Egzoszkielet możliwości wykorzystania we współczesnej inżynierii

Transkrypt

1 Sabina KOWALSKA, Sławomir HERMA Katedra Inżynierii Produkcji, Akademia Techniczno Humanistyczna w Bielsku - Białej E mail: skowalska@ath.bielsko.pl, sherma@ath.bielsko.pl Egzoszkielet możliwości wykorzystania we współczesnej inżynierii Streszczenie: W artykule przedstawiono ideę budowy oraz możliwości praktycznego zastosowania tzw. egzoszkieletów urządzeń (mechanizmów) konstruowanych w postaci specyficznego kombinezonu, umożliwiających odciążenie ludzkich mięśni, redukcję wysiłku człowieka lub nawet zastąpienie niektórych części ciała (obarczonych dysfunkcjami). Praca prezentuje znane dotychczas rozwiązania egzoszkieletów, będące wynikami badań prowadzonych przez ośrodki amerykańskie, europejskie oraz azjatyckie. Na podstawie omówionych rozwiązań, w ramach artykułu przedstawiono również pewne propozycje dotyczące zastosowania egzoszkieletów w dziedzinie inżynierii produkcji. 1. Historia powstania i koncepcja użytkowania W latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia (1968 r.), firma General Electric wraz z zespołem naukowców z uniwersytetu Cornell w Ithaca, rozpoczęła prace nad projektem konstrukcji elektryczno hydraulicznego skafandra wspomagającego wysiłek fizyczny człowieka. Ponieważ twór ten stanowił swoisty, zewnętrzny, dodatkowy rodzaj szkieletu dla człowieka, przyjęła się nazwa egzoszkielet na jego określanie. W wyniku podjętych prac i sporych nakładów finansowych, udało się skonstruować urządzenie zwane Hardiman. Urządzenie przedstawione na rysunku 1 umożliwiało, wg jego twórców, podniesienie ciężaru ok. 700 kg za pomocą jednej ręki, przy czym ciężar odczuwalny przez operatora miał wynosić zaledwie 20 kg. Pomimo sukcesu projektu i początkowej euforii, której towarzyszyły przewidywania dalszego rozwoju urządzenia oraz komentarze o tym, że przyjęta koncepcja i zastosowane rozwiązania technologiczne wyprzedziły epokę, okazało się, że praktyczna jego użyteczność jest raczej znikoma. Nie ukrywano faktu, iż początkowe egzemplarze kosztowałyby znacznie więcej niż potencjalni nabywcy zechcieliby za nie zapłacić, lecz ograniczone możliwości w zakresie mobilności urządzenia oraz skomplikowany system zasilania (wymagający dodatkowego pomieszczenia) dyskwalifikowały jego utylitarność praktyczną. W trakcie testów okazało się ponadto, że Hardiman mógł podnosić ciężary o wadze 350 kg (choć w projekcie zakładano 700 kg), a przy dłuższej pracy posiadał tendencje do wykonywania niebezpiecznych niesko- 27

2 ordynowanych ruchów. Od dalszego rozwoju prototypu odstąpiono i postanowiono skonstruować tylko jedno ramię. Konstrukcję udało się sfinalizować, choć samo urzą- dzenie ważyło ok. 250 kg i było równie niepraktyczne jak cały wcześniejszy egzoszkielet. Ostatecznie zadecydowano o zaniechaniu dalszych badań. Pomimo tego, idea budowy zewnętrznego szkieletu wspomagającego pracę mięśni, stał się później inspiracją dla innych naukowców, wizjoonerów oraz reżyserów filmów z gatunku sci-fi. Rys. 1. Prototyp egzoszkieletu o nazwie Hardiman 2. Światowe projekty badawcze przegląd rozwiązań 2.1. Projekty amerykańskie W latach 80. ubiegłego stulecia, a więc stosunkowo niedługo od momentu porzucenia pierwszych prób konstrukcji egzoszkieletu, upadłym projektem zainteresowała się jednak Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Obrony USA (DARPA). Agencja ta odpowiedzialna jest za rozwój projektu FCS (ang. Future Combat Systems) ) dotyczącego przyszłościowych systemów pola walki. Wykorzystując doświadczenia poprzedników, w ramach projektu opracowano egzoszkielet z myślą o wykorzystaniu przez żołnierzy celem poprawy zdolności bojowych. Podstawowym założeniem przyjętym przez konstruktorów było ograniczenie wagi urządzenia oraz uzyskanie mobilności w taki sposób by żołnierz mógł poruszać się z prędkością 13 km/h niosąc przez 12 godzin ciężar 70 kg. Pierwszy tego rodzaju mechanizm wykorzystywał więc bardzo lekkie materiały kompozytowe oraz silniki wspomagające, jednak rzeczywiste efekty w postaci autonomicz- 28

3 nych rozwiązań o znaczeniu praktycznym udało się osiągnąć dopiero na początku XXI wieku (projekt BLEEX Berkeley Lower Extremity Exoskeleton). Należy podkreślić, że oprócz zastosowań militarnych, rozwijane są obecnie projekty o charakterze cywilnym. Laboratorium Robotisc & Human Engineering jest w trakcie badań nad następującymi rozwiązaniami: ExoHiker egzoszkielet przeznaczony dla uczestników wypraw, gdzie istnieje konieczność przetransportowania ekwipunku o znacznym ciężarze na dużych dyegzoszkielet przeznaczony dla turystów lub osób pokonujących schody lub duże wzniesienia, o wydajności porównywalnej z poprzednim modelem. stansach; ExoClimber Medical Exoskeleton egzoszkielet przeznaczony dla osób z upośledzeniem rucho- wym kończyn dolnych. Rys. 2. BLEEX Interesującym i chyba najbardziej zaawansowanym technologicznie projektem egzoszkieletu przeznaczonego dla celów militarnych jest HULC firmy Lockheed Martin. Choć wygląda dość wiotko, zamienia rekruta w mocarza. Firma najprawdopodobniej korzystając z projektu BLEEX, wyprodukowała swój model hydraulicznego egzoszkieletu, który jest lekki, łatwy w obsłudze i skuteczny. Pozwala bowiem żołnierzom przenosić ładunki sięgające 100 kilogramów przez dłuższy czas bez zmęczenia i nadmiernego obciążania organizmu. 29

4 Rys. 3. ExoHiker, ExoClimber, Medical Exoskeleton Rys. 4. HULC firmy Lockheed Martin Urządzenie może pracować niemal w każdej pozycji. Pozwala biegać z ładunkiem. Samo założenie egzoszkieletu zajmuje zaledwie 30 sekund. Co ciekawe nawet jeśli skończą się baterie egzoszkielet nadal zachowuje swoje funkcje, nie utrudnia także pracy żołnierzowi. Zdjęcie egzoszkieletu trwa parę sekund, co ułatwia ucieczkę w krytycznych momentach. Zamiast sakwy na ładunek można przypiąć do niego sprzęt używany w czasie wykonywania zadań lub uzupełnić egzoszkielet o wysięgnik do noszenia ciężkich ładunków z przodu. Egzoszkielet nadaje się także dla grup operacyjnych działających w polu oraz dla służb szybkiego reagowania i antyterrorystycznych, gdzie nadaje się do przenoszenia m.in. płyt przeciwpociskowych. Przy tym HULC nie wymaga specjalnego sterowania. 30

5 2.2. Projekty azjatyckie O ile w Stanach Zjednoczonych konstrukcje szkieletów zewnętrznych nastawione są raczej na zastosowania militarne, o tyle ośrodki azjatyckie tworzą rozwiązania z myślą o wspomaganiu układu ruchowego ludzi w aspekcie cywilnym. Japoński naukowiec Yoshiyuki Sankai z Graduate School of Systems and Information Engineering na Tsukuba University opracował egzoszkielet nazwany HAL 5 (Hybrid Assistive Limb, piątej generacji). Jego egzoszkielet składa się z napędzanego silnikami metalowego szkieletu pokrytego tworzywem sztucznym, w którym są schowane wszystkie elementy sterujące. Jest on mocowany paskami do tułowia i kończyn człowieka, zapewniając mu zewnętrzne wzmocnienie w każdej pozycji oraz podczas poruszania się, a także zwiększenie możliwości kończyn górnych i dolnych przez dodawanie do siły człowieka mocy silników egzoszkieletu. Jest to szczególnie istotne dla pacjentów w podeszłym wieku, osłabionych lub z porażeniami. Moc silników jest wystarczająca, aby dodać do udźwigu człowieka ok. 40 kg, bez względu na to, jaki ciężar mógł on unieść bez urządzenia i utrzymać taki ciężar w rękach przez 5-10 minut. Dodatkowo rozmieszczenie elementów sterujących i napędowych w pojemnikach wewnątrz obudowy umożliwiło pozbawienie HAL-a 5 tak charakterystycznego dla większości egzoszkieletów, plecaka, który upodabniał go do wielkiego owada. Rys. 5. Egzoszkielet HAL-5 Najbardziej skomplikowanym problemem dla konstruktora HAL-a było zaprojektowanie systemu odczytującego zamiary człowieka. Takie funkcje należą do najtrudniejszych w realizacji, ponieważ system informatyczny w bardzo krótkim czasie musi odczytać wolę użytkownika, zareagować, zinterpretować i ją zrealizować. Jest to możliwe m.in. dzięki zespołowi czujników zamocowanych na skórze człowieka. Odbierają one zmiany pola elektrycznego pojawiające się w mięśniach po wysłaniu polecenia przez mózg. Po 31

6 interpretacji przez komputer impulsów dochodzi do uruchomienia odpowiednich silników egzoszkieletu. Musi to oczywiście trwać wystarczająco krótko, aby ruch był płynny i naturalny. Po zainicjowaniu ruchu, automatycznie zostaje zapoczątkowana analiza indywidualnych możliwości oraz potrzeb użytkownika. Jest to jedne z rozwiązań sterowania egzoszkieletem. Sterowanie może bowiem odbywać się na cztery sposoby: Sterowanie mechaniczne osoba jest częściowo sprawna i ma możliwość kontrolowania egzoszkieletu manualnie np. rękami za pomocą joysticka. Sterowanie głosem osoba nie ma możliwości ruchowych, ma jednak możliwość wypowiadania komend głosowych, które są przesyłane poprzez mikrofon do komputera, a w nim odpowiednio interpretowane na odpowiadającą danemu zwrotowi funkcję egzoszkieletu (czynność), po czym z komputera wysyłana jest do sterownika egzoszkieletu odpowiednia seria instrukcji do wykonania (zadziałania odpowiednich siłowników) - np. odpowiadających czynności podnieś rękę, wstań, idź itp. Te charakterystyczne elementy mogą się zmieniać, są różne u różnych osób. Słownik komend aktualizuje się automatycznie, bez przerwy analizując ruchy człowieka. Sterowanie czujnikami naskórnymi lub podskórnymi (implantami) metoda polegająca na założeniu pacjentowi serii implantów, które wzmacniając impulsy nerwowe, odczytują na ich podstawie intencje ruchowe osoby, a następnie przekazują te "intencje" (wzmocnione impulsy) do komputera sterującego. W przypadku tej metody wymagana jest częściowa sprawność układu nerwowego. Teoretycznie sterowanie egzoszkieletem mogłoby się odbywać bezpośrednio z użyciem fal mózgowych po podłączeniu do głowy osoby serii elektrod, odpowiednie rodzaje impulsów, przekazywane byłyby do komputera, który na tej podstawie uruchamiałby odpowiednie funkcje egzoszkieletu. Jednak obecnie nie istnieją jeszcze prototypy działające w ten sposób. Konstruktor HAL-a twierdzi, że kolejne etapy modernizacji egzoszkieletu będą prowadziły w kierunku stworzenia cienkiego kombinezonu, który umożliwi użytkownikowi swobodne ruchy, a nawet bieg. W Polsce barierą w rozpowszechnianiu egzoszkieletów może być cena. Parametry egzemplarza demonstracyjnego: waga: 15 kg (tylko kończyny dolne) lub 24 kg (kończyny dolne i górne); zasilanie: dwa zestawy akumulatorów; czas pracy (autonomiczność): 2 godziny 40 minut; napęd: silniki elektryczne prądu stałego; sterowanie: komputer z bezprzewodowym systemem komunikacyjnym; dwa oddzielne systemy kontrolne: pierwszy odbiera sygnały przekazywane z mózgu do mięśni i kieruje wspomaganiem takich czynności jak wstawanie czy chód, drugi system zapewnia wzorzec chodu (i jego wspomagania jednocześnie) charakterystyczny i właściwy dla danego pacjenta; czujniki: dwa systemy, pierwszy to czujniki kąta zgięcia stawów kończyn (np. biodra, kolana i kostki w każdej z nóg), drugi to mocowane do skóry czujniki bioelektryczne monitorujące impulsy nerwowe z mózgu do mięśni. 32

7 Zespół Kejiro Yamamoto z Politechniki Kanagawa zaprojektował i zbudował egzoszkielet jako rodzaj wspomagającej uprzęży mocowanej do kończyn użytkownika, przeznaczonej dla pielęgniarek oraz salowych z myślą o wspomaganiu przenoszenia pacjentów. Na razie ze względu na wystające kable i przewody pneumatyczne jest on raczej mało wygodny, ale trwają prace nad udoskonaleniem projektu. Umieszczone nad głównymi grupami mięśniowymi sensory pozwalają komputerowi obliczyć, ile trzeba użyć siły, by podnieść pacjenta. Pneumatyczne siłowniki wspomagają ruchy rąk i nóg, poruszając się łagodnie i z siłą zależną od wysiłku ich mięśni. Siłowników jest pięć dwa w okolicy łokci i kolan, piąty w rejonie pasa. Głównym zastosowaniem urządzenia o nazwie Power Assist Suit ma być pomaganie pielęgniarkom i fizjoterapeutom w kładzeniu pacjentów na łóżka i zdejmowaniu z nich. W czasie prób ważąca 64 kg pielęgniarka była w stanie podnieść i przenosić pacjenta o wadze 70 kg. Urządzenie jest znacznie wygodniejsze niż stosowane niekiedy elektryczne i hydrauliczne podnośniki podobne do dźwigu, do których trzeba pacjenta mocować odpowiednią uprzężą. Rys. 6. Power Assist Suit Ciężar samego egzoszkieletu obecnie około 18 kilogramów powinien się zmniejszyć do połowy w ostatecznej wersji. Ma się ona pojawić w ciągu dwóch lat i kosztować poniżej 2 tys. dolarów. Innym ciekawym rozwiązaniem przeznaczonym dla osób zniedołężniałych, dla których jedyną alternatywą byłby wózek inwalidzki jest tzw. asystent chodu rodzaj egzoszkieletu, który pomaga podnosić nogi i usprawnia marsz, dając upragnioną samodzielność. Zestaw jest instalowany na uprzęży, którą mocuje się wokół pasa, a w dolnej partii wokół ud. Asystent waży prawie trzy kilogramy i dzięki wykorzystaniu silników elektrycznych ułatwia podnoszenie nóg. Ta technologia to uboczny produkt badań nad 33

8 robotem-humanoidem ASIMO. Ma mieć trzy rozmiary (mały, średni i duży), pasuje do różnych rodzajów sylwetki, założą go osoby szczupłe i otyłe. Wynalazek opracował Fundamental Technology Research Center japońskiego koncernu Honda R&D. Rys. 7. Asystent chodu firmy Honda Opracowana przez inżynierów Hondy inna wersja asystenta chodzenia ma zdecydowanie większe możliwości. Urządzenie to nie jest przymocowane do pasa, ale posiada przypominający rowerowe siodełko element podpierający pośladki oraz podobną do nogi konstrukcję, zakończoną specjalnie opracowanym obuwiem. Dzięki temu podczas używania nowego egzoszkieletu Hondy konieczność utrzymania ciężaru ciała na nogach jest minimalna. Przyrząd ten jest w stanie wspierać chodzenie po równej podłodze, schodach, a nawet łatwym terenie, jak ścieżki, czy piaszczyste plaże Projekty europejskie Cechą charakterystyczną dla naukowych ośrodków badawczych w Europie jest koncentracja na tworzenie cybernetycznych rozwiązań pojedynczych części ciała. Najbardziej znanym przypadkiem jest fakt wykorzystania projektu egzoszkieletu do stworzenia pierwszej na świecie zrobotyzowanej bionicznej ręki, jako protezy. W bionicznej ręce każdy palec działa osobno i jest sterowany przez właściciela za pomocą impulsów mioelektrycznych. Sztuczna ręka jest w stanie wypełniać różne proste czynności: chwytać przedmioty i przytrzymywać je, wziąć klucz, włożyć go do zamka i przekręcić, a oprócz tego podnosić torby z zakupami. Bioproteza jest zaopa- 34

9 trzona w silikonową rękawiczkę, która imituje fakturę i kolor skóry, a nawet drobne żyłki tak doskonale, że z trudem można odróżnić rękę prawdziwą od sztucznej. i-limb to pierwsza proteza, która może poruszać nadgarstkiem i palcami w sposób maksymalnie zbliżony do naturalnych ruchów. Rys. 8. Idea bionicznej ręki 3. Potencjalne możliwości zastosowania w inżynierii Choć obecnie na świecie (głównie w USA i Japonii) trwają prace nad różnymi wersjami egzoszkieletów, głównie z założeniem wykorzystania w celach wojskowych dla poprawienia zdolności bojowych żołnierza na polu walki, to spektrum zastosowania tych rozwiązań można znacznie rozszerzyć: w budownictwie, górnictwie, przemyśle, rolnictwie lub wszędzie tam, gdzie istnieje konieczność przenoszenia ciężkich przedmiotów na różne odległości. Szczególnym przypadkiem może być zastosowanie w magazynach z ograniczonym dostępem manewrowym wózków widłowych, podnośników lub podobnych w działaniu urządzeń; w przemysłowych halach produkcyjnych, gdzie odbywa się montaż ciężkich przedmiotów w warunkach ograniczonych przestrzennie; 35

10 w sytuacjach, gdy pracownik narażony jest na długotrwałe przebywanie w niekorzystnych, wytężonych pozycjach lub niesprzyjających warunkach pracy; w sytuacjach gdy wymagane jest wielokrotne pokonywanie nawet krótkich odcinków pieszo lub długotrwałego przebywania w pozycji stojącej; w przypadkach wykonywania ciężkich prac fizycznych. Współczesna technika stwarza coraz większe możliwości w zakresie wspomagania człowieka w wielu dziedzinach jego działalności. Jednakże swoistym znakiem czasów jest fakt, że nowe wynalazki i rozwiązania najpierw znajdują zastosowanie przede wszystkim w sferze militarnej (tzn. przeciwko człowiekowi) a dopiero później wykorzystywane są w jego służbie. Pocieszające jest jednak to, że w tym drugim przypadku, zarówno potrzeb jak i potrzebujących jest znacznie więcej niż w pierwszym. Literatura 1. Fonelli S., Power dressing, w New Scientist nr , 2. Greenmeier L., The future of exoskeletons, w Scientific American, IX 2007, 3. Weiss P., Dances with robots, w Science News, v.159.nr 26, 2001,