Eksoskeletid

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, kellest ligi pooled asuvad Euroopas. Lisaks on palju firmasid asutatud ka Põhja-Ameerikas ja Aasias.

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.

Kasutusalad

Sõjaline

Militaarse eesmärgiga inimvõimekust suurendava aparatuuri ajalugu on mitmesugune ja pikk. Mis muud on kivist odaots või puust vormitud oda, metallist kirves, kiviheitemasin, tiibrakett või hävitaja kui inimvõimekust parandav tehnoloogia? Targad filosoofid (A.Gehlen) 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 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).

Juba keskajal kasutati kiivreid ja turvist, hilisemad iteratsioonid soomustranspordiga ja motoriseeritud sõjaväe lahendustega on vaid suurendanud inimese võimekust enda füüsist sõjaväljal efektiivsemaks muuta. Seetõttu võib vaadelda eksoskelete kui järgmise sammuna inimorganite asendamisel-tugevdamisel.

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. Eksoskelet 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.

Ajalugu

Hardiman, General Electric

Esimesed katsetused sõjalisel eesmärgil kasutatava eksoskeleti loomisel algasid eelmise sajandi keskel. 1965. aastal alustas General Electric Ameerika Ühendriikide sõjaväe palvel uuringuid Hardimani loomiseks. Hardiman pidi olema inimkehaga integreeritud mobiilne hüdraulika ja elektri jõul töötav ülikond. Sõjavägi soovis, et masinaga saaks liigutada rasket tehnikat ja seetõttu eesmärgiks seati, et eksoskelet peaks võimaldama selle kandjal jõudu 25 korda suurendada.

Kuigi Hardimani arendamisel tehti mitmeid läbimurdeid, siis eksoskelet ise prototüübi etapist edasi ei jõudnud. Hardiman oli väga raske (680kg), sellel puudus stabiilsus, oli aeglane (maksimaalne liikumiskiirus 0,76 m/s) ning ebausaldusväärne reageerima sisenditele. Lisaks esinesid Hardimanil toiteallika probleemid. Kuna testimise käigus tekkisid „masina vägivaldsed ja kontrollimatud liikumised“ siis inimkatsetusteni ei jõutud.

1986. aastal hakati arendama LIFESUIT eksoskeleti. LIFESUITI autoriks oli Monty Reed - sõjaväelane, kes oli vigastanud oma selga langevarjuõnnetuses. Sattudes haiglasse ja mõtiskeledes elu üle, ta luges läbi Robert Heinleini Starship Troopers raamatu. Seal kirjeldati mobiilseid eksoskeletone. Inspiratsiooni tõukel valmis 2001. aastal prototüüp LIFESUIT One (LS1). Mõned iteratsioonid edasi - 2005. aastal Püha Patricku päeval osales Monty Reed oma LS12 eksoskeletiga 3 miili jooksus, mille läbis 90 minutiga.

Probleemid

Mitmeid probleeme on vaja lahendada- üks suurimatest on eksoskelettide 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 mass, mida on vaja liigutada. Lisaks massile rakenduvad logistilised raskused- kus leida sõjatandril eksoskeletile laadimise võimekus. Sisepõlemismootorid suudavad mõningad nendest probleemidest lahendada, aga tekivad juurde teised – mootorite stabiilsus, energiatõhusus, sisepõlemisel tekkinud kuumus, vibratsioon, müra ja kulu. Eksoskelet 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. Seetõttu pole ka eksoskeletid sõjatandril laialt veel kasutusel.

Tänapäev

Militaarse tarbega eksoskeletid jagunevad funktsiooni alusel kategooriatesse:

• Kogu keha eksoskeletid. Eksoskeletid, mis toetavad kogu keha. Nende tootmine on siiamaani olnud problemaatiline ning kasutus pea olematu. On erinevaid prototüüpe.
• Alamkeha eksoskeletid. Eksoskeletid, mis toetavad jalgu eesmärgiga vähendada kandja pingutust ning suurendada liikuvust.
• Passiivsed eksoskeletid. Pasiivsetel eksoskeletidel pole täitureid, akusid ega elektroonikat.

Erinevate kuulujuttude järgi tegelevad maade sõjaväed aktiivselt uute eksoskeleti lahenduste välja töötamisega. Kahjuks militaarsete projektidena on mitmed neist avalikuse eest varjatud, välja saab tuua vaid mõningad.

USA kaitsetööstus (DARPA) algatas eksoskelettide uurimise 2001. aastal programmi Exoskeletons for Human Performance Augmentation kaudu. Agentuur rahastas esialgu viieaastase programmi raames erinevaid osapooli 50 miljoni dollariga. Neist valiti välja kaks parimat eksoskeleti prototüüpi: Human Universal Load Carrier (HULC) ja XOS (Exoskeleton Robot Sarcos).

Load video

YouTube

YouTube might collect personal data. Privacy Policy

ContinueDismiss

Sarcos Guardian XO (XOS2)

HULC on eksoskelet, mis on välja töötatud Lockheed Martini poolt eelmise kümnendi alguses. Süsteemi eesmärk on vähendada sõdurite lihasluukonna vigastusi, mis tekivad raske lahingvarusutuse kandmisel. HULC parandab sõdurite kandevõimet kandes koormuse läbi eksoskeleti titaaniumist jalanõude. HULC kasutavab mikrokontrollereid, et aidata eksoskeleti liikumisi kontrollida. HULC eksoskelett kaalub 53kg. Liitiumakude abil suudab HULC eksoskelet võitlejal läbida (küll lamedal maastikul ja 4km/h) kuni 20 km. Maksimaalne kiirus on 16 km/h. Maksimaalne kandevõime: 91 kg.

XOS ehk maakeeli „Raudmehe rüü“ on robotülikond (eksoskelett), mida arendab Raytheon. XOS teise 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- see kasutab erinevaid mikrokontrollereid, sensoreid ja täitureid, et aidata võitlejal efektiivselt lahinguväljal liikuda.

Pasiivsetest ja alakeha eksoskeletidest võib mainida:

• Lockheed Martini Onyx
• DARPA Warrior Knee Exosuit
• Marine Moju, Terra Mojo

Ei ole leidnud kinnitust, et ühtegi eelmainitud lahendustest on sõjategevuses kasutatud. Küll, aga hakkas USA sõjavägi 2019. aastal tegema teste Lockheed Martini ONYX eksoskeletiga. 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 65-aastaste ja vanemate osakaal 2050 aastaks enam kui kahekordistub . 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.

Liigitus

Meditsiinilisi eksoskelette saab liigitada mitut erinevat moodi.

Toestatava kehapiirkonna järgi:

• alakeha eksoskeletid
• ülakeha eksoskeletid

Ravi tüübi järgi:

• rehabilitatsiooniks
• liikumise abistamiseks

Kaasaskantavuse järgi:

• statsionaarsed
• mobiilsed

Mootorite olemasolu järgi

• elektrilised (mootoriga)
• passiivsed (mootorita)

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 . Mõnel juhul on lisaks jalaosadele skeletil veel lisatoestus, mida patsient kannab nagu seljakotti . Osade mudelite puhul on lisaks kasutusel kargud, mis aitavad saavutada ettekallutavat kehapositsiooni, mida eksoskelett tajub kui signaali edasi liikumiseks

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.

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 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.

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.

Samuti on halvatud või nõrgenenud ülajäseme lihaste funktsiooni taastamiseks välja arendatud terve käsivarre eksoskelett, 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.

Tööstuslik

Hyundai eksoskelett

Kui algselt oli inimkeha abistav mehhaaniline abivahend disainitud, et aidata inimestel kõndida ja seejärel leidis rakendust sõdurite füüsilise võimekuse suurendamisel, siis 1965. aastal General Electricu The Hardiman I, oli esimene moderne tööstuslikuks kasutuseks disainitud kogu keha eksoskelett, mis aitas kanda suuri raskusi.

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 tootmises- 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 otsused 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, samaegselt vähendades füüsilise koormusega kaasnevaid terviseriske.

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.

Tööstuslikud eksoskeletid on tavaliselt abiks suure korduste arvuga, mitteneutraalsetes asendites ja suure töökoormusega ülesannete abistamisel. 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.

Kuidas jagunevad tööstuslikud eksoskeletid?

Eksoskeletid võivad olla passiivsed, mis on ilma energiaallikata või aktiivsed, mis kasutavad liigendites välisel enerrgial töötavaid mehhanisme. Kasutusel on ka poolaktiivsed eksoskeletid.

Passiivsed

Passiivsed eksoskeletid kasutavad inimkeha tugevuse suurendamiseks ja toetamiseks füüsikaseadusi. Lisaks füüsilise jõu suurendamisele, aitavad nad vähendada vigastuste ohtu töötaja õlgadele või lülisambale, vähendades samal ajal töötajate väsimust. Eelkirjeldatud omadused on taganud passiivsete eksoskelettide laiema leviku, võib isegi õelda, et nad on muutumas tööstuses töökultuuri lahutamatuks osaks, õigustades tehtud investeeringuid, tagades lisaks parematele töötulemustele ka töötajate suurema ohutuse.

Aktiivsed

Akttivsed eksoskeletid on varustatud ühe või mitme mehhanismiga, mis 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. Aktiivsetel eksoskelettidel on paljulubav pikaajaline kasu töötajate jõudluse suurendamisel, kuid tehnoloogia kasutuselevõtu määr on väga aeglane, kuna tehnoloogia pole piisavalt vastupidav ja sellega kaasnevad suured kulud.

Poolaktiivsed

Poolaktiivsed eksoskeletid on passiivse ja aktiivse eksoskeleti kombinatsioon, millel on poolaktiivne käivitamine. Nii aktiivsetel kui poolaktiivsetel seadmetel on kasutusel sensorid täiturmehanismide kontrollimiseks. Poolaktiivsete eksoskelettide puhul kontrollivad täiturmehanismid vaid liigendite jäikust. Poolaktiivsete eksoskelettide laiem levik on pigem vaheetapp tehnoloogia arengus, enne täielikult intelligentsete ja kohanemisvõimeliste aktiivsete eksoskelettide laiemat levikut tööstuses.

Tulevik

Teadlased töötavad 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, et kuidas edasi liikuda. Siin võib tuua sarnasusi autonoomsete autodega, mis sõidavad ise ning tuleviku eksoskeletid ja jalad suudavad ise, ilma inimliku sekkumiseta, käia.

Valdkond, kus eksoskelettide laiem kasutuselevõtt tulevikus võib anda väga häid tulemusi on ehitus, kuna seal tuleb töötajatel sooritada tööoperatsioone erinevates ja segeli erakordselt ebamugavates poosides, samaaegselt raskusi hoides. Eksoskelettide kasutamine aitab parandada töö efektiivsust, kuna tööülesandeid saab sooritada kergemini, kuna 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.