Еще совсем недавно достижения современной робототехники казались чем-то фантастическим. Сегодня "железный человек" перестал быть героем комиксов и боевиков. Концепция увеличения человеческих возможностей воплотилась в реальность вместе с разработкой экзоскелетов – роботизированных устройств, предназначенных для компенсации утраченных функций, увеличения силы человека и повышения производительности труда.
В 60-е годы американская компания General Electric совместно с ВС США изобрела первый экзоскелет – Hardiman. Конструкция представляла собой станок с большим манипулятором, управлять которым нужно было с помощью человеческой руки.
Грузоподъемность Hardiman составляла 110 кг, однако вес самого станка был слишком большим (680 кг), поэтому его движение сложно поддавалось контролю. Первый экзоскелет не снискал успеха, и изыскания в этой сфере продолжились.
Наиболее перспективные проекты появились в 80-е годы 20 века. В 90-х производство экзоскелетов велось уже в разных странах. Самой удачной разработкой стал экзоскелет ReWalk от компании ReWalk Robotics. Конструкция полностью повторяла биомеханику человека и позволяла парализованным людям ходить.
Типы современных экзосклетов
Основная масса экзоскелетов производится сегодня для армии, промышленности и медицины.
Одни делают людей быстрее, сильнее и восприимчивее, другие позволяют снизить нагрузку и увеличить трудоспособность человека, третьи предназначены для реабилитации инвалидов.
В зависимости от источника энергии и типа привода экзоскелеты подразделяются на активные и пассивные. По точке локализации существуют скелеты верхних и нижних конечностей, а также цельные костюмы.
Конструкции весом до 5 кг относятся к категории легких, от 5 до 30 кг – средних, более 30 кг – тяжелых.
По назначению экзоскелеты делятся на военные, промышленные, космические, медицинские.
Военные модели появились одними из первых, и на сегодняшний день распространены наравне с медицинскими. Экзоскелеты для солдат компенсируют их высокие физические нагрузки, тем самым повышая мобильность и выносливость пеших подразделений.
Военные экзоскелеты являются частью экипировки и, помимо основного предназначения, выполняют множество других функций: электрогенератора, хранилища аккумуляторов, каркаса для бронезащиты, держателя для средств телекоммуникации, сенсоров и датчиков, систем приема радиосигналов и пр.
Существуют модификации экзоскелетов для использования в ходе спасательных операций. Такие конструкции не только упрощают процесс разбора завалов, но и защищают спасателей от травм.
Промышленные экзоскелеты применяются для выполнения сложнейших операций, связанных, в основном, с подъемом тяжестей или длительным нахождением человека в неудобном положении. Так, например, аппарат H-Lex от Hyundai позволяет с легкостью поднимать до 60 кг, а гибкая конструкция Chairless Chair снимает напряжение в мышцах при долгом стоянии. Многие экзоскелеты автоматически распознают момент начала работы и включаются только тогда, когда это необходимо.
Экзоскелеты медицинского профиля предназначены для людей, которые не имеют возможности ходить – с рождения, из-за тяжелой травмы, болезни или в силу возраста.
Одни из наиболее популярных медицинских экзоскелетов – Hybrid Assistive Limb (HAL) – работают от импульсов мускул. Они могут использоваться не только для реабилитации инвалидов и пожилых людей, но и в ходе строительных работ, а также спасательных операций. Людям с ограниченными возможностями они позволяют ходить и двигать руками, строителям и спасателям – поднимать грузы, вес которых в 5 раз превышает возможности человека.
В России существует несколько проектов по разработке медицинских экзоскелетов, в том числе ExoAtlet. Изделия, которые разрабатывает команда ученых этого проекта, предназначены для реабилитации и социальной адаптации людей с нарушением моторных функций нижних конечностей после травм и болезней.
В настоящее время создано несколько действующих моделей экзоскелетов ExoAtlet. Последняя модификация ExoAtlet Albert, управляемая с помощью костылей, позволяет инвалидам самостоятельно ходить, садиться и вставать.
Проблемы разработчиков экзоскелетов и решения MODENGY
Основной преградой для серийного производства экзоскелетов является даже не техническая сложность конструкций и их высокая стоимость, а отсутствие таких источников энергии, которые могли бы позволить машинам длительное время работать автономно.
Рабочие прототипы экзоскелетов появились уже давно – например, XOS от компании Sarcos. Специалисты отмечают, что модель спроектирована очень удачно, однако из-за отсутствия аккумуляторов достаточной емкости она не может найти широкого применения – даже демонстрацию экзоскелета пришлось проводить в режиме питания от сети.
Не менее значимым фактором, ограничивающим использование экзоскелетов, является сложность их обслуживания. Отличное техническое состояние устройств должно обеспечиваться без нарушения гигиенических требований – особенно это касается конструкций медицинского предназначения.
Нормальное функционирование экзоскелетов, как и любых других технически сложных конструкций, зависит не только от качества и технологии сборки, но и применяемых сервисных материалов. Особое внимание уделяется высоконагруженным узлам и парам трения, которые подвержены усиленному износу.
В конструкции экзоскелета таковыми являются регулирующие элементы – прямоугольные металлические пластины, стянутые в определенных местах шпильками и перемещающиеся в специальных пазах корпуса. Тесный контакт пластин и корпуса нередко приводит к возникновению скрипов, сопряженные детали быстро изнашиваются и выходят из строя.
Для решения проблемы износа на регулировочные пластины стали наносить специальные твердосмазочные покрытия. В отличие от пластичных смазок, традиционно применяемых для подвижных механизмов, они не выдавливаются из зоны трения под нагрузкой и выдерживают многократные регулировки.
В России при сборке экзоскелетов применяются антифрикционные твердосмазочные покрытия MODENGY 1014 и MODENGY 1066. Оба покрытия содержат дисульфид молибдена – отличающийся высокой несущей способностью и низким коэффициентом трения.
MODENGY 1014, помимо МоS2, включает политетрафторэтилен (ПТФЭ), а MODENGY 1066 – поляризованный графит. Твердые компоненты обеспечивают износостойкость и длительный срок службы покрытий.
Материалы отверждаются за 40 минут при нагреве. После полной полимеризации они образуют на на поверхностях регулировочных пластин прочный и гладкий защитный слой. В отличие от обычных смазок, покрытия не пачкаются и не оказывают вредного воздействия на здоровье человека.
Благодаря использованию покрытий MODENGY при контакте регулирующих элементов с алюминиевым корпусом не возникает скрипа, коэффициент трения максимально снижается, детали приобретают надежную антикоррозионную защиту.
Таким образом, покрытия MODENGY решают одну из актуальных проблем разработчиков экзоскелетов, связанную с обслуживанием устройств. Благодаря тому, что они наносятся однократно и не требуют дальнейшего возобновления, значительно упрощается сервис, а уровень комфорта пользователя экзоскелета повышается.