Dış İskeletlere Genel Bir Bakış

Mühendislik böcek, dış iskelet, exoskeleton, HAL-5, mekanik, ordu, robot Nur Buyukyaprak 20 Şubat 2021 0 Yorumlar

Dış İskeletlere Genel Bir Bakış

Konunun detaylarına inmeden önce doğadan örnekler vererek yazıma başlamak istiyorum. Teknolojik gelişmelerin birçoğu doğadan ilham alarak ortaya çıkmaktadır. Bu ilham alarak yaratılan teknolojilerden birisi de robotlardır. İnsanların yapması zor olan veya tehlikeli sayılabilecek görevleri yerine getirmeleri gayesiyle meydana getirilen bu robotların, dış görünümleri, algılayıcıları, mekanik ve otonom yapıları (yani bağımsız hareket edebilmelerini sağlayan sistemleri ) doğadaki canlıların fiziksel özellikleri ve hareket yetenekleri taklit edilerek tasarlanmaktadır. [1]

Bu konuya giriş yapmak amacıyla böceklerin anatomisine kısaca değinmem gerekiyor. Dış iskelet, böcekler haricinde midye ve salyangoz gibi yumuşakçalarda, ıstakoz gibi kabuklularda da bulunur. Böcekleri insanlardan ayıran dış iskelet böceklerin karasal yaşama uyum sağlamalarındaki en önemli etkenlerdendir. Böceklerdeki bu iskelet sistemi kasların bağlanmasına olanak sağlar . Özelliklerine gelirsek, büyümeye yardımcı olmaz hatta bu yapı böceklerin büyümesine engeldir; ancak canlıyı dış darbelere karşı korur; çünkü yapısında bulunan kitin ve protein sebebiyle birçok fiziksel ve kimyasal etkilere karşı çok dayanıklıdır. Ayrıca, sıvı ve ısı kaybını büyük ölçüde azaltır.

İçindekiler Tablosu

EKSOSKELETON – MEKANİK DIŞ İSKELET

Bilim kurgu filmlerinden sıkça gördüğümüz giyilebilir teknoloji, endüstri, tıp ve askeri alanlarda kendisine yer buluyor. Dış iskelet, insan eklemlerinde güçlü aktüatörlerle (eyleyici) donatılmış ve insan zekası ile robot gücünü birleştiren giyilebilir bir biyonik cihazdır[2]

İngilizcesi exoskeleton olan bu kelimedeki “exo” kısmı “dış”, “skeleton” kısmı ise “iskelet” veya “çatı” anlamlarına gelmektedir.

Robotikte, dış iskeletler giyilebilir teknolojinin ürünü olan robotlardır. Vücudun dışına bir cilt gibi bağlanırlar ve onu giyen kişi ile birlikte hareket ederler. Dış iskelet, sensörler sayesiyle kullanıcının hareketlerini izler ve kasların kendi hareketlerini taklit edip onları destekler.

Dış iskelet, yapısına ve fonksiyonlarına göre çeşitlenir. Bazıları motorlu veya mekanik olarak çalışırken bazılarıysa çalışırken elektrik enerjisine ihtiyaç duyabilir ya da elektrik enerjisine ihtiyaç duymayabilir.

Eksoskeleton çeşitleri giyildikleri vücut kısmına, çalışma yöntemine ve güç sağlama şekline göre sınıflandırılır.

Kullanım Yerlerine Göre :

Tüm vücut dış iskeletleri: Tüm vücuda destek sağlar , en güçlü dış iskeletlerdir .
Üst ekstremite dış iskeletler: Kollar , omuzlar ve gövde dahil olmak üzere üst gövdeyi destekler .
Alt ekstremite dış iskeletler: Bacaklar, kalçalar ve alt gövdeye destek sağlar .

Çalışma Yöntemine Göre :

Eksoskeleton Çeşitleri

Pasif Eksoskeleton

Pasif Eksoskeleton

Harici bir güç kaynağı gerektirmez
İnsan çabası gerektirir.
İnsan hareketlerinden enerji depolar ve gerektiğinde serbest bırakabilen yaylar ve amortisörler kullanılır . [3]
Vücut gücünü kullanır ve enerji tasarrufu yapar.
Duruşumuzda bize yardımcı olur.
Kullanımı hafif ve kolaydır.

Güçlendirilmiş Dış İskelet

Hibrit özel bir sınıftır. Ortak olmayan herhangi bir güç teknolojisi olmak üzere 4 ana sınıfa ayrılır. Bu dört ana sınıf, aktif eylem olarak elektrikli, hidrolik, pnömatik aktüatörleri ve pasif eylem olarak mekanik eylemleri içerir.[4]
Güç kaynağı gerektirir.
İnsan çabası gerektirmez
Büyük ve ağırdır.
İnsanlar tarafından gerçekleştirilmesi mümkün olmayan işlere yardımcı olur.
Tasarımı , geri destek sağlamayı , kullanıcının hareketini algılamayı ve dişlileri yöneten motorlara bir sinyal göndermeyi amaçlamaktadır.
Dış iskelet omuz ve bel uyluğunu destekler ve ağır eşyaları kaldırmak ve tutmak için yardımcı olurken sırt stresini azaltır.

Haptik (Dokunma Duyusu ile ) Dış İskelet

İşlevselliğin hangi bölgede hedeflendiğine bağlı olarak ( dokunsal, kinestetik ve propriyoseptif) el veya kol olarak kullanılabilirler .[5]
İnsan kolu için dış iskelet tabanlı bir dokunsal ara-yüz takan operatörün sanal ortamdan robotu uzaktan kontrol etmesini sağlayan eksiksiz bir dokunsal kontrol istasyonu oluşturmayı amaçlar. [7]
Eklem ve konum sensörleri ile donatılmış eklemler, yüksek çözünürlüklü tork sensörleri, motor redüktörleri ve giriş/çıkış pozisyon sensörleri ile donatılmıştır. [6]
Kullanıcı ve haptik dış iskeletin aslında amacı kuvvet-geri bildirim duyuları arasındaki akışı sağlamaktır yani dış iskeletin kontrol edilmesi amacını taşır.

Haptik dış iskelet

Aktif Dış İskelet

Elektrik motorları yüksek hızları, yüksek hassasiyetleri ve gelişmiş olmaları nedeniyle yaygın kullanılır.
Çoğu aktif dış iskelet elektrik motorları veya pnömatik kas aktüatörleri ile çalıştırılır.

Güç Sağlama Şekillerine Göre

Elektrik: Kullanan kişinin kaslarına destek ve ekstra güç sağlamak için elektrilkli servoları veya diğer elektrikli aktülatörler kullanılır. Genellikle pil kullanmaları sayesinde taşınılabilirler. Dezavatanjı ise pillerin ayrıca bir ağırlık ekleyip hareket kabiliyetini sınırlaması ve pillerin değiştirilmesi, yedeklenmesi ya da şarj edilmesinin gerekmesidir.
Hidrolik: Elektrikli olanlardan daha güçlü olan hidrolik aktüatörleri barındırırlar. İçten yanmalı motorlar veya hidrojen yakıt hücreleri gibi daha büyük ve daha karmaşık güç kaynaklarına ihtiyaç duyarlar. [8]
Tamamen mekanik: Elektrik kullanmazlar bunun yerine mekanik bağlantılar ile kullanıcıyı desteklerler. Yeniden şarj edilmeleri ve kullanıcının bir güç kaynağı taşıması gerekmediği için uzun süreli kullanılabilir. Genellikle vücudun belirli bir bölgesinden(kollar ve omuzlar gibi) ağırlık alır ve yorgunluğu azaltmak için bunu başka bir bölgeye (bel gibi) yeniden dağıtır . Pasif dış iskelet olarak da bilinirler.
Kısmi veya tamamen elektrikli dış iskeletler: Mekanik dış iskeletlerden daha güçlüdür ve daha fazla ağırlık taşıyabilir. El gibi daha spesifik alanlarda kullanılır ve gerektiğinde basıncı ve gücü artırabilirler.

Kullanım Alanları

Askeri

“Süper asker”

Orduda dış iskelet kullanımı 1960’lardan beridir kullanılsa da zaman zaman yüksek maliyeti sebebiyle rafa kaldırılmıştır; ancak küresel silahlanmanın önem kazandığı bu yüzyılda askerlerin de en az silahlar kadar dayanıklılığı, hızı ve performansı önem kazanmıştır .

Dış iskeletler askerlerin :

Daha hızlı hareket etmesine yardımcı olur .
Engebeli ve eğimli arazileri geçme kabiliyetini arttırır.
Ağır silahların taşınması ve daha iyi kullanımı için destek sağlar.
Dayanıklılığı arttırıp yorgunluğunu azaltır, bacak kasları üzerindeki stresi azaltır.
Aşırı stres ve basınç yaralanmalarını önlemek için ağırlığı eşit olarak dağıtmaya ve iskelet sistemi hizalamasını korumaya yardımcı olmak için ortopedik hizalamaya kılavuzluk eder.
Herhangi bir saldırı anında mermi ya da bombanın etkisinden de korur.

Askeri alanda göze çarpan bazı proje örneklerinden ve özelliklerinden bahsetmek istiyorum.

Deneysel XOS 2 : Bireyler vücut ağırlığının iki ila üç kat daha fazla ağırlık kaldırabilecek giyilebilir bir robottur. Komutlar insan beyniyle yönlendirilir.

Sprintgtail Dış İskelet Uçan Araç: Yerden binlerce fit yükseklikte uçabilen ya da hareketsizce gezebilen içerisinde jetpack barındıran bir dış iskelet.

Sağlık

**Omurilik felçli bireylerdeki dış iskeletler**

Dış iskeletler , felç, omurilik yaralanması , kas kütlesi kaybı gibi hastalıkların neden olduğu hareket bozukluğunun önüne geçmeyi ve bunlara sahip olan bireylerin hayat standartlarını yükseltmeyi amaçlar.

Peki Nasıl ?

Kas gücü zayıflamış yaşlı insanların motor kontrol kaybı yaşaması ya da motor ve sensör işlevini kaybetmiş felçli bireylerin ayağa kalkması, yürümesi, oturması gibi becerileri rahat bir şekilde gerçekleştirebilmeleri birer zorluk iken dış iskelet ile bunların rahat bir şekilde gerçekleştirilmesi mümkündür. Çünkü dış iskeletler, hastaların yetersiz motor fonksiyonunun yerini almak için insan eklemlerinin pozisyonlarında harici tork sağlayabilir ve böylece bu hastalara ayağa kalkma, oturma ve yürüme gibi temel günlük yaşam hareketlerini gerçekleştirme becerilerini yeniden kazanmaları için daha fazla güç verebilir.[9]

Dış iskeletlerin sağlık sektöründe kullanımı

Acil Durumlar

Acil durumlardaki acil müdahale görevlilerin performansı ve güvenliği önemlidir. Bunları sağlamak için güçlendirilmiş dış iskeletler, kurtarma personelinin ağır nesneleri taşımasına, yorgunluğunu en az indirip olası yaralanmalarının önüne geçmesine, kurbanların çıkışlarının sağlanmasına yardımcı olur.

Endüstri

**Ağır nesneleri kaldırmaya yardımcı dış iskelet**

Dış iskeletler yukarıda saydığım sektörlerde kullanıldığı gibi endüstri sektöründe de kullanılmaktadır. İşçi güvenliğini sağlamayı, üretkenliğini arttırmayı, gün boyunca uzun süren ve tekrarlanan iş yükünü azaltmayı, daha iyi işyeri konforu sağlamayı , kas yorgunluğunu azaltmayı ve kaliteli ürün çıkarmaya yardımcı olur.

İşçilerin işlerini yaparken potansiyel yaralanmaların önüne geçmek için kullanılan dış iskeletler de vardır .

Çeşitleri ?

Kol ve Omuz Desteği

Ağır nesnelerin kaldırılması, taşınması gibi kolların, omzun ve omurganın hareketten dolayı yanlış hizalanmasına veya yaralanmasına sebep olabilecek durumlarda dış iskelet, omurga üzerindeki baskıyı daha eşit bir şekilde dağıtır ve vücudun farklı bölgelerine binen yükü ve yorgunluğu azaltır.

Ağır alet ve malzemeleri belden kaldıran işçileri, ağır aletleri sürekli olarak uzun süre tutma zorunluluğu olan işçileri hem omuzlarından hem de kollarından destekler.

Sırt Desteği

Ağır nesnelerin kaldırılmasından kaynaklanan stresi azaltmak için kullanılır. Genellikle omuzlar, sırt ve bel içindir .

Ayakta Durma ve Çömelme Desteği

Gün boyunca uzun süre ayakta duran işçilerin dizleri ve bacakları üzerindeki baskıyı azaltmak, ayakta ve çömelme pozisyonlarında sakatlanma riski olan işçiler için eklemler ve kaslar üzerindeki gerilimin azaltılmasını hedefler.

Tüm Vücut Takımları

Robot Suit HAL-5

Yazımı tamamlamadan önce şimdi bana ilginç gelen bir projeden bahsetmek istiyorum.

Geçen yazımdaki biyonik uzuvlardan da hatırlayabileceğiniz gibi uzuvları hareket ettirmek için bir insan operatörünün kas kasılmalarını beklemek durumundaydık. Ancak, insan vücudunun hareket mekanizmasını sadece kasların hareket etmesiyle çalışması meydana getirmez. Sinyalleri iletmenin bir diğer yolu, beynin vücudun sinyallerine göre hareket ettiğinden emin olduktan sonra beyindeki bu sinyallere uygun olarak da hareket meydana gelebilir. Yani sadece düşünerek, hareketler için gerekli olan sinyalleri sinirler aracılığıyla kaslara iletebiliriz. Cyberdyne adlı Japon şirketinin Robot Suit HAL-5 robotu da artık bunu mümkün kılıyor.

Tüm vücut dış iskeleti konseptine dayanan dış iskelet sensörler , operatörün beyninin gönderdiği elektriksel mesajları alıyor ve teorik olarak bu dış iskelet kullanıcının bir kası hareket ettirmesini beklemeden sadece düşünerek istediklerini yerine getirmesine olanak sağlar.

HAL-5 gibi güçlendirilmiş dış iskeletler, bilişsel etkinliklerin harekete dönüştürülebileceğini ve engelli çocukların oyun oynarken yürümelerine yardımcı olabileceğini gösteriyor. [11]

HAL