Серия «Про Экзоскелет»

Привет, Пикабу. На связи Олег, команда «Напарник». Первая наша история здесь набрала больше 100 тысяч просмотров — спасибо, что так тепло встретили. Многие просили рассказать подробнее: а как вообще устроен пассивный экзоскелет? Что у него внутри? Как он «понимает», куда передавать усилие? И главное — почему он работает без единого провода?

Почему пассивный, а не активный?

Активные экзоскелеты — это моторы, гидравлика, контроллеры, батареи. Они крутые, но дорогие, тяжелые, требуют зарядки и обслуживания. Для промышленности, стройки, МЧС или туризма это часто перебор.

Наш «Напарник» — пассивный. Он не добавляет силы, он перераспределяет нагрузку. Вес груза уходит с позвоночника через внешний каркас прямо в землю. А все движения человек совершает сам, только с разгруженной спиной.

Это как если бы вы несли тяжелый рюкзак, но вместо спины его держала бы внешняя рама, "привязанная" к бедрам и спине. Никаких аккумуляторов, ничего не может разрядиться или сломаться в полевых условиях.

Базовая механика: кинематика и точки опоры

Любой пассивный экзоскелет — это система рычагов и упругих элементов, которая следует за движениями человека. Мы не сковываем оператора — он может приседать, наклоняться, бежать, даже ползать. Чтобы этого добиться, нужно правильно подобрать кинематическую схему.

Основные узлы:

· Спинной блок — жесткая конструкция вдоль позвоночника. К нему крепятся наплечники и поясничный пояс.

· Тазобедренный узел — самая сложная часть. Он должен передавать усилие от спины к ногам, но при этом не мешать ходьбе. Мы используем шарнирные соединения, которые работают в трех плоскостях: сгибание-разгибание, отведение-приведение, небольшая ротация.

· Бедренные рычаги — идут по наружной поверхности ног. На них крепятся набедренные и наколенные бандажи.

· Голеностопные упоры  — передают нагрузку прямо в землю, полностью разгружая ноги в статичном положении.

Вся конструкция — из алюминиевых сплавов и стали, в прототипах использовали и углепластик для снижения веса.

Как экзоскелет не мешает двигаться?

Главная проблема пассивных экзоскелетов — они не должны превращать человека в робота. Движения должны быть естественными.

Мы решили это двумя способами:

· Анатомическая параметризация (звучит сложно, но суть простая) — мы подгоняем расположение шарниров экзоскелета под анатомические оси вращения суставов человека. Если ось шарнира не совпадает с осью тазобедренного сустава, экзоскелет будет «тянуть» или натирать. Мы делаем индивидуальную настройку под рост и комплекцию.

· Минимальное количество связей — экзоскелет крепится к телу в нескольких точках: плечи, поясница, бедра, голени (по желанию). Жесткая связь только там, где нужно передавать усилие. Все остальное — свободное движение.

В результате в «Напарнике» можно приседать до параллели с полом, наклоняться практически до земли, бежать и даже ползать по-пластунски (проверяли на испытаниях)

Что мы сделали для надежности?

Поскольку экзоскелет предназначен для работы в тяжелых условиях (заводы, стройки, МЧС), то экзоскелет состоит из композитов, инженерного пластика и авиационного алюминия.

Все механические соединения — на подшипниках качения или скольжения с низким трением.

Крепления — быстросъемные ремни с фастексами (пристегнул за секунду, не снимая перчаток).

Вес базовой версии — до 4 кг. В рюкзаке в разобранном состоянии помещается целиком, можно перевозить в багажнике или сумке.

Как мы тестировали (и тестируем)

Сейчас мы проводим собственные испытания на базе прототипов:

· Ходьба с грузом 30 кг  (до 5 км без снятия)

Также тестируем экзоскелет в горном туризме — один из наших конструкторов, ходит с ним в походы с рюкзаком 20 кг. Обратная связь позволяет нам доводить эргономику.

Почему мы не используем титан (и другие сложные материалы)

Часто спрашивают: «Почему алюминий, а не титан?» Отвечу прямо. Титан крутой, но дорогой, сложнее в обработке и для серийного образца неоправдан. Наша цель — сделать доступный экзоскелет, который можно тиражировать. Поэтому базовые детали из алюминиевых сплавов и стали. Углепластик используем там, где критичен вес (например, на спинном блоке), но это увеличивает стоимость.

Мы уверены: надежность достигается не материалом, а инженерным расчетом. И наши испытания это подтверждают.

Что дальше?

Сейчас мы дорабатываем конструкцию под серийное производство. Параллельно работаем над облегченной гражданской версией для туристов, охотников и видеографов.

В планах — расширить линейку модулями для разных профессий: для сварщиков, для грузчиков, для монтажников-высотников.

Экзоскелеты — это не фантастика. Это рабочая инженерия, которая уже помогает людям на тяжелых производствах и в экстренных службах. Если вам интересны детали, задавайте вопросы в комментариях. Я, Сергей и Максим будем на связи. Расскажем про расчеты, про выбор пружин, про то, как мы делаем 3D-модели и собираем прототипы в гараже (да, всё начиналось именно так).

Спасибо, что интересуетесь технологией. Мы продолжим делиться опытом.

В 2018 году один из прототипов, созданных при участии Сергея, проходил испытания в Сирии. Экзоскелет помогал сапёрам носить снаряжение комплекса разминирования «Уран-6» — общий вес за спиной достигал 50 кг. Испытания прошли успешно, но компания-разработчик закрылась, и проект заморозили.

Но опыт остался.

Кто есть в команде

Максим Максимов — инженер-конструктор. Работал над гиперзвуковым проектом «Аякс», реставрировал крейсер «Аврора». В свободное время ходит в горные походы с рюкзаком за 35 кг — поэтому экзоскелеты тестирует не в лаборатории, а на себе в реальных условиях.

Я сам — финансовый менеджер, до этого развивал проекты в Африке. Когда увидел разработки Сергея, понял, что это важнее коммерции. Уже два года мы работаем вместе.

Как устроен пассивный экзоскелет

Многие представляют экзоскелеты как что-то из «Железного человека» — с моторами, батареями и сложной электроникой. Наш работает иначе.

Это внешний каркас, который крепится на тело и перераспределяет нагрузку с мышц спины на конструкцию. Вес груза уходит в землю, позвоночник разгружается. Никаких батареек — чистая механика.

Характеристики нашего «Напарника»:

· Вес — до 4 кг (помещается в рюкзак)

· Снижение нагрузки на позвоночник — до 50-80%

· Модульная конструкция — можно собрать под конкретную задачу

Легче зарубежных аналогов примерно на треть, но мы не гонимся за рекордами — просто ищем оптимальные инженерные решения.

Кому это вообще нужно

В России на тяжёлой физической работе занято около 5 миллионов человек. Грузчики, строители, сварщики, монтажники, МЧС. Профессиональные болезни спины — их бич. Полностью заменить людей роботами пока нельзя: это дорого и требует перестройки производств. Экзоскелеты — гибкое решение здесь и сейчас.

Нам пишут с заводов, интересуются туристы, спрашивают видеографы с тяжёлыми камерами. Но сначала мы хотим сделать качественную промышленную версию.

Что сделано на сегодня

У нас есть:

· Рабочие прототипы

· Победа в конкурсе assistive tech от Агентства инноваций Москвы

· Интерес от реальных предприятий

Сейчас мы ищем возможности для запуска первой партии. Подробности — не здесь, чтобы не нарушать правила.

Я, Сергей и Максим будем в комментариях. Спрашивайте про технологии, про травмы, про испытания, про патенты. Про то, почему мы не используем титан и можно ли в этом ходить в горы.

Пост длинный, спасибо, что дочитали. История у нас действительно долгая.