Конструкции для людей с ограниченной подвижностью должны быть максимально надежными, эргономичными и безопасными. Все подвижные узлы экзоскелетов испытывают повышенные нагрузки. Из-за трения, которое возникает между сопряженными поверхностями, быстро изнашиваются регулировочные пластины. Для решения этой проблемы компания "Моденжи" предложила производителям использовать покрытия MODENGY.
В данной статье освящен реальный опыт применения наших материалов на деталях экзоскелета, а также собрана информация об истории и видах этих устройств.
История экзоскелета
Еще недавно "железный человек" был героем комиксов и фантастических боевиков. Сегодня, благодаря передовым технологиям в робототехнике, сверхспособности может приобрести любой из нас. Концепция увеличения человеческих возможностей перешла из мечты в реальность благодаря разработчикам экзоскелетов – устройств, предназначенных для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц и расширения амплитуды движений.
Первый экзоскелет был произведен в 60-х годах 20 века совместными силами General Electric и ВС США. Конструкция под названием Hardiman представляла собой станок с большим манипулятором, в который для управления вставлялась рука.
Манипулятор поднимал 110 кг с усилием, необходимым для 4,5 кг. Однако из-за большого собственного веса (680 кг) экзоскелет двигался неконтролируемо и не имел успеха.
Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке, однако ее вес (750 кг) более чем в два раза превышал подъемную мощность (340 кг). Таким образом, практическое применение этой конструкции также было ограничено.
Самой удачной разработкой стал экзоскелет ReWalk от компании ReWalk Robotics. Этот агрегат повторял биомеханику человека и позволил парализованным людям ходить.
Классификация экзосклетов
Современные экзоскелеты делают людей быстрее, сильнее и восприимчивее.
По источнику энергии и принципу работы привода существуют пассивные и активные устройства. По точке приложения (локализации) выделяют скелеты верхних и нижних конечностей, а также цельные экзоскелеты-костюмы.
Сами конструкции могут быть легкими (до 5 кг), средними (от 5 до 30 кг) и тяжелыми (более 30 кг).
В зависимости от назначения производят военные, медицинские, промышленные, космические экзоскелеты.
Военные экзоскелеты повышают мобильность и выносливость пеших тактических подразделений за счет компенсации высокой физической нагрузки солдат.
Военный экзоскелет
Экзоскелеты, интегрированные в военную экипировку, представляют собой многофункциональную систему. Помимо основного предназначения, они выполняют функции электрогенератора, хранилища аккумуляторных батарей, каркаса для крепления модулей бронезащиты, средств телекоммуникаций, сенсоров и датчиков, систем передачи и приема радиосигналов.
Некоторые модификации экзоскелетов используются в ходе спасательных операций, упрощая процесс разбора завалов рухнувших зданий. При этом конструкция защищает спасателя от падения обломков.
В промышленности экзоскелеты применяются для подъема тяжестей, а также выполнения других сложных операций.
Например, аппарат H-Lex от Hyundai позволяет человеку с легкостью поднимать до 60 кг, гибкий и подвижный экзостул Chairless Chair снимает напряжение в мышцах в случае необходимости длительного стояния или нахождения в полуприседе. Экзоскелет для грузчиков MAX SuitX дублирует опорно-двигательный аппарат человека, убирая с него часть нагрузки. Конструкция автоматически распознает момент начала работы и включается в нужное время.
Медицинские экзоскелеты призваны помогать людям, которые с рождения не имели возможности ходить, потеряли ее после тяжелой травмы или в силу возраста.
Одна из таких моделей производится компанией Honda в трех весовых категориях – малой, средней (2,8 кг) и большой.
Очень популярны конструкции Hybrid Assistive Limb (HAL). Существует HAL для ног или для рук-ног-торса. Такой экзоскелет позволяет поднять груз, вес которого в 5 раз превышает возможности человека. Приводы этого устройства работают от импульсов мускул. HAL может использоваться для реабилитации инвалидов и пожилых людей, в ходе строительных и спасательных операций.
В нашей стране разработкой медицинских экзоскелетов занимается команда ученых проекта ExoAtlet. Их изделия предназначены для реабилитации, социальной адаптации и интеграции людей с нарушением моторных функций нижних конечностей.
Источник изображения: VE.Studio / www.shutterstock.com/ru
Разработчики заявили, что их экзоскелеты подойдут для людей, перенесших травмы спинного мозга и инсульты. В настоящее время создано несколько действующих изделий. Последняя модификация, ExoAtlet Albert, управляется при помощи костылей, позволяя человеку самостоятельно ходить, садиться и вставать.
С какими проблемами сталкиваются разработчики?
В наше время рабочие прототипы экзоскелетов уже построены, однако запуск их серийного производства и широкое применение невозможны по ряду причин. В первую очередь, из-за отсутствия таких источников энергии, которые могли бы позволить машинам работать автономно в течение длительного времени.
К примеру, экзоскелет XOS от компании Sarcos был разработан по заказу армии США. Специалисты отмечают, что устройство спроектировано очень удачно, однако из-за отсутствия аккумуляторов достаточной емкости даже его демонстрацию пришлось проводить в режиме питания от сети.
Не менее значимыми факторами, ограничивающими использование экзоскелетов, является их высокая стоимость и сложность обслуживания.
Главная проблема состоит в том, чтобы на долгое время обеспечить отличное техническое состояние устройства, не нарушая гигиенических требований. Особенно это касается медицинских экзоскелетов.
Решения MODENGY для экзоскелетов
Надежность функционирования экзоскелетов зависит от качества сборки, применяемых материалов и технологий. Большое внимание при конструировании уделяется тем узлам, которые испытывают большие нагрузки, подвержены трению и износу.
В первую очередь, это регулирующие элементы экзоскелета. Прямоугольные металлические пластины перемещаются в специальных пазах корпуса. В нужном положении они стягиваются сквозь отверстия шпильками.
При работе экзоскелета между поверхностями пластин и корпуса неизбежно возникают микроперемещения. В результате регулирующие элементы начинают скрипеть, быстро изнашиваются и приходят в негодность.
Для решения проблемы скрипа и износа компания "Моденжи" предложила обрабатывать регулировочные пластины специальным твердосмазочным покрытием. Оно наносится тонким слоем (20 ± 5мкм) и защищает контактирующие поверхности. Покрытие не выдавливается под нагрузкой и выдерживает многократные регулировки.
При сборке экзоскелетов применяются покрытия MODENGY 1014 и MODENGY 1066.
Оба покрытия в основе содержат дисульфид молибдена – вещество с высокой несущей способностью и низким коэффициентом трения. MODENGY 1014, помимо МоS2, включает политетрафторэтилен (ПТФЭ), а MODENGY 1066 – поляризованный графит. Твердые компоненты придают материалам износостойкость и обеспечивают длительный срок службы.
Названные покрытия отверждаются при нагреве за 40 минут. После полной полимеризации материала на поверхностях регулировочных пластин образуется прочный и гладкий защитный слой. В отличие от обычных смазок, покрытие не пачкается и не оказывает токсичного воздействия на человека.
Благодаря использованию покрытий при контакте регулирующих элементов с алюминиевым корпусом не возникает скрипа, коэффициент трения оказывается максимально низким, детали приобретают надежную антикоррозионную защиту.
Результаты нанесения покрытия MODENGY 1066 вы можете увидеть на иллюстрации ниже.
Таким образом, покрытия MODENGY решают одну из актуальных проблем разработчиков экзоскелетов, связанную с обслуживанием устройств. Они наносятся однократно и не требуют дальнейшего возобновления, что значительно упрощает сервис и повышает уровень комфорта носителя экзоскелета.
За более подробной информацией и получением консультации по решению специфических задач обращайтесь в компанию "Моденжи".
Запросить информацию