CC BY
124
УДК 62-1/-9
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКЗОСКЕЛЕТОВ В РАЗЛИЧНЫХ ЦЕЛЯХ
Д. А. Горшкалев*, А. П. Исаев, В. В. Раменский, Н. П. Овсянников Научный руководитель - А. В. Кравченко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: gorshkalev1999@mail.ru
В рамках работы рассмотрено устройство экзоскелетов, приведены примеры разработок и проанализированы варианты их применения в военных и гражданских целях, предложены новые варианты их использования.
Ключевые слова: экзоскелет, перспективы применения, привод.
PERSPECTIVES OF USING EXOSKELETONS IN DIFFERENT PURPOSE
D. A. Gorshkalev*, A. P. Isaev, V. V. Ramenskiy, N. P. Ovsyannikov Scientific Supervisor - A. V. Kravchenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: gorshkalev1999@mail.ru
This work considers structure of exoskeletons, shows their various developments and analyzes the options of their application in military and civil purposes, suggests new options of their usage.
Keywords: exoskeleton, perspectives of usage, drive unit.
Мышечной силы человека часто бывает недостаточно для выполнения многих операций, например, связанных с переносом тяжелых грузов. Примерно с середины прошлого века ведётся разработка экзоскелетов - устройств, предназначенных для расширения физических возможностей человека за счёт внешнего каркаса и приводящих элементов [1]. Однако широкого распространения данные устройства пока не получили. Цель данной работы -рассмотреть и проанализировать возможные варианты применения экзоскелетов, чтобы определить, в каких целях оправдано их использование.
Исследования ведутся в области активных и пассивных экзоскелетов.
Общее устройство активных экзоскелетов можно описать следующим образом: на человека надевается каркас с датчиками, компьютером и приводами. Для управления приводами перспективно использовать биоэлектрические сенсоры, которые считывают нервные импульсы, посылаемые от мозга к мышцам[2]. Полученные сигналы передаются на компьютер. Компьютер, преобразуя полученный сигнал, передает его на силовые приводы, в виде которых могут выступать мощные сервоприводы или пневмоприводы (гидроприводы). Питание экзоскелета производится от аккумуляторов. Если в системе имеются (гидро)пневмоприводы, то добавляются резервуары с рабочей жидкостью.
Устройство пассивных экзоскелетов отличается от активных отсутствием приводов и источников питания. Принцип действия пассивных экзоскелетов заключается в запирании и освобождении суставов. Запирание суставов происходит при помощи специального тормозного механизма, смонтированного в каждом суставе. Управление суставами такого экзоскелета возможно только мускульной силой оператора.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 1
Рассмотрев устройство и принцип работы экзоскелетов, можно сделать вывод, что их производство вполне возможно при современном уровне развития промышленности. Тем не менее, наличие множества датчиков и ёмких аккумуляторов, а также необходимость применения лёгких и прочных материалов делает производство экзоскелетов достаточно дорогим. Для того чтобы выяснить, в каких целях их применение будет оправданным, проанализируем существующие модели экзоскелетов и их позиционирование.
Благодаря возможности увеличить физические способности человека, широкое применение экзоскелетов предполагается в военной сфере. Например, можно выделить разработку США «ОКУХ»[3]. По словам производителя, с помощью данного экзоскелета солдат сможет преодолевать значительные расстояния, а также переносить дополнительное снаряжение. Экзоскелет имеет массу 11,8 кг и может работать до 16 часов.
Существуют прототипы боевых экзоскелетов, наделяющие своего пользователя дополнительными преимуществами при ведении боя. К таким можно отнести комплект снаряжения «Ратник» (рис. 1) [4]. Ключевых элементов в нем четыре: система поражения, система защиты, система жизнеобеспечения, а также система связи, управления и целеуказания. «Ратник» может выдерживать высокие и низкие температуры, осадки и пыльные бури, а также неглубокие погружения.
Рис. 1. Комплект снаряжения «Ратник»
Кроме того, существуют такелажные экзоскелеты военного назначения. Примером является XOS 2 [5] производства Sacros-Raytheon Company США. Он предназначен для подразделений материально-технического обеспечения, занимающихся транспортировкой военного имущества. Его оператор без существенных усилий может поднимать грузы массой до 85 кг. Однако данная модель лишена автономности, поскольку экзоскелет постоянно связан силовым кабелем с источником питания, что сужает область его применения.
Наряду с военным прорабатываются варианты гражданского применения экзоскелетов. Одним из наиболее перспективных является их использование для восполнения утраченных функций организма пациентами, пережившими несчастные случаи, или парализованными. Однако такие экзоскелеты могут оказаться многим не доступными. Медицинские экзоскелеты иностранных производителей стоят $75-120 тыс. (5-8 млн рублей) [6].
Другим вариантом гражданского применения экзоскелетов является их использование для разбора завалов при аварийно-спасательных работах, для строительных работ или для решения задач, сопровождаемых переноской тяжелых грузов. В качестве примера выступают варианты экзоскелета «ЭкзоАтлет»[1].
Кроме того, возможно применение экзоскелетов в качестве защитной экипировки рабочих на тяжёлых производствах. Для этой цели лучше всего подходят пассивные экзоскелеты,
которые относительно дёшевы. Например, существует российская разработка ExoBelt -носимое устройство массой 3 кг. При его использовании нагрузка на мышцы спины снижается примерно на 40 %.Стоимость при массовом производстве - около $2000 [7].
Таким образом, были рассмотрены различные варианты применения экзоскелетов. Их использование в военных целях всегда будет актуально, так как позволяет значительно повысить боеспособность солдата. Однако следует понимать, что такие экзоскелеты должны быть надежны и иметь достаточное время автономной работы, чтобы получить действительно широкое распространение. Такелажные экзоскелеты кажутся малоперспективными, так как могут быть заменены специальными машинами, применение которых намного дешевле. В целях двойного назначения наиболее перспективным представляется применение медицинских экзоскелетов, однако стоимость их должна снизиться для массового использования. Актуально и применение пассивных экзоскелетов в качестве экипировки рабочих на тяжёлых производствах, что позволит снизить вред организму, уменьшить травмоопасность. В качестве перспективности можно отметить использование совмещения экзоскелета со скафандром, например, для работы на зараженных участках местности. В космосе такие гибриды могут стать полезными как для снятия, так и для увеличения нагрузки на мышцы человека в различных ситуациях полета.
Библиографические ссылки
1. Яе1§а[Электронный ресурс]. URL: http://www.relga.ru/Environ/WebObjects/tgu-www.woa/ wa/Main?textid=3647&1eve11=main&1eve12=artic1es (дата обращения 06.03.2020)
2. Newsru.com [Электронный ресурс]. URL: https://www.newsru.com/wor1d/12apr2005/ pobot.htm1 (дата обращения 07.03.2020).
3. Наука и техника [Электронный ресурс]. URL: https://naukatehnika.com/boevyie-ekzoske1etyi-onyx.htm1 (дата обращения: 08.03.2020).
4. Телеканал «Звезда» [Электронный ресурс]. URL: https://tvzvezda.ru/news/forces/ content/201708250950-f7g4.htm (дата обращения: 08.03.2020).
5. Gunsity.ru [Электронный ресурс]. URL: http://www.gunscity.ru/667-ekzoske1et-xos-2.htm1 (дата обращения: 08.03.2020).
6. Известия [Электронный ресурс]. URL: https://iz.ru/940397/ignat-shestakov/khodiachii-ske1et-na-chto-sposobny-rossiiskie-ekzoske1ety(flaTa обращения: 06.03.2020).
7. Иновационный центр «Сколково» [Электронный ресурс]. URL: https://sk.ru/news/ b/artic1es/ archive/2019/04/16/.aspx (дата обращения 06.03.2020).
© Горшкалев Д. А., Исаев А. П., Раменский В. В., Овсянников Н. П., 2020
