Yalnızca iş verimliliğini artırabilir mi? Modern dış iskeletler engelleri aşıyor ve entegrasyonun geleceğine doğru ilerliyor
Dış iskeletin tarihi
Gelecekteki inşaat işçileri veya bir tür inşaat robotu için, "kıyafet giyme", inşaat işçilerinin veya robotların bir tür metal yapı-dış iskelet giydirilmesi anlamına gelebilir. Dış iskelet inşaat işçileri için ek güç sağlayabilir Artık inşaat sektöründe dış iskelet teknolojisi daha olgun. Tahminlere göre, tek başına robot dış iskelet pazarı 2025 yılına kadar 12,5 milyar yuan'a ulaşacak ve bu, 2014'teki 500 milyon yuan'dan çok daha yüksek. Ve bu yıl, bazı dış iskelet şirketleri, ağırlıklı olarak tıbbi ve inşaat yardımı için yaklaşık 6.000 dış iskelet satacak.
Dış iskelet teknolojisi başlangıçta ordu tarafından geliştirildi ve şimdi teknoloji askeri alandan diğer alanlara aktarıldı.İnşaat işçilerine ek olarak, tıp alanı gibi birçok alanda çalışan işçiler dış iskelet teknolojisini kullanabilirler. Bu metal yapılar, felçli hastaların uzuvlarını iyileştirmelerine ve hatta felçli insanların kollarıyla bir şeyler yakalamalarına veya yürümelerine yardımcı olabilir. Bu yüzden şimdilik, inşaat sektörü ve tıp sektörü dış iskelet teknolojisinin en sık kullanılan alanlarıdır.
Araştırmacılar, omurga yaralanmalarını atlatmaya yardımcı olabilecek ve böylece bacak kasları ile beyin arasında yapay bir bağlantı kuran bir omurga uyarıcısı geliştiriyorlar. Dış iskelet, dış iskeleti hareket ettirmeye ve kontrol etmeye yardımcı olmak için sinirleri ve kasları kullanmak için teknolojiyi kullanmaya çalışacak.
Dış iskelet mi? Kulağa harika geliyor, ancak dış iskelet kavramı 1950'lerden beri var. 1965 civarında General Electric, ağır nesneleri kaldırmalarına yardımcı olmak için kullanıcının gücünü 25 kat artırmak üzere tasarlanmış büyük bir tam vücut dış iskelet olan Hardiman'ı geliştirmeye başladı. Ancak bu dış iskelet yaklaşık 700 kilogram ağırlığında ve çok hantal görünüyor ...
Dış iskelet çok ağırdı ve takıp çıkarmanın ağırlığı ve rahatsızlığı dış iskelet gelişiminin bir süre durmasına neden oldu. Ancak 2000 yılı civarında, tıp alanındaki bilim adamları dış iskeletin rolüne giderek daha fazla ilgi gösterdiler. Başlangıçta, dış iskelet felç ve omurilik yaralanması olan hastaların yürüyüşlerini iyileştirmelerine yardımcı olmaktı.Bu hastaların koşu bandında yürürken dış iskeleti takmaları gerekiyor. 2015 yılı civarında, dış iskelet teknolojisi endüstriyel uygulamalara girdi ve çalışanların verimliliği büyük ölçüde iyileştirildi.
1965'te General Electric'te çalışan bir mühendis olan Ralph Mosher, Hardiman adında bir robotik dış iskelet geliştirdi. Mekanik kol, kullanıcıya daha fazla güç verebilen uzuvlardan oluşur.
Modern dış iskeletler nasıl çalışır?
Son on yılda robotik, sensör, aktüatör, mikro bilgisayar ve kontrol sistemi yazılımının geliştirilmesi, güçlendirilmiş dış iskeletlerin geliştirilmesini teşvik etti. Dış iskelet aslında bir tür giyilebilir robottur ve eklem yapısının bağlantısı insan eklemlerinin bağlantısına karşılık gelir. Rehabilitasyon tıbbındaki nimetler, sanal gerçeklik simülasyonu ve uzaktan ameliyatla, dış iskelet birçok insana çok fazla kolaylık getirdi. Geliştirme için analiz ve dış iskelet deneysel yöntemleri gibi birçok dış iskelet uygulama teknolojisi vardır ve uzuvlar için güç dış iskeletinin entegrasyonu ve araştırması yardımcı cihazlar olarak kullanılabilir. Günlük yaşamdaki uzuvların kinematiği ve dinamik veri setleri, yüksek serbestlik dereceli dinamik dış iskeletin geliştirilmesindeki birkaç faktörden biridir.
Dış iskelet ve kullanıcı arasındaki etkileşim üç ana modülü içerir: algılama, karar verme ve yürütme. Dış iskeletin geliştirilmesi, her modülün işlevini tamamlayacak teknolojiyi içerir.Algı modülü, operatör ve cihaz sensörlerinden bilgi ve veri alabilir.Karar modülü, algılanan bilgileri yorumlar ve tüm sistemdeki faaliyetleri düzenler.Yönetim modülü, sürüş ve mekanik güç sağlamaktan sorumludur. .
Dış iskelet algılama modülleri genellikle elektromiyografi EMG sinyalleri gibi biyoelektrik sinyalleri kullanır.EMG sinyalleri, yararlı bilgiler elde etmek için laboratuar operatörleri veya dış iskelet algılama modülleri tarafından okunabilir. Sinyaller, kasların fizyolojik özelliklerini değerlendirebilir ve kaydedebilir. Ayrıca dış iskeletleri de kontrol edebilen EEG ve EOG vardır. Öte yandan, bu modüller kinematik ve dinamik bilgilerinin elde edilmesini içerir. Bir dış iskelet tasarlarken önemli bir husus, kullanıcının görev performansını ve algılama aralığını değerlendirmek için kullanılabilen, cihaz ile kullanıcının uzuvları arasındaki etkileşim kuvvetini ölçmektir. Etkileşim kuvvetini ve torku ölçmenin yaygın bir yöntemi, birçok dış iskeletin yaptığı gibi, manşet ile dış iskelet bağlantısı arasına bir kuvvet sensörü yerleştirmektir.
Mevcut dış iskelet güç zırhı, düşük atalet elde etmek için motoru kablo azaltma kasnağının uzak ucuna yerleştirecektir Bağlantı ve sıfır boşluklu arkadan tahrikli şanzıman ayrıca insan vücudundaki yükü azaltabilir. Dış iskelet kas modelinin mikro işlemcisinin geliştirilmesi, operatörün dış iskeletle sezgisel olarak etkileşime girmesini sağlayan nörolojik düzeyde bir insan-makine arayüzünün kurulmasını kolaylaştırdı.
Bu hafif bir alt ekstremite dış iskeletidir. Bu tip alt ekstremite dış iskelet teknolojisi kas gerginliğini% 60'a kadar azaltabilir ve böylece çalışan verimliliğini artırabilir.
Dış iskelet pasif olabilir, yani kaldırmaya veya çekmeye yardımcı olmak için fren, motor veya pil kullanmaz veya aktif olabilir Dış iskelete bazı motor yapıları veya frenler takarsanız akıllı bir dış iskelete dönüşebilir. Akıllı olmayan dış iskeletler, inşaat ve imalat endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve nispeten ucuz oldukları için popülerdirler.
Dış iskelet biyomekanik ile birleştirildiğine göre, bu sensörler gonyometreler, basınç sensörleri, epidermal EMG sensörleri vb. İçerir. Araştırmacılar, dış iskelet problemlerini düzeltmek için algoritmaları tanımlamak ve yürüyüş tahmini yapmak için makine öğrenimi teknolojisini kullanmak istiyor.
Tıp ve endüstriyel alanlarda, dış iskelet çok popüler çünkü dış iskelet teknolojisi, felçli hastaların yürüme yeteneğini yeniden kazanmalarına yardımcı oluyor. Modern dış iskelet teknolojisi geçmişten çok farklıdır.Malzeme teknolojisinin gelişimine dayanan dış iskelet teknolojisi, askeri birliklere olağanüstü ilerleme sağlayabilir. Şimdi bazı askeri şirketler enerjilerini güç dış iskeletine odakladılar ve yeni nesil endüstriyel ürünleri sürekli olarak geliştirdiler. Örneğin, askeri alt ekstremite dış iskelet teknolojisi çok kullanışlıdır, yürüyüşçülerin egzersiz kapasitesini artırmasına ve yorgunluğu azaltmasına yardımcı olabilir. Bu teknoloji, yürüme ve tırmanmanın oksijen tüketimini azaltarak, askerlerin ve ilk müdahale ekiplerinin görevlerde daha verimli olmalarına ve kolayca yorulmamalarına yardımcı olabilir.
Frenleri ve diğer ekipmanları dizlere entegre ederek, bu alt ekstremite dış iskeletinin başka işlevleri de vardır Dış iskelete dağıtılan sensörler, askerin mevcut yönünü ve hareket açısını tatbikat komuta merkezine bildirebilir. Dış iskelet, dizin bükülmesine ve esnemesine yardımcı olmak için doğru zamanda doğru torku iletir. Askeri dış iskelet, araziyi geçmek, çömelmek veya uzanmak için gereken enerjiyi nihai olarak azaltır. Bu avantajlar, merdivenlerden yukarı veya merdivenlerden aşağı yürümek veya yokuşlarda yürümek içindir. En çok ne zaman olduğu açıktır.
Modern dış iskelet teknolojisinin sınırlamaları
Dış iskelet teknolojisinin uygulanması sürekli olarak gelişiyor ve birçok alanda dış iskelet teknolojisini birleştirme eğilimi var, ancak şimdilik dış iskeletin bazı sınırlamaları var. Pahalı maliyeti hesaba katıldığında, binlerce hanenin gerçek ticari kullanımına girmek biraz zaman alacaktır. Şu anda, dış iskelet bilim adamları bu sınırlamaların bazılarını çözmek ve çeşitli alanların etkilerini en üst düzeye çıkarmak için hala çok sayıda deney yapıyorlar. Dış iskeletin gelecekteki yönü bize çok alanlı bir bilimsel entegrasyon yolunu, yani işlevsel elektriksel uyarıma ve beyin-bilgisayar arayüzüne benzer bazı teknolojileri birleştiren yeni bir yön gösteriyor.
Bu askeri dış iskelet, kullanıcıların ağır nesneleri algılanan ağırlığa 17: 1 oranında gerçek ağırlık oranıyla kaldırmasına olanak tanır. Bu paket, önceki pakete kıyasla% 50 enerji tasarrufu sağlar ve ayrıca önceki XOS paketinin ağırlığını% 10 azaltır
Dış iskelet geliştirme tarihi boyunca, uygun özelliklere sahip bir aktüatöre sahip olmak temel bir sorun olmuştur. Tarihsel olarak, dış iskeletler kullandıkları motorların ağırlığı, boyutu ve güç verimliliği ile sınırlıydı ve dış iskelet bilim adamlarından oluşan ekipler genellikle farklı motor ve fren türlerini kullanıyor. Frenin amacı, bağlantı noktasındaki cihaza tork sağlamaktır, bu da aktüatörün dış iskeletin ağırlığını ve direncini aşması gerektiği anlamına gelir. Frenler, bataryalar ve birçok donanım çok fazla ağırlık biriktirir, bu nedenle frenler mevcut dış iskelet teknolojisinin temelini oluşturur ve aynı zamanda kırılması kolay olmayan bir sınırdır.
Bu hasta bir motosiklet kazası nedeniyle felç oldu. Dış iskeleti aldıktan sonra genellikle kestirme yollara gidebilir. Tıbbi dış iskelet yürümesine yardımcı olabilir
Fren ve motor, dış iskeletin iki temel bileşenidir ve motorun enerji beslemesi de dış iskeletin gelişimindeki en büyük engellerden biridir. Frenin getirdiği sınırlamalarla karşılaştırıldığında, motor probleminin anlaşılması çok daha kolaydır - kapasite küçüktür. O halde motoru daha büyük tasarlayalım ve daha fazla elektrik depolamasına izin verelim. Daha fazla enerji depolaması, daha fazla ağırlık gerektirir ve bu da dış iskeletin daha ağır olmasına ve ayrıca fren basıncının artmasına neden olur, bu da sonuçta genel performansında ve fren ömründe bir azalmaya yol açar.
Bu ticari bir dış iskelet yapısıdır, bölüm a genel konfigürasyondur, b robot koluna ve çalıştırma sistemine bölünmemiştir, bölüm c dört motordur ve sistem d bir sırt çantasıdır
Dolayısıyla, dış iskeletin başarısının büyük ölçüde pil teknolojisinin ilerlemesine bağlı olduğunu da anlayabiliriz.Şimdi lityum iyon piller, birçok dış iskelet tasarımının birkaç saat boyunca sürekli çalışmasını sağladı, ancak gelecekteki dış iskelet bilim adamlarının amacı enerjiyi depolamak ve geri vermek Pil ömrünü uzatmak için pasif bileşenler (mekanik yaylar gibi). Şimdi, dış iskelet bilim adamları, hibrit güç kullanmak, şarj teknolojisini hızlandırmak vb. Gibi mevcut lityum pil teknolojisiyle pil ömrünü uzatıyor.
Bu, bir yıl önce düzenlenen bir dış iskelet engel yarışmasıdır. Bu yarışmacıların dış iskelet teknolojisinin esnekliğini ve pratikliğini test etmek için bitiş çizgisine ulaşmak için engelleri aşmaları gerekir.
Bunun yanında dış iskelet alanında malzeme bilimi olan temel bir problem vardır Dış iskelet çerçevesinin malzemesi dış iskeletin hacmini, ağırlığını ve rahatlığını etkileyen önemli bir unsurdur. Çerçeve, sadece dış iskeletin tüm parçalarını birbirine bağlamakla kalmamalı, aynı zamanda her parçanın güç aktarım verimliliğini de dengelemelidir.Kullanıcının dış iskeleti taktıktan sonra yeterince rahat olması gerekir. Ek olarak, dış iskelet çerçevesi mümkün olduğu kadar hafif olmalı ve gerekli bağlantı noktalarına tork uygulanmalıdır.
Nöral prob veya beyin-bilgisayar arayüz teknolojisi, dış iskelet ve insan vücudu arasındaki etkileşimin önemli bir parçasıdır.Son, beyin sinyallerini gerçek zamanlı olarak kaydedebilir, iletebilir ve kodunu çözebilir ve dış iskeleti veya başka herhangi bir makineyi kablosuz olarak kontrol edebilir.
Bu nedenle, birçok dış iskelet, alüminyum veya alüminyum alaşımından yapılmış daha hafif bir metal çerçeve seçmiştir. Titanyum, iyi bir ikame olan daha yüksek bir mukavemet / ağırlık oranına sahiptir, ancak aynı zamanda alüminyumdan daha pahalıdır. Karbon fiber genellikle daha hafif bir tasarım elde etmek için kullanılır, ancak metale kıyasla karbon fiber daha pahalıdır ve kalıplanması ve işlenmesi daha zordur. Dolayısıyla, serbestlik derecesine sahip dış iskeletler için en yaygın seçim hala alüminyum, titanyum veya çelikten yapılmış geleneksel çerçeve gibi görünüyor.Farklı malzemelerin farklı dezavantajları olduğu söylenebilir.
Laboratuvarda, güç kaynağı her zaman dış iskelete bağlı olacak ve araştırmacılar sinir problarının kullanışlılığını test ediyor. Nöral prob invaziv implant 64 elektrot dizisine sahiptir ve kortikal elektrogram EcoG'yi kaydedebilir. Araştırmacılar burada 24 saat deney yapabilir
Sınırlamalar, gelecekte yeni atılımlardır
Dış iskelet teknolojisinde hala bazı eksiklikler olsa da, bu dış iskelet teknolojisinin uygulanmasını ve geliştirilmesini engellemiyor.Bazı bilimsel ve teknolojik keşif alanlarında her zaman bu tür sınırlamalar bulacağız, ancak zamanın ve bilimsel ilerlemenin gelişmesiyle, Bu sınırlamalar, yavaş yavaş gelecekteki dış iskelet teknolojisinin dönüm noktası olacak. Şimdi dış iskelet teknolojisi hayatımızı değiştirdi.Gelecekte, daha pratik ve verimli güç dış iskeleti getirmek için yeni dış iskelet teknolojisinin diğer alanlarla entegrasyonunu da dört gözle bekliyoruz.
