Eksoskelett referaat (0)

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL 
Infotehnoloogia teaduskond 
Thomas Johann Seebecki elektroonikainstituut 
 
 
 
 
 
 
Eksoskeletid 
Referaat 
 
 
 
Egert Pärna 
 100279IAEMM 
 
 
 
 
 
 
 
Tallinn 2011 
 
 
Sisukord 
Sissejuhatus ................................................................................................................................................... 3 
1.1 
Mis on eksoskelett ? [1] ................................................................................................................... 3 
1.2 Eksoskelettide ajalugu ........................................................................................................................ 4 
2.1 Enimteatavad [1][3] ................................................................................................................................ 5 
2.1.2. Cyberdyne's HAL 5 käed/jalad. [1] [6][12][13] .................................................................................. 7 
2.1.4 M.I.T. Media Lab's Biomechatronics Group jalad. [1][8] ............................................................... 9 
2.1.5 Sarcos/Raytheon XOS Exoskeleton käed/jalad. [1][9] .................................................................. 10 
2.1.6 Rex Bionics Rex, Robotic Exoskeleton Legs . [10] ...................................................................... 11 
3. Eksoskeletonide kontrollimine ja tööpõhimõtted. [11] .............................................................................. 12 
3.1 Robot  ülikonna HAL kontrollimise meetodid....................................................................................... 12 
3.1.2 Operaatori bioloogilisel ja liikumise informatsioonil põhinevad kontrollmeetodid. ................. 12 
3.1.2  Küberneetilise autonoomse kontrolli  faaside  jada . (Phase Sequence  Method in Cybernic 
Autonomous Control ) [13] ......................................................................................................................... 15 
4. Berkeley   Lower  Extremity Exoskeleton (BLEEX)-i mehhaaniline disain . [14] .................................... 17 
4.1 DEGREES OF FREEDOM  (DOF) ehk  LIIKUMIS  VABADUSASTE. .......................................... 17 
4.2 Liikumise ulatus. ............................................................................................................................... 19 
4.3 Ajamite valik ..................................................................................................................................... 20 
4.4 BLEEXi DISAIN. ............................................................................................................................. 22 
Kokkuvõte ................................................................................................................................................... 26 
Kasutatud kirjandus: ................................................................................................................................... 27 
 
 
 
 
 
 
2 
 
Sissejuhatus  
1.1  Mis on eksoskelett? [1] 
 
Loomariigis  tähendab  eksoskelett  tugevat  kesta  või  välist  skeletti,  mis  toetab  ja  kaitseb  looma 
keha ( krabid , kilpkonnad). Looduslik eksoskelett on eksisteerinud üle 500 miljoni aasta. Inimeste 
jaoks  võib  eksoskelett  tähendada  töötavat  proteesi  ehk  kandavat  robootikat  nii  üla  kui  ka 
alakehale. See toetab või asendab täielikult jäseme funktisoone. Aktiiveksoskelett (powered) on 
tehnoloogia ,  mis  võimendab  jäsemete  tegevust  või  laiendab,  täiendab,  asendab  või  täiustab 
inimvõimeid ja -funktsioone. Eksoskelett võib ka kaitsta inimesi ohtlikes töökeskkondades. Seda 
võib  kasutada taastusravis või füüsilise puudega inimeste või vanureid abistava seadmena. 
Minevikus  kuulus  töötav  eksoskelett  või   kantav    robootika   fantaasia  ja  ulme  valdkonda.  Tänu  
kahekümne  sajandi  lõpus  toimunud  robootika,   protsessorite   ja  muude  tehnoloogiate  suurele 
arengule  on  see  saamas  võimalikuks.   Praeguseks   on  olemas  ka  töötavad  prototüübid,  mille 
arendusse on invseteerinud miljoneid ja biljoneid  militaar -, meditsiini- ja tööstusettevõtted. Neid 
on näha joonistel 1,2 ja 3. 
 
 
Joonis 1. Sarcos XOS Exoskeleton 
Joonis 2. HAL Exoskeleton 
   Joonis 3. HULC Exoskeleton 
3 
 
 
1.2 Eksoskelettide ajalugu [1] [2] 
Esimese  uurimuse  eksoskeletist,  mida  kutsuti  „Hardiman’i”  projektiks  (Joonis  4.)  tegi  1960-l 
aastal  General   Electric .  Selle  eesmärgiks  oli  luua 
töötav, 
680kg 
raskusi 
kergesti 
tõstma 
suutev 
eksoskelett,  kuid  teadlastele  ja  inseneridele  oli 
kasutamiseks  piiratud   tehnoloogiad .  Projekt  ei  olnud 
edukas, 
kuna 
iga 
eksoskeletti 
katsetus 
viis 
kontrollimatu  liikumiseni,  sellepärast  ei  pandud  sinna 
sisse  inimest  kunagi.  Edasised  uurimused  tehti  ainult 
Joonis 4. General 
käega.  Kuigi  sellega  sai  tõsta  340kg  raskuseid  oli  see 
Electricalu Eksoskelett 
ebapraktiline,  sest  kogu  eksoskeletti  ei  saadud  tööle. 
Nagu  näha  joonisel  4  on  see  eksoskelett  väga  kohmakas  ja  raske  ja  seda  ei  saaks  praktiliselt, 
isegi  kui  see  töötaks,  rakendada.  Pärast  „Hardimani”  projekti  jäi  eksoskeletoni  tehnoloogia 
ooterežiimile, kuni hiljutistele tehnoloogiate arengule robootika, arvuti, electroonika ja muudes 
valdkondades.  Natuke  tänu  filmidele  ja  koomiksitele  ja  arvutimängudele,  kus  eksoskelette 
kutsuti „Aktiivturviseks” (“Powered Armour”) taastus eksoskelettidele tähelepanu. Uuesti hakati 
rahastama  projekte militaar, meditsiini ja tööstus rakenduslike eksoskelettide väljatöötamiseks. 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
2. Olemasolevatest eksoskeletid 
2.1 Enimteatavad [1][3] 
Erinevat tüüpi eksoskelette testitakse  ja arendatakse praegu ülemailmselt. Enamik neist 
prototüübi faasis olevaist on USAs,  Jaapanis  ning teistes riikides. Laialdasemalt tuntud 
eksoskeletonid on: 
1.  UC Berkeley/Lockheed Martin HULC jalad. 
2.  Cyberdyne's HAL 5 käed/jalad.  
3.   Honda  Exoskeleton Legs.  
4.  M.I.T. Media Lab's Biomechatronics Group jalad.  
5.  Sarcos/Raytheon XOS Exoskeleton käed/jalad.  
6.  Rex Bionics Rex, Robotic Exoskeleton Legs. 
 
2.1.1 UC Berkeley Robotics & Human Engineering   Laboratory  [4] 
Berkley  Robotics & Human Engineering Laboratory-i on teinud erinevaid eksoskelette nagu: 
  BLEEX – Berkley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX). BLEEX-i projekti rahastas 
Advanced  Research Project Agency (DARPA). 
  ExoHiker - ExoHiker™ disainiti raskete kandamite kandmiseks pikkadel missioonidel. 
  ExoClimber  -  ExoClimber™  disainiti  pidevaks  astmetest  ülesse  ronimiseks  ja  pikalt 
raskuste kandmiseks. 
  HULC  -  The  Human   Universal    Load    Carrier   (HULC™)  on  kolmanda   generatsiooni  
eksokeleti  süsteem.  Selles  on  ExoHiker™  ja  ExoClimber™  omadused  ja  võimaldab 
vedada suuri raskusi läbides ükskõik, millist maastikku. Pärast pikemalt. 
  eLEGS – Eksoskelett inimestele, kellel on liikumispuue/raskused.  
  Austin  –  Projekt  praktilise,  taskukohase  eksoskeleti  arendamiseks  tsiviilrakendustele, 
eriti  patsientidele,  kellel  on   neuroloogilised   või  lihaselised  liikumisraskused.  On 
arengujärgus. 
5 
 
2.1.1.1 UC Berkeley/Lockheed Martin HULC 
legs [1] [5] 
 HULC või Human Universal Load Carrier on disainitud 
Lockheed Martini poolt. See ülikond tehti aitmaks sõdureid raskete 
kandamite kandmisel , vähendamata nende lahingulist suutlikust ja 
parandades nende vastupidavust. HULC’i testid näitasid, et 
kandamita kiirusega 3KMH käimisel vähenes hapniku tarbimine 
5%~12%.  Samal kiirusel 36.7 kg  kandmisel  vähenes hapniku 
tarbimine 15%. Kauakestvatel missioonidel on oluline inimese 
Joonis 5.  Raskuste 
energiatarbe  vähendmine. See on sellepärast, et isegi kui 
tõstmine Aktiivjalgadega 
eksoskeleton toetab kandamit  võib suur hapnikutarve  tekitada  varase  väsimuse. 
HULC võimaldab, teiste eksoskelettidega võrreldes sõduritel marsida väiksema hapnikutarbe  ja 
pulsiga. Seda ülikonda saab kasutada ka tsiviilrakendustes. Enamasti on see tehtud titaaniumist, 
mis kasutab hüdraulilist süsteemi, mida kontrollib mikroprotsessor, mida  toidetakse  liitium - ioon  
akudest.  
 Kuna ülikond on disainitud vähendamaks, kandes pikka aega raskeid esemeid, hapnikutarvet  ja 
väsimust. See eksoskelett sobib pikkadeks mägironimisteks või sõjaväeliseks kasutamiseks.  
Spetsifikatsioon :  
  Kaal – ilma patareideta 24kg +112x2g  patareid  
   Toide  -  Liitium Polümer Patereid  
60-voldine süsteem (can  draw  peaks up to 100 amps )  
Keskmine  energiatarve : 250W 
   Elektroonika  – Paindlikult laienev elektrooniline arhidektuur .  
Custom single -board electronics (including PCU) paigutatud suletud asukohta . 
Kasutab jahutusradiaatoreid ning ei vaja eraldi ventilaatoreid. 
Max temperatuur 51.7C 
  Hüdraulika- kasutab standartset hüdraulika vedelikku. Efficient low-flow, Kõrgrõhuline 
hüdrauliline süsteem. Tavaline töötamine 20MPa kuni34MPa. 
6 
 
2.1.2. Cyberdyne's HAL 5 käed/jalad. [1] [6][12][13] 
Cyberdyne'i  HAL  eksoskelett  ehk   Hybrid   Assistive 
Limb   on  Tsukuba   University   of  Japan  -i  arendatav 
aktiiveksoskelett.  Teadaolevatel  andmetel  on  praegu 
olemas kaks prototüüpi HAL 3 ja HAL 5. HAL 3-l (joonis 
7.)  on  ainult  jala  funktsioonid  ka  kasutab  bulkier   servo -
mootoreid.  HAL  5  on  kätele,  jalgale  ja  torsole  (joonis  6.) 
mõeldud  kogukeha  eksoskelett.  Praegu  suudab  HAL  5 
aidata  operaatoril  tõsta  5  korda  rohkem  kui  ta  suudaks 
ilma  abita  tõsta.   Jalgadega  suudab suruda 180kg-d ja väga 
kergesti hoida 40kg raskusi. HAL tunnetab elektroodidega 
nahalt lihastest tulevaid,  pardaarvutile saadetavaid, nõrku 
elektrilisi    impulsse,  mille  järgi  aktiveeritakse  ülikonna 
vastavad,  kandja  liigutusi  matkivad,  servod.  Ülikonna 
toiteks on operaatori puusale kinnitatud 100 voldine aku.  
Joonelt  6  on  näha,  et  HAL  süsteem  koosneb  järgmistest 
Joonis 6. HAL5 Suit 
osadest:    kontroller/arvuti,  aku,   bioelektrilised   sensorid, 
nurga  sensorid,  kiirendus  sensorid,  pinna  reaktsiooni 
sensoritest (COP/COG ( center of gravity) sensoritest) jne. 
Alates  2008st  aastast  on  võimalik  seda  ülikonda  rentida.  Saadaval  on,  jalgade  ja  puusale 
ühendatav, 10kg kaaluv mudel. 
Spetsifikatsioon: 
  Suurus: Kantav robot 
  Kõrgus: 1.6m 
  Kaal: Kogu keha tüüp 23kg ( alakeha  tüüp 15kg) 
  Toide: Töötab akudel, (AC 100V) 
  Suudab töötada järjest 2h 40min 
7 
 
Joonis 7. HAL 3 Exoskeleton 
  Liikuvus:  Päevased  tegevused  (toolilt  tõusmine,  käimine,  trepist  üles-alla  käimine) 
Raskete esemete tõstmine ja hoidmine. 
  Töötamine: Hübriidne Kontroll Süsteem (Bio-Cybernetic) 
  Töötamis  keskond : Sise- ja välisruumides. 
Jaapani  eksoskelett  HAL  5  aitab  vanureid  ja  füüsiliselt  nõrku.  Teiste  ülikondade  hüdrauliliste 
mootorite  asemel  kasutab  HAL  5  elektrilisi.  Ülikond  on  kergem  tänu  puuduvatel,  teiste 
ülikondade  kõige  raskematele  osadele,  kompressoridele.  Sellepärast  võivad  tekkida  probleemid 
nagu elektrimootorid võivad liigse raskuse lisamisel läbi põleda. HAL 5  Eeliseks  võib ka lugeda 
praegu käimas olevad, läbi liisimise läbi viidavad, tsiviiltestid. 
2.1.3 Honda Exoskeleton jalad. [7] [1] 
Honda  Motor  CO...Ltd poolt arendatud Honda Exoskeleton jalad on 
disainitud kandaja keharaskuse vähendamiseks. Eksoskelett kinnitub 
ümber  kandaja  riiete  tema  jalgade  külge,   saades   kandja  jaldadele 
lisaks  kaks  tehisjalga.  Need  eksoskeletid  kaaluvad  umbes  6.5kg  ja 
on saadaval väikses, keskmises ja suures suuruses. Kasutaja kinnitab 
vöö puusade külge ja  jalatsid  enda jalade külge.  Jalgade vahel  olev 
iste  sobib  nagu  minisadul.    Seadme  toiteks  on,  laadimise  peale 
umbes  kaks  tundi  kestev  liitium  ioon  aku.   Kestvuse   aja   eelduseks  
Joonis 8.  Honda 
on,  et  kandja  ei  käi  kiiremini  kui  4.5  km  tunnis.  Selle  toote 
Exoskeleton  
disainimist alustati 1999. ja peeti silmas liikumisraskustega inimesi 
nagu   vanurid ,  kes  pole  liikumisvõimet  täielikult  kaotanud.  Honda  näitas 
tehnoloogiat  2008  aasta  International  Trade   Fair -il  Barrier  Free  Equipments  & 
Rehabilitation  for  the  Elderly  &  the  Disabled    Osaka-l.  Honda  veebilehe  järgi  on 
toode praegu  testimise järgus. (joonis 8 ja 9).  
Eksoskelett  oli  mõeldud  kasutamiseks  autotehaste  töölistele,  kes  peavad  palju  Joonis 9. Honda 
kehakaalu 
seisma põhjustades sellega  jalgadele  palju stressi. Peale Jaapani eluea tõusu muutus  vähendav süsteem 
eksoskelett  rohkem  käimist   abistavaks   seadmeks.  See  süsteem  kasutab  ka  suruõhu  mootorite 
asemel  elektri  omi,  sellepärast  ei  saa  seda  kasutada  suurte  raskustega  töötamisel.  Sarnaselt 
8 
 
HAL5-le  on  ka  see  eksoskelett  tsiviil  testi  faasis,  kus  seda  kasutavad  mitmed  inimesed  üle 
Jaapani. 
 
Spetsifikatsioon: 
Kaal: 6.5kg (patareid ja jalatsid kaasaarvatud) 
Liikumis süsteem: Motor X 2 
Akude  tüüp: Liitium ioon patareid 
Töötamisaeg laadimise kohta: 2 tundi  
Kasutaja sobivad pikkused:  
Suitable height  of the  user : olemas erinevad suurused  ja neid suuruseid saab +/- 5cm kohandada . 
 
2.1.4 M.I.T. Media Lab's Biomechatronics Group jalad. [1][8] 
Massachusetts 
Institute 
of 
Technology 
(M.I.T.) 
Media 
Lab's 
Biomechatronics  Group  jalad  on  välja  töötatud  ja  arendatud  MIT-is  ning 
tarbib  võimsust ainult  2vatti.  Ülikond  tekitab 56.3kilost   kotti   kandes  tunde 
nagu  see  oleks  7.2.  kilone,  vähendades  seda  raskust  umbes  80%.  Raskus 
juhitakse  maapinnale  tänu  vedrude  ja  amortidega.  Kahjuks  on  sellel  suur 
disainiviga  nimelt  näitasid  testid,  et  ülikond  mõjutab  kandja  kõnnakud, 
tekitades sellega 10% suurema hapnikutarbe. Praeguseks on ülikond parema 
kõnnaku  jäljendamiseks  redisainimisel.  Tuleks  veel  lisada,  et  vedrudel 
põhinev,  madala  energia  tarbega  disain  on  paljulubav.  Joonisel  10.  on 
Joonis 10. M.I.T 
prototüübi pilt. 
eksoskeleti prototüüp. 
Võrreldes  teiste  eksoskelettidega  on  M.I.T  oma  kergem  ja  vajab  töötamiseks  vähem  energiat. 
Kuid tänu disainiveale muutub operaatori kõnnak, põhjustades teistest eksoskelettidest suurema 
hapnikutarbe. Praegu tegelatekse eksoskeleti käimistsüklit parandamisega. 
 
9 
 
2.1.5 Sarcos/Raytheon XOS Exoskeleton käed/jalad. [1][9] 
Sacros/Raytheni  poolt  arendatud  XOS  eksoskelett  on  hetkel  kõige 
arendatuim  eksoskelett.  Ülikond  on  tehtud  alumiiniumist  ja  kasutab 
liikumiseks  hüdraulikat.  See  sisaldab  sensorite  jada,  mis  jälgivad 
kasutaja  liigutusi  ja  saadavad  informatsiooni  arvutile,  kus  neid  samal 
kiirusel  jäljendatakse.  Ülikond  on  võimeline,  ilma  operaatorit 
koormamata  tõstma  raskeid  esemeid  ja  võimaldab  kasutajal  teha  pikka 
aega väsimata sama liigutust. Praegusteks piiranguteks on tema välisest 
allikast  tulev  toide  ja  hüdrauliline  surve.  Praegu  otsitakse 
kaasaskantavat  toiteallikat  ja  hüdraulisi,  voolu  ainult  sisselülitatult 
kasutavaid ventiile. Kuna uurimused on suures osas salastatud on  selle 
Joonis 11.  XOS 
ülikonna kohta saadaval väga vähe informatsiooni. Joonisel 11 on näha 
exoskeleton 
XOS prototüüp. 
Võrreldes  teiste  ülikondadega  täidab  Sarcos/Raytheon  XOS 
Eksoskelett  kõik  eksoskeletonile   esitavad   nõuded.  Ta  mitte 
ainult  ei   suurenda   operaatori  jõuda  vaid  ka  vastupidavust. 
Ainukesed puudused on tema suurus, kaal ja toiteallikas. 2010. 
Aastal tutvustati USA sõjaväele uut mudelit XOS 2 (joonis11). 
Uus  version  on oma eelkäiast kergem, tugevam ja kiirem ning 
kasutab 50% vähem energiat. See disainiti logistiliste raskuste 
abistamaks,  vähendades  rasketest  tõstmitest  põhjustatud 
vigastusi.  Üks  operator  võib  teha  ära  2-3  sõduri  töö.  
Joonis 12. XOS 2 exoskeleton (2010 
version) 
Ülikonda  toidab  kõrgrõhul  põhinev  hüdraulika  ja  ta  on 
kombinatsioon  -  struktuuridest,  sensoritest,  ajamitest  ja 
kontrolleritest.  
 
10 
 
 
 
2.1.6 Rex Bionics Rex, Robotic Exoskeleton Legs. [10] 
Rex  ehk  Robotic  Exoskeleton  Legs  on  robootiliste  jalgade  paar,  mis 
võimaldab  tõusta  püsti,  vabade  kätega  kõndida,  liikuda  küljepeale, 
pöörata  ja  trepist  üles-alla  käia.  Ta  on  mõeldud  manuaalse  ratastooli 
kasutajatele, kes suudavad joysticki (pulti) kasutada. 
Rex  kasutab  laetavaid   akusid   ja  sama  aku    kestab  umbes  2  aktiivset 
tundi. Lihtsalt isutudes ja seistes aku ei kulu. Kaaluks on tal 38kg. Rex 
toetab  60%  operaatori  raskusest  ehk  40.%  ulatuses  kasutab  kasutaja 
enda lihaseid ja  liigeseid , mis on ka teraapia eest. 
Rex on praegu müügist saadaval Rex Center in Albany-s Uusmeremaal . 
 
Joonis 13. Rex, Robotic 
Exoskeleton Legs. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
11 
 
3. Eksoskeletonide kontrollimine ja tööpõhimõtted. [11] 
3.1 Robot ülikonna HAL kontrollimise meetodid. 
HAL 3 on alakeha liikumist  abistav  robot ülikond. HAL kasutab, operator mingi lihase 
pööramise kavatsuse teadasaamiseks, müoelektrilisi signaale.  Operaator kontrollib lihaste 
viskoelestsusi nagu  sirutajalihase ja painutajalihase kokkutõmbeid. Liigese jäikust reguleerivad 
erinevad liikumised. Operaator suure liigese viskoelastsuse abistamise vajamisel on mõistlik 
suurendada HAL-I  ajami  viskoelastsust. Vajalik on hinnata opetraatori, raskesti otse mõõdetavat 
viskoelestsust kasutades liikumise informatsiooni. Sellepärast on vajalik operaatori liigeste  
vaheliste lihasete bioloogilist- ja liikumise informatsiooni kasutavad robotülikonna 
kontrollmeetid. 
HAL-3 puhul on oluline tuua välja jalgade kiikumise liigutused. Joonisel 14 olev konfiguratsioon 
koosneb eksoskeletoni raamist koos põlve- ja puusaliigeste jaoks mõeldud ajamitega.  Liigesele  
kinnitatud potensiomeetriga mõõdetakse iga liigese nurk. Iga  ajam  on liigse paindumise ja 
venitamise vältimiseks varustatud mehhaaniliste  piirajatega.  
3.1.2 Operaatori bioloogilisel ja liikumise informatsioonil põhinevad 
kontrollmeetodid. 
A. Bioloogilisel informatsioonil põhinev ajamite 
konrollimine. 
Kõigepealt HAL-i müoelektrit kasutav, lihaste 
kokkutõmmete pöördmomente jälgiv, meetod pöörde 
tekkitamiseks. 
Painutaja - ja sirutajalihase lähedale nahale ühendatakse 
kaks sensorit müoelektri detekteerimiseks, mille abil 
juhitakse, joonisel 15 olevat liigest.  Sensor  koosneb kahest elektroodist ja instrumentaalsest 
võimendist. Painutaja- ja sirutajalihasest tulevat kahte 
Joonis 14. HAL-3.konfiguratsioon. 
müoelektrilist signaali filtreeritakse ja võimendatakse. 
Müoelektriline aktiivsus E(t) on müoelektrilise amplituudi piir ja seda defineeritakse järgmiselt. 
12 
 
(1), kus m on mõõdetud müoelekter. Seda valemit 
rakendatakse mõlema lihase puhul ja arvutatakse ühenduses. Järgmisena saadakse lihase 
pöördemoment μˆ valemiga: 
(2), kus Ef (t) ja  
Ee (t) on painutaja- ja sirutajalihase müoelektriline aktiivsus, af, ae, bf ja be on müoelektrilise 
aktiivsuse ja kokkutõmbe pöörde vahelised konfitsendid. 
HAL-I poolt arvatava  muskli  pöörde τμ saab arvutada: 
 (3), kus αμ on võimsuse parameter. 
Koenfitsentide valemisse (2) saamiseks on vaja teostada 
kalibreerimine. HAL-il on selleks tugipöördemomendina 
stabiilne pööramispatern. HAL tekitab peale operaatori 
selgapanekut pöördemomendi tugipöörde vastu, tekitamata 
Joonis 15. Müoelektri mõõtmine ja 
lisa kokkutõmmet. 
töötlemine 
B. HAL-iga töötava operaatori alamkeha Lihasskeleti mudel. 
Siinses osas võetakse liigeseid liigutavad muskleid ühe grupina.  
Joonisel 16 on näitena näha põlve ümber olev lihasegrupp. 
Selles grupis  olevad lihased võivad pöördeid tekitada 
vastavalt ülesse tõmmete poole, kuid ei suuda neid tekitada 
venimis suunas. Lihasgrupp vajab sellepärast mõlemasse 
suunda pööretegeneraatorit. 
Joonis 16. Ümber põlve asuvate musklite grupi 
mudel. 
Muskli grupi viskoelastseid omadusi saab uuesti esitada 
viskoste ja elastsete  elementide kombinatsioonina. Operaator peaks saama muuta viskoosust ja 
elastsust ajas. Sellepärast on need kaks elementi defineeritud ajas muutuvate parameetritena. 
Lihasskeleti mudeli koostamiseks peetakse HALiga operaatori jalga mitmeosaliseks pendlite 
süsteemiks. Näiteks on joonisel 17 operaatori jalast tehtud lihasskeleti mudel. Mudeli i-nda osa 
valem on: 
, kus θ on põlve nurk, I  on 
13 
 
liigese ümber olev kogu inerts, D ja K on vastavalt 
lihasgrupi viskoosuse ja elastsuse koenfitsendid, R on 
HAL-I ajami viskoosuse koenfitsent, M on operaatori 
jala mass, g on gravitatsiooni konfitsent, l on vahemaa  
liigese ja jala massikeskme vahel, μ on operaatori poolt 
tekitatav pöördemoment, σ on külgnevate lülide kogu 
vastastikune pööre ja i on liigesi id.  Parameetrid D ja K 
on defineeritud kui ajas muutuvad parameetrid. 
Joonis 17. HALi kandev operaatori jala 
lihasskeleti mudeli. 
D. Meetod HAL-i viskoelastsete omaduste 
kontrollimiseks. 
Kirjeldame meetodit HAL-I viskoelastsete omaduste kontrollimiseks. Siin on ajami 
pöördemoment τζ määratud impedansi kontrolli meetodiga.  Kontrollimaks  viskoelestilisi 
omadusi on i liigese τ ζ arvutatav valemiga 
, kus α ιζ 
on parameetri võimendus. 
Et HAL töötaks nagu lihas on vaja ajami poolt tekitakud pöördemoment τ esitatav kujul: 
, kus τ ic  on pöördemoment eksoskelett HAList 
sõltuvalt  mehhaanilise impedansi kompenseerimiseks. Kõiki HAL-i mehhaanilisi impedantse on 
raske täielikult kompenseerida, kuid rakendades pöörde  kompensatsiooni võib märgatavalt 
vähendada koormuse tekitatud tegelikult kasutusel olevaid impedantse. Asendades (6) (4)-ja 
saame 
.  
Sellest võrrandist võib lugeda, et HAL tekitab pöördemomendi sarnaselt selle operaatori 
võimendatud lihase pöörde ja viskoelastsusi omadustele, võimenduse parameetrite αι μ ja αι ζ 
järgi. Tagajärjena vähendaks see meetod operaatori lihaste koormust. 
C. Operaatori lihaste viskoelastsete omaduste  ennustamine . 
Siin kirjeldatakse meetodid ennustamaks operaatori lihasgrupi viskoelastseid omadusi realajas, et 
kontrollida HALi viskoelastseid omadusi. Aga sellest pikemalt ei räägi.Vaata [11]. 
14 
 
3.1.2  Küberneetilise autonoomse kontrolli faaside jada . (Phase 
Sequence Method in Cybernic Autonomous Control) [13] 
Nagu on näha Joonisel 18 koosnevad käimise  liigutuse funktsioonid kolmest faasist nagu jala 
kiigutamine, maandumine ja kere  toetamine. Neid kolme käimisfunktsioone kutsutakse: 
kiikumisfaas, maandumisfaas ja keha toetamisfaas. Kiikumisfaasis rakendatakse terve inimese 
käimismustreid läbi kandja liigeste proportsionaalse-  ja (PD) deratiivse kontrolli. Tugimustreid 
kasutatakse vastava jala kavatsuste ennustamisel kontrolli algoritmi sünkroniseerimiseks. 
Maandumisefaasis realiseerime jala funktsiooni  jalalaba  maandumiseks rakendades konstanse 
väärtuse kontrolli. 
Joonis 18. Kolm käimis funktsiooni: kiikumisfaas, maandumisfaas ja keha toetamisfaas. Twait 
on ajutine lävi käimis toe lülitumisel seismis toeks . 
Leiame,  et  maandumisel  on  kandja  põlve   liiges   tema  oma  raskuse  kohaselt  paindlik  ja  põlve 
paindumiseks  on  vaja  kompenseerida  suur  osa    ülepöördemomendi  tolerantsist.  Sellepärast  on 
15 
 
vaja  enne  tugimustri  konstantse  väärtuse  kontrolli  põlveliigeseid  sirutada.  Toetumisfaasis  nagu 
ka maandumisfaasis on jalalaba toetatud konstanse väärtuse kontrolli poolt. Patsiendi kavatsuste 
faaside  sünkroniseerimine  toimub  raja  kontrollimsel  ja  koosliikumise  toetumisel.  Kontroll 
koosneb  PD  kontrollist  kasutades  terve  inimese    käimise  tugimustreid.  Joonisel  19  on  blokk 
diagramm    juhtimise  kontrollimiseks  ja  faaside  sünkrosatsiooniks.  joonisel  19  olev  inimese 
kavatse  ennustaja  HIE  (human  intention  estimator)  omab   ennustus   algoritmi  jaoks  FRF  ( floor  
reaction  forces)  sisendit.  HIE  all  olevad  kolm  blokki  on  arhiivid,  mis  sisaldavad    kiikumis 
faaside    mustreid  ja  maandumise,  toetumise  faaside  tugiväärtusi.  HIE  lokaliseerib  käimise  ajal 
need väärtused kahele jalale .  HIEst paremal on kuus PD kontroll blokki. 
Joonis 19. Blokk diagramm juhtimis kontrollimiseks ja faaside sünkrosatsiooniks.  
 
 
16 
 
4. Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)-i mehhaaniline 
disain. [14] 
 
A.  Inimomadustega (antropomorfne)  arhitektuur    
See üritab täpselt jäljendad inimese jalga. Eksoskeleti jala asend järgib täpselt inimese jala 
asendit järgides kinemaatiliselt täpselt DOS-i (degrees of freedom) ja jäsemete pikkusi. Sellega 
esineb palju probleeme,  näiteks inimese põlv ei suuda teha täielikku pööret ja selle kogu 
kinemaatika  kopeerimise tulemuseks võib vaja minna keerulist  mehhaanilist  süsteemi. 
Eksoskeleti jäsemed peavad olema operaatori omadega sama pikad. See on selleks, et erinevad 
operaatorid saaksid seda kanda, selleks peavad eksoskeleti jäsemed olema muudetava pikkusega. 
B.  Pseudo -anthropomorphic  
See tähendab, et BLEEX-jalg on kinamaatiliselt päris jala sarnane, kuid ei oma kõiki inimese jala 
DOF (degrees of freedom )-e. Lisask on BLEEX-i DOF-d seotud ainult liigeste pöörlemisega. 
Kuna inimese ja eksoskeleti jala kinemaatika ei ole täpselt sama, saab eksoskeletti jäigalt ainult 
äärmiste jäsemete ( jalg ja  torso ) külge ühendada. Kõik teised jäigad ühendused võivad viia 
kinemaatilistest erinevustest tulevnevate suurte operaatorile rakendatavate jõududeni. 
Järeleandlikud ühendused lubavad inimese ja eksoskeleti vahel talutavat relatiivset liikumist. 
Tänu kinemaatilistele erinevustele on BLEEX paremini ühendatav erinevatele operaatoritele. 
4.1 DEGREES OF FREEDOM (DOF) ehk LIIKUMIS 
VABADUSASTE. 
Kuigi BLEEX on pseudo-antrophomortne  ja tal on  puus , põlv ja  pahkluu , erinevad nende 
liigesete  andmed inimese omadest. Üleüldiselt on BLEEX-il  seitse märgatavat vabadusastet jala 
kohta nagu: 
  3 vabadusastet puusal 
  1 aste põlevel 
  3 astet pahkluul 
Inimese puus koosneb pallist ja keraliigesest, millel on 3 vabaduse astet. Sellepärast on loomulik 
ka disainida 3 astmega eksoskeleti  puusa  liiges, millel on inimesele sarnaselt kolm pöörlemise 
17 
 
telge. Kuid peale mitmeid katsetusi valiti mõlema jala puusa pöörleva liigese  seljataha  pöörleva 
osa jaoks üks telg. Nagu on ka näha joonisel 20. Lisaks lisati katsetamisel lisaliiges iga jala otsa. 
Puusa mõlemad lähendamine/kaugenemine ja kokku-/väljavenitamine sobivad inimese 
puusaliigesega. 
 
 
 
 
 
 
 
Joonis 20. BLEEXi puusa liikumis  vabadusastmed . 
 
 
Joonis 21. BLEEXI pahkluu liikumise vabadusastmed 
18 
 
Inimese põlveliiges on keeruline kombinatsioon veeremisest ja libisemisest reieluu ja sääreluu 
vahel, mis laseb liigesel pöörlevalt liikuda. BLEEXi põlvel puudub pöörlemise  lukk , sest tal pole 
pöölemisel liikumistsentrit. 
BLEEXi pahkluu omab inimese jalalabaga sarnaselt 3 vabadusastet. Oma teljega  
Paindumise/laienemise aste. Lähendamine/eemaldumine ja pöörlemise teljed ei lähe inimese 
pealt läbi. 
BLEEXi labajalale on ka lisatud lisavabadusaste. See on eksoskeletoni jalalaba ees, operaatori 
varvasete all ja see laseb eksoskeletil painduda koos operaatori jalalabaga. 
 
4.2 Liikumise ulatus. 
BLEEXi liigeste liikumise ulatus peaks olema vähemalt samad käimise ajal. Tabelis 1 on ära 
toodud inimese ja BLEEXi liigeste liikumise nurgad. Kolmas  kolonn näitab, suurimaid ohunurki. 
 
Tabel 1 BLEEXI liigeste liikumis ulatused 
19 
 
 
4.3 Ajamite valik 
BLEEX on täielikult autonoomne  omades kaasaskantavat toiteplokki, sellepärast on energitarve 
kestvus väga oluline. Sellepärast on energia efektiivne tarbimine väga oluline. 
Joonis 23. Põlve trerpist üles/alla minekuks vajaminev  
energia tarve . 
Hüdraulilistel ajamitel on kõrge võimsus (power to 
actuator weight  ratio ), sellepärast on need parimad 
saadaval olevad ajamid . Hüdrauliline vedelik on suuresti 
kokkusurumatu tagades suure kontrolli ulatuse. Kahjuks 
võib hüdrauliline süsteem tänu suurtele rõhkudele 
servoventiilides kaotada seal suurel hulgal võimsust. 
BLEEX kasutab kompaktse suuruse, kerguse ja suurte 
jõudude võimekuse pärast põhiliselt lineaarseid hüdraulilisi 
ajameid. 
Joonis 22. Inimese käimiseks vajalik 
energiatarve. 
Eeldades, et toitesurve on 6,9 Mpa on  BLEEX-i ajamite 
suurused valitud ka vastavalt, tagades  piisavad liigeste pöördemomendid. BLEEX kasutab 
20 
 
korraga töötavad kolb-silindreid kõigile liigestele, milleks on 19.05 mm torud. Peale ajamite 
pöörete tagamiseks valitud suuruste ja kinnituse positsioone. Kesmine vedeliku määrata 
liikumiseks vajalik voolukiirus  kasutati liigese liikumiskiiruse andmeid, et. BLEEXile ehitatud 
toitesurve tagab servoventiilidele pideva 6.9Mpa surve, sõltumata soovitud ajami jõust ja 
kiirusest. Sellepärast on keskmine igale ajamile kuluv võimsus määratav korrutades keskmise 
toitesurve voolamiskiirusega. BLEEXi puhul vajavad puus, põlv ja pahkluu venimis/tõmbamis 
liigesed  käimiseks keskmiselt 1.3 kW võimsust. Lisaks on vajalik 540 W lisavõimsus teiste 
manöövrite jaoks. Tänu nende kõrgele ribalaiusele, kõrgetele voolamis teguritele ja madalale 
elektritarbele.Ajamite juhtimiseks valiti neljasuunalised, kahefaasilised servoventiilid, Iga  ventiil  
vajab  hüdraulilist energiat umbes 28 W, mis teeb kaheksa peale kokku 224W. Kogu hüdrauliline 
energia vajadus on 75kg-se BLEEXi (kandjaga koos)1.3m/s kiirusel käimisel vajalik 2.27kW. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
4.4 BLEEXi DISAIN. 
Joonisel 23 on näha BLEEXi üldine 
lihtsustatud mudel, mis koosneb 
järgmistest olulistest osadest: 
A.  Toitega liigese disain. 
BLEEXi liigesed toetavad kandja suuri 
raskusi ja võõraid jõude, kuigi omab 
saledat profiili ja väikest hõõrdumist. 
Joonisel 10 on näha, et liigese struktuur 
ümbritseb sensori kaitsmiseks dekoodrit. 
Kaks tihendatud õhusõiduki laagrit 
vahedega 2.5cm on ümber jõu- ja off-
axis  momentide. Kõik BLEEXi liikuvad 
Joonis 23. BLEEXi lihtsustatud mudel. 
liigesed, peale nende kinnituspositsioonide on 
identsed. 
 
 
 
 
 
Joonis 24. BLEEXi liigese disain. 
B.  Jalalaba disain 
BLEEXi tänu paljudele funktsioonidele jalalaba on kriitiline komponent . 
  See kannab BLEEXi raskuse maasse, sellepärast peab sellel olema struktuuriline 
integratsioon ja peab näitama pikka eluiga olles muutuvates keskkonna tingimustes. 
  See on üks kahest kohast, kus inimene ja eksoskelett on tugevas ühenduses, sellepärast 
peab see olema operaatori jaoks mugav 
22 
 
  See mõõdab jalalaba kesksurve asukohta, määrates ära jalalaba konfiguratsiooni, mida on 
vaja BLEEXi kontrollimiseks. 
  See mõõdab inimese raskuse jaotumist  jalgade vahel. 
Joonisel 25 on näha jalalaba põhiline struktuur, millel 
on raskust maase juhtiv jäik kand ja mugavuseks 
paindlik varvas . Operaatori saabas kinnitub 
eksoskeleti jalalaba peale lihtsalt kinnituvate 
ühendustega.  Laba  all olevad lülitid detekteerivad, 
millline jalalaba osa maad puudutab. Jäikuseks on 
need lülitid vormitud kummist talla sisse. Joonisel on 
näha koormuse jaotumise  andur , hüdraulilist õli täis  Joonis 25. BLEEXi jalalaba disain. 
olev kummist rõhutoru ja põhiline eksoskeletoni 
jalalaba struktuur. Rõhutorusse kantakse ja mõõdetakse anduri poolt ainult inimese, mitte 
eksoskeleti raskus. Seda sensori infot kasutab kontroll algoritm , et saada teada palju raskust 
inimene asetab vasakule jalale võrreldes paremaga jne. 
C.  Sääre ja  and reie disain. 
Sääre ja reie põhifunktsioonideks on struktuuriline tugi ja venivuse/painduvuse liigeste 
ühendamine. Seda on näha joonistel 26 ja 27. Nii säär kui ka reis on disainitud nii, et seda saaks 
erinevas pikkuses olevatele inimestele kohandada. Need koosnevad kahest osast, mis saab 
üksteise sisse libistada ja sobival pikkusel lukustada.  
 
23 
 
Joonis 26. BLEEXi sääre disain. 
Joonis 27. BLEEXi reie disain. 
Hüdraulilise teekonna vähendamiseks disainiti  kollektorid , et juhtida vedelikke  ventiilide  , 
ajamite, toite ja liinide vahel. Need kollektroid kiinituvad otse silindrite külge, et vähendada 
hüdraulilist ventiilide ja ajamite vahelist vahemaad maksimeerides ajamite jõudluse. Pahkluu 
ajamid, kollektorid ja  ventiilid on ühendatud sääre külge. Põlve ja puusa ajamid, kollektorid ja 
ventiilid on ühendatud reie külge. Üks põlve ajami külge ühendatud kollektor juhib hüdraulilisi 
vedelikke põlve ja puusa ajamitesse. 
D.  Torso disain.  
Joonisel 28 on näha, et BLEEXi torso 
ühendub puusade (joonis 20) 
struktuuriga. Torso tagumisele küljele on 
ühendatud toiteplokk,  juht arvuti ja 
raskuse kinnitused. Joonis 28 illustreerib 
ka puusa lähenemis/eemaldumis liigese 
ajameid, ventiile ja kondensaatoreid. 
Torsole kinnitatud kaldemõõtur annab 
kontroll algoritmile absoluutse tugi 
nurga. Kõikide sensorite info 
kogumiseks ja juht arvutiga  (supervisor 
Joonis 28. BLEEX torso disain 
24 
 
I/O moodul ehk SIOM) suhtlemiseks kasutatakse remote I/O mooduleid ehk RIOMe. Mõned 
RIOMid ja SIOM on ühendatud BLEEXi torsole.  
Torso esimesele poole on kinnitatud operaatori kinnitusrihmad. Eksoskeleti rihmad peavad 
enamikel tegevuste hajutama jõude ja momente igas suunas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
25 
 
Kokkuvõte 
 
Eksoskelett  on  põhimõtteliselt  selga   pandav   masin  või  robot,  mis  suurendab  inimese  jõudu 
aibistades  tal  tassida  raskeid  asju,  käia  ja  joosta.  See   abistab   inimesest  operaatori  liikumist. 
Üheks  näiteks  võiks  tuua  inimese  käimise  abistamise,  kus  minimeeritakse  energia  tarvet,  mis 
kulub  aste  tegemiseks  lubades  operaatoril  läbida   suuremaid   vahemaid  kui  tavaliselt.  Teise 
näiteks oleks olukord, kus operaator tõstab raskeid esemeid. Sellisel juhul aitab eksoskelett teda 
andes enamik objekti liigutamiseks vajaminevat võimsust. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
26 
 
Kasutatud kirjandus: 
 
[1] Ng Sze Tat,  ”Design of a lower-limb Exoskeleton for Assistive Mobility Applicationa”,  
SIM University, 2010 
[2] Erico Guizzo, Harry  Goldstein „The  Rise of the Body  Bots”, IEEE spectrum,  
  http://spectrum.ieee.org/biomedical/bionics/the-rise-of-the-body-bots/0 , 2005 
[3]  http://en.wikipedia.org/wiki/Powered_exoskeleton , 2011 
[4] Berkley Robotics & Human Engineering Laboratory, 
http://bleex.me.berkeley.edu/research/exoskeleton/ , 2011 
[5] Berkley Robotics & Human Engineering Laboratory 
, http://www.lockheedmartin.com/data/assets/mfc/PC/MFC_HULC_Product_Card.pdf , 2011 
[6]Cyberdyne,   http://www.cyberdyne.jp/english/robotsuithal/index.html , 2011 
[7] Honda,  http://www.hondanews.com/channels/149/releases/6033eb61-eee7-5966-d49a -
be004c34bc01, 2011 
[8] Anne Trafton, Massachusetts Institute of Technology, 
, http://web.mit.edu/newsoffice/2007/exoskeleton-0919.html , 2007 
[9] Rayethon,  
  http://www.raytheon.com/newsroom/technology/rtn08_exoskeleton/index.html , 2011 
[10] Rex Bionics,  http://www.rexbionics.com/What-is-Rex.aspx, 2011 
[11] Tomohiro Hayashi, Hiroaki Kawamoto and Yoshiyuki Sankai, University of Tsukuba , 
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1545505 , 2005 
 
[12] University of Tsukuba,  http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4108030, 
2006 
 
[13] University of Tsukuba,  http://sanlab.kz.tsukuba.ac.jp/sonota/ISSR_Sankai.pdf , 2011 
 
27 
 
[14] Adam Zoss, H. Kazerooni, Andrew Chu, University of California, Berkeley, 
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1545453&tag=, 2005 
28