Три года назад, возможно, с несколько излишней помпезностью, американское агентство DARPA (Управление перспективных исследований и разработок Министерства обороны США ) объявило о новой попытке разработать полноразмерный повышающий работоспособность человека экзоскелет – моторизированную механическую систему поддержки, закрепляемую на конечностях человека-оператора.

Репортеры весь день обсуждали новость, представляя себе захватывающие дух фантастические картины с суперсолдатами, способными бегать целыми днями и неуязвимыми для солдат противника, а также для всех видов химического и биологического воздействия.

Реальность же научных разработок экзоскелетов довольно сильно отличалась и отличается от вышеописанной картинки. Так как программа DARPA уже начинает давать свои первые результаты, ясно, что экзоскелеты не собираются волшебным образом превратить людей в машин-убийц. Реальная польза экзоскелетов, как оказалось, состоит в том, чтобы позволить солдатам переносить тяжелые грузы на большие расстояния в течение нескольких часов без передышки. Также они дарят надежду тем, кто регулярно вынужден заниматься подъемом тяжестей, например, медсестрам, пожарным и рабочим, занятым в ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.

Из трех команд, занимающихся разработкой экзоскелетов и финансируемых DARPA, только у одной, базирующейся на лаборатории человеко-машинного взаимодействия при Калифорнийском университете Беркли, наблюдается ощутимый прогресс. В ноябре прошлого года созданный в лаборатории экзоскелет BLEEX (аббр. от англ. «экзоскелет нижних конечностей Беркли») вышел на свою первую прогулку за стены лаборатории, а результаты этой прогулки были обнародованы лишь на этой неделе. 1 марта старший помощник редактора издания IEEE Spectrum Джин Кумагаи взяла интервью у директора лаборатории Хами Казеруни, профессора-преподавателя инженерной механики при Калифорнийском университете Беркли, по поводу их экзоскелета.

Spectrum: Прошло три года с тех пор, как DARPA запустила свою программу по экзоскелетам. Что произошло с тех пор?

Казеруни: Наш проект имеет три фазы. В Фазе 1 мы рассматривали основы, элементы, необходимые для построения шагающего экзоскелета. Фаза 2 посвящена разработке машины, прочной и способной работать в полевых условиях; сейчас мы находимся в середине второй фазы. Фаза 3 заключается в работе с компаниями по поводу передачи технологий и оценивания экзоскелета в условиях эксплуатации.

Ноги, несущие на себе всю нагрузку

Экзоскелет нижних конечностей BLEEX способен носить до 32 кг груза в течение нескольких часов.

Для рассматриваемой программы важно дать четкое определение «экзоскелета». Идея сделать человека более сильным привлекала людей на протяжении всей истории человечества. Это можно наблюдать и в кинофильмах, и в книгах. Традиционное представление экзоскелета эволюционировало именно из этих фантастических идей: он имел две руки и две ноги – вы надевали машину, ходили в ней, проходили через двери, поднимали тяжелые предметы, словно супермен. В 50-е годя 20-го века компания General Electric разработала целую программу исследований по разработке подобного экзоскелета.

Мы решили пересмотреть идею экзоскелета. В некоторой степени, роботизированные руки и ноги реализуют разные технологии и имеют различные сферы применения. Поэтому мы, в основном, делим экзоскелеты на две группы: нижние конечности и верхние конечности для различных областей применения.

Кто выигрывает от каждого из этих типов экзоскелетов?

Рабочие на поточных сборочных линиях и рабочие FedEx смогут использовать в своей работе экзоскелет верхней конечности. Мы построили экзоскелеты верхних конечностей, которые свисают с потолка в тех местах, где рабочим требуется поднимать тяжелые предметы. Эти устройства имитируют усилия на руках и туловище рабочего — усилия, намного меньшие, чем усилия, необходимые для манипулирования грузом.

В простейшем применении устройства, когда человек использует экзоскелет верхней конечности для перемещения груза (например, ящика или коробки), устройство передает на руки человека уменьшенное в несколько раз значение фактического веса груза. Например, на каждые 18 кг веса груза на рабочего приходится удержание только 2 кг, в то время как устройство удерживает 16 кг. Рабочий будет «чувствовать» вес груза, но этот вес будет меньше, чем тот, который он чувствовал бы без вспомогательного устройства.

Экзоскелет нижней конечности, напротив, это самодвижущееся устройство для умножения силы и выносливости человека. Наш первый экзоскелетонный прототип состоит из двух моторизированных антропоморфных ног, силового блока и ранцеподобного каркаса, на который можно установить различные грузы. Устройство жестко прикрепляется на оператора – т.е. человека, на которого надевается экзоскелет – в районе ступней, и более свободным образом – где-то еще. Экзоскелет позволяет человеку удобно сидеть на корточках, сгибаться, раскачиваться из стороны в сторону, вертеться, ходить и бегать вниз и вверх по склонам, а также перешагивать препятствия и пробираться под ними, перенося при этом грузы и довольствие.

В процессе носки экзоскелета человек может переносить значительные грузы на значительные расстояния, при этом его проворность не снижается, что значительно повышает физическую работоспособность пользователя. У экзо нет рук, нет верхних конечностей. Экзоскелеты нижних конечностей гораздо сложнее проектировать, в основном, из-за того, что они должны ходить, при этом силовой блок и компьютеры должны быть собраны воедино в одном автономном устройстве.

Министерство обороны, финансирующее эту работу, привлекла сама идея. Солдаты в полевых условиях не имеют осуществляют фактическую переноску тяжелых грузов в руках, за исключением оружия. У них просто есть большие рюкзаки. Поэтому для них идеален экзоскелет нижних конечностей.

Кто еще мог бы использовать экзоскелет нижних конечностей?

Наш подход вызвал к себе повышенное внимание, так как его осуществим на практике и с успехом может использоваться не только солдатами, но и пожарными, и рабочими, занятыми в ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, и другим персоналом службы спасения, которому приходится доставлять пищу, спасательное оборудование, предметы оказания первой помощи и устройства связи – причем все это они смогут осуществлять на любой местности, в течение длительного времени и с минимальным усилием. Этот экзоскелет предполагался как устройство, обеспечивающее универсальную транспортную платформу для доставки необходимого оборудования в район выполнения той или иной задачи.

Думаю, разрабатываемые нами фундаментальные технологии, также будут использоваться для помощи людям, имеющих недостаточную мышечную поддержку ног и позвоночника. Это даже еще более сложная задача, чем та, которую мы уже решаем, но я уверен, что те базовые блоки, которые мы разрабатываем в нашем проекте по ээкзоскелетам, позволят нам в ближайшем будущем решить и эту задачу.

Так как же работает BLEEX?

Наше исследование включает в себя четыре основных компонента. Под номером 1 идет обеспечение энергией. Экзоскелету необходим встроенный источник питания; в противном случае вы сможете ходить только в пределах стен лаборатории. Источник питания должен быть небольшой и портативный и при этом он должен обеспечивать энергией приводы экзоскелета, компьютер и все его датчики. Мы не смогли подобрать стандартную систему питания, и поэтому нам пришлось разработать собственный гибридный гидролитический/электрический источник питания. Он работает на бензине с октановым числом не менее 82 и весит около 14 кг. Сейчас мы работаем над тем, чтобы сделать наш источник питания более компактным, более тихим и более мощным.

Второй компонент это конструкция устройства, которая, как я уже говорил ранее, должна быть достаточно гибкой, чтобы позволить человеку ходить, перешагивать через препятствия, подниматься и спускаться по лестницам, махать ногами, приседать и наклоняться вперед и назад. Очень много времени мы отводим работе над конструкцией, которая будет минимально ощущаться носителем и в то же время будет оказывать пользователю максимальную помощь в его поддержке и передвижении.

Номер 3 это электроника. Это LAN [локальная информационная сеть] для всего тела, которая объединяет компьютеры и датчики. Экзоскелет имеет множество датчиков со смешанными аналоговыми и цифровыми сигналами, идущими к центральному процессору, но дело в том, что мы не можем отправить провода и кабели куда угодно. В офисе LAN позволяет просто подсоединить ваш ноутбук и связаться с другими компьютерами через протокол. Мы же создали сеть на теле; все датчики и приводы находятся в этой сети и сообщаются друг с другом по одному проводу.

Четвертый элемент это алгоритм управления машиной. Идея состоит в том, чтобы обеспечить перемещение экзоскелета согласованно с перемещениями его «пилота», при этом сведя усилия взаимодействия между ними к минимуму. Схема управления не нуждается в непосредственных количественных измерениях со стороны человека или через человеко-машинный интерфейс. Если вы идете вперед, то и он идет вперед; если вы идете назад, то и он идет назад; если вы останавливаетесь, то и он останавливается. И для этого не требуется какой-то непосредственный входной сигнал, идущий от человека; здесь нет джойстиков, нет клавиатуры, нет нажимных кнопок. От человека не требуется как-то специально приводить машину в движение – вы просто шагаете, и машина шагает с вами.

Итак, мы взяли эти четыре технологии и пришли с ними к нашей системе — BLEEX —на которой четко видно, что все они осуществимы. К нам приходили несколько представителей DARPA, и у всех у них была положительная реакция на результаты нашей работы.

Сколько весит BLEEX и что он умеет делать на сегодняшний момент?

Существующий экзоскелет имеет источник питания мощностью 2 Л.С. [1.5 кВт]; он весит около 45 кг и забирает на себя около 32 кг груза, поэтому когда вы надеваете его, вы ощущаете себя так, словно несете 2-5 кг. Также мы работаем над созданием более тихого и более мощного мотора (около 3.7 кВт), который позволит экзоскелету переносить грузы до 55 кг. Мы рассчитываем закончить работу над этой версией в течение полугода. Кроме того, мы изучаем, что необходимо для того, чтобы пользователь экзоскелетонных ног мог с ними бегать и прыгать.

Подача энергии продолжается около 3-4 часов, в зависимости от того, сколько топлива вы берете с собой. Экзоскелет работает на бензине, который является дешевым и легкодоступным топливом. Я пришел к этому проекту не с идеей мобильного робота, типа гуманоидного робота Honda, а скорее с идеей мобильной платформы – легкового автомобиля или грузовика на улице. Так, я хочу сделать машину дозаправляемой в условиях эксплуатации, как и любые другие мобильные платформы, такие как легковые автомобили и грузовики. В конце концов, мы хотели бы подключаться к топливу JP8 [авиационное топливо на основе керосина], которое используется в вооруженных силах США.

Что осталось сделать?

Фаза 2, в которой мы стараемся сделать наше устройство готовым работать в полевых условиях, это очень трудная задача. Мы должны сделать эту машину чрезвычайно прочной, компактной, легкой и эффективной. Мы запланировали начать полевые испытания в 2005 году.

А вы сами ходили в BLEEX?

Да, конечно. Иногда это немного грубоватые ощущения, но вы перестаете чувствовать нагрузку, как только он включается и идет. Он шагает вместе с вами.

Категория: BLEEX | 1 Комментарий »

Комментарии