28.09.2021, 10:17
В компьютерных играх и кино экзоскелет — привычный аксессуар. Когда зрители в сотый раз видят очередную интерпретацию костюма, который усиливает человеческие способности, создается ощущение, что что-то подобное уже давно существует и в реальности. На деле аналоги грозных боевых костюмов вне экранов довольно скромные, не такие футуристичные и еще далеки от совершенства. Но если знать, где искать, то можно обнаружить припрятанные проекты — без пяти минут воплощенные в реальности фантастические экзокостюмы. Один из таких «экзоскелетов в шкафу» — разработка студента Университета ИТМО Алексея Ледюкова.
Дмитрий Григорьев
Семь раз отмерь
Все началось в 8 классе. Я увлекался робототехникой — делал радиоуправляемый танк и другие девайсы. Потом решил, что хочу сконструировать что-то более сложное, чтобы можно было надолго «увязнуть». Пришла мысль сделать экзоскелет, который поможет человеку поднимать грузы. Я смотрел разные ролики про другие костюмы, из бумаги сделал примерный макет. Потом летом в деревне с дедушкой в гараже начал варить первый каркас из проволоки.
Экзокостюмы делятся на пассивные и активные. Пассивные костюмы перераспределяют вес человека без каких-либо приводов, только за счет базовых законов физики. А у активного костюма есть дополнительный источник энергии, за счет которого костюм и помогает человеку. Сейчас полностью активные костюмы работают только в промышленности. В армии есть костюмы смешанного типа, с активными приводами только в ногах и бедрах, но пока только на стадии прототипов. Проблема активных костюмов сейчас — это малая подвижность. Поэтому я решил делать именно активный экзоскелет, поскольку это востребованнее и сложнее.
Ход работы был довольно утомительный. Мы замеряли интервалы, ставили метки маркером и отрезали деталь. После «примеряли» её на мне, я снимал костюм, и мы приваривали еще одну часть каркаса. Одна деталь — одна примерка. Модель подгонялась под человека — мы искали точки вращения, где подвижность будет максимальной. При этом старались, чтобы конструкция была не громоздкой по габаритам. Получилось что-то вроде «Франкенштейна», везде были сварные швы. Смотрелось это довольно жутко.
Затем ставили привода — сначала только на руках, ноги были пассивные. Мы брали что-то в руки, и они держали вес. Первым грузом, который я поднял в экзоскелете, был свинцовый аккумулятор от автомобиля, 15–20 кг. Поднял — вроде, ничего не отвалилось, конструкция держалась. В первой версии тяжесть ощущалась, так как еще не все приводы стояли на руках. Но все равно — основную нагрузку костюм брал на себя.
Сила воздуха
Работа моего экзоскелета основана на пневматике. В ресивер закачивается воздух, который под давлением превращается в энергию. Когда человек совершает движение конечностью, срабатывают резистивные датчики давления, стоящие на сгибах. Блок управления экзоскелета определяет скорость и направление движения, которое задает человек. Костюм при этом не дает никакого сопротивления, а двигает приводы в ту же сторону. Сигнал, который идет от датчиков, обрабатывается и закрывает или открывает клапана, подающие воздух под давлением. Когда человек берет груз, костюм «фиксирует» усилие груза и компенсирует его. Человек будет ощущать вес, но его мышцы не будут напрягаться.
Модель активного экзоскелета Auxilium Дмитрий Григорьев
Преимущество пневматического костюма в том, что закаченный в пневмоцилиндры воздух создает постоянное усилие поддержки без траты энергии. А сервоприводу для поддержания необходима постоянная подпитка. Работа электрокостюма требует больших электрических нагрузок, которые может выдержать не каждая сеть. С пневматикой работать проще — при зарядке ресивер наполняется равномерно, без скачков, да и на многих предприятиях есть пневмосети. К тому же в текущей модели костюма предусмотрена пневмосистема с ресивером высокого давления, и он будет полностью автономен — время работы от 40 минут до 3–4 часов в зависимости от того, какие нагрузки испытывает экзоскелет и какие движения совершает носитель. Кроме того, это выгодно экономически. Текущая версия стоит примерно 1,5 млн рублей. Это в разы дешевле, чем электрические модели — они стоят около 10 млн рублей.
Спасатель будущего
Одни из главных характеристик экзокостюма — масса и габариты, особенно они важны для служб спасения, например МЧС. Раньше мой костюм весил почти 100 кг, но использование композитных материалов в новых прототипах снизил вес до 45 кг. Уменьшить габариты экзоскелета удалось без потери прочности звеньев конструкции. Для этого я напечатал детали на 3D-принтере, а затем вручную нанес углепластик на получившиеся заготовки. Процесс довольно трудоемкий, так как необходимо потом обработать детали и довести их до нужной формы шлифовальным станком.
Новый костюм будет изготовлен более технологично — с использованием двухкомпонентного пластика с армированием углеволокном.
Не менее важна подвижность экзоскелета. У существующих на данный момент образцов нет достаточного количества степеней свободы, чтобы обеспечить естественные движения человека. Мы же хотим презентовать костюм, который не сковывает движения человека. «Начинку» еще предстоит сделать, но сам костюм должен быть более анатомическим. Также будет решен вопрос регулировки размеров костюма. Его можно будет отрегулировать под рост от 170 до 190 см за счет винтовых передач на сочленениях. Поработаем и над грузоподъемностью. Обычные пневматические привода, которые стоят сейчас, работают максимум до 12 атмосфер (150 кг).
Мы работаем и над пассивными вариантами экзоскелетов, которые востребованы в страйкболе. Один из организаторов игр предложил интегрировать разработку в «сражения» танков: щит должен держать сам экзоскелет при помощи «третьей руки». Это будет формат прорыва с двумя танками в экзоскелетах во главе. «Костюм» должен не сковывать движения пользователя и иметь защиту.
Макет пассивного экзоскелета МЭП-3П Броненосец
Увидимся на фондовом рынке
До поступления в университет я участвовал в Балтийском конкурсе, в Geek-пикнике, пару раз «засветился» на ТВ в 11 классе. До этого учился в Академии цифровых технологий — это инициативный проект, связанный с НТИ. В ИТМО на дне открытых дверей мне посоветовали обратиться в лабораторию Биомехатроники и энергоэффективной робототехники к Сергею Колюбину, профессору факультета систем управления и робототехники. После презентации проекта, он предложил мне работать в лаборатории и развивать эту тематику вместе с Константином Нуждиным.
Для полноценной работы нужна команда. Поработав вдвоем, мы за год смогли реализовать прототип активного экзоскелета верхних и нижних конечностей. Он уже демонстрировался на фестивале «Техносреда-2021», но впереди еще много работы. С сентября наша команда расширилась до 6 человек. Каждый имел опыт работы с экзоскелетами или похожими механизмами. Планируем к лету 2022 года выйти на мелкосерийное производство пассивных экзокостюмов: страйкбольный вариант со щитом и полуактивные походные костюмы — у них будет привод изменяемой жесткости. А главный активный костюм, я надеюсь, рано или поздно окажется в рядах МЧС.
Материал подготовлен Университетом ИТМО
