понедельник, 28 ноября 2011 г.

Exoskeleton - beginning

Как начинались Экзоскелеты.
Реально работающие образцы экзоскелетов стали появляться относительно недавно. Это вполне объяснимо, учитывая какой сложный комплекс проблем приходиться решать их создателям, опираясь, при этом, на всю мощь современных знаний и технологий. Однако это не означает, что сама идея тоже родилась недавно. Первые упоминания об устройствах, которые с современной точки зрения можно было бы назвать экзоскелетами, относятся к середине 20-го века, а их отдельные элементы, или конструкции их напоминающие, можно отследить даже в изобретениях 19-го века. Более подробно об этом можно почитать здесь: Exoskeleton или кто изобрел экзоскелет.
Приоритет в изобретении экзоскелета, как известно, принадлежит русскому изобретателю  Николаю Александровичу Ягну (1849—1905), разработавшему в конце 19-го века несколько образцов пассивных экзоскелетов, которые получили название эластипед, и предназначались для облегчения ходьбы, бега и прыжков, главным образом солдат. Идеи, заложенные русским изобретателем в эластипед, нашли дальнейшее развитие в наше время в т.н. тренажерах-джамперах, которые сейчас наиболее известны как powerskip, а первоначально назывались пауэрбоками по фамилии своего изобретателя Александра Бока (Alexander Bock) из Германии. Хоть эти два изобретения и разделяют более ста лет, взглянув на рисунки из описаний патентов на эти изобретения, нетрудно заметить большое сходство в принципе действия этих аппаратов. И только благодаря применению современных композиционных материалов, джампер из 21-го века получился гораздо компактнее и эффективнее своего предшественника.

Патенты на эластипед Николая Ягна и powerskip Александра Бока.
Но изобретательская мысль за сто лет между этими изобретениями, конечно, не стояла на месте, предлагая и другие варианты пассивных экзоскелетов. Один такой пример я обнаружил в июльском номере журнала Популярная Механика (Popular Mechanics) за 1908 год.
Небольшая заметка, заголовок которой "Modern seven-league boots" Google переводит как "Современные сапоги-скороходы", рассказывает о новом изобретении, позволяющем быстро и без больших усилий передвигаться. Благодаря простоте конструкции и легкости обучения этому методу ходьбы, изобретение становиться все более популярным в Германии, постепенно переходя в увлечение. Ниже приведу отрывок из этой статьи на языке оригинала, т.к. достойного перевода у Гугла не получилось, вероятно, из-за достаточно древнего (и к тому же американского) текста. А соревноваться в переводе с Великим и Могучим я не могу и не хочу.

A walking invention known as the "curved shoe" has made appearance in Germany and is rapidly becoming the rage. It is not complicated in construction, and the method of walking is simple. The shoe of the advanced foot strikes the ground with its hinder part, and then, the order foot being raised, the body rolls forward on the curve until the front end of the shoe comes in contact with the ground. This motion is continually repeated, and the length of the shoe is such that twice the natural pace is made at each step. The pressure of the shoe on the ground compresses a spring, which, when the shoe is raised, impels it forward without requiring any exertion on the part of the wearer.
Popular Mechanics июль 1908

Немецкие сапоги-скороходы (seven-league boots) из 1908 года
К сожалению, американский журнал, следуя обычной для себя и для того времени практики, не упомянул имени автора этого иностранного изобретения. Вероятно, имена есть только у американских изобретателей, а остальные недостойны этого. А раз так, то проследить историю и дальнейшую судьбу этого изобретения не представляется возможным.

Недавно нашел еще одно любопытное изобретение, которое также можно отнести к пассивным экзоскелетам. Но предназначено оно не для увеличения скорости перемещения, а для облегчения труда сельскохозяйственных рабочих во время уборки хлопка. Устройство достаточно простое, я бы даже сказал – примитивное.

Supporters for cotton-pickers
Два деревянных бруска, две пружины и пояс – вот и вся конструкция. Почти, как «Два кольца, два конца, посередине гвоздик». Проще трудно придумать. Но, тем не менее, это изобретение весьма интересно с нескольких точек зрения. Прежде всего, исторический аспект: место и время изобретения, а также для кого оно предназначалось. Для этого смотрим на второй рисунок из описания патента США №173100 – Supporters for cotton-pickers.

Патент США №173100 – Supporters for cotton-pickers. Patented Feb. 1, 1876.
Негр на плантации собирает хлопок. Именно негр, а не афроамериканец, которого, как понятия, в то время и в помине не было. Ну, зачем рабам экзоскелеты? Почему в южном штате Арканзас, где проживал William J. Lynch – изобретатель данного устройства, вдруг стали заботиться об условиях труда собирателей хлопка? А изобретатель, к тому же, почти полный тезка капитана Уильяма Линча – одного из Линчей, благодаря которым появилось такое понятие, как Суд Линча. Как систематическая практика, Суд Линча получил распространение после поражения Юга в Гражданской войне в конце 1860-х годов. Любого негра в то время могли повесить без суда и следствия, например, за оскорбление белой женщины. И вдруг, в разгар этого беспредела, изобретатель по имени Уильям Линч создает приспособление, призванное облегчить условия труда не так давно освобожденных рабов. Зачем и Почему? Достаточно убедительных аргументов, для правильного ответа на эти вопросы, я привести не могу. Было ли это проявлением гуманизма, или за этим стояли чисто экономические причины, целью которых было увеличение производительности труда? Об этом можно только догадываться.
И тем не менее, эти поддерживающие устройства – Supporters, можно считать предшественниками всех пассивных экзоскелетов.

Паровой Человек (A Steam Man) – первый экзоскелет ?

Есть однако одно устройство (изобретение), которое появилось еще раньше, и потому вправе претендовать на звание первого экзоскелета, причем не пассивного, а наиболее распространенного в настоящее время приводного (рowered) типа.
24 марта 1868 года был опубликован американский патент №75874 – Improvement in steam-carriage, на котором стояли имена двух изобретателей из Ньюарка: Zadock P. Deddrick и Isaac Grass. Но это был патент не просто на коляску с приводом от паровой машины, а нечто более удивительное.

Рисунок с описания патента США №75874 – Improvement in steam-carriage.
Это не просто удивительный, а я бы даже сказал, фантастический аппарат. Впрочем, он подобным образом воспринимался и тогда, и долгие годы после. И в этом ни чего странного нет, т.к. шагающие механизмы и сейчас в диковинку, а в то время и подавно. 
Вот характерное название статьи, опубликованной в журнале THE LOCOMOTIVE ENGINEEES MONTHLY JOURNAL Vol 2 FEBRUARY 1868 No 2, под рубрикой The Latest Wonder, т.е. Последнее Чудо: A Steam Man – An Extraordinary Invention.

Mr. Zadock Deddrick, a Newark machinist, has just invented a man; one that, moved by steam, will perform some of the most important functions of humanity; that will, standing upright, walk or run, as he is bid, in any direction and at almost any rate of speed, drawing after him a load whose weight would tax the strength of three stout draught horses. The history of this curious invention is as follows: Six years ago Mr. Deddrick, the inventor, who is at present but twenty-two years of age, conceived the novel idea of constructing a man that should receive its vitality from a perpetual motion machine. The idea was based on the well-known mechanical principle that, if a heavy weight be placed at the top of an upright slightly inclined from vertical, gravitation will tend to produce a horizontal as well as vertical motion. The idea was unsuccessful. However, by observing carefully the cause of failure, persevering and perfecting the man-form, and by substituting steam in place of the perpetual motion machine, the present success was attained.
В 1927 году об этом изобретении упомянул журнал Popular Science. Изобретение все еще оставалось необычным и удивительным, о чем свидетельствует даже название статьи: How Great Inventions Are Born. Strange machines that preceded automobiles, telephones, submarines, and their contributions to today’s marvels. Позволю также себе привести небольшой фрагмент из этой статьи:
In 1868 an inventor brought to the Patent Office in Washington drawings of what he called a “walking vehicle.” This unique progenitor of the automobile was supported on four legs, actuated by a steam engine to walk after the fashion of animals. Scarcely had he departed with his patent when two other men appeared with drawing a “steam carriage.”
“Our carriage has only two legs and walks like a man,” they announced. And there, between the shafts of a cart, stalked a steam-driven “man.” The body of this strange automaton served as the boiler. An engine just behind the body actuated the jointed legs through a system of levers. Steering was accomplished by a rope encircling the body.
These inventions did not seem fantastic to the men who designed them. At that time, what could have seemed more logical than a walking carriage, or a car pulled by a mechanical man? The inventors had never seen a motor car.
В 1868 году изобретатель принес в Патентное ведомство в Вашингтоне рисунки с устройством, которое он назвал "шагающее транспортное средство". Этот уникальный прародитель автомобилей поддерживался на четырех ногах, приводился в действие паровым двигателем, чтобы ходить подобно животным. Едва он отошел со своим патентом, как появились двое мужчин с рисунком "паровой коляски".
"Наша коляска имеет только две ноги и ходит, как человек", объявили они. А там, между оглоблями повозки, шествует паровой "человек". Тело этого странного автомата служило котлом. Двигатель расположенный ниже за телом приводил в движение шарнирные ноги с помощью системы рычагов. Управление (рулевое) достигалось с помощью веревки охватывающее тело. Эти изобретения не казались фантастическими людям разработавшие их. В то время, что могло бы показаться более логичным, чем шагающая коляска или машина, которую тянет механический человек? Изобретатели никогда не видел автомобиль.
Можно конечно представить дело так, что паровой человек всего лишь транспортное средство - предшественник автомобиля. Тогда самое главное в этом изобретении – шаговый движитель, что тоже ново и необычно. А можно представить, что данное устройство - прародитель экзоскелетов или роботов, а тележка нужна для удержания равновесия. Ведь современные конструкторы потратили много сил, чтобы научить роботов сохранять равновесие (не падать).

Самое интересное в этом прототипе роботов, экзоскелетов и даже, в какой-то мере, автомобилей это то, что он был реализован в железе. Не буду описывать эти уже очень давние события, а приведу лишь две ссылки, по которым желающие могут более подробно изучить историю Парового Человека:
Приведу также две картинки, доказывающие реальность существования Парового Человека.

Реклама в газете и фотография Steam Man
Мне могут резонно возразить, что этот шагающий механизм больше похож на робота, чем на экзоскелет. Но робот является автономным аппаратом, а тот способ использования Steam Man, который приведен на рисунке в журнале Popular Science июль 1926, позволяет его отнести скорее к экзоскелетам чем к роботам. С другой стороны, это шагающее устройство является предтечей современных шагающих механизмов - как роботов, так и экзоскелетов, в которых используются очень похожие технологии. Вот небольшой пример в заключении.

Современная шагающая продукция от “Honda Robotics”


1 комментарий:

  1. Разместил вашу статью здесь.
    http://myexs.ru/2011/12/%D0%BA%D0%B0%D0%BA-%D0%BD%D0%B0%D1%87%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D1%81%D1%8C-%D1%8D%D0%BA%D0%B7%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D1%82%D1%8B/
    Спасибо за ваш труд.)))
    Александр Попов.

    ОтветитьУдалить