Экзоскелет (от греческого: εξω внешний и σκελετος скелет) — техническое устройство, предназначенное для снятия с человека-оператора внешних статических и динамических нагрузок и увеличения его мышечных усилий. Экзоскелет представляет собой внешний каркас в виде многозвенного исполнительного механизма, образующего параллельные взаимосвязи с оператором. Восприятие внешних нагрузок обеспечивается за счёт использования в исполнительном механизме (ИМ) экзоскелета силовых приводов различного вида. Силовые приводы управляются сигналами с системы датчиков, получающих информацию от оператора и исполнительного механизма. Для обеспечения выполнения различных движений оператора экзоскелет должен повторять биомеханику человека. В нашем материале мы коротко расскажем об истории и патентом аспекте создания экзоскелетов.

История

Прародителем экзоскелета можно считать эластипед. Эластипед — устройство, предназначенное для облегчения ходьбы, бега и прыжков предназначался для военного применения. Автором этого изобретения является русский изобретатель Николай Александрович Ягн (1849-1905). В конце XIX века он разработал и запатентовал несколько модификаций пассивного экзоскелета «Эластипед». Хабр уже приводил эскиз этого устройства.

Первая попытка разработки силового экзоскелета была предпринята в компании General Electric в начале 1960-х годов. Проект под названием «Hardiman» был реализован по заказу Министерства обороны США. В ходе проекта была разработана двупедипуляторная платформа и манипулятор с электрогидравлической трансмиссией, конструкция которой должна была обеспечивать возможность подъема груза общей массой до 680 кг. Существенным недостатком конструкции экзоскелета являлись возникавшие в процессе функционирования вибрации, ставшие причиной неоднократного опрокидывания устройства во время испытаний. Преодолеть конструктивные недостатки устройства не удалось, в результате в 1971 году проект «Hardiman» был закрыт из-за отсутствия перспектив его дальнейшего развития.

Обзор иностранных достижений

По данным от ЦНИИ Кибернетики и Робототехники (Санкт-Петербург) производством промышленных экзоскелетов занимаются десятки научных организаций и промышленных предприятий в ряде стран мира, в том числе в США, Японии, Израиле, Германии, Китае, Франции, Новой Зеландии, Норвегии, Великобритании, Южной Корее, Италии и России. Анализ мирового опыта позволяет сделать вывод о том, что в настоящий момент существует три ключевых сферы применения экзоскелетных модулей и комплексов на их основе:

экзоскелеты военного назначения;
реабилитационные экзоскелеты и экзоскелеты для компенсации недостатка подвижности лиц с ограниченными возможностями;
экзоскелеты для применения в промышленности.

Основными производителями промышленных экзоскелетов сегодня являются компании Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering (Южная Корея), Hyundai Motor Company (Южная Корея), Sarcos/Raytheon (США), Lockheed Martin (США), US Bionicks (США), Ekso Bionics Holdings, Inc. (США), Panasonic-Activelink (Япония), Honda (Япония), Mitsubishi Heavy Industries (Япония), Gobio Robot (Франция), Laevo (Новая Зеландия), Noonee AG (Швейцария) и Rotbot Systems (Израиль).

Модной фишкой является сращивание экзоскелета с искусственным интеллектом. Так, южнокорейские и американские ученые решили это исправить. Они представили новый, безэкспериментальный метод разработки экзоскелетов. Исследователи сосредоточились на улучшении автономности устройств с помощью искусственного интеллекта. Алгоритм машинного обучения уже встроен в физическое устройство — экзоскелет заранее учится помогать людям ходить и бегать в компьютерной симуляции, минуя этап испытаний с человеком. Исследователи протестировали экзоскелет с искусственным интеллектом в реальной жизни. Оказалось, что при ходьбе люди в экзоскелете расходовали на 24,3% меньше метаболической энергии, чем без него. При беге с устройством участники тратили на 13,1% меньше энергии, а при подъеме по лестнице — на 15,4%.

В России

Как известно, роботизация, наряду с информатизацией, является основным трендом последнего десятилетия в промышленности вообще, и в горнорудном производстве в частности. Умные оцифрованные рудники, беспилотные рудовозы, умные каски горняков, браслеты безопасности шахтеров — это уже опробованные и прибыльные достижения современной науки и техники.

В России экзоскелеты испытывают на Горно-металлургическом комбинате «Норильский Никель», ими интересуются в добычном дивизионе Росатома — АО «Атомредметзолото», на ряде вертикально-интегрированных холдингов чёрной металлургии, например в ПАО «Северсталь». Серьёзные планы на экзоскелеты демонстрирует Сбербанк. РЖД также строит планы по экзоскелетам для своих работников, в частности в конце июня 2024 г. в Новосибирске во время международного транспортного форума продемонстрирован каркасный экзоскелет для ремонтных рабочих, вынужденных переносить тяжёлые металлические части железнодорожного оборудования. У медиков серийно производит экзоскелеты ООО «Экзоатлет».

Развивается стандартизация. Так, в 2023 г. разработан первый национальный стандарт для экзоскелетов — ГОСТ Р 12.4.306-2023 «Средства индивидуальной защиты опорно-двигательного аппарата. Экзоскелеты промышленные. Классификация. Термины и определения».

Патенты

Патентный портал Google по слову «exoskeleton» выдал нам по состоянию на июнь 2024 года патентные документы в количестве 65541 ед. Среди патентообладателей монополиста или группы лидеров нет. Рейтинг ТОП-10 :

Harbin Institute of Technology (哈尔滨工业大学) — 3,6%;
Zhejiang University (浙江大学) — 2,3%;
Hebei University of Technology (河北工业大学) — 2,2%;
University of Electronic Science and Technology of China (电子科技大学) — 2,2%;
Ekso Bionics, Inc. — 2,1%;
Xi'an Jiaotong University (西安交通大学) — 2,1%;
University of Shanghai for Science and Technology (上海理工大学) — 2,1%;
Shanghai Jiao Tong University (上海交通大学) — 2%;
Beijing University of Technology (北京工业大学) — 1,9%;
The Regents Of The University Of California — 1,8%.

Видно, что 8 из 10 мест в рейтинге занимают научно-технические учреждения из Китая (включая первые 4 позиции!). На пятом месте расположилась американская компания Ekso Bionics, а замыкает наш рейтинг Калифорнийский Университет.

Применение экзоскелета Ekso Vest на автозаводе Ford

Ford EksoVest — *Источник: Ekso Bionics*

Цифры немного странные, но вполне объяснимые. Вероятнее всего, часть патентов разных стран имеют военное назначение, а посему засекречены (разработки той же Lockheed Martin). Некоторые компании и организации предпочитают разработки в этой сфере не публиковать в принципе и используют режим ноу-хау (что также объяснимо, никто не хочет расставаться со своими секретами).

В рамках международной патентной классификации 4 из топ-5 занимают подклассы раздела «А» удовлетворение жизненных потребностей:

Как видите, никаких боевых экзоскелетов с искусственным интеллектом. Сугубо мирные устройства, которые помогают восстанавливать работоспособность после травм.

В базе ФИПС по слову «экзоскелет» в реферате числится 90 изобретений из которых 49 действующие.

По разделу «А» жизненные потребности 43 патента, от детских до старческих, для работников и пациентов с различными расстройствами опорно-двигательного аппарата, например для реабилитации после инсульта. Примерами являются:

№2622206 «Способ реабилитации больных после инсульта или травмы с использованием роботизированного комплекса, включающего экзоскелет конечности человека, управляемый через интерфейс мозг-компьютер посредством воображения движений» от Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова. Суть в том, что пациенту предъявляют задание по кинестетическому воображению движения конечности, затем анализируют паттерны мозговой активности пациента, возникающие при воображаемом движении. Передают данные в компьютер для выделения сигналов, ответственных за воображение движения. После этого предъявляют пациенту по зрительной обратной связи результаты распознавания выполняемого задания в виде метки на экране.

Уфимский университет науки и технологий запатентовал мягкий многорежимный экзоскелет (№2797688). Экзоскелет содержит внутренний слой, выполненный с возможностью прилегания к телу пользователя, представленный в виде гибкого костюма, выполненного с возможностью ношения на части тела пользователя. Экзоскелет имеет силовой слой с эластичными элементами, соединенными с гибким костюмом, поверх которых расположен внешний защитный слой.

По разделу «технологические процессы» имеется 10 патентов на изобретения. По разделам «Химия и металлургия», «Текстиль и бумага», «Строительство и горное дело», «Электричество» ноль патентов.

По разделу «Физика» 3 патента, например №2806847 — «Устройство для мониторинга состояния и физической работоспособности пользователя экзоскелета верхних конечностей». Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук предложил устройство, которое состоит из корпуса, выполненного в форме прямоугольного параллелепипеда со скругленными углами и оборудованного креплением к одежде пользователя, внутри которого расположены: аккумуляторный блок питания, соединенный с разъемом для подзарядки от сети электропитания, выполненным заподлицо с поверхностью корпуса, индикатор исправности устройства, выполненный заподлицо с поверхностью корпуса, накопитель с энергонезависимой памятью, соединенный с разъемом для чтения и записи информации, выполненным заподлицо с поверхностью корпуса, блок беспроводного интерфейса и микропроцессор.

Полезных моделей в базе ФИПС 49, из которых действующие 23 ед., в основном для медицинских целей. Примером для работы является модель №202205. Это экзоскелет для облегчения перемещения человеком груза, предназначенный для увеличения физических возможностей человека при переноске его путем перенаправления значительной части усилий от веса нагрузки через каркас и сочленения устройства на опорную поверхность, минуя опорно-двигательную систему человека.

Многие патенты прекратили деятельность, но могут быть восстановлены, например №202 647. Это «Устройство для облегчения перетаскивания грузов» ООО «Экзомед» (Курск).

Имеется одна база данных показателей состояния пользователей экзоскелетов №2022622112.

А вот программ для ЭВМ аж 70! И это правильно. Так, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики по госконтракту создал программу №2013615783 «Человеко-машинный интерфейс для управления экзоскелетом руки». Программа предназначена для управления роботизированным протезом руки с помощью сигналов электроэнцефалограммы (ЭЭГ).

Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики создал программу №2017618698, суть которой очевидна из названия «Программа для работы активного экзоскелета в трех режимах: по лестнице, маршевый (для быстрой ходьбы) и складской».

Одна из последних программ №2024616464 зарегистрирована в 2024 г. на АО «Научно-исследовательский институт молекулярной электроники». Программа предназначена для использования в носимых и стационарных аппаратах миостимуляции, реабилитационных аппаратах кинестезии и реабилитационных экзоскелетах верхних конечностей. Расчет адаптивной миостимуляции руки основывается на анализе взаиморасположения сигналов желаемого (правильного паттерна) и фактического (патологического паттерна). В связи с быстрым развитием области искусственного интеллекта и необходимостью улучшения реабилитационных методик с подстройкой параметров стимуляции под конкретного пациента, возникает необходимость в быстрых, точных и адаптивных алгоритмах, способных выявить и оценить степень поражения мышечной системы и сформировать адаптивное воздействие, пропорциональное мышечным данным пациента.

Заключение

В связи с растущим спросом на вспомогательные устройства и растущим старением населения мировой рынок экзоскелетов будет расти. Ожидается, что среднегодовой темп роста экзоскелета составит 15,4% в период с 2022 по 2029 год до $1216 млн к 2029 году.

Рынок экзоскелетов — это сфера бизнеса, которая производит и продает носимые роботизированные технологии, предназначенные для улучшения физических возможностей человека. Ходьба, перемещение тяжелых предметов и поддержание правильной осанки — все это задачи, в выполнении которых могут помочь эти вспомогательные средства.

Рынок предоставляет активные и пассивные экзоскелеты широкому кругу конечных пользователей, в том числе военнослужащим, работникам промышленного сектора и людям с ограниченными возможностями передвижения.

В патентом и инженерном плане на помощь нашим разработчикам могут прийти китайские товарищи. Во всяком случае в медицинских технологиях.

Розыгрыш регистрации 5 товарных знаков

Полезное от Онлайн Патент:

Как получить господдержку для IT-компании?
Какие выгоды можно получит от регистрации программы для ЭВМ?
Как защитить базу данных клиентов?
Не только айтишники: какие компании могут внести свои программы в Реестр отечественного ПО?
Руководство по товарным знакам в 2024 году.

Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале

Гонка за экзоскелетами: а что с патентами?