Исследователи разрабатывают новый подход к помощи роботов-экзокостюмов

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона разработали новый подход к помощи роботов-экзокостюмов. Это помогает преодолеть серьезную проблему при разработке носимой робототехники, которую можно использовать для помощи при ходьбе в реальных условиях. 

Современные настраиваемые носимые роботизированные вспомогательные платформы требуют множества настроек вручную или автоматически, чтобы помогать людям, что может быть затруднительно для пациентов. 

Новый подход основан на помощи роботизированного экзокостюма, откалиброванного под человека, и он адаптируется к различным реальным задачам ходьбы за считанные секунды. Био-вдохновленная система использует ультразвуковые измерения динамики мышц, что позволяет персонализировать ее и привязывать к конкретным видам деятельности для пользователей.

Роберт Д. Хоу — профессор инженерных наук компании Abbott and James Lawrence и соавтор статьи, которая была опубликована в Робототехника. 

«Наш подход на основе мышц позволяет относительно быстро создавать индивидуальные профили помощи, которые приносят реальную пользу человеку, идущему», — сказал Хоу.

Предыдущие биологические системы против нового подхода

Предыдущие биологические системы были сосредоточены на динамических движениях конечностей и пользователей, но исследователи смотрели за пределы этого. 

Ричард Наколс — научный сотрудник SEAS с докторской степенью и соавтор статьи. 

«Мы использовали ультразвук, чтобы заглянуть под кожу, и напрямую измеряли активность мышц пользователя во время нескольких видов ходьбы», — сказал Наколс. «Наши мышцы и сухожилия обладают эластичностью, что означает, что нет прямой связи между движением конечностей и движением мышц, управляющих этим движением».

Исследовательская группа прикрепила портативную ультразвуковую систему к икрам участников, прежде чем визуализировать их мышцы, когда они выполняли различные упражнения при ходьбе. 

Критика Сваминатан — аспирантка SEAS и Высшей школы искусств и наук (GSAS) и соавтор исследования. 

«На основе этих предварительно записанных изображений мы оценили вспомогательную силу, которая будет применяться параллельно с икроножными мышцами, чтобы компенсировать дополнительную работу, которую они должны выполнять во время фазы отталкивания цикла ходьбы», — сказал Сваминатан.

Захват профиля Muscle

Системе требуется всего несколько секунд ходьбы, чтобы зафиксировать профиль мышцы, и для каждого из профилей исследователи измерили, сколько метаболической энергии человек использовал во время ходьбы с экзокостюмом и без него. 

Команда обнаружила, что метаболическая энергия при ходьбе с разной скоростью и наклоном значительно снижается при помощи мышц. Они также обнаружили, что для достижения того же или улучшенного эффекта метаболической энергии требуется меньшая сила помощи по сравнению с предыдущими исследованиями. 

Санджун Ли — аспирант SEAS и GSAS и соавтор исследования. 

«Измеряя мышцы напрямую, мы можем работать с человеком, использующим экзокостюм, более интуитивно», — сказал Ли. «При таком подходе экзокостюм не подавляет пользователя, а работает вместе с ним».

В реальных ситуациях экзокостюм продемонстрировал способность быстро адаптироваться к изменениям скорости ходьбы и наклона. Теперь команда попытается протестировать систему с корректировками в реальном времени.

«Этот подход может способствовать внедрению носимой робототехники в реальных динамичных ситуациях, обеспечивая удобную, адаптированную и адаптивную помощь», — сказал Уолш.