Motoriseeritud eksoskelett

 
Motoriseeritud eksoskelett, tuntud ka kui turvismasin või eksoturvis, on motoriseeritud liikumise masin, mis koosneb inimese poolt seljas kantavast eksoskeletilaadsest raamistikust ja toiteelemendist, mis tagab vähemalt osa liigutuste aktiviseerimisenergiast.
Eksoturvised on välja töötatud selleks, et kandjat toetada ja kaitsta. Näiteks võivad need olla mõeldud toetama ja kaitsma sõdureid ja ehitustöölisi või abistama inimesi teistes eluohtlikes keskkondades.
Meditsiiniturul on suur tulevik seadmetel, mis pakuksid liikumisabi vanadele ja põduratele inimestele. Teiste kasutusalade hulgas on päästetööd, kus näiteks varisenud hoonetes võib seade võimaldada päästetöötajatel tõsta raskeid rususid, kaitstes töötajat samal ajal langeva ehitusprahi eest.
Eksoturviste töötavaid mudeleid on juba konstrueeritud, kuid neid pole laialdaselt kasutusele võetud. Lahendamist vajavad mitmed probleemid, sealhulgas sobiva toiteallika leidmine. Sellegipoolest on 2010. aastal kolm ettevõtet turule toonud eksoturviseid puuetega inimestele.
Ilukirjanduses esinev "mecha" erineb eksoturvisest selle poolest, et esimene on tavaliselt palju suurem kui inimese keha ning ei jäljenda otseselt jäsemete liigutusi. Samuti võib sel olla kõndimiseks rohkem kui 2 jäset, samas kui eksoturvised, ka ilukirjanduslikud (näiteks Raudmees), on kahejalgsed ja valdavalt andromorfsed ehk inimkujulised. "Mechade" puhul hõivab inimesest operaator kabiini või juhikoha suuremas süsteemis. Selle kabiini sees võib inimene kanda väikest kergekaalulist eksoskeletti, mis toimib haptilise kontroll-liidesena palju suuremate väliste liigeste jaoks. "Mecha" erinevus robotitest on, et see pole kaugjuhitav või autonoomne, vaid mehitatud ja piloodi poolt kontrollitav.
Ajalugu.
Varaseim eksoskeletilaadne seade oli kõnni-, hüppe- ja jooksuabiaparaat, mille töötas välja Nicholas Yagin 1890. aastal. Agregaat kasutas kokkupressitud gaasi, et salvestada liigutamisel vabanevat energiat, mida hiljem kasutas teiste liigutuste sooritamiseks. Seade töötas siiski inimjõul ega kasutanud väliseid energiaallikaid. 1917. aastal töötas USA leiutaja Leslie C. Kelley välja masina, mille nimetas pedomootoriks. Seade töötas auru jõul ja selle tehisligamendid töötasid kandja liigutustega paralleelselt. Pedomootori puhul oli peale kasutaja energia rakendatud lisaenergiat.
Esimene tõeline eksoskelett – inimliigutustega integreeritud liikuv masin – töötati välja General Electricu ja USA sõjaväe koostöös 1960. aastatel. Turvist kutsuti Hardimaniks ja seda kandes tundus 110 kg raskuse tõstmine 4,5 kg raskuse tõstmisena. Hüdraulika ja elektri jõul töötades võimaldas turvis kandjal oma tugevust võimendada 25-kordselt, nii et 25 kg tõstmine on sama lihtne, kui 1 kg tõstmine ilma turviseta. Jõu tagasiside mehhanism võimaldas kandjal tunda raskuste ja objektidega manipuleerimist.
Kuigi idee tundus üldjoontes paljulubav, oli Hardimanil suuri puudujääke. See oli oma 680 kg kaalu juures ebapraktiline. Teiseks probleemiks oli mitmekihiline opereerimissüsteem – operaator oli ühes turvises, mis asus omakorda teises seadmes. See süsteem töötas küll hästi, kuid oli liiga aeglane võrreldes ühekihilise süsteemiga. Kui eesmärgiks on füüsilise sooritusvõime suurendamine, siis on kiirus oluline. Selle aeglane liikumiskiirus 2,74 km/h piiras praktilist kasutamist.
Projekt ebaõnnestus. Eksoskeleti kasutamise katsed lõppesid jõuliste kontrollimatute liigutustega ja seetõttu ei saanud seda katsetada inimesega. Edasised uuringud keskendusid ühele käele. Kuigi see suutis tõsta ettenähtud 340 kg, kaalus see üle 700 kg, ligi kaks korda rohkem, kui tõstetav raskus. Kuna kõiki komponente ei saadud samaaegselt tööle, olid Hardimani praktilised kasutuvõimalused piiratud.
Kasutusviisid.
Üks eksoskeleti põhilisi potentsiaalseid funktsioone oleks võimaldada sõduritel kanda rasket varustust (80–300 kg) jooksmise või ronimise ajal. See ei anna sõdurile mitte üksnes võimalust kanda raskemat koormat, vaid ka kasutada raskemaid relvi. Enamik mudeleid kasutab hüdraulilisi süsteeme, mida juhib pardakompuuter. Toiteallikas võib olla sisepõlemismootor, aku või tulevikus kütuseelemendid.
Teine kasutusvaldkond oleks meditsiiniline hooldus, eelkõige õendus. Olles vastamisi meditsiinitöötajate puudusega ja suureneva hulga vanuritega tulevikus on mitmed Jaapani insenerid välja töötanud eksoskelette, et aidata õdedel patsiente tõsta ja liigutada.
Eksoskeletti võib käsitleda ka kui kantavat robotit: kantav robot on mehhatrooniline süsteem, mis on disainitud inimese kuju ja funktsioone järgides, kus osad ja liigendid on seotud inimese vastavate kehaosadega. 
Kaugjuhtimine ja jõu võimendamine pidid olema esimesed kasutusvaldkonnad, aga pärast hiljutisi tehnoloogilisi arenguid on kasutusvõimaluste valik laienenud.
Suurenev tunnustus teadlaste kogukonnas tähendab, et seda tehnoloogiat rakendatakse nüüd kaugmanipulatsioonis ja rehabilitatsioonis, et aidata kahjustatud motoorikaga inimesi.
Piirangud ja probleemid.
Turvismasinate insenerid satuvad silmitsi suurte tehnoloogiliste väljakutsetega, konstrueerides turviseid, mis võimaldaksid kiireid ja äkilisi liigutusi ning mida oleks samas ohutu kasutada ilma erilise ettevalmistuseta.
Energiaallikad.
Üks suuremaid probleeme eksoskelettide arenduses on toiteallikate leidmine. Seni on kasutusel paar piisava energiatihedusega energiaallikat, mis suudavad varustada kogu keha katvat eksoturvist mõne tunni jooksul.
Mittelaetavad akuelemendid on tavaliselt suurema energiatihendusega ja pikaealisemad kui laetavad akud, kuid nende kasutamise korral tuleb varuelemente kaasas kanda juhuks, kui aku tühjaks saab. Laetavaid akusid saab taaskasutada, kuid need vajavad laadimissüsteemi kaasaskandmist. Laadimine peab toimuma kiirest või peavad akud olema kiiresti vahetatavad.
Sisepõlemismootor pakub suurt võimsust, kuid kulutab kütust ka seadme paigalolekus mootori käitamiseks. Lisaks võib tekkida probleeme mootori käivitamisel. Väikesed ja kerged mootorid peavad töötama suurel kiirusel, et väljastada piisavalt energiat väikse silindrimahu juures. Töö käigus tekkivat vibratsiooni on raske summutada ning see võib kanduda edasi tervele süsteemile. Sisepõlemismootorid eritavad palju soojust, mis lisab omakorda kaalu jahutussüsteemide või soojusisolatsiooni näol.
Elektrokeemilised kütuseelemendid omavad paljusid akude eeliseid, näiteks hetkelist käivitust ja väljalülitust. Lisaks saab neid kiiresti tankida vedelkütusega, näiteks metanooliga. Praeguse tehnoloogia juures on nende töötemperatuur kõrge – 600 °C.
Enamus uurimusi on keskendunud palju suurematele eraldiseisvatele toiteallikatele. Eksoturvistele, mida ei kasutata täiesti eraldiseisvalt isoleeritud olukordades, nagu näiteks lahinguväljal sõduritel, on selline piirang aktsepteeritav ning seade võib saada toite kaabliga.
Materjalide tugevus ja kaal.
Esmased eksoskeleti eksperimendid tehakse tavaliselt kasutades odavaid ja kergesti vormitavaid materjale nagu näiteks teras ja alumiinium. Siiski on teras raske ja eksoturvis peab enda raskuse ületamiseks rohkem energiat kulutama, kaotades efektiivsuses. Alumiiniumisulamid on kerged, kuid kuluvad ruttu.
Kui disainiküsimustes liigutakse esmastelt katsetelt edasi, võetakse kasutusele järjest kallimad ja tugevamad, kuid kergemad materjalid, nagu titaan, ja võetakse kasutusele komplekssemad konstruktsioonimeetodid, nagu näiteks süsinikkiust plaadid.
Ajamite võimsus ja täpsus.
Võimsa kuid kerge lahenduse probleem kehtib ka liigendi täiturite puhul. Tavalised hüdraulilised silindrid on võimsad ja täpsed, kuid nad on ka rasked vedelikuga täidetud torude tõttu, ning on võimalus, et vedelik hakkab lekkima. Siiski kasutatakse hüdraulilisi süsteeme paljudes vastutusrikastes mehhanismides nagu autopidurites ja lennuki maandumisvarustuses.
Pneumaatilised süsteemid on üldiselt liiga ettearvamatud täpsete liigutuste sooritamiseks, kuna kokkupressitud gaas on elastne ja teekonna pikkus varieerub sõltuvalt gaasi tihedusest ja ajamitele mõjuvast jõust.
Üldiselt on elektrilised servomootorid efektiivsemad ja suurema energiatihedusega. Rakendades võimsaid magneteid ning ülekandeid saab ehitada täpseid ja tugevaid ent väikseid täitureid.
Liigendite liikuvus.
Liikuvus on konstruktsiooniprobleem, mis puudutab ka motoriseerimata skafandreid. Eksoskelettide konstrueerimise esimene etapp ongi näidata, et skeleti liigendid võimaldavad jäljendada inimliigutusi. Mitmed inimliigesed, nagu puusa- ja õlaliiges on keraliigesed, mille pöörlemistelg asub keha sees. Kasutades rida väliseid üheteljelisi liigendeid, on eksoskeletil raske täielikult jäljendada nende keraliigeste liikumist, piirates nõnda kandja liikuvust.
Õla või puusa kohal saab kasutada teist keraliigest, kuid seejärel tekib kandja luudega rida paralleelseid vardaid. Kui välimist keraliigest pöörata selle täies ulatuses, muutub vahemaa kasutaja küünar- või põlveliigesega kord pikemaks või lühemaks, nihutades selle liigesed paigast. Sellist nihet kandja ja turvise liigeste paigutuse osas saab vältida: turvise liigendeid saab konstrueerida nii, et need vastavalt kasutaja liigutustele pikeneksid või lüheneksid, et kandja põlve- või küünarliigesed jääksid kohakuti turvisega.
Osaline lahendus täpsemaks vabateljeliseks liikumiseks oleks õõnes keraliiges, mis ümbritseks inimese liigest, seades inimliigese õõnsa kera pöörlemistelje keskpaigaks. Pöörlemine ümber selle liigese võib samuti olla piiratud, kui keraliiges ei koosne mitmest plaadist, mis võiksid hargneda või kattuda omavahel, kui inimese keraliiges teeb kõikvõimalikke liigutusi.
Selgroo liikuvus on järgmine katsumus, kuna selgroog on sisuliselt rida piiratud liikumisega keraliigeseid. Pole ühtki lihtsat viisi üheteljeliste liigeste kombineerimiseks, mis võimaldaksid lihtsalt jäljendada inimese selgroo liikuvuse ulatust. Rida väliseid keraliigeseid võivad anda ligilähedase tulemuse, kuid ka seal tekib paralleellõikude pikkuse küsimus. Kummardudes puusast ettepoole, suruksid turvise õlaliigesed kandja keha peale. Kaldudes puusast tahapoole, tõmbaks turvise liigesed kandja puusast üles. Ka siin saab turvist konstrueerida nii, et selle selgroog pikeneks ja lüheneks kiirelt, vastavalt kasutaja liigutustele.
Võimsuse reguleerimine ja moduleerimine.
Soovimatute ja ülemääraste liigutuste kontrollimine ja kohandamine on kolmas suurtest probleemidest. Ilma pardakompuutrita ühekiiruseline tugimootor, millel on edasi/paigal/tagasi asendi juhtimine, pole piisav. Selline mehhanism võib olla palju kiirem kasutaja poolt oodatavast liikumisest, mistõttu võib liikumine kontrolli alt väljuda.
Ühekiiruseline tugimehhanism, mis aeglustatakse, et vältida tõmblevat liikumist, hakkab aga piirama kasutaja äkilisust. Järsud ootamatud liigutused, nagu komistamine või kukkumine tõukamise tagajärjel nõuavad kiiret ja täpset liigutust, et reageerida ja taastada oma asend, kuid aeglustatud tugimehhanism võib lihtsalt seiskuda ja vigastada kasutajat.
Kiiret ja täpset positsioneerimist tehakse tavaliselt kasutades erinevaid kiirusi, sealjuures kontrollitakse nii turvist kui kasutajat asendisensoritega, et toetav liigutus toimuks üksnes nii kiiresti, kui kasutaja liigutus. See võib tähendada turvise järsku kiirendust või aeglustust, et imiteerida kasutaja liigutust, nõnda et tema ihuliikmed vajutavad kergelt vastu turvise sisepinda ning see liigub eest ära, vastates kasutaja liigutustele. Kontrollarvuti peab suutma tuvastada ka soovimatud tõmblevad liigutused ja seiskuma ohutul viisil, kui süsteemis ilmneb rike.
Ohtlike ja väärliigutuste tuvastamine.
Neljas probleem on valede või ohtlike liigutuste tuvastamine ja vältimine. Oleks lubamatu, kui eksoskelett suudaks liikuda viisil, mis ületab inimkeha liikuvusulatuse ning vigastaks keha. Seda probleemi saab osaliselt lahendada kasutades piiranguid liigeste liikuvuses, näiteks takistades põlve või õlaliigestel tagurpidi paindumist.
Eksoskeleti kasutaja võib end või turvist kahjustada ka nii, et liigutab liigeseid teatud kombinatsioonide reas, mis muidu oleksid ohutud, kuid koostoimel põhjustavad turvise purunemise.
Turvismasin peaks olema suuteline jälgima liigeste asendeid ja piirama nende liikuvust, et kasutaja end võimendatud liigutustega kogemata ei vigastaks, näiteks köhides, aevastades, ehmatades või kogedes haigusesööstu või krampe.
Pitsitus ja liigendikahjustused.
Eksoskeletid on tavaliselt ehitatud väga tugevatest ja kõvadest materjalidest, samas kui inimese keha on palju õrnem. Eksoskeletti ei saa tavaliselt kanda otseses kontaktis palja ihuga võimaliku nahapitsituse tõttu kohtades, kus eksoskeleti osad libisevad üksteise peale. Kasutaja tuleb riietada tugevast kangast kostüümi, et kaitsta neid pitsitusohu eest.
Eksoskeleti enda liigendid kipuvad saama kahjustusi liivaterade poolt ja võivad vajada kaitset osakeste eest, et säilitada efektiivset töövõimet. Tavapärane viis seda teha on kasutada pöörlevate osade ümber tihendeid, kuid eksoskeleti mehhanismid võib katta ka kõva kangaga, mis töötaks kui eksoskeletti kaitsev nahk. Selline kangas eksoskeleti ümber võib kaitsta ka kandjat pitsituse eest.