проект на техническом симпозиуме, проводимом DARPA в г. Анахайм, Калифорния.

Чтобы облачится в текущую модель экзоскелета, пилот надевает пару модифицированных армейских сапог, которые затем крепятся к экзоскелету. Пара металлических ног подпирает внешнюю сторону ног человека, чтобы облегчить их перемещение. Затем пилот надевает «куртку» экзоскелета, которая прикрепляется к каркасу ранца и к двигателю. Если в машине заканчивается топливо, ноги экзоскелета можно легко снять и трансформировать всё устройство в большой ранец.

Свыше 40 датчиков и гидравлических приводных механизмов от локальной сети (LAN) экзоскелета функционируют подобно нервной системе человека. Датчики, включая те, которые встроены в подошвы обуви, постоянно снабжают мозг центрального компьютера информацией, для того чтобы тот мог регулировать нагрузку в зависимости от того, что делает человек. Когда экзоскелет включается, он постоянно рассчитывает, что нужно сделать, чтобы распределить вес таким образом, чтобы на пилота пришлась лишь малая часть этой нагрузки.

«Мы предпринимаем все усилия, чтобы сделать экзоскелет максимально практичным и надежным для пилота,» – говорит Казеруни. «Несколько инженеров во всем мире работают над моторизированными экзоскелетами, способными умножить силу человека, но мы усовершенствовали нашу конструкцию до того, что пилот может пристегнуться к внешнему металлическому каркасу и пройтись «восьмеркой» по комнате. Никто больше пока не сделал этого.»

Одной из трудных задач для ученых было сконструировать топливный источник питания и систему приводов, которая предоставляла бы энергию, необходимую для выполнения задач, требующих длительного ношения экзоскелета. Ученые Калифорнийского университета Беркли используют двигатель, который поставляет гидравлическую энергию для совершения движения и электрическую энергию для питания компьютера. Двигатель обеспечивает все нужные компоненты энергией, необходимой для питания экзоскелета во время дозаправки в полевых условиях.

Нынешний прототип уже позволяет человеку путешествовать по равнинам и по склонам, но работа над экзоскелетом все еще продолжается, при этом основное внимание обращено теперь на миниатюризацию его компонентов. Инженеры Калифорнийского университета Беркли также разрабатывают более тихий и более мощный двигатель, более быстрый и более интеллектуальный контроллер, который уже в течение ближайших 6 месяцев позволит экзоскелету переносить грузы весом до 120 фунтов. Кроме того, ученые изучают, что именно нужно для того, чтобы пилоты могли бегать и прыгать с помощью экзоскелетонных ног.

Инженеры отмечают, что пока экзоскелет выполняет подъем тяжести, человек обеспечивает равновесие. «Пилот не «ведет» экзоскелет,» – говорит Казеруни. «Вместо этого управляющие алгоритмы в компьютере сами постоянно рассчитывают, как передвигать экзоскелет таким образом, чтобы его движения были согласованы с движениями человека.»

Вполне естественно, что первый этап проекта начался с того, что ученые проанализировали человеческую походку. Для того чтобы приспособить экзоскелет к широкому диапазону естественных движений человека, ученые собрали информацию о том, как человек ходит и перемещается – включая необходимые двигающую силу и момент от лодыжек и амортизирующую силу коленей.

«Многие ученые и инженеры начиная с 50-х гг. 20-века пытаются построить роботизированное устройство, умножающее силу человека, но все эти попытки претерпели крах,» — говорит Казеруни. «И только научно-технические достижения последних лет позволили воплотить эту мечту в реальность.»

Категория: BLEEX | Нет комментариев »

Комментарии