PODSTAWY ROBOTYKI
JW 14.12.1
Egzoszkielety
1
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.
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
2
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 udz
wigu 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 póz
niejszych, 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.
3
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
4
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 udz
wig człowieka o 40 kilogramów w stosunku do
udz
wigu 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
5
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:
6
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.
7
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 dz
wigać 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
Niestety postawione przez DARPA warunki
okazały się bardzo wymagające w stosunku do realnych
8
możliwości. Pojawiło się kilka istotnych problemów, z którymi borykają się naukowcy
opracowujący najnowsze konstrukcje egzoszkieletów:
- Odpowiednie z
ródło zasilania  jest to spory problem, z którym musi się zmierzyć
wielu naukowców pracującym w dziedzinach wymagających znacznej mocy, a przy
tym autonomicznego z
ródła 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.
9
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
10
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 udz
wigu. 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.
11
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/
12