Блог компании ИТМО. В одной из лабораторий факультета систем управления и робототехники ИТМО разрабатывают экзоскелет из титана, который можно будет производить серийно. Пока проект на стадии 3D-печатного макета, но уже сейчас он выделяется на фоне аналогичных разработок своей подвижностью ― почти не сковывает движения. А будущий прототип из титана не потеряет в подвижности, зато ― по прочностному расчету ― поможет работать с весом до 80 кг. В этой статье рассказываем, откуда появился и как развивается проект.

Дисклеймер

Со словом «экзоскелет» у многих возникают медицинские ассоциации. Действительно, есть целый класс изделий, которые фиксируют травмированные конечности и тем самым способствуют их более быстрому восстановлению. Но в этой статье речь пойдет о принципиально другой разработке, не связанной с медициной ― об экзоскелетах, которые предназначены для разгрузки опорно-двигательного аппарата здорового человека и помогают решать задачи в промышленности или МЧС.

Если в медицине, как правило, востребованы устойчивые конструкции, то промышленные экзоскелеты, наоборот, должны обладать максимальной подвижностью. Их задача ― защищать человека от воздействия внешней нагрузки. Экзоскелет самостоятельно стоит на поверхности, а весь внешний груз закрепляется на его каркасе, минуя опорно-двигательный аппарат. Те есть в статике эта нагрузка вообще не заметна. В динамике, понятно, она ощущаться будет, но для ее компенсации экзоскелет можно сделать активным, используя приводы.

Очевидное применение промышленного экзоскелета ― грузоперевозки, необорудованные производственные линии, где необходимо вручную перемещать тяжелые предметы между конвейерными лентами, любые предприятия, где грузы нужно переносить по лестницам. В зависимости от решаемой задачи, экзоскелеты могут быть не полноростовые, а представлять собой отдельные модули. К примеру, это может быть конструкция для поддержки рук человека, который выполняет операции на подвесном конвейере на заводе по производству тех же автомобилей.

В чем проблема существующих разработок

Промышленный экзоскелет не должен сковывать движения, то есть имеет смысл строить его на такой кинематической схеме, которая позволяет суставам человека двигаться естественным образом. Однако схема эта не так проста.

Большая часть экзоскелетов, которые сегодня разрабатываются в мире, основаны на работах Миомира Вукобратовича. Это югославский инженер, который в 1970-х годах занимался антропоморфной робототехникой. Он предложил кинематическую схему, которая до сих пор используется разными предприятиями ― например Sarcos, «ЭкзоАтлет», «Эксорайз», ExoHeaver и другими производителями экзоскелетов и носимых роботов.

Плюс этой схемы в том, что она уже не один раз описана и хорошо изучена. Минус ― у нее сразу несколько конструктивных ограничений подвижности. Например, в схеме крайне примитивно реализованы коленный и тазобедренный сустав. Это значит, что в любом экзоскелете, основанном на такой кинематической схеме, человеку будет попросту сложно двигаться. Многие производители пытаются учитывать ограничения и дорабатывать свои конструкции, но это получается не всегда успешно.

Команда факультета систем управления и робототехники ИТМО предложила собственную кинематическую схему экзоскелета, которая по степени подвижности обходит большинство существующих решений. Спойлер ― отличия от творения «отца экзоскелетостроения» наглядно видны на графике имитационного моделирования (подробнее о нем далее).

График среднего отклонения звеньев костюма от траектории суставов человека. Во время моделирования каркас экзоскелета отклоняется от «виртуальной» модели человека, так как без смещений не обойтись. Экзоскелет прикреплен к человеку через демпферы, и когда на каком нибудь демпфере на той или иной конечности возникает сильное смещение (человеку при этом становится очень неудобно), на демпфере появляется усилие. Эти усилия считываются по всем точкам крепления к человеку, берется среднее арифметическое, в результате строится график отклонений звеньев экзоскелета от человека с течением времени.

Предыстория

Как это часто бывает, проект начался случайно ― просто в один момент на факультете собрались люди, у каждого из которых уже накопились собственные наработки в области экзоскелетов.