Motoriseeritud eksoskelett

Allikas: Vikipeedia

Motoriseeritud eksoskelett, tuntud ka kui turvismasin või eksoturvis, on motoriseeritud liikumise masin, mis koosneb inimese poolt seljas kantavast eksoskeletilaadsest raamistikust ja toiteelemendist, mis tagab vähemalt osa liigutuste aktiviseerimisenergiast.

Eksoturvised on disainitud kandjat toetama ja kaitsma. Näiteks võivad need olla mõeldud toetamaks ja kaitsmaks sõdureid ja ehitustöölisi või abistama inimesi teistes eluohtlikes keskkondades. Meditsiiniturul on suur tulevik seadmetel, mis pakuksid liikumisabi vanadele ja põduratele inimestele. Teiste kasutusalade hulgas on päästetööd, kus näiteks varisenud hoonetes võib seade võimaldada päästetöötajatel tõsta raskeid rususid, kaitstes töötajat samal ajal langeva ehitusprahi eest. Eksoturviste töötavaid mudeleid on juba konstrueeritud, kuid neid pole laialdaselt kasutusele võetud. [1] Lahendamist vajavad mitmed probleemid, sealhulgas sobiva toiteallika leidmine. Sellegipoolest on 2010. aastal kolm ettevõtet turule toonud eksoturviseid puuetega inimestele. [2]

Ilukirjanduses esinev mecha erineb eksoturvisest selle poolest, et esimene on tavaliselt palju suurem kui inimese keha ning ei jäljenda otseselt jäsemete liigutusi. Samuti võib sel olla kõndimiseks rohkem, kui 2 jäset, samas kui eksoturvised, ka ilukirjanduslikud (näiteks Raudmees), on kahejalgsed ja valdavalt andromorfsed e. inimkujulised. Mechade puhul hõivab inimesest operaator kabiini või juhikoha suuremas süsteemis. Selle kabiini sees võib inimene kanda väikest kergekaalulist eksoskeletti, mis toimib haptilise kontroll-liidesena palju suuremate väliste liigeste jaoks. Mecha erinevus robotitest on, et see pole kaugjuhitav või autonoomne, vaid mehitatud ja piloodi poolt kontrollitav.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Varaseim eksoskeletilaadne seade oli kõndimis-, hüppamis- ja jooksmisabi aparaat, mille töötas välja Nicholas Yagin 1890. aastal. Agregaat kasutas kokkupressitud gaasi, et salvestada liigutamisel vabanevat energiat, mida hiljem kasutas teiste liigutuste sooritamiseks. Seade töötas siiski inimjõul ning ei kasutanud väliseid energiaallikaid..[3] 1917. aastal töötas USA leiutaja Leslie C. Kelley välja masina mille nimetas pedomootoriks. Seade töötas auru jõul ja selle tehisligamendid töötasid kandja liigutustega paralleelselt.[4] Pedomootori puhul oli peale kasutaja energia rakendatud lisaenergiat.

Esimene tõeline eksoskelett – inimliigutustega integreeritud liikuv masin – töötati välja General Electricu ja USA sõjaväe koostöös 1960–ndatel. Turvist kutsuti Hardimaniks ja seda kandes tundus 110 kg raskuse tõstmine 4,5 kg raskuse tõstmisena. Hüdraulika ja elektri jõul töötades võimaldas turvis kandjal oma tugevust võimendada 25-kordselt, nii et 25 kg tõstmine on sama lihtne, kui 1 kg tõstmine ilma turviseta. Jõu tagasisside mehhanism võimaldas kandjal tunda raskuste ja objektidega manipuleerimist.

Kuigi idee tundus üldjoontes paljulubav, oli Hardimanil suuri puudujääke.[5] See oli oma 680 kg kaalu juures ebapraktiline. Teiseks probleemiks oli mitmekihiline opereerimissüsteem – operaator oli ühes turvises, mis asus omakorda teises seadmes. See süsteem töötas küll hästi, kuid oli liiga aeglane võrreldes ühekihilise süsteemiga. Kui eesmärgiks on füüsilise sooritusvõime suurendamine, siis on kiirus oluline. Selle aeglane liikumiskiirus 2,74 km/h piiras praktilist kasutamist.

Projekt ebaõnnestus. Eksoskeleti kasutamise katsed lõppesid jõuliste kontrollimatute liigutustega ja seetõttu ei saanud seda katsetada inimesega. Edasised uuringud keskendusid ühe käe peale. Kuigi see suutis tõsta ettenähtud 340 kg, kaalus see üle 700 kg, ligi kaks korda rohkem, kui tõstetav raskus. Kuna kõiki komponente ei saadud samaaegselt tööle, olid Hardimani praktilised kasutuvõimalused piiratud.[6]

Militaarvaldkonna tarbeks arendatava eksoskeleti võimalik väljanägemine.

Kasutusviisid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Üks eksoskeleti põhilisi potentsiaalseid funktsioone oleks võimaldada sõduritel kanda rasket varustust (80–300 kg) jooksmise või ronimise ajal. See ei anna sõdurile mitte üksnes võimalust kanda raskemat koormat, vaid ka kasutada raskemaid relvi. Enamik mudeleid kasutab hüdraulilisi süsteeme, mida juhib pardakompuuter. Toiteallikas võib olla sisepõlemismootor, aku või tulevikus kütuseelemendid.

Teine kasutusvaldkond oleks meditsiiniline hooldus, eelkõige õendus. Olles vastamisi meditsiinitöötajate puudusega ja suureneva hulga vanuritega tulevikus on mitmed Jaapani insenerid välja töötanud eksoskelette, et aidata õdedel patsiente tõsta ja liigutada.

Eksoskeletti võib käsitleda ka kui kantavat robotit: kantav robot on mehhatrooniline süsteem, mis on disainitud inimese kuju ja funktsioone järgides, kus osad ja liigendid on seotud inimese vastavate kehaosadega. Kaugjuhtimine ja jõu võimendamine pidid olema esimesed kasutusvaldkonnad, aga peale hiljutisi tehnoloogilisi arenguid on kasutusvõimaluste valik laienenud. Suurenev tunnustus teadlaste kogukonnas tähendab, et seda tehnoloogiat rakendatakse nüüd kaugmanipulatsioonis ja rehabilitatsioonis, et aidata kahjustatud motoorikaga inimesi.[7]

Arendatavad eksoskeletid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektritoitega eksoskelett Jaapanist.
  • Sarcos/Raytheon XOS eksoskelett. Sõjaväes kasutamiseks ja ratastooli asendamiseks, kaalub 68 kg ja võimaldab kandjal tõsta 90 kg vähese vaevaga. Hiljuti esitleti XOS 2 , millel on sujuvamad liigutused ning suurem võimsus ja kasutegur.[8]
  • Ekso Bionics/Lockheed Martin HULC (Human Universal Load Carrier) jalased,põhiline Sarcos/Raytheoni konkurent. Kaalub 24 kg [9] ja võimaldab kanda kuni 91 kg seljakotis, mis on kinnitatud eksoskeleti külge.[10]
  • Cyberdyne's HAL 5. Võimaldab kandjal tõsta 10 korda suuremat raskust kui ta tavaliselt suudaks.[11]
  • Honda eksoskeleti jalased. Kaalub 6,5 kg, käib kasutaja jalgade vahele ja võimaldab kandjal istuda.[12]
  • M.I.T. Media Lab's Biomechatronics Groupi eksojalased. Kaalub 11.7 kg.[13]
  • Rex Bionics' Rex, Robotic Eksoskeleti jalased. Kaalub 38 kg. Võimaldab ratastooli kasutajatel tõusta püsti, kõndida, liikuda külg ees, pöörata ümber, käia trepist, tasastel ja kaldpindadel.[14] See on ainuke eksoskelett, mida müüakse isiklikuks kasutamiseks. Selle hind on ligikaudu 150000 dollarit. [15] Rahvusvaheline müük algas aastal 2011.
  • Activelink Co Ltd's PowerLoader Robot. Viimane versioon on PLL (PowerLoader Light). Kasutab mehhaanilist tagasisidet ja jõu sensoreid, et võimendada kasutaja jalgade liikumist.
  • Argo Medical Technologies ReWalk. ReWalk’il on kaks versiooni, ReWalk "I" institustioonidele uuringute või teraapia jaoks. See on disainitud kasutamiseks füsioterapeudi järelvalve all. Teine versioon on ReWalk "P" personaalne mudel. ReWalk P on mõeldud patsientidele isiklikuks kasutamiseks kodus või kogukonnas. ReWalk I on müügil rehabilitatsioonikeksustes Euroopas ja USAs.

Piirangud ja probleemid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Turvismasinate insenerid satuvad silmitsi mitmete suurte tehnoloogiliste väljakutsetega, konstrueerides turviseid, mis võimaldaksid kiireid ja äkilisi liigutusi ja oleks samas ohutud kasutada ilma erilise ettevalmistuseta.

Energiaallikad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Üks suurimaid probleeme eksoskelettide arenduses on toiteallikate leidmine.[16] Hetkel on kasutusel paar piisava energiatihedusega energiaallikat, mis suudavad varustada kogu keha katvat eksoturvist veidi rohkem kui mõni tund.

Laetamatud akuelemendid on tavaliselt suurema energiatihendusega ja pikaealisemad, kui laetavad akud kuid nende kasutamise puhul tuleb tagavaraelemente kaasas kanda juhuks kui aku tühjaks saab. Laetavaid akusid saab taaskasutada, kuid need vajavad laadimissüsteemi kaasas kandmist. Laadimine peab toimuma kiirelt või peavad tühjad akud olema kiiresti asendatavad laetud akudega.[17]

Sisepõlemismootor pakub suurt võimsust, kuid kulutab kütust ka seadme paigalolekus mootori käitamiseks. Lisaks võib tekkida probleeme mootori käivitamisel. Väikesed ja kerged mootorid peavad töötama suurel kiirusel, et väljastada piisavalt energiat väikse silindimahu juures. Töö käigus tekkivat vibratsiooni on raske summutada ning see võib kanduda edasi tervele süsteemile. Sisepõlemismootorid eritavad palju soojust, mis lisab omakorda kaalu jahutussüsteemide või soojaisolatsiooni näol.

Elektrokeemilised kütuselemendid omavad paljusid akude eeliseid nagu hetkeline käivitus ning väljalülitus. Lisaks saab neid kiiresti tankida vedelkütusega, näiteks metanooliga. Praeguse tehnoloogia juures on nende töötemperatuur kõrge – 600 °C.

Enamus uurimusi on keskendunud palju suurematele eraldiseisvatele toiteallikatele. Eksoturvistele, mida ei kasutata täiesti eraldiseisvalt isoleeritud olukordades, nagu näiteks lahinguväljal sõdurite puhul, on selline piirang aktsepteeritav ning seadme võib saada toite kaabliga.

Materjalide tugevus ja kaal[muuda | redigeeri lähteteksti]

Esmased eksoskeleti eksperimendid tehakse tavaliselt kasutades odavaid ja kergesti vormitavaid materjale nagu näiteks teras ja alumiinium. Siiski on teras raske ja eksoturvis peab enda raskuse ületamiseks rohkem energiat kulutama, kaotades efektiivsuses.[18] Alumiiniumisulamid on kerged, kuid kuluvad ruttu.

Kui disainiküsimustes liigutakse esmastelt katsetelt edasi, võetakse kasutusele järjest kallimad ja tugevamad, kuid kergemad materjalid, nagu titaan, ja võetakse kasutusele kompleksemad konstruktsioonimeetodid, nagu näiteks süsinikkiust plaadid.

Ajamite võimsus ja täpsus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Võimsa kuid kerge lahenduse probleem kehtib ka liigendi täiturite puhul. Tavalised hüdraulilised silindrid on võimsad ja täpsed, kuid nad on ka rasked vedelikuga täidetud torude tõttu, ning on võimalus, et vedelik hakkab lekkima. Siiski kasutatakse hüdraulilisi süsteeme paljudes vastutusrikastes mehanismide nagu autopidurite ja lennuki maandumisvarustuse juures [19].

Pneumaatilised süsteemid on üldiselt liiga ettearvamatud täpsete liigutuste sooritamiseks, kuna kokkupressitud gaas on elastne ja teekonna pikkus varieerub sõltuvalt gaasi tihedusest ja ajamitele mõjuvast jõust.

Üldiselt on elektrilised servomootorid efektiivsemad ja suurema energiatihedusega. Rakendades võimsaid magneteid ning ülekandeid saab ehitada täpseid ja tugevaid ent väikseid täitureid.

Liigendite liikuvus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Liikuvus on konstruktsiooniprobleem, mis puudutab ka motoriseerimata skafandreid. Eksoskelettide konstrueerimise esimene etapp ongi näidata, et skeleti liigendid võimaldavad jäljendada inimliigutusi.[20] Mitmed inimliigesed, nagu puusa- ja õlaliiges on keraliigesed, mille pöörlemistelg asub keha sees. Kasutades rida väliseid üheteljelisi liigendeid on eksoskeletil raske täielikult jäljendada nende keraliigeste liikumist, piirates nõnda kandja liikuvust.

Õla või puusa kohal saab kasutada teist keraliigest, kuid seejärel tekib kandja luudega rida paralleelseid vardaid. Kui välimist keraliigest pöörata selle täies ulatuses, muutub vahemaa kasutaja küünar- või põlveliigesega kord pikemaks või lühemaks, nihutades selle liigesed paigast. Sellist nihet kandja ja turvise liigeste paigutuse osas saab vältida - turvise liigendeid saab konstrueerida selliselt, et need vastavalt kasutaja liigutustele pikeneksid või lüheneksid, et kandja põlve- või küünarliigeseid jääksid kohakuti turvisega.

Osaline lahendus täpsemaks vabateljeliseks liikumiseks oleks õõnes keraliiges, mis ümbritseks inimese liigest, seades inimliigese õõnsa kera pöörlemistelje keskpaigaks. Pöörlemine ümber selle liigese võib samuti olla piiratud, kui keraliiges ei koosne mitmest plaadist, mis võiksid hargneda või kattuda omavahel, kui inimese keraliiges teeb kõikvõimalikke liigutusi.

Selgroo liikuvus on järgmine katsumus, kuna selgroog on sisuliselt rida piiratud liikumisega keraliigeseid. Pole ühtki lihtsat viisi üheteljeliste liigeste kombineerimiseks, mis võimaldaksid lihtsalt jäljendada inimese selgroo liikuvuse ulatust. Rida väliseid keraliigseseid võivad anda ligilähedase tulemuse, kuid ka seal tekib paralleellõikude pikkuse küsimus. Kummardudes puusast ettepoole, suruksid turvise õlaliigesed kandja keha peale. Kaldudes puusast tahapoole, tõmbaks turvise liigesed kandja puusast üles. Ka siin saab turvist konstrueerida nii, et selle selgroog pikeneks ja lüheneks kiirelt, vastavalt kasutaja liigutustele.

Võimsuse reguleerimine ja moduleerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Soovimatute ja ülemääraste liigutuste kontrollimine ja kohandamine on kolmas suurtest probleemidest.[21] Ilma pardakompuutrita ühekiiruseline tugimootor, millel on edasi/paigal/tagasi asendi juhtimine, pole piisav. Selline mehhanism võib olla palju kiirem kasutaja poolt oodatavast liikumisest, mistõttu võib liikumine kontrolli alt väljuda.

Ühekiiruseline tugimehanism, mis aeglustatakse, et vältida tõmblevat liikumist, hakkab aga piirama kasutaja äkilisust. Järsud ootamatud liigutused, nagu komistamine või kukkumine tõukamise tagajärjel nõuavad kiiret ja täpset liigutust, et reageerida ja taastada oma asend, kuid aeglustatud tugimehanism võib lihtsalt seiskuda ja vigastada kasutajat.

Kiiret ja täpset positsioneerimist tehakse tavaliselt kasutades erinevaid kiirusi, sealjuures kontrollitakse nii turvist kui kasutajat asendisensoritega, et toetav liigutus toimuks üksnes nii kiiresti, kui kasutaja liigutus. See võib tähendada turvise järsku kiirendust või aeglustust, et imiteerida kasutaja liigutust, nõnda et tema ihuliikmed vajutavad kergelt vastu turvise sisepinda ning see liigub eest ära, vastates kasutaja liigutustele. Kontrollarvuti peab suutma tuvastada ka soovimatud tõmblevad liigutused ja seiskuma ohutul viisil, kui süsteemis ilmneb rike.

Ohtlike ja väärliigutuste tuvastamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Neljas probleem on valede või ohtlike liigutuste tuvastamine ja vältimine. Oleks lubamatu, kui eksoskelett suudaks liikuda viisil, mis ületab inimkeha liikuvusulatuse ning vigastaks keha. Seda probleemi saab osaliselt lahendada kasutades piiranguid liigeste liikuvuses, näiteks takistades põlve või õlaliigestel tagurpidi paindumist.

Eksoskeleti kasutaja võib end või turvist kahjustada ka nii, et liigutab liigeseid teatud kombinatsioonide reas, mis muidu oleksid ohutud, kuid koostoimel põhjustavad turvise purunemise.

Turvismasin peaks olema suuteline jälgima liigeste asendeid ja piirama nende liikuvust, et kasutaja end võimendatud liigutustega kogemata ei vigastaks, näiteks köhides, aevastades, ehmatades või kogedes haigusesööstu või krampe.

Pitsitus ja liigendikahjustused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Eksoskeletid on tavaliselt ehitatud väga tugevatest ja kõvadest materjalidest, samas kui inimese keha on palju õrnem. Eksoskeletti ei saa tavaliselt kanda otseses kontaktis palja ihuga võimaliku naha pitsituse tõttu kohtades, kus eksoskeleti osad libisevad üksteise peale. Kasutaja tuleb riietada tugevast kangast kostüümi, et kaitsta neid pitsitusohu eest.

Eksoskeleti enda liigendid kipuvad saama kahjustusi liivaterade poolt ja võivad vajada kaitset osakeste eest, et säilitada efektiivset töövõimet. Tavapärane viis seda teha on kasutada pöörlevate osade ümber tihendeid, kuid eksoskeleti mehanismid võib katta ka kõva kangaga, mis töötaks kui eksoskeletti kaitsev nahk. Selline kangas eksoskeleti ümber võib kaitsa ka kandjat pitsituse eest.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. "BLEEX Project". Vaadatud 2008-10-15. 
  2. "Exoskeleton Suits For Wheelchair Users". Vaadatud 2010-09-04. 
  3. Yagin, Nicholas. “Apparatus for Facilitating Walking”. US Patent 440684 filed February 11, 1890 and issued November 18, 1890.
  4. Kelley, C. Leslie. “Pedomotor”. US Patent 1308675 filed April 24, 1917 and issued July 1, 1919.
  5. Specialty Materials Handling Products Operation General Electric Company,“Final Report On Hardiman Prototype For Machine Augmentation Of Human Strength And Endurance,” 30 August 1971.
  6. Exoskeleton
  7. Pons, J. L. "Wearable Robots: Biomechatronic Exoskeletons". Vaadatud 2008-02-10. 
  8. Building the Real Iron Man
  9. http://www.engadget.com/2010/07/21/hulc-exo-skeleton-ready-for-testing-set-to-hit-the-ground-runni
  10. Lockheed Unleashes 'HULC' Super-Strength Gear
  11. "Real-Life Iron Man: A Robotic Suit That Magnifies Human Strength", April 30, 2008, by Larry Greenemeier, Scientific American
  12. "Trouble walking? Try Honda's new exoskeleton legs", November 10, 2008 by Larry Greenemeier, Scientific American.
  13. "The Future of Exoskeletons: Lighter Loads, Limbs and More" by Larry Greenemeier, Scientific American, September 21, 2007
  14. "Exoskeleton could benefit troops with spinal injuries" August 8, 2010 by Seth Robson, Stars and Stripes (newspaper)
  15. http://www.engadget.com/2011/05/02/new-zealand-paralympian-buys-first-rex-bionics-exoskeleton-take/.
  16. Meeting the energy needs of future warriors, National Research Council (U.S.). Committee on Soldier Power/Energy Systems, National Academies Press, Aug 31, 2004, 113 pages
  17. Meeting the energy needs of future warriors, National Research Council (U.S.). Committee on Soldier Power/Energy Systems, National Academies Press, Aug 31, 2004, page 44
  18. Building the Real Iron Man
  19. Building the Real Iron Man
  20. Building the Real Iron Man
  21. Building the Real Iron Man

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]