1

PODSTAWY ROBOTYKI

JW 14.12.1

Egzoszkielety

2

1. Od czego się zaczęło, czyli krótko o genezie egzoszkieletów

Słowo egzoszkielet wywodzi się z greki.

Przedrostek egzo- oznacza coś mające miejsce

zewnątrz czegoś. Egzoszkielet jest to

konstrukcja, której pomysł zapożyczono z

natury. Ezoszkielety posiada wiele

bezkręgowców takich jak np. owady,

skorupiaki. Chroni on wrażliwe tkanki

wewnętrzne przed środowiskiem, zapewnia

wytrzymałość i sztywność ciału zwierzęcia. Æ

Nic więc dziwnego, że człowiek i tym razem postanowił wziąć przykład z natury i

skonstruować coś na wzór jej tworów.

Już od starożytności człowiek starał się zwiększyć swoją wytrzymałość (głównie na

polu bitwy) poprzez zakładanie różnego rodzaju pancerzy, takich jak skóry zwierząt a

następnie pełne zbroje ze stali. Zawsze starał się też w jakiś sposób zastąpić (w miarę

możliwości) utracone lub niewładne kończyny. Stosowano wszelkiego rodzaju protezy

wykonywane głównie z drewna i podobnych materiałów. Niestety była to tylko namiastka. W

obecnych czasach, wzrost umiejętności technicznych i wiedzy naukowej skutkuje

rozwinięciem dziedzin wiedzy odpowiedzialnych za uzupełnianie różnego rodzaju braków w

ludzkich organizmach, również takich jak bezwładne lub utracone kończyny. Tu właśnie

wchodzą egzoszkielety. Możliwość ułatwienia poruszania osobie z niedowładem kończyn

była jednym z motorów do powstania sztucznych egzoszkieletów.

2. Początki

Trudno

powiedzieć dokładnie rozpoczęto prace nad

sztucznym egzoszkieletem. Najbardziej prawdopodobną datą

są lata 50-te XX. wieku, kiedy to rozwój komputerów i

elektroniki pozwolił na zastosowanie stosunkowo szybkich

układów obliczeniowych pozwalających na bieżąco

analizować dane docierająca z czujników egzoszkieletu, a tym

samym zapewniać równowagę urządzenia. Właśnie wtedy

3

pierwsza taką próbę podjęło General Electric i w połowie lat

60-tych XX. wieku skonstruowało Hardiman’a.

Hardiman zasilany był hybrydowo hydrauliczno –

elektrycznie, które to zasilanie zostało przejęte przez niektóre

współczesne modele egzoszkieletów. Nie był on niestety zbyt

udaną konstrukcją, mimo olbrzymiego udźwigu wynoszącego

ponad 100 kg i pozwalającemu operatorowi bez trudu

podnieść przedmiot wielkości lodówki. Jego duża masa

(ponad 700 kg) oraz fakt, iż był w stanie operować tylko jedną kończyną na raz,

dyskwalifikowały go w zadaniach takich jak przenoszenie dużego ciężaru z miejsca na

miejsce. Urządzenie było niewygodne w obsłudze, zdarzało się, iż wywróciło się w trakcie

pracy, co mogło mieć bardzo nieprzyjemne skutki dla pilota. Od czegoś trzeba było jednak

zacząć. Projekt GE przetarł szlak dla późniejszych, bardziej zaawansowanych urządzeń, które

zaczęły być konstruowane w latach 90-tych XX. wieku.

3. Konstrukcje współczesne – HAL, czyli Hybrid Assistive Limb

W 1995 roku na Uniwersytecie Tsukuba w Japonii

rozpoczęto prace nad egzoszkieletem HAL (Hybrid Assistive

Limb – czyli hybrydowa wspomagająca kończyna). W ciągu

ostatnich dziesięciu lat powstały kolejno wersje opatrzone

numerami 3, 4 i 5 różniące się konstrukcją, masą i stopniem

zaawansowania. Głównym celem postawionym sobie przez zespół

zajmujący się HAL’em było skonstruowanie urządzenia

pozwalającego na bezproblemowe poruszanie się osób starszych.

Jest to spory problem, z którym boryka się japońskie

społeczeństwo, ponieważ z roku na rok przybywa tam ludzi

starszych, potrzebujących dwudziestoczterogodzinnej pomocy.

Jeśli projekt HAL okaże się sukcesem, być może przyczyni się w

znaczącym stopniu do poprawienia jakości życia tej grupy ludzi,

gdyż umożliwi im samodzielne, normalne funkcjonowanie. HAL

może też być ratunkiem dla osób z niedowładem kończyn

przechodzących rehabilitację w szpitalu lub sanatorium.

4

Najnowszy

typ HAL 5,

przedstawiony na

tegorocznej

wystawie EXPO

2005 w Aichi,

będzie wkrótce

dostępny

komercyjnie, a jego

cena nie powinna

przekraczać 19.000

$, co nie jest zbyt wygórowaną ceną, jeśli ma umożliwić starszej osobie normalne

funkcjonowanie. Również można sobie wyobrazić, że towarzystwa opiekuńcze będą kupować

i wypożyczać takie urządzenia, co pozwoli im zaoszczędzić pieniędzy na opiekę dla osób

starszych i chorych. Zamiast wydawać pieniądze na opiekunów, będzie można zapewnić

pacjentom normalne samodzielne funkcjonowanie.

HAL jest rezultatem dziesięciu lat pracy profesora

Yoshiyuki Sankai wraz z zespołem i łączy w sobie takie

dziedziny nauki jak mechanik, elektronika, bionika i

robotyka w jedną dziedzinę – cybernetykę. Najlepiej

dopracowanym egzoszkieletem jest typ 3. Jest to

elektrycznie zasilany metalowy układ, który przypinany

jest do nóg właściciela, aby usprawnić ich ruch i

zwiększyć siłę. Wewnątrz plecaka (1) znajduje się

komputer, który przy użyciu łączy bezprzewodowych

steruje pracą całego egzoszkieletu. Na pasku umieszczone

są ważące około 2,5 kg baterie zasilające urządzenie (2).

Dwa systemy kontroli współpracują, aby umożliwić

właścicielowi stanie, chodzenie i wchodzenie po

schodach. System biocybernetyczny używa czujników bioprądów (5) przyczepionych do

skóry na nogach, aby kontrolować sygnały transmitowane z mózgu do mięśni nóg. Jest to

możliwe, z uwagi na to, iż kiedy człowiek stara się iść lub stać, układ nerwowy generuje

wykrywalny niewielki prąd na powierzchni skóry, w miejscu w okolice którego zmierza

5

sygnał. Prąd ten jest wykrywany przez czujniki i wysyłany do komputera, który tłumaczy

sygnały nerwowe na własne sygnały kontrolne dla serwomotorów umieszczonych na biodrach

i kolanach egzoszkieletu. Czas potrzebny, aby silniki odpowiedziały na sygnał wysłany z

centralnego komputera, jest ułamkiem tego, jaki potrzebuje mięsień, aby zareagować na

sygnał z mózgu. Oznacza to, że silniki działają szybciej od mięśni, co pozwala na bardzo

płynne działanie urządzenia. Podczas, gdy biocybernetyczny system porusza poszczególne

elementy egzoszkieletu, drugi system zapewnia autonomiczną kontrolę nad silnikami, aby

skoordynować wszystkie ruchy i ułatwić zadania takie, jak na przykład chodzenie. System

załącza się automatycznie w momencie, gdy użytkownik zacznie się poruszać. Gdy idzie po

raz pierwszy, czujniki nagrywają postawę i wzór ruchu, a informacje te zostają zapisane w

zewnętrznej bazie danych dla ponownego wykorzystania w przyszłości. Kiedy użytkownik

ponownie rozpoczyna chodzenie, czujniki alarmują komputer, który rozpoznaje ruch i

generuje zapisany uprzednio wzór, aby zapewnić wzmocnienie ruchu. Akcje obu tych

systemów mogą zostać odpowiednio skalibrowane w zależności

od szczególnych wymagań użytkownika (na przykład

usprawnić ruch słabej kończyny).

Modele HAL 4 i 5 nie tylko pomagają chodzić, ale

również zapewniają wsparcie kończyn górnych i są wstanie

zwiększyć udźwig człowieka o 40 kilogramów w stosunku do

udźwigu bez wspomagania. Nowa konstrukcja jest również

pozbawiona plecaka. Miniaturyzacja pozwoliła zmieścić

centralny komputer w niewielkiej kieszeni dołączonej do paska.

HAL 5 ma również o wiele mniejsze stawy od poprzednich

6

wersji, co powoduje, że jest bardziej smukły w okolicy kolan i bioder.

Wraz ze zwiększaniem się możliwości technicznych i wykorzystaniem co raz to

nowych materiałów, jak również miniaturyzacją urządzeń spadała masa własna egzoszkieletu.

HAL 3 – 22 kilogramy, HAL 4 – 17 kilogramów, HAL 3 – poniżej 15 kilogramów.

4. Konstrukcje współczesne – SpringWalker™

Ciało ludzkie jest bardzo doskonałą konstrukcją.

Przez wiele lat, mimo znaczących postępów w

dziedzinach takich jak biologia, robotyka,

materiałoznawstwo, nie byliśmy w stanie stworzyć

urządzenia współpracującego w pełni z ludzkim ciałem,

wykorzystującego jego zalety i zwiększanie jego

możliwości. Twórcy tego egzoszkieletu postanowili

połączyć wiedzę z tych gałęzi nauki i wykorzystując

najnowsze osiągnięcia skonstruowali prototyp

urządzenia pozwalającego na wspomaganie ludzkiego

ciała, a w tym konkretnym przypadku – zwiększenie

jego możliwości ruchowych.

SpringWalker™ jest komercyjną konstrukcją amerykańską. Jest to jedyny obecnie

egzoszkielet, którego działanie pozwala na zwiększenie prędkości

poruszania się wyposażonego w niego człowieka. Kolejną ciekawostką

jest fakt, iż jedynym zasilaniem tego urządzenia są mięśnie ludzkie, a

system cięgien i bloczków w pomaga ten ruch, pozwalając na osiągnięcie

znacznej (około 16 km/godz.) prędkości w marszu. Egzoszkielet został

opatentowany w Amerykańskim Urzędzie Patentowym, a jego

konstruktorzy zapowiadają wprowadzanie dalszych unowocześnień w

projekcie, w miarę jak prace postępują na przód.

Na swojej stronie internetowej producent udostępnia kilka rysunków,

przedstawiających fazy działania urządzenia:

7

Jak widać na powyższych rysunkach(niestety miernej jakości), konstrukcja jest

ażurowa i w dużym stopniu opiera się na wąskich belkach oraz rozciągliwych linek

przenoszących energię zgromadzoną w ludzkich mięśniach na układy maszyny i wprawiającą

urządzenie w ruch. Producent zapewnia, że poruszanie się w tym egzoszkielecie nie nastręcza

trudności nawet początkującym, czego najlepszym dowodem jest pan Alan Alda, który

wystąpił w nim w programie popularnonaukowym na kanale Discovery.

Zwiększenie szybkości marszu około trzykrotnie w stosunku do normalnego piechura

jest sporym osiągnięciem. Nic więc dziwnego, że projektem tym zainteresowane jest także

wojsko. Egzoszkieletem z góry przeznaczonym do zadań bojowych jest (omówiony w dalszej

części) BLEEX opracowany w Berkeley.

5. Zastosowania militarne

Jak

łatwo sobie wyobrazić, każda możliwość zwiększenia fizycznych możliwości

człowieka jest z radością witana w armii, gdzie zwiększenie sprawności żołnierza

automatycznie powoduje zwiększenie jego możliwości na polu bitwy.

8

W latach 90-tych XX. wieku, DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency,

czyli Agencja d/s Rozwoju Zaawansowanych Projektów Obronnych) sformułowała zestaw

cech, jakie mają charakteryzować egzoszkielet o przeznaczeniu wojskowym. Egzoszkielet

bojowy ma:

- Zwiększyć siłę – żołnierze będą w stanie nosić więcej broni, zapasów i wyposażenia.

Przez zwiększenie siły będą mogli usuwać duże przeszkody terenowe zagradzające im

drogę w trakcie marszu. Dzięki egzoszkieletowi możliwe będzie noszenie cięższego

pancerza i innych systemów ochronnych.

- Zwiększyć prędkość – Przeciętny człowiek porusza się z prędkością od 5 do 7

km/godz., jednak żołnierze często są zmuszeni dźwigać do kilkudziesięciu

kilogramów wyposażenia w plecakach. Nawet najlepiej wyszkoleni nie są w stanie

poruszać się ze znaczną szybkością z takim obciążeniem. Nie jest pewne jak szybko

będą mogły poruszać się egzoszkielety opracowywane przez DARPA, jednak

prędkość osiągana przez SpringWalker™ powinna być dla jej celów wystarczająca.

- Skakać na dużą wysokość i odległość – nie jest jasne, jaką wysokość mają na myśli

przedstawiciele DARPA, jednak najprawdopodobniej chodzi o możliwość

przeskakiwania nad przeszkodami, które spowolniłyby normalne oddziały (płoty,

zasieki itp.)

- Egzoszkielety powinny być możliwie łatwe w obsłudze i przeglądzie technicznym

- Czas działania egzoszkieletu bez uzupełnienia paliwa powinien być możliwie

najdłuższy i wynosić co najmniej 24 godziny

Podsumowując, żołnierze będą mieli zwiększoną

wytrzymałość w trakcie długiego marszu w trudnym lub

nieprzewidywalnym terenie. Wraz ze zwiększoną siłą

będą mogli naprawiać sprzęt, którego w innym wypadku

nie byliby w stanie naprawić. Jednocześnie zwiększenie

ochrony pancerza będzie oznaczało zmniejszenie

prawdopodobieństwa zranienia lub śmierci.

Tak rysownik z agencji DARPA wyobraża sobie

strój będący na wyposażeniu żołnierza przyszłości Æ

Niestety postawione przez DARPA warunki

okazały się bardzo wymagające w stosunku do realnych

9

możliwości. Pojawiło się kilka istotnych problemów, z którymi borykają się naukowcy

opracowujący najnowsze konstrukcje egzoszkieletów:

- Odpowiednie źródło zasilania – jest to spory problem, z którym musi się zmierzyć

wielu naukowców pracującym w dziedzinach wymagających znacznej mocy, a przy

tym autonomicznego źródła energii. Obecnie konstruowane egzoszkielety nie zbliżają

się nawet do wyznaczonej przez DARPA dolnej granicy 24 godzin.

- Odpowiednie materiały konstrukcyjne – problem coraz mniejszy, wraz z

odkrywaniem nowych materiałów i rozwijaniem się tej dziedziny wiedzy.

- Sterowanie – odpowiednie systemy sterowania umożliwiające prawidłową i

bezawaryjną pracę egzoszkieletu. W fazie testów, ale obecne układy wydają się być

wystarczające.

- Zwinność ruchów – dążenie do możliwie jak najmniejszego ograniczenia ruchów

użytkownika, aby czuł on się swobodnie. Jeden ze znaczniejszych problemów w

obecnych konstrukcjach, na razie najlepiej rozwiązany w konstrukcji HAL, która nie

jest jednak projektem militarnym.

Wszystkim tych problemom postanowił stawić czoła zespół Uniwersytetu w Berkeley.

6. Konstrukcje współczesne – BLEEX Uniwersytetu w Berkeley

W 2000 roku na Uniwersytecie w Berkeley rozpoczęto prace nad BLEEX (Berkeley

Lower Extremity EXoskeleton). W założeniu miał to być projekt spełniający wytyczne

postawione przez DARPA. Pierwsza wersja egzoszkieletu została ukończona w zaledwie trzy

lata.

Projekt łączy w sobie ludzki system kontroli z

mechanicznymi mięśniami. Został zaprojektowany tak, aby

był ergonomiczny wysoce manewrowalny i wygodny w

obsłudze, tak, aby użytkownik mógł chodzić, kucać i schylać

się z boku na bok bez zauważalnej zmiany w jego zręczności.

Pilot może również przechodzić nad i pod przeszkodami

niosąc sprzęt i zapasy.

10

BLEEX składa się mechanicznych metalowych opasek na nogi, przyczepionych

sztywno do stóp użytkownika i lżej w innych miejscach, aby nie spowodować otarcia skóry.

Urządzenie zawiera jednostkę napędową umieszczoną w plecaku, w którym znajduje się także

miejsce na duży dodatkowy ładunek.

Taka maszyna może być niesłychanie wartościowym narzędziem dla każdego, kto

chce podróżować na dużą odległość na piechotę z przy znacznym obciążeniu. Egzoszkielet

może być także użyty przez medyka, aby znieść rannego żołnierza z pola bitwy, strażaka,

który wnosi swój ekwipunek na duża wysokość po schodach lub przez różnego rodzaju

ratowników, którzy dzięki niemu będą mogli przenieść znaczne ilości zaopatrzenia i sprzętu

w miejsca, w które trudno dostać się inaczej niż piechotą.

Wynalazcy BLEEX podkreślają, że pilot nie potrzebuje żadnego panelu sterowania,

czy drążka sterowniczego, aby obsługiwać urządzenie. Maszyna jest zaprojektowana w ten

sposób, że użytkownik raczej czuje się jako integralna część egzoszkieletu niż jego pilot, co

oznacza, że nie potrzebuje żadnego specjalnego treningu obsługi maszyny.

W trakcie eksperymentów przeprowadzonych na uniwersytecie człowiek wyposażony

w 45-kilogramowy egzoszkielet chodził po pokoju nosząc 35-kilogramowy plecak prawie bez

wysiłku. Dla niego było to jak noszenie niespełna 3 kg obciążenia.

W obecnej wersji urządzenia, użytkownik zakłada parę odpowiednio

zmodyfikowanych wojskowych butów, które następnie są podłączane do egzoszkieletu. Para

metalowych ram biegnie wzdłuż nóg, aby nie utrudniać

ruchów pilota. Wtedy nakładana jest specjalna

usztywniona kamizela, która zostaje przypięta do ramy

plecaka i silnika. Jeżeli skończy się paliwo, „nogi”

egzoszkieletu mogą być łatwo odpięte i umieszczone w

plecaku. Ponad czterdzieści czujników i elektrycznych i

hydraulicznych tworzy sieć LAN(Local Area Network) dla

egzoszkieletu i działa w sposób zbliżony do ludzkiego

układu nerwowego. Czujniki (łącznie z tymi

zainstalowanymi w podeszwach butów) na bieżąco

przesyłają dane do centralnego komputera, tak, aby mógł

sterować układem w odpowiedni sposób w zależności od

11

działań operatora, tak, aby ograniczyć do minimum wagę, jaką musi nieść. Znaczne środki

zostały spożytkowane na to, aby umożliwić pilotowi jak największy zakres ruchów.

Ważną cechą BLEEX jest rodzaj jego napędu. Silnik zainstalowany w maszynie

pracuje na paliwo płynne, co umożliwia łatwe jego uzupełnianie. Ruch odbywa się za

pośrednictwem układów hydraulicznych, natomiast elektronika zasilana jest z prądu

produkowanego przy użyciu silnika.

Testowana obecnie wersja pozwala osobie na chodzenie po płaskim terenie i

niewielkich stokach, lecz prace nadal trwają, a naukowcy skupiają się nad miniaturyzacją

układu i dalszym zwiększeniem jego udźwigu. Dodatkowo podjęte zostaną próby nad

umożliwieniem biegu oraz skoków.

7. Przyszłość egzoszkieletów

Postęp w dziedzinach nauki związanych z projektowaniem

egzoszkieletów jest tak wielki, że nie jesteśmy sobie w stanie

wyobrazić, co może przynieść nam przyszłość. Zaawansowane

kompozyty, konstruowane przy pomocy nowych technik,

„programowane” polimery, nanorurki węglowe, to tylko kilka

materiałów, które mogą w znacznym stopniu przyczynić się do

rozwoju egzoszkieletów i zwiększenia ich możliwości. Nie należy zapominać o

neurochirurgii, która być może pozwoli nam na fizyczne sprzężenie człowieka z maszyną i

pozwoli na lepsze do niej dostrojenie. Możliwe jest połączenie egzoszkieletów z

nowoczesnymi systemami

wizyjnymi, radarowymi oraz

systemami pozycjonowania

przestrzennego, które umożliwią

bardzo szerokie jego zastosowanie.

Nowe materiały ceramiczne pozwolą

na zainstalowanie ciężkiego

pancerza, który ochroni człowieka

pracującego w niesprzyjających

warunkach lub na polu walki.

12

Bibliografia

1.

http://www.sciencenews.org/articles/20010630/bob8.asp

2.

http://www.darpa.mil/DSO/thrust/md/Exoskeletons/index.html

3.

http://www-1.expo2005.or.jp/ml/en/16/

4.

http://sanlab.kz.tsukuba.ac.jp/indexE.html

5.

www.berkeley.edu/news/media/releases/2004/03/03_exo.shtml

6.

http://science.howstuffworks.com/exoskeleton.htm

7.

http://www.springwalker.com

8.

http://www.ge.com/