Принципы проектирования вспомогательного мягкого экзо костюма

(Перевод с английского)

Автор: Брайан Ван

От 11.07.14

Напечатано: Интернет издание «Nest Big Future»

Гарвард опубликовал подробности мягкого экзо костюма, который они делают при финансировании DARPA.

Экзокостюм мягкий нижних конечностей робота предназначен для усиления нормальной мышечной функции у здоровых лиц. По сравнению с предыдущими экзоскелетом, устройство ультра-легкое, за счёт низкого механического сопротивления и инерции. Экзокостюм имеет настраиваемые Маккиббен-подобные пневматические приводы, которые могут помочь движению в тазобедренном, коленном и голеностопном мышечных участках. Приводы прикреплены к экзокостюму сетью мягких, нерастяжимых лямок в удобных местах с использованием нового подхода, который мы называем виртуальной анкерной техникой. Этот подход предназначен для передачи усилия по участкам тела, что поможет наилучшим образом принимать нагрузки.

Пневматический привод был выбран для этого стартового прототипа, потому что приводы типа «Маккиббен» мягкие, и могут быть легко запитаны от компрессора на панели. В экзокостюме собственная (интерфейс и приводы) масса составляла 3500 г и периферийные устройства (без подачи воздуха) 7144 г. В рамках изучения характеристик экзокостюма, было выполнено пилотное исследование с одним объектом, в котором исследовалось влияние на скорость сгибания сустава лодыжки в комплексе с кинематикой тазобедренного, коленного и голеностопного сустава, и биоэнергетический мощностью при ходьбе. Ношение костюма в пассивном, безмоторном режиме, не имеет большого влияния на кинематику тазобедренного, коленного и голеностопного суставов по сравнению с исходной походкой без костюма. Приложенные приводы к щиколотке, а это 30% цикла походки, снижают суставную кинематику, а также минимизируют биоэнергетическую мощность. Величина средней биоэнергетической мощности была 386.7 W, практически идентична средней мощности при ношении костюма (381.8 W), и существенно меньше, чем ходьба с неподключенным костюмом (430.6 W). Эта предварительная работа демонстрирует, что экзокостюм с комфортом может передавать совместные движения, чтобы пользователь не ограничивал мобильности и, что при дальнейшей оптимизации, потенциально, уменьшит энергетические затраты владельца при ходьбе.

В работе, опубликованной в 2014 [Multi-совместной приводов платформы для нижних конечностей Мягких Экзокостюмов], система поставляется 4.01 Вт в среднем за цикл походки 1,08 секунд голеностопного костюме, и 3,27 Вт в среднем за цикл походки 1,06 секунд для тазобедренного костюма. Общая энергия, поставляемой системы в течение одного цикла ходьбы была 4.33 Дж и 3.47 Дж соответственно. В течение каждого цикла ходьбы голеностопный сустав получил 3.02 Дж, то есть КПД 70%. Тазобедренный сустав, получил 1.67 Дж для сгибания, то есть КПД 48%. По сравнению с биологически совместным питанием в системе предусмотрено 14,3% энергии, необходимой для лодыжки питания и 9,6% энергии, необходимого тазобедренному суставу питания на сгибание.

В общем, экзокостюм в состоянии сделать возможным передачу нагрузки между помогаемыми суставами и другими частями тела, где эти силы могут распределяться не препятствуя естественной динамике и комфорту человеческой ходьбы.

Первый созданный мягкий экзокостюм [в статье, опубликованной в 2013 году], значительно снижает механическое сопротивление и инерцию по сравнению с предыдущим экзоскелетом и носимыми вспомогательными устройствами.

Легкий мягкий экзокостюм предназначен для преодоления проблем традиционных тяжёлых систем экзоскелета, таких как энергоемкие батареи и жесткие элементы, которые могут конфликтовать с естественным совместным движением. Он сделан из мягкого, функционального текстиля, сшитого в виде просторной одежды, одевается, как пара брюк в армейском стиле. Благодаря биологически встроенному дизайну, костюм имитирует действия мышц ног и сухожилий, при ходьбе человека, и обеспечивает небольшую, но тщательно просчитанную помощь в суставах ног, не ограничивая движений.

В нынешнем прототипе, собранном на лямках, расположенных вокруг нижней половины тела, содержится маломощный микропроцессор и сеть датчиков упругой деформации, которые действуют как "мозг" и "нервная система" мягкого экзокостюма, соответственно - постоянно мониторит различные сигналы данных, к тому же костюм определяет и напряженное положение владельца (например, ходьба, бег на корточках), и многое другое.

Повышение выносливости тех, кто слабее или не ходит самостоятельно

Кроме военного применения, другие приложения для этой методологии проектирования включают следующее: помощь пожилым людям, реабилитация детей и взрослых с расстройствами, такими как церебральный паралич. В этих приложениях без увеличения производительности здорового человека, система обладает потенциалом для оказания помощи при функциональных ограничениях, позволяя меньшими усилиями добиться большей производительности.

Мягкие в сравнении с жесткими экзоскелетами

Предыдущие экзоскелеты во всем ориентировались на жесткие связующие рамки, присоединённые к телу в определенных местах с помощью колодок, ремней или прочих связующих способов. При сжимании или удлинении биологических соединений человека, эти жесткие детали добавляют значительную инерцию движения, которая должна преодолеваться приводом или самим пользователем. Хотя были предприняты все усилия, чтобы минимизировать эти эффекты, они по-прежнему в значительной степени увеличивают сопротивление естественной динамике и кинематике походки. Кроме того, статическое рассогласование биологических и экзоскелетных суставов может привести в динамическим перекосам длиной до 10 см при нормальном движении, вызывать боль и даже травмы у пользователей. Одним из решений было включить избыточные, пассивные степени свободы для компенсации этих перекосов; однако, это добавляет вес к системе. Отчасти, именно по этим причинам такие системы, как правило, не снижают биологическую энергию, необходимую для передвижения. В целях решения этих вопросов в последнее время велись работы по развитию активно мягкой ортопедии, которые открывают больше перспектив в снижении сопротивления экспериментального ношения и позволяют делать движения более естественными.