Eksoskeletid: Difference between revisions
No edit summary |
|||
| (64 intermediate revisions by 3 users not shown) | |||
| Line 1: | Line 1: | ||
Autorid: Mari-Ann Piht, Helen Aavisto, Kristjan Keskküla | |||
== Sissejuhatus == | == Sissejuhatus == | ||
Eksoskelett on biooniline seadeldis, mida saab kanda seljas või üksikute kehaosade peal, moodustades raamistiku, mis kaitseb või toetab inimese liikumist. Eksoskeletid leiavad kasutust mitmesugustes funktsioonides, peamiselt sõjanduses, tööstuses ja meditsiinis. | |||
== | Eksoskelettide suunal tehakse ka palju arendus- ja teadustööd ning sellega seoses asutatud ka firmasid ja ''start-up'''e, et tuua eksoskelette aina rohkem kasutusse igapäevaelus. Hetkel on maalimas tegutsemas üle saja eksoskelettide arendaja, millest ligi pooled asuvad Euroopas. Lisaks on palju firmasid asutatud ka Põhja-Ameerikas ja Aasias. <ref>[https://exoskeletonreport.com/2021/12/updated-directory-of-exoskeleton-companies-and-industry-statistics/ Updated Directory of Exoskeleton Companies and Industry Statistics,]Exoskeleton Report (2021)</ref> | ||
Peamiseks takistuseks eksoskelettide laiemale kasutamisele on nende kõrge hind, mis võib kerkida üle 100 000 euro. Seda probleemi üritatakse lahendada suurendades inimeste teadlikkust sellistest toodetest ja ühes sellega suurendades tootmist ning kasutades uudseid tehnoloogiaid nagu 3D-printimine, et hinda allapoole tuua. | |||
Targad filosoofid on arutlenud lähtudes tehnoloogia ja inimese suhtest. Antropoloogia viitab sellele, et inimloomale pole antud spetsialiseeritud organeid või instinkte – ei ole ta kõige kiirem, ei hüppa kõige kõrgemale, kuule ega tunne lõhna väga hästi võrreldes teiste loomadega, puudub kaitsev turvis või oskus lennata. Seetõttu on inimene sõltuvuses võimest (intelligentsist) muuta keskkonda endale sobivaks ehk luua tehnoloogiat. Tehnoloogia on vahend inimese nõrkuste parendamiseks | |||
Eksoskelette on mitut eri tüüpi ja neid saab liigitada erinevat moodi. Vastavalt sellele, kas neid on võimalik kaasas kanda, võib neid jagada statsionaarseteks ja mobiilseteks, toestatava kehaosa järgi saab neid jagada ülakeha, alakeha ja kogu keha eksoskelettideks. Lisaks on üks peamisi viise eksoskelettide liigitamiseks nende energiavajadus. | |||
Eksoskeletid võivad olla nii passiivsed, aktiivsed kui ka poolaktiivsed. Passiivsed eksoskeletid on ilma energiaallikata ja kasutavad inimkeha tugevuse suurendamiseks ja toetamiseks füüsikaseadusi. Aktiivsed eksoskeletid kasutavad liigendites välisel energial töötavaid mehhanisme. Selleks võib olla elektrimootor või muud tüüpi ajam, mis suurendab inimese jõudu ja aitab liigesed tööle panna. Aktiivsete eksoskelettide ajamid genereerivad jõudu nii eksoskeleti enda raskuse kandmiseks kui ka inimese poolt sooritatava ülesande jaoks soovitud kaalu kandmiseks. Kasutusel on ka poolaktiivsed eksoskeletid, mis on on passiivse ja aktiivse kombinatsioon, millel on poolaktiivne käivitamine. <ref>[https://exoskeletonreport.com/2015/08/types-and-classifications-of-exoskeletons/ Types And Classifications of Exoskeletons] Exoskeleton Report (2015)</ref> | |||
== Ajalugu == | |||
[[File:Hardiman-1965.jpg|frame|Hardiman, General Electric]] | |||
Inimvõimekust parendava aparatuuri ajalugu on mitmesugune ja pikk. Mis muud on kivist odaots või puust vormitud oda, ratastega käru, metallist kirves, kiviheitemasin, või lennuk kui inimvõimekust parandav tehnoloogia? | |||
Targad filosoofid (''A.Gehlen'') on arutlenud lähtudes tehnoloogia ja inimese suhtest. <ref name="gehlen_mantech">Arnold Gehlen, [https://www.scribd.com/document/377966612/Gehlen-Man-in-the-Age-of-Technology-pdf Man in the Age of Technology (1957)]</ref> Antropoloogia viitab sellele, et inimloomale pole antud spetsialiseeritud organeid või instinkte – ei ole ta kõige kiirem, ei hüppa kõige kõrgemale, kuule ega tunne lõhna väga hästi võrreldes teiste loomadega, puudub kaitsev turvis või oskus lennata. Seetõttu on inimene sõltuvuses võimest (intelligentsist) muuta keskkonda endale sobivaks ehk luua tehnoloogiat. Tehnoloogia on vahend inimese nõrkuste parendamiseks ehk nõrkade organite asendamiseks läbi: | |||
* tugevdamise (kivi + muskel annab tugevama löögi), | * tugevdamise (kivi + muskel annab tugevama löögi), | ||
* asendustegevuse (lendamine, tuletegemine ei ole meie loomuses) või | * asendustegevuse (lendamine, tuletegemine ei ole meie loomuses) või | ||
* hõlbustustegevuse (motoriseeritud transport aitab meil kiiremini liikuda ja raadiosaatja kaugemalt suhelda) näol. | * hõlbustustegevuse (motoriseeritud transport aitab meil kiiremini liikuda ja raadiosaatja kaugemalt suhelda) näol. | ||
Sellest järeldub, et tehnoloogia on kui inimese peegel, tehnoloogia on nii vana kui inimene ise | Sellest järeldub, et tehnoloogia on kui inimese peegel, tehnoloogia on nii vana kui inimene ise (tehnoloogia defineerib inimeseks olemist). <ref name="gehlen_mantech" /> | ||
Juba keskajal kasutati kiivreid, turvist ja raudrüüd, hilisemad iteratsioonid soomustranspordiga ja motoriseeritud sõjaväe lahendustega on vaid suurendanud inimese võimekust enda füüsist sõjaväljal efektiivsemaks muuta. Seetõttu võib vaadelda eksoskelette kui järgmise sammuna inimorganite asendamisel-tugevdamisel. | |||
Esimesed katsetused kogu keha hõlmava (toitega) eksoskeleti loomisel algasid eelmise sajandi keskel. 1965. aastal alustas General Electric Ameerika Ühendriikide sõjaväe palvel uuringuid Hardimani (''Human Augmentation Research and Development Investigation + ‘Man’'') loomiseks. Hardiman pidi olema inimkehaga integreeritud mobiilne hüdraulika ja elektri jõul töötav ülikond. Sõjavägi soovis, et masinaga saaks liigutada rasket tehnikat ja seetõttu seati eesmärgiks, et eksoskelett peaks võimaldama selle kandjal jõudu 25 korda suurendada (tõsta kuni 680 kg). | |||
Kuigi Hardimani arendamisel tehti mitmeid teaduslike avastusi, siis eksoskelett prototüübi etapist edasi ei jõudnud. Hardimani kontseptsiooni tulem oli väga raske (kaalus 680 kg), aeglane (maksimaalne liikumiskiirus 0,76 m/s) ning ebausaldusväärne reageerima sisenditele (puudus stabiilsus). Lisaks esinesid Hardimanil toiteallika probleemid. Kuna testimise käigus tekkisid ''„masina vägivaldsed ja kontrollimatud liikumised“'' siis inimkatsetusteni ei jõutud. <ref>[https://www.ge.com/news/reports/do-you-even-lift-bro-hardiman-and-the-human-machine-interface Do You Even Lift, Bro? Hardiman Was GE's Muscular Take On The Human-Machine Interface], General Electric (2016)</ref> | |||
Esimene kõndimist abistav eksoskelett arendati välja Mihajlo Pupini insituudis 1960. aastate lõpus. Serbia professori Miomir Vukobratovići eesvedamisel loodi insituudis mitmeid erinevaid disaine sealhulgas alamkeha eksoskelett "Kinematic walker (1969)" ja selle edasiarendus "Active suit (1978)". “Active suiti” võib pidada tänapäevaste eksoskeletide eelkäijaks - see oli modulaarne, kasutas elektroonilisi täiturmehhanisme ning mehhanismide juhtimiseks mikroprotsessorit. <ref> | |||
Miomir K. Vukobratović, [https://www.pupin.rs/RnDProfile/pdf/exoskeletons.pdf When Were Active Exoskeletons Actually Born?], Mihajlo Pupin Institute (2007)</ref> | |||
1986. aastal hakkas Monty Reed arendama LIFESUIT eksoskeletti. Monty Reed oli sõjaväelane, kes oli vigastanud oma selga langevarjuõnnetuses. Haiglas olles ja mõtiskeledes elu üle, luges ta läbi Robert Heinleini „Starship Troopers“ raamatu. Seal kirjeldati mobiilseid kogukeha eksoskeletone. Inspiratsiooni tõukel valmis 2001. aastal prototüüp LIFESUIT One (LS1). Mõned iteratsioonid edasi ja 2005. aastal Püha Patricku päeval osales Monty Reed oma LS12 eksoskeletiga 3 miili jooksus, mille läbis 90 minutiga. <ref>[http://theyshallwalk.org/ Monty Reed - They Shall Walk]</ref> | |||
Tehniliste piirangute tõttu võttis mõnda aega, et eksoskeleti tehnoloogia areneks. Esimesed kommertslikuks tarbeks eksoskeletid tulid turule 21. sajandi alguses ning on suunatud rehabilitatsiooni protsessi abistamiseks. Hocoma Lokomati (2001) kasutatakse haiglates ja taastusravikeskustes üle maailma. 2013. aastal teatas Hocoma 500. Lokomati eksoskeleti müügist maailmas. | |||
<ref>[https://www.eduexo.com/resources/articles/exoskeleton-history/ A Brief History of Robotic Exoskeletons], Eduexo (2017)</ref> | |||
{{#evt: | |||
service=youtube | |||
|id=https://youtu.be/FRDM_GUyGmo?t=54 | |||
|dimensions=450|description=Lokomat®Pro Sensation | |||
}} | |||
== Kasutusalad == | |||
=== Sõjaline === | |||
Nii nagu teistelgi tegevusaladel, siis militaarsfääris on eksoskeleti roll aidata selle kandjat suurendades nende tugevust ja vastupidavust. Sõjaväljal on tihtipeale vaja kanda raskeid objekte (relvi, moona, kaaslaseid) ning töötada ohtlikus keskkonnas. Võimekus relvi, soomust ja lahinguvarustust kaasas kanda on tähtis, sest mida paremini on varustatud sõdur seda suurem on võimalus, et sõdur on efektiivne. Eksoskelett võimaldab parandada liikumise ergonoomikat seeläbi vähendada füüsiliste vigastuste ohtu raskete raskuste tõstmisel, raske maastiku läbimisel või korduvate liigutuste tegemisel. Lisaks sellele on võimalik aidata vigastatud sõdureid vähendades vigastuste mõju nende võitlusvõimele. | |||
Sõjatandril pole eksoskeletid veel laialt kasutusel, sest on mitmed probleemid millele pole veel lahendust leitud. Üks neist on eksoskelettide mehhanismide vajadus energiale. Raketiteadusest teada tuntud valem: mida suurem on objekti mass seda suurem on selle massi liigutamiseks vajalik energiavajadus. Ja mida suuremad on energiakandjad (näiteks akud) seda suurem on objekti mass, mida on vaja liigutada ja selle liigutamiseks vajalik energiahulk. Lisaks massile rakenduvad lahinguväljal logistilised raskused kuidas leida laadimise või akude vahetamise võimalus. Eksoskelettidel on võimalik kasutada akude asemel ka sisepõlemismootorit. Väikesed sisepõlemismootorid suudavad mõningad eelmainitud probleemidest lahendada, aga tekitavad juurde teised – mootorite stabiilsus, energiatõhusus, sisepõlemisel tekkinud kuumus, vibratsioon, müra ja kulu. Eksoskelett peab olema mugav ja vastupidav, agiilne. Kiiresti parandatav! Elu ja surma eest võideldes ei ole võimalik kompromisse teha ning kahjuks neid kõiki nõudeid on raske koos ühte komplekti saada. <ref>Gregory Mone, [https://www.popsci.com/scitech/article/2008-04/building-real-iron-man/ Building the Real Iron Man], Popular Science (2008)</ref> | |||
==== | ==== Tänapäev ==== | ||
Erinevate kuulujuttude järgi tegelevad erinevate maade sõjaväed aktiivselt uute eksoskeleti lahenduste välja töötamisega. Kahjuks militaarsete projektidena on mitmed neist avalikkuse eest varjatud, välja saab tuua vaid mõningad. | |||
USA kaitsetööstus (DARPA) panustas eksoskelettide uurimisse 2001. aastal alustatud programmi ''Exoskeletons for Human Performance Augmentation'' kaudu. DARPA rahastas esialgu viieaastase programmi raames erinevaid osapooli 50 miljoni dollariga. Projektidest valiti välja kaks parimat eksoskeleti prototüüpi: Human Universal Load Carrier (HULC) ja XOS (Exoskeleton Robot Sarcos). | |||
{{#evt: | |||
service=youtube | |||
|id=https://www.youtube.com/watch?v=PZcHlz_obyw | |||
|alignment=right|dimensions=300|description=Sarcos Guardian XO (XOS2)|frame | |||
}} | |||
HULC on eksoskelett, mis on välja töötatud Lockheed Martini poolt eelmise kümnendi alguses. Projekti eesmärgiks oli välja töötada eksoskelett, mis aitab vähendada sõdurite lihasluukonna vigastusi, näiteks raske lahingvarustuse kandmisel. HULC eksoskelett parandab sõdurite kandevõimet viies koormuse läbi eksoskeleti titaaniumist jalanõude (tugede). HULC kasutavab mikrokontrollereid, et aidata eksoskeleti liikumist juhtida. HULC eksoskelett kaalub 53kg. Maksimaalne kandevõime: 91 kg. Liitiumakude abil suudab HULC eksoskelet võitlejal läbida (küll lamedal maastikul ja 4km/h) kuni 20 km. Maksimaalne kiirus on 16 km/h. <ref>[https://www.army-technology.com/projects/human-universal-load-carrier-hulc/ Human Universal Load Carrier], Army Technology (2020)</ref> | |||
XOS ehk maakeeli „Raudmehe rüü“ on robotülikond (eksoskelett), mida arendab Raytheon. XOS II generatsiooni rüü kasutab hüdraulikat ja seeläbi võimaldab kasutajal tõsta raskeid objekte suhtega 17:1 (reaalne raskus vs tajutav raskus). | |||
XOS2 kaalub 95 kg. XOS2 on tark raudrüü, sest see kasutab erinevaid mikrokontrollereid, sensoreid ja täitureid, et aidata võitlejal efektiivselt lahinguväljal liikuda. <ref>[https://www.army-technology.com/projects/raytheon-xos-2-exoskeleton-us/ Raytheon XOS 2 Exoskeleton, Second-Generation Robotics Suit], Army Technology (2020)</ref> | |||
Pasiivsetest ja alakeha eksoskeletidest võib välja tuua: | |||
* Lockheed Martini Onyx<ref>[https://www.lockheedmartin.com/en-us/products/exoskeleton-technologies/military.html#:~:text=Lockheed%20Martin's%20new%20powered%20lower,while%20carrying%20mission%2Dessential%20equipment Lockheed Martin ONYX], Lockheed Martin</ref> | |||
* DARPA Warrior Knee Exosuit<ref>[https://www.darpa.mil/news-events/2014-09-16 Lightweight, Soft Exosuit Aims to Prevent Musculoskeletal Injury in Warfighters]</ref> | |||
* Marine Moju, Terra Mojo | |||
Ei ole leidnud kinnitust, et ühtegi eelmainitud lahendustest on ka tegelikult sõjategevuses kasutatud. Küll hakkas USA sõjavägi 2019. aastal sooritama teste Lockheed Martini ONYX eksoskeletiga. Samas ei ole teada kas ONYX oleks mõnes sõjalis-konfliktsituatsioonis kasutust leidnud. Ka tänapäeval on enamik militaarset eksoskeleti tehnoloogiat teadus- ja arengutegevuse (R/D) faasis. | |||
... | |||
=== Meditsiiniline === | === Meditsiiniline === | ||
Meditsiinilises kasutuses olevad eksoskeletid on mõeldud aitama inimesi, kes mõne vigastuse või haiguse tõttu vajavad abi liikumisel. Tegemist võib olla õnnetuse käigus saadud seljaaju vigastusega, mis on muutnud ala- või ülakeha liikumisvõimetuks. Samuti võivad näiteks insuldi tagajärjel tekkida närvi- ja lihaskahjustused, mille tõttu inimene kaotab kõndimisvõime või käte funktsionaalsuse. Meditsiiniliste eksoskelettide eesmärk on parandada nende patsientide elukvaliteeti, et nad saaksid sellest hoolimata elada täisväärtuslikku elu. | Meditsiinilises kasutuses olevad eksoskeletid on mõeldud aitama inimesi, kes mõne vigastuse või haiguse tõttu vajavad abi liikumisel. Tegemist võib olla õnnetuse käigus saadud seljaaju vigastusega, mis on muutnud ala- või ülakeha liikumisvõimetuks. Samuti võivad näiteks insuldi tagajärjel tekkida närvi- ja lihaskahjustused, mille tõttu inimene kaotab kõndimisvõime või käte funktsionaalsuse. Meditsiiniliste eksoskelettide eesmärk on parandada nende patsientide elukvaliteeti, et nad saaksid sellest hoolimata elada täisväärtuslikku elu. | ||
Lisaks on meditsiiniliste eksoskelettide sihtgrupiks järjest vananev rahvastik. Hinnanguliselt eakate ehk | Lisaks on meditsiiniliste eksoskelettide sihtgrupiks järjest vananev rahvastik. Hinnanguliselt eakate ehk 60-aastaste ja vanemate osakaal 2050 aastaks enam kui kahekordistub <ref>World Health Organisation, [https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ageing-and-health/ Ageing and health 2021]</ref>. Selleks, et vanemaealised saaksid elada iseseisvalt täisväärtuslikku elu kõrge vanuseni, vajavad nad sageli abi liikumisel. Eksoskeleti abiga saavad vaimselt terved ja aktiivse eluviisiga eakad jätkata oma igapäevaseid tegevusi nagu poeskäimine, aiapidamine või kodutööde tegemine ilma vaevusteta, mida võib põhjustada lihaste nõrgenemine vanas eas. <ref>Aalborg University | ||
, [https://www.sciencedaily.com/releases/2015/10/151014085414.htm Exoskeleton to ensure an active old age], ScienceDaily (2015)</ref> <ref>[http://www.aal-europe.eu/project-of-the-month-axo-suit/ Project of the month: AXO-SUIT], AAL Programme (2020)</ref> | |||
Meditsiinilised eksoskeletid võib laias laastus jagada kaheks vastavalt sellele, millise kehaosa (kas üla- või alakeha) liikumist nad toetavad. | |||
==== Alakeha eksoskeletid ==== | ==== Alakeha eksoskeletid ==== | ||
[[File:ReWalk_pair.jpg|thumb|ReWalk alakeha eksoskelett]] | |||
Alakeha eksoskeletid on mõeldud inimest abistama kõndimisel. Neid on näiteks vaja halvatud patsientidel, kes ise pole enam võimelised oma jalgu liigutama. Ratastoolis ringi liiklemine võib olla ebamugav ja sobiva infrastruktuuri puudumisel ei pruugi teatud kohtadesse üldse ligi pääseda. Eksoskelett aitab neil inimestel teha igapäevaseid toiminguid täiesti iseseisvalt. | Alakeha eksoskeletid on mõeldud inimest abistama kõndimisel. Neid on näiteks vaja halvatud patsientidel, kes ise pole enam võimelised oma jalgu liigutama. Ratastoolis ringi liiklemine võib olla ebamugav ja sobiva infrastruktuuri puudumisel ei pruugi teatud kohtadesse üldse ligi pääseda. Eksoskelett aitab neil inimestel teha igapäevaseid toiminguid täiesti iseseisvalt. | ||
Eksoskelett kinnitatakse patsiendi külge mitmete rihmadega. Skeleti küljes on pehmendused, mis teevad selle kandmise võimalikult mugavaks ja aitavad vältida hõõrumist ( | Eksoskelett kinnitatakse patsiendi külge mitmete rihmadega. Skeleti küljes on pehmendused, mis teevad selle kandmise võimalikult mugavaks ja aitavad vältida hõõrumist <ref name="sd_recentdev">Bing Chen, Hao Ma; Lai-Yin Qin; Fei Gao; Kai-Ming Chan; Sheung-Wai Law; Ling Qin; Wei-Hsin Liao, [https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214031X15000716 Recent developments and challenges of lower extremity exoskeletons], ScienceDirect (2016)</ref>. Mõnel juhul on lisaks jalaosadele skeletil veel lisatoestus, mida patsient kannab nagu seljakotti <ref name="ekso_spinalcord">[https://eksobionics.com/spinal-cord-injury/ Spinal Cord Injury], eksoBionics</ref>. Osade mudelite puhul on lisaks kasutusel kargud, mis aitavad saavutada ettekallutavat kehapositsiooni, mida eksoskelett tajub kui signaali edasi liikumiseks <ref>[https://rewalk.com/rewalk-personal-3/ ReWalk™ Personal 6.0 Exoskeleton], ReWalk</ref> | ||
Meditsiinilised eksoskeletid on tavaliselt varustatud mootoritega ja liikumise juhtimine võib olla kahte erinevat tüüpi. Esimene variant on selline, kus arvutile õpetatakse selgeks teatud käimismuster kasutades tervete inimeste andmeid. Selline variant sobib eelkõige halvatud patsientide eksoskelettidele. Teine variant on kasutusel näiteks insuldist taastuvate inimeste puhul, kes peavad uuesti käima õppima. Sellel juhul aitab eksoskelett kõndimisele kaasa just nii palju nagu vaja. Selle näol on tegemist intelligentse süsteemiga, mis suudab mõõta patsiendi progressi ja toetab kõndimist täpselt sellisel määral, et raskusaste oleks paras. Süsteem vähendab järk-järgult oma võimsust vastavalt sellele kuidas inimene tugevamaks saab, et tal oleks lõpuks võimalik kõndida masinast sõltumatult. <ref name="sd_recentdev" /><ref name="ekso_spinalcord" /> | |||
Alakeha eksoskelettide suuremateks tootjateks on USA firma Ekso Bionics <ref>[https://eksobionics.com/ Ekso Bionics]</ref>, mis valmistab nii meditsiiniliseks kui tööstuslikuks kasutamiseks mõeldud eksokelette, ja Iisraeli firma ReWalk Robotics <ref>[https://rewalk.com/ ReWalk Robotics]</ref>, mis keskendub spetsiifiliselt meditsiinilistele alakeha eksoskelettidele, et aidata inimestel kõndida. | |||
==== Ülakeha eksoskeletid ==== | ==== Ülakeha eksoskeletid ==== | ||
Patsientide puhul, kellel on näiteks õnnetuse või haiguse tagajärjel kadunud või vähenenud võime kasutada oma käsi, tulevad appi ülakeha eksoskeletid. Käte anatoomilise keerukuse tõttu on selliste eksokelettide disain tõeline väljakutse. Õlaliiges on keha üks keerulisemaid ja liikuvamaid liigeseid | [[File:myomo_arm.jpg|thumb|left|upright=0.75|Myomo käsivarre eksoskelett]] | ||
Patsientide puhul, kellel on näiteks õnnetuse või haiguse tagajärjel kadunud või vähenenud võime kasutada oma käsi, tulevad appi ülakeha eksoskeletid. Käte anatoomilise keerukuse tõttu on selliste eksokelettide disain tõeline väljakutse. Õlaliiges on keha üks keerulisemaid ja liikuvamaid liigeseid <ref>[https://teachmeanatomy.info/upper-limb/joints/shoulder/ The Shoulder Joint - Structure], TeachMe Anatomy</ref> ning sõrmede peenmotoorika hõlmab samuti paljude liigeste ja lihaste koordinatsiooni, seega sellise eksoskeleti ehitamine, mis suudaks simuleerida nende funktsiooni, on raske ülesanne. | |||
Kuna näiteks sõrmedega haaramine on paljude igapäevategevuste osa, siis on välja töötatud mitmeid lahendusi nende inimeste aitamiseks, kellel mõnel põhjusel on see funktsioon häiritud. Enamik ülakeha eksoskelette on sarnaselt alakeha omadele keha ümber/seljas kantav raam, kuhu on integreeritud liikumist abistavad mootorid ja arvuti nende kontrollimiseks. <ref>Muhammad Ahsan Gull; Shaoping Bai; Thomas Bak, [https://www.mdpi.com/2218-6581/9/1/16/pdf A Review on Design of Upper Limb Exoskeletons], MDPI Robotics (2020)</ref> | |||
Selline lahendus võib olla aga küllaltki raske kaasas kanda, seega on ülakeha eksoskelettide puhul otsitud ka kergemaid lahendusi. Näiteks on välja töötatud 3D-prinditud eksoskelett labakäe kontrollimiseks, mis kasutab aju elektrisignaale (EEG-d), et edastada teavet mehhanismile, mis laseb patsiendil kätt liigutada vastavalt tema soovidele. 3D-prinditud variandi eeliseks teiste ees on ka suhteliselt odav hind, mis teeb selle kättesaadavamaks rohkematele inimestele. <ref>Rommel S. Araujo1; Camille R. Silva; Severino P. N. Netto1; Edgard Morya1; Fabricio L. Brasil, [https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2021.661569/full Development of a Low-Cost EEG-Controlled Hand Exoskeleton 3D Printed on Textiles], frontiers in Neuroscience (2021)</ref> | |||
Juhtivaks tootjaks meditsiiniliste ülakeha eksoskelettide vallas on USA firma Myomo. Nad on halvatud või nõrgenenud ülajäseme lihaste funktsiooni taastamiseks välja arendanud terve käsivarre eksoskeleti, mis lubab samuti ainult mõtte jõul oma kätt liigutada. Antud seade suudab naha pinnalt tuvastada aju poolt lihastesse saadetud närvisignaale. Kasutaja kontrollib oma kätt täielikult ise, eksoskelett lihtsalt võimendab närvisignaali ja aitab mootorite abil kätt liigutada soovitud suunas. <ref>[https://myomo.com/what-is-a-myopro-orthosis/ What is a MyoPro Orthosis?], myomo - my own motion</ref> | |||
=== Tööstuslik === | |||
[[File:Hyundais Chairless Exoskeleton.jpg|200px|thumb|right|alt text|frame|Hyundai eksoskelett]] | |||
Võib ju mõelda, et miks tänapäeva tööstuses üldse on vaja seadmeid, mis suurendavad inimese füüsilist võimekust, kuna robotid ja täielik automatiseerimine võiks ju füüsiliselt rasked tööülesanded inimeselt üle võtta. Reaalses elus ei ole see aga alati võimalik, eelkõige dünaamilistes tootmise- ja laokeskkondades, kus on palju erinevaid tooteid ja suhteliselt väikesed tellimuskogused, mille komplekteerimine eeldab suurt paindlikkust. Samuti ei suuda robotid asendada inimese võimet jälgida ümbritsevat ning teha sellest lähtuvalt loovalt otsuseid ning viia need ka sekundi murdosa jooksul täide. | |||
Seetõttu peavad töötajad tootmises endiselt manuaalselt teostama erinevaid tegevusi, nagu raskete esemete liigutamine ühest kohast teise või siis komplekteerimine, millega sageli kaasnevad ebamugavad sundasendid. Lahenduseks on siin eksoskelettide kasutamine, mis suurendab inimese jõuvõimet ning kaitseb keha liigse koormuse eest, samaaegselt vähendades füüsilise koormusega kaasnevaid terviseriske. <ref>Michiel P. de Looze, Tim Bosch, Frank Krause, Konrad S. Stadler & Leonard W. O’Sullivan, [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26444053/Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load], Ergonomics (2016)</ref> | |||
Viimastel aastatel on mitmed rahvusvahelised firmad hakanud avalikkusega jagama oma kogemusi eksoskelettide kasutamisel. Nende hulgas Hyundai Motor Group, mis 2018. aasta oktoobris teatas, et on alustanud Põhja-Ameerika Hyundai-Kia tehases Hyundai Vest Exoskeleton (H-VEX) testimisega, mis aitab vähendada töötajatel koormust kaelale ja seljale. <ref>D.Kara,[https://www.therobotreport.com/industrial-exoskeletons/ Industrial exoskeletons: new systems, improved technologies, increasing adoption], therobotreport.com (2018)</ref> | |||
Eksoskeletid on kantavad robotülikonnad – kas kehaosade või kogu keha jaoks. Nad võivad toetada vöökohta, üla- või alakeha, õlgu. Nimmepiirkonda toetavad eksoskeletid on abiks raskete raskuste tõstmisel, samas ülakeha toetavad seadmed aitavad kaasa õlgade õigele liikumisele, kaalu efektiivsele jaotamisele ja kehahoiaku hoidmise toetamisele. <ref name="ekso_robots">K.Akshay,[https://control.com/technical-articles/exoskeleton-robots-for-industrial-applications/ Utilizing Exoskeleton Robots for Industrial Applications], control.com (2020)</ref> | |||
Tööstuslikud eksoskeletid on tavaliselt abiks suure korduste arvuga, mitteneutraalsetes asendites ja suure töökoormusega ülesannete abistamisel. <ref>Hensel, R., and M. Keil,[https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/24725838.2019.1573770/ Subjective Evaluation of a Passive Industrial Exoskeleton for Lower-Back Support: A Field Study in the Automotive Sector], IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors (2019)</ref> Tööstuses on töökohti, mis nõuavad töötajatelt suurt füüsilist pingutust ja vastupidavust ning kus tööd tuleb teha ebamugavates sundasendites. Sellistes olukordades on raske leida hästi toimivat lahendust, et kuidas tagada efektiivne tootmisprotsess ning samal ajal arvestada töötajate heaolu ja tervisega. Näiteks autotööstuse autode komplekteerimise liinidel tuleb töid teostada ebamugavates poosides, kas käed pikalt ette sirutatult või õlgadest kõrgemal, sellistes tööprotsessides on suureks abiks eksoskeletid, mis toetavad töötajate kehaosi ning vähendavad koormust. <ref name="ekso_classification">A. Voilqué, J. Masood, J. Fauroux, L. Sabourin and O. Guezet,[https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8719395/ Industrial Exoskeleton Technology: Classification, Structural Analysis, and Structural Complexity Indicator], Wearable Robotics Association Conference (2019)</ref> | |||
Tööstuses on laialdaselt kasutusel passiivsed eksoskeletid, sest lisaks füüsilise jõu suurendamisele aitavad nad vähendada vigastuste ohtu töötaja õlgadele või lülisambale, vähendades samal ajal väsimust. Võib isegi öelda, et nad on muutumas tööstuses töökultuuri lahutamatuks osaks, õigustades tehtud investeeringuid, tagades lisaks parematele töötulemustele ka töötajate suurema ohutuse. <ref name="ekso_robots"/> | |||
Aktiivsetel eksoskelettidel on samuti paljulubav pikaajaline kasu töötajate jõudluse suurendamisel, kuid tehnoloogia kasutuselevõtu määr on väga aeglane, kuna tehnoloogia pole piisavalt vastupidav ja sellega kaasnevad suured kulud. <ref name="ekso_robots"/> Kuni aktiivsete eksoskelettide laialdasem kasutamine pole veel võimalik, on välja arendatud ka poolaktiivsed. Nii aktiivsetel kui poolaktiivsetel seadmetel on kasutusel sensorid täiturmehhanismide kontrollimiseks. Poolaktiivsete eksoskelettide puhul kontrollivad täiturmehhanismid vaid liigendite jäikust. Poolaktiivsete eksoskelettide laiem levik on pigem vaheetapp tehnoloogia arengus, enne täielikult intelligentsete ja kohanemisvõimeliste aktiivsete eksoskelettide laiemat levikut tööstuses. <ref name="ekso_classification"/> | |||
== Tulevik == | |||
Eksoskelettide tulevikupotentsiaal on väga suur. Valdkonnad, kus töötajatel on vaja teha palju füüsilist tööd ja kus on seega risk inimeste tervisele, näiteks põllumajandus, tootmine või laotöö, saavad väga palju võita eksoskelettide arengust ja kasutuselevõtust.<ref>[https://www.bbc.com/news/business-56660644/ The 'Iron Man' body armour many of us may soon be wearing], BBC News (2021) </ref> Näiteks ehituses tuleb töötajatel sooritada tööoperatsioone erinevates ja sageli erakordselt ebamugavates poosides, samaaegselt raskusi hoides. Eksoskelettide kasutamine aitab parandada töö efektiivsust, kuna tööülesandeid saab sooritada kergemini, eksoskelett toetab keha ning aitab kaasa tööliigutuste sooritamisele. Kindlasti vähenevad ka erinevad vigastused või kui juba esinevad vigastused, siis tänu eksoskeletile saab töötaja oma tööd turvaliselt jätkata. <ref>Sunwook Kim, Albert Moore, Divya Srinivasan, Abiola Akanmu, Alan Barr, Carisa Harris-Adamson, David M. Rempel, Maury A. Nussbaum [https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/24725838.2018.1561557/ Potential of Exoskeleton Technologies to Enhance Safety, Health, and Performance in Construction: Industry Perspectives and Future Research Directions], IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors (2019)</ref> | |||
Eksoskelettide arendamise põhilisteks eesmärkideks on saada need võimalikult odavaks, energiasäästlikuks ja kasutajasõbralikuks. <ref>[https://www.roboticstomorrow.com/story/2021/10/the-future-of-robotic-exoskeletons-roadblocks-and-recent-advances/17693/ The Future of Robotic Exoskeletons: Roadblocks and Recent Advances], Robotics Tomorrow (2021) </ref> Energiasäästlikkuse mõttes arendatakse võimalikult palju passiivseid ja poolaktiivseid masinaid või üritatakse kasutada alternatiivseid energiaallikaid. <ref>[https://www.nature.com/articles/s41378-018-0024-3/ Wearable energy harvesters generating electricity from low-frequency human limb movement], Nature (2018)</ref> Selleks, et eksoskeletid oleks kerged, mugavad ja suuremat liikumisvabadust lubavad, arendatakse näiteks pehmeid eksoskelette, mis ei nõua suuri metallkontsruktsioone, vaid kasutavad uut tüüpi sensoreid ja jõu ülekande mehhanisme, et liikumist soodustada. <ref>[https://www.ge.com/news/reports/forget-iron-man-skintight-suits-future-robotic-exoskeletons/ Forget Iron Man: Skintight Suits Are The Future Of Robotic Exoskeletons] (2016) </ref><ref>[https://biodesign.seas.harvard.edu/soft-exosuits/ Soft Exosuits]</ref> | |||
Lisaks töötavad teadlased tehisintellekti tehnoloogiate abil välja uue põlvkonna eksoskelette, mis suudavad iseseisvalt mõelda ja otsuseid teha. Süsteem ühendab omavahel arvutinägemise ja süvaõppega tehisintellekti, et jäljendada liikumisvõimeliste inimeste kõndimist ning nägemise kaudu kontrollida ümbrust. Tänu kaamerale suudab eksoskelett tuvastada trepid, uksed ja muud ümbritseva keskkonna takistused ning vastavalt mootorile saadetud juhistele iseseisvalt ilma inimliku sekkumiseta võtta vastu otsused, kuidas edasi liikuda. Siin võib tuua sarnasusi autonoomsete autodega, mis sõidavad ise ning tuleviku eksoskeletid ja jalad suudavad ise, ilma inimliku sekkumiseta, käia. <ref>E.Engler Modic[https://www.todaysmedicaldevelopments.com/article/artificial-intelligence-exoskeleton-wearable-medical-device/#:~:text=Robotics%20researchers%20are%20developing%20exoskeletons%20and%20prosthetic%20legs,by%20seeing%20their%20surroundings%20and%20adjusting%20their%20movements./AI, wearable cameras in self-walking robotic exoskeletons], Today's Medical Developments (2021)</ref> | |||
Tulevikus võiks eksoskeletid olla ka tavakasutajale kättesaadavad. SuitX on arendamas välja põlvel kantavat eksoskeletti, mis aitab vähendada koormust põlvele kõndides, trepist üles minnes või püsti tõustes. <ref>[https://www.suitx.com/boostknee/ BoostX Knee], SuitX</ref> Samuti on välja töötatud kerge eksoskelett, mis on mõeldud matkajatele, jooksjatele ja sportlastele, et aidata kanda raskusi ja hõlbustada liikumist. <ref>[https://www.xenhanced.com/ Enhanced Robotics]</ref> | |||
= | =Viited= | ||
<references /> | |||
Latest revision as of 20:02, 9 May 2022
Autorid: Mari-Ann Piht, Helen Aavisto, Kristjan Keskküla
Sissejuhatus
Eksoskelett on biooniline seadeldis, mida saab kanda seljas või üksikute kehaosade peal, moodustades raamistiku, mis kaitseb või toetab inimese liikumist. Eksoskeletid leiavad kasutust mitmesugustes funktsioonides, peamiselt sõjanduses, tööstuses ja meditsiinis.
Eksoskelettide suunal tehakse ka palju arendus- ja teadustööd ning sellega seoses asutatud ka firmasid ja start-up'e, et tuua eksoskelette aina rohkem kasutusse igapäevaelus. Hetkel on maalimas tegutsemas üle saja eksoskelettide arendaja, millest ligi pooled asuvad Euroopas. Lisaks on palju firmasid asutatud ka Põhja-Ameerikas ja Aasias. [1]
Peamiseks takistuseks eksoskelettide laiemale kasutamisele on nende kõrge hind, mis võib kerkida üle 100 000 euro. Seda probleemi üritatakse lahendada suurendades inimeste teadlikkust sellistest toodetest ja ühes sellega suurendades tootmist ning kasutades uudseid tehnoloogiaid nagu 3D-printimine, et hinda allapoole tuua.
Eksoskelette on mitut eri tüüpi ja neid saab liigitada erinevat moodi. Vastavalt sellele, kas neid on võimalik kaasas kanda, võib neid jagada statsionaarseteks ja mobiilseteks, toestatava kehaosa järgi saab neid jagada ülakeha, alakeha ja kogu keha eksoskelettideks. Lisaks on üks peamisi viise eksoskelettide liigitamiseks nende energiavajadus.
Eksoskeletid võivad olla nii passiivsed, aktiivsed kui ka poolaktiivsed. Passiivsed eksoskeletid on ilma energiaallikata ja kasutavad inimkeha tugevuse suurendamiseks ja toetamiseks füüsikaseadusi. Aktiivsed eksoskeletid kasutavad liigendites välisel energial töötavaid mehhanisme. Selleks võib olla elektrimootor või muud tüüpi ajam, mis suurendab inimese jõudu ja aitab liigesed tööle panna. Aktiivsete eksoskelettide ajamid genereerivad jõudu nii eksoskeleti enda raskuse kandmiseks kui ka inimese poolt sooritatava ülesande jaoks soovitud kaalu kandmiseks. Kasutusel on ka poolaktiivsed eksoskeletid, mis on on passiivse ja aktiivse kombinatsioon, millel on poolaktiivne käivitamine. [2]
Ajalugu
Inimvõimekust parendava aparatuuri ajalugu on mitmesugune ja pikk. Mis muud on kivist odaots või puust vormitud oda, ratastega käru, metallist kirves, kiviheitemasin, või lennuk kui inimvõimekust parandav tehnoloogia? Targad filosoofid (A.Gehlen) on arutlenud lähtudes tehnoloogia ja inimese suhtest. [3] Antropoloogia viitab sellele, et inimloomale pole antud spetsialiseeritud organeid või instinkte – ei ole ta kõige kiirem, ei hüppa kõige kõrgemale, kuule ega tunne lõhna väga hästi võrreldes teiste loomadega, puudub kaitsev turvis või oskus lennata. Seetõttu on inimene sõltuvuses võimest (intelligentsist) muuta keskkonda endale sobivaks ehk luua tehnoloogiat. Tehnoloogia on vahend inimese nõrkuste parendamiseks ehk nõrkade organite asendamiseks läbi:
- tugevdamise (kivi + muskel annab tugevama löögi),
- asendustegevuse (lendamine, tuletegemine ei ole meie loomuses) või
- hõlbustustegevuse (motoriseeritud transport aitab meil kiiremini liikuda ja raadiosaatja kaugemalt suhelda) näol.
Sellest järeldub, et tehnoloogia on kui inimese peegel, tehnoloogia on nii vana kui inimene ise (tehnoloogia defineerib inimeseks olemist). [3]
Juba keskajal kasutati kiivreid, turvist ja raudrüüd, hilisemad iteratsioonid soomustranspordiga ja motoriseeritud sõjaväe lahendustega on vaid suurendanud inimese võimekust enda füüsist sõjaväljal efektiivsemaks muuta. Seetõttu võib vaadelda eksoskelette kui järgmise sammuna inimorganite asendamisel-tugevdamisel.
Esimesed katsetused kogu keha hõlmava (toitega) eksoskeleti loomisel algasid eelmise sajandi keskel. 1965. aastal alustas General Electric Ameerika Ühendriikide sõjaväe palvel uuringuid Hardimani (Human Augmentation Research and Development Investigation + ‘Man’) loomiseks. Hardiman pidi olema inimkehaga integreeritud mobiilne hüdraulika ja elektri jõul töötav ülikond. Sõjavägi soovis, et masinaga saaks liigutada rasket tehnikat ja seetõttu seati eesmärgiks, et eksoskelett peaks võimaldama selle kandjal jõudu 25 korda suurendada (tõsta kuni 680 kg).
Kuigi Hardimani arendamisel tehti mitmeid teaduslike avastusi, siis eksoskelett prototüübi etapist edasi ei jõudnud. Hardimani kontseptsiooni tulem oli väga raske (kaalus 680 kg), aeglane (maksimaalne liikumiskiirus 0,76 m/s) ning ebausaldusväärne reageerima sisenditele (puudus stabiilsus). Lisaks esinesid Hardimanil toiteallika probleemid. Kuna testimise käigus tekkisid „masina vägivaldsed ja kontrollimatud liikumised“ siis inimkatsetusteni ei jõutud. [4]
Esimene kõndimist abistav eksoskelett arendati välja Mihajlo Pupini insituudis 1960. aastate lõpus. Serbia professori Miomir Vukobratovići eesvedamisel loodi insituudis mitmeid erinevaid disaine sealhulgas alamkeha eksoskelett "Kinematic walker (1969)" ja selle edasiarendus "Active suit (1978)". “Active suiti” võib pidada tänapäevaste eksoskeletide eelkäijaks - see oli modulaarne, kasutas elektroonilisi täiturmehhanisme ning mehhanismide juhtimiseks mikroprotsessorit. [5]
1986. aastal hakkas Monty Reed arendama LIFESUIT eksoskeletti. Monty Reed oli sõjaväelane, kes oli vigastanud oma selga langevarjuõnnetuses. Haiglas olles ja mõtiskeledes elu üle, luges ta läbi Robert Heinleini „Starship Troopers“ raamatu. Seal kirjeldati mobiilseid kogukeha eksoskeletone. Inspiratsiooni tõukel valmis 2001. aastal prototüüp LIFESUIT One (LS1). Mõned iteratsioonid edasi ja 2005. aastal Püha Patricku päeval osales Monty Reed oma LS12 eksoskeletiga 3 miili jooksus, mille läbis 90 minutiga. [6]
Tehniliste piirangute tõttu võttis mõnda aega, et eksoskeleti tehnoloogia areneks. Esimesed kommertslikuks tarbeks eksoskeletid tulid turule 21. sajandi alguses ning on suunatud rehabilitatsiooni protsessi abistamiseks. Hocoma Lokomati (2001) kasutatakse haiglates ja taastusravikeskustes üle maailma. 2013. aastal teatas Hocoma 500. Lokomati eksoskeleti müügist maailmas. [7]
Kasutusalad
Sõjaline
Nii nagu teistelgi tegevusaladel, siis militaarsfääris on eksoskeleti roll aidata selle kandjat suurendades nende tugevust ja vastupidavust. Sõjaväljal on tihtipeale vaja kanda raskeid objekte (relvi, moona, kaaslaseid) ning töötada ohtlikus keskkonnas. Võimekus relvi, soomust ja lahinguvarustust kaasas kanda on tähtis, sest mida paremini on varustatud sõdur seda suurem on võimalus, et sõdur on efektiivne. Eksoskelett võimaldab parandada liikumise ergonoomikat seeläbi vähendada füüsiliste vigastuste ohtu raskete raskuste tõstmisel, raske maastiku läbimisel või korduvate liigutuste tegemisel. Lisaks sellele on võimalik aidata vigastatud sõdureid vähendades vigastuste mõju nende võitlusvõimele.
Sõjatandril pole eksoskeletid veel laialt kasutusel, sest on mitmed probleemid millele pole veel lahendust leitud. Üks neist on eksoskelettide mehhanismide vajadus energiale. Raketiteadusest teada tuntud valem: mida suurem on objekti mass seda suurem on selle massi liigutamiseks vajalik energiavajadus. Ja mida suuremad on energiakandjad (näiteks akud) seda suurem on objekti mass, mida on vaja liigutada ja selle liigutamiseks vajalik energiahulk. Lisaks massile rakenduvad lahinguväljal logistilised raskused kuidas leida laadimise või akude vahetamise võimalus. Eksoskelettidel on võimalik kasutada akude asemel ka sisepõlemismootorit. Väikesed sisepõlemismootorid suudavad mõningad eelmainitud probleemidest lahendada, aga tekitavad juurde teised – mootorite stabiilsus, energiatõhusus, sisepõlemisel tekkinud kuumus, vibratsioon, müra ja kulu. Eksoskelett peab olema mugav ja vastupidav, agiilne. Kiiresti parandatav! Elu ja surma eest võideldes ei ole võimalik kompromisse teha ning kahjuks neid kõiki nõudeid on raske koos ühte komplekti saada. [8]
Tänapäev
Erinevate kuulujuttude järgi tegelevad erinevate maade sõjaväed aktiivselt uute eksoskeleti lahenduste välja töötamisega. Kahjuks militaarsete projektidena on mitmed neist avalikkuse eest varjatud, välja saab tuua vaid mõningad.
USA kaitsetööstus (DARPA) panustas eksoskelettide uurimisse 2001. aastal alustatud programmi Exoskeletons for Human Performance Augmentation kaudu. DARPA rahastas esialgu viieaastase programmi raames erinevaid osapooli 50 miljoni dollariga. Projektidest valiti välja kaks parimat eksoskeleti prototüüpi: Human Universal Load Carrier (HULC) ja XOS (Exoskeleton Robot Sarcos).
HULC on eksoskelett, mis on välja töötatud Lockheed Martini poolt eelmise kümnendi alguses. Projekti eesmärgiks oli välja töötada eksoskelett, mis aitab vähendada sõdurite lihasluukonna vigastusi, näiteks raske lahingvarustuse kandmisel. HULC eksoskelett parandab sõdurite kandevõimet viies koormuse läbi eksoskeleti titaaniumist jalanõude (tugede). HULC kasutavab mikrokontrollereid, et aidata eksoskeleti liikumist juhtida. HULC eksoskelett kaalub 53kg. Maksimaalne kandevõime: 91 kg. Liitiumakude abil suudab HULC eksoskelet võitlejal läbida (küll lamedal maastikul ja 4km/h) kuni 20 km. Maksimaalne kiirus on 16 km/h. [9]
XOS ehk maakeeli „Raudmehe rüü“ on robotülikond (eksoskelett), mida arendab Raytheon. XOS II generatsiooni rüü kasutab hüdraulikat ja seeläbi võimaldab kasutajal tõsta raskeid objekte suhtega 17:1 (reaalne raskus vs tajutav raskus). XOS2 kaalub 95 kg. XOS2 on tark raudrüü, sest see kasutab erinevaid mikrokontrollereid, sensoreid ja täitureid, et aidata võitlejal efektiivselt lahinguväljal liikuda. [10]
Pasiivsetest ja alakeha eksoskeletidest võib välja tuua:
Ei ole leidnud kinnitust, et ühtegi eelmainitud lahendustest on ka tegelikult sõjategevuses kasutatud. Küll hakkas USA sõjavägi 2019. aastal sooritama teste Lockheed Martini ONYX eksoskeletiga. Samas ei ole teada kas ONYX oleks mõnes sõjalis-konfliktsituatsioonis kasutust leidnud. Ka tänapäeval on enamik militaarset eksoskeleti tehnoloogiat teadus- ja arengutegevuse (R/D) faasis.
Meditsiiniline
Meditsiinilises kasutuses olevad eksoskeletid on mõeldud aitama inimesi, kes mõne vigastuse või haiguse tõttu vajavad abi liikumisel. Tegemist võib olla õnnetuse käigus saadud seljaaju vigastusega, mis on muutnud ala- või ülakeha liikumisvõimetuks. Samuti võivad näiteks insuldi tagajärjel tekkida närvi- ja lihaskahjustused, mille tõttu inimene kaotab kõndimisvõime või käte funktsionaalsuse. Meditsiiniliste eksoskelettide eesmärk on parandada nende patsientide elukvaliteeti, et nad saaksid sellest hoolimata elada täisväärtuslikku elu.
Lisaks on meditsiiniliste eksoskelettide sihtgrupiks järjest vananev rahvastik. Hinnanguliselt eakate ehk 60-aastaste ja vanemate osakaal 2050 aastaks enam kui kahekordistub [13]. Selleks, et vanemaealised saaksid elada iseseisvalt täisväärtuslikku elu kõrge vanuseni, vajavad nad sageli abi liikumisel. Eksoskeleti abiga saavad vaimselt terved ja aktiivse eluviisiga eakad jätkata oma igapäevaseid tegevusi nagu poeskäimine, aiapidamine või kodutööde tegemine ilma vaevusteta, mida võib põhjustada lihaste nõrgenemine vanas eas. [14] [15]
Meditsiinilised eksoskeletid võib laias laastus jagada kaheks vastavalt sellele, millise kehaosa (kas üla- või alakeha) liikumist nad toetavad.
Alakeha eksoskeletid
Alakeha eksoskeletid on mõeldud inimest abistama kõndimisel. Neid on näiteks vaja halvatud patsientidel, kes ise pole enam võimelised oma jalgu liigutama. Ratastoolis ringi liiklemine võib olla ebamugav ja sobiva infrastruktuuri puudumisel ei pruugi teatud kohtadesse üldse ligi pääseda. Eksoskelett aitab neil inimestel teha igapäevaseid toiminguid täiesti iseseisvalt.
Eksoskelett kinnitatakse patsiendi külge mitmete rihmadega. Skeleti küljes on pehmendused, mis teevad selle kandmise võimalikult mugavaks ja aitavad vältida hõõrumist [16]. Mõnel juhul on lisaks jalaosadele skeletil veel lisatoestus, mida patsient kannab nagu seljakotti [17]. Osade mudelite puhul on lisaks kasutusel kargud, mis aitavad saavutada ettekallutavat kehapositsiooni, mida eksoskelett tajub kui signaali edasi liikumiseks [18]
Meditsiinilised eksoskeletid on tavaliselt varustatud mootoritega ja liikumise juhtimine võib olla kahte erinevat tüüpi. Esimene variant on selline, kus arvutile õpetatakse selgeks teatud käimismuster kasutades tervete inimeste andmeid. Selline variant sobib eelkõige halvatud patsientide eksoskelettidele. Teine variant on kasutusel näiteks insuldist taastuvate inimeste puhul, kes peavad uuesti käima õppima. Sellel juhul aitab eksoskelett kõndimisele kaasa just nii palju nagu vaja. Selle näol on tegemist intelligentse süsteemiga, mis suudab mõõta patsiendi progressi ja toetab kõndimist täpselt sellisel määral, et raskusaste oleks paras. Süsteem vähendab järk-järgult oma võimsust vastavalt sellele kuidas inimene tugevamaks saab, et tal oleks lõpuks võimalik kõndida masinast sõltumatult. [16][17]
Alakeha eksoskelettide suuremateks tootjateks on USA firma Ekso Bionics [19], mis valmistab nii meditsiiniliseks kui tööstuslikuks kasutamiseks mõeldud eksokelette, ja Iisraeli firma ReWalk Robotics [20], mis keskendub spetsiifiliselt meditsiinilistele alakeha eksoskelettidele, et aidata inimestel kõndida.
Ülakeha eksoskeletid
Patsientide puhul, kellel on näiteks õnnetuse või haiguse tagajärjel kadunud või vähenenud võime kasutada oma käsi, tulevad appi ülakeha eksoskeletid. Käte anatoomilise keerukuse tõttu on selliste eksokelettide disain tõeline väljakutse. Õlaliiges on keha üks keerulisemaid ja liikuvamaid liigeseid [21] ning sõrmede peenmotoorika hõlmab samuti paljude liigeste ja lihaste koordinatsiooni, seega sellise eksoskeleti ehitamine, mis suudaks simuleerida nende funktsiooni, on raske ülesanne.
Kuna näiteks sõrmedega haaramine on paljude igapäevategevuste osa, siis on välja töötatud mitmeid lahendusi nende inimeste aitamiseks, kellel mõnel põhjusel on see funktsioon häiritud. Enamik ülakeha eksoskelette on sarnaselt alakeha omadele keha ümber/seljas kantav raam, kuhu on integreeritud liikumist abistavad mootorid ja arvuti nende kontrollimiseks. [22]
Selline lahendus võib olla aga küllaltki raske kaasas kanda, seega on ülakeha eksoskelettide puhul otsitud ka kergemaid lahendusi. Näiteks on välja töötatud 3D-prinditud eksoskelett labakäe kontrollimiseks, mis kasutab aju elektrisignaale (EEG-d), et edastada teavet mehhanismile, mis laseb patsiendil kätt liigutada vastavalt tema soovidele. 3D-prinditud variandi eeliseks teiste ees on ka suhteliselt odav hind, mis teeb selle kättesaadavamaks rohkematele inimestele. [23]
Juhtivaks tootjaks meditsiiniliste ülakeha eksoskelettide vallas on USA firma Myomo. Nad on halvatud või nõrgenenud ülajäseme lihaste funktsiooni taastamiseks välja arendanud terve käsivarre eksoskeleti, mis lubab samuti ainult mõtte jõul oma kätt liigutada. Antud seade suudab naha pinnalt tuvastada aju poolt lihastesse saadetud närvisignaale. Kasutaja kontrollib oma kätt täielikult ise, eksoskelett lihtsalt võimendab närvisignaali ja aitab mootorite abil kätt liigutada soovitud suunas. [24]
Tööstuslik
Võib ju mõelda, et miks tänapäeva tööstuses üldse on vaja seadmeid, mis suurendavad inimese füüsilist võimekust, kuna robotid ja täielik automatiseerimine võiks ju füüsiliselt rasked tööülesanded inimeselt üle võtta. Reaalses elus ei ole see aga alati võimalik, eelkõige dünaamilistes tootmise- ja laokeskkondades, kus on palju erinevaid tooteid ja suhteliselt väikesed tellimuskogused, mille komplekteerimine eeldab suurt paindlikkust. Samuti ei suuda robotid asendada inimese võimet jälgida ümbritsevat ning teha sellest lähtuvalt loovalt otsuseid ning viia need ka sekundi murdosa jooksul täide.
Seetõttu peavad töötajad tootmises endiselt manuaalselt teostama erinevaid tegevusi, nagu raskete esemete liigutamine ühest kohast teise või siis komplekteerimine, millega sageli kaasnevad ebamugavad sundasendid. Lahenduseks on siin eksoskelettide kasutamine, mis suurendab inimese jõuvõimet ning kaitseb keha liigse koormuse eest, samaaegselt vähendades füüsilise koormusega kaasnevaid terviseriske. [25]
Viimastel aastatel on mitmed rahvusvahelised firmad hakanud avalikkusega jagama oma kogemusi eksoskelettide kasutamisel. Nende hulgas Hyundai Motor Group, mis 2018. aasta oktoobris teatas, et on alustanud Põhja-Ameerika Hyundai-Kia tehases Hyundai Vest Exoskeleton (H-VEX) testimisega, mis aitab vähendada töötajatel koormust kaelale ja seljale. [26]
Eksoskeletid on kantavad robotülikonnad – kas kehaosade või kogu keha jaoks. Nad võivad toetada vöökohta, üla- või alakeha, õlgu. Nimmepiirkonda toetavad eksoskeletid on abiks raskete raskuste tõstmisel, samas ülakeha toetavad seadmed aitavad kaasa õlgade õigele liikumisele, kaalu efektiivsele jaotamisele ja kehahoiaku hoidmise toetamisele. [27]
Tööstuslikud eksoskeletid on tavaliselt abiks suure korduste arvuga, mitteneutraalsetes asendites ja suure töökoormusega ülesannete abistamisel. [28] Tööstuses on töökohti, mis nõuavad töötajatelt suurt füüsilist pingutust ja vastupidavust ning kus tööd tuleb teha ebamugavates sundasendites. Sellistes olukordades on raske leida hästi toimivat lahendust, et kuidas tagada efektiivne tootmisprotsess ning samal ajal arvestada töötajate heaolu ja tervisega. Näiteks autotööstuse autode komplekteerimise liinidel tuleb töid teostada ebamugavates poosides, kas käed pikalt ette sirutatult või õlgadest kõrgemal, sellistes tööprotsessides on suureks abiks eksoskeletid, mis toetavad töötajate kehaosi ning vähendavad koormust. [29]
Tööstuses on laialdaselt kasutusel passiivsed eksoskeletid, sest lisaks füüsilise jõu suurendamisele aitavad nad vähendada vigastuste ohtu töötaja õlgadele või lülisambale, vähendades samal ajal väsimust. Võib isegi öelda, et nad on muutumas tööstuses töökultuuri lahutamatuks osaks, õigustades tehtud investeeringuid, tagades lisaks parematele töötulemustele ka töötajate suurema ohutuse. [27]
Aktiivsetel eksoskelettidel on samuti paljulubav pikaajaline kasu töötajate jõudluse suurendamisel, kuid tehnoloogia kasutuselevõtu määr on väga aeglane, kuna tehnoloogia pole piisavalt vastupidav ja sellega kaasnevad suured kulud. [27] Kuni aktiivsete eksoskelettide laialdasem kasutamine pole veel võimalik, on välja arendatud ka poolaktiivsed. Nii aktiivsetel kui poolaktiivsetel seadmetel on kasutusel sensorid täiturmehhanismide kontrollimiseks. Poolaktiivsete eksoskelettide puhul kontrollivad täiturmehhanismid vaid liigendite jäikust. Poolaktiivsete eksoskelettide laiem levik on pigem vaheetapp tehnoloogia arengus, enne täielikult intelligentsete ja kohanemisvõimeliste aktiivsete eksoskelettide laiemat levikut tööstuses. [29]
Tulevik
Eksoskelettide tulevikupotentsiaal on väga suur. Valdkonnad, kus töötajatel on vaja teha palju füüsilist tööd ja kus on seega risk inimeste tervisele, näiteks põllumajandus, tootmine või laotöö, saavad väga palju võita eksoskelettide arengust ja kasutuselevõtust.[30] Näiteks ehituses tuleb töötajatel sooritada tööoperatsioone erinevates ja sageli erakordselt ebamugavates poosides, samaaegselt raskusi hoides. Eksoskelettide kasutamine aitab parandada töö efektiivsust, kuna tööülesandeid saab sooritada kergemini, eksoskelett toetab keha ning aitab kaasa tööliigutuste sooritamisele. Kindlasti vähenevad ka erinevad vigastused või kui juba esinevad vigastused, siis tänu eksoskeletile saab töötaja oma tööd turvaliselt jätkata. [31]
Eksoskelettide arendamise põhilisteks eesmärkideks on saada need võimalikult odavaks, energiasäästlikuks ja kasutajasõbralikuks. [32] Energiasäästlikkuse mõttes arendatakse võimalikult palju passiivseid ja poolaktiivseid masinaid või üritatakse kasutada alternatiivseid energiaallikaid. [33] Selleks, et eksoskeletid oleks kerged, mugavad ja suuremat liikumisvabadust lubavad, arendatakse näiteks pehmeid eksoskelette, mis ei nõua suuri metallkontsruktsioone, vaid kasutavad uut tüüpi sensoreid ja jõu ülekande mehhanisme, et liikumist soodustada. [34][35]
Lisaks töötavad teadlased tehisintellekti tehnoloogiate abil välja uue põlvkonna eksoskelette, mis suudavad iseseisvalt mõelda ja otsuseid teha. Süsteem ühendab omavahel arvutinägemise ja süvaõppega tehisintellekti, et jäljendada liikumisvõimeliste inimeste kõndimist ning nägemise kaudu kontrollida ümbrust. Tänu kaamerale suudab eksoskelett tuvastada trepid, uksed ja muud ümbritseva keskkonna takistused ning vastavalt mootorile saadetud juhistele iseseisvalt ilma inimliku sekkumiseta võtta vastu otsused, kuidas edasi liikuda. Siin võib tuua sarnasusi autonoomsete autodega, mis sõidavad ise ning tuleviku eksoskeletid ja jalad suudavad ise, ilma inimliku sekkumiseta, käia. [36]
Tulevikus võiks eksoskeletid olla ka tavakasutajale kättesaadavad. SuitX on arendamas välja põlvel kantavat eksoskeletti, mis aitab vähendada koormust põlvele kõndides, trepist üles minnes või püsti tõustes. [37] Samuti on välja töötatud kerge eksoskelett, mis on mõeldud matkajatele, jooksjatele ja sportlastele, et aidata kanda raskusi ja hõlbustada liikumist. [38]
Viited
- ↑ Updated Directory of Exoskeleton Companies and Industry Statistics,Exoskeleton Report (2021)
- ↑ Types And Classifications of Exoskeletons Exoskeleton Report (2015)
- ↑ 3.0 3.1 Arnold Gehlen, Man in the Age of Technology (1957)
- ↑ Do You Even Lift, Bro? Hardiman Was GE's Muscular Take On The Human-Machine Interface, General Electric (2016)
- ↑ Miomir K. Vukobratović, When Were Active Exoskeletons Actually Born?, Mihajlo Pupin Institute (2007)
- ↑ Monty Reed - They Shall Walk
- ↑ A Brief History of Robotic Exoskeletons, Eduexo (2017)
- ↑ Gregory Mone, Building the Real Iron Man, Popular Science (2008)
- ↑ Human Universal Load Carrier, Army Technology (2020)
- ↑ Raytheon XOS 2 Exoskeleton, Second-Generation Robotics Suit, Army Technology (2020)
- ↑ Lockheed Martin ONYX, Lockheed Martin
- ↑ Lightweight, Soft Exosuit Aims to Prevent Musculoskeletal Injury in Warfighters
- ↑ World Health Organisation, Ageing and health 2021
- ↑ Aalborg University , Exoskeleton to ensure an active old age, ScienceDaily (2015)
- ↑ Project of the month: AXO-SUIT, AAL Programme (2020)
- ↑ 16.0 16.1 Bing Chen, Hao Ma; Lai-Yin Qin; Fei Gao; Kai-Ming Chan; Sheung-Wai Law; Ling Qin; Wei-Hsin Liao, Recent developments and challenges of lower extremity exoskeletons, ScienceDirect (2016)
- ↑ 17.0 17.1 Spinal Cord Injury, eksoBionics
- ↑ ReWalk™ Personal 6.0 Exoskeleton, ReWalk
- ↑ Ekso Bionics
- ↑ ReWalk Robotics
- ↑ The Shoulder Joint - Structure, TeachMe Anatomy
- ↑ Muhammad Ahsan Gull; Shaoping Bai; Thomas Bak, A Review on Design of Upper Limb Exoskeletons, MDPI Robotics (2020)
- ↑ Rommel S. Araujo1; Camille R. Silva; Severino P. N. Netto1; Edgard Morya1; Fabricio L. Brasil, Development of a Low-Cost EEG-Controlled Hand Exoskeleton 3D Printed on Textiles, frontiers in Neuroscience (2021)
- ↑ What is a MyoPro Orthosis?, myomo - my own motion
- ↑ Michiel P. de Looze, Tim Bosch, Frank Krause, Konrad S. Stadler & Leonard W. O’Sullivan, for industrial application and their potential effects on physical work load, Ergonomics (2016)
- ↑ D.Kara,Industrial exoskeletons: new systems, improved technologies, increasing adoption, therobotreport.com (2018)
- ↑ 27.0 27.1 27.2 K.Akshay,Utilizing Exoskeleton Robots for Industrial Applications, control.com (2020)
- ↑ Hensel, R., and M. Keil,Subjective Evaluation of a Passive Industrial Exoskeleton for Lower-Back Support: A Field Study in the Automotive Sector, IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors (2019)
- ↑ 29.0 29.1 A. Voilqué, J. Masood, J. Fauroux, L. Sabourin and O. Guezet,Industrial Exoskeleton Technology: Classification, Structural Analysis, and Structural Complexity Indicator, Wearable Robotics Association Conference (2019)
- ↑ The 'Iron Man' body armour many of us may soon be wearing, BBC News (2021)
- ↑ Sunwook Kim, Albert Moore, Divya Srinivasan, Abiola Akanmu, Alan Barr, Carisa Harris-Adamson, David M. Rempel, Maury A. Nussbaum Potential of Exoskeleton Technologies to Enhance Safety, Health, and Performance in Construction: Industry Perspectives and Future Research Directions, IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors (2019)
- ↑ The Future of Robotic Exoskeletons: Roadblocks and Recent Advances, Robotics Tomorrow (2021)
- ↑ Wearable energy harvesters generating electricity from low-frequency human limb movement, Nature (2018)
- ↑ Forget Iron Man: Skintight Suits Are The Future Of Robotic Exoskeletons (2016)
- ↑ Soft Exosuits
- ↑ E.Engler Modicwearable cameras in self-walking robotic exoskeletons, Today's Medical Developments (2021)
- ↑ BoostX Knee, SuitX
- ↑ Enhanced Robotics
