Science Robotics: Коленный экзоскелет эффективно снимает нагрузку на спину

Экзоскелеты для коленных суставов создали в Мичиганском университете. Они помогают легче переносить тяжести и сохранять хорошую осанку даже при усталости. Это защищает от травм на работе.

По словам Роберта Грегга, профессора робототехники Университета штата Массачусетс, экзоскелеты укрепляют ноги, а не спину напрямую. Такой подход отличается от того, что обычно используется в промышленности.

Уже сейчас работники, поднимающие тяжести, могут использовать скобы для спины. Экзоскелеты для спины — развивающаяся технология. Они помогают при подъёме, но небезопасны при других движениях.

Команда из Мичигана разработала коленные экзоскелеты, которые поддерживают мышцы квадрицепса и защищают работников от травм спины. Участники исследования протестировали их, выполняя задания по подъёму и переноске гири весом 20 фунтов.

Участники исследования выполняли задания с гирей: поднимали её с земли и опускали обратно, переносили по ровной поверхности, а также вверх и вниз по наклонной плоскости и лестнице.

После наступления усталости участники лучше сохраняли осанку с помощью экзоскелета и быстрее поднимали гирю — всего на 1% медленнее, чем до усталости, в отличие от 44% замедления без помощи экзоскелета.

По словам Нихила Дивекара, научного сотрудника отдела робототехники Университета штата Массачусетс и первого автора исследования, это особенно важно при работе с конвейерной лентой. Когда работник устал, он продолжает поддерживать темп, но с нарушенной осанкой, сильнее сгибает спину, что может привести к травмам.

Участники остались довольны экзоскелетом, за исключением ходьбы по ровной поверхности — для выполнения этой простой задачи квадрицепсам требуется небольшая помощь. Грегг описал её как поддержку, достаточную для противодействия весу экзоскелета.

Удобство экзоскелета обеспечивают двигатели и способ их передачи: они позволяют пользователям свободно поворачивать колени для естественной походки. Программное обеспечение анализирует угол наклона коленного сустава, ориентацию бедра и голени, а также силу, улавливаемую датчиком в обуви пользователя, и определяет необходимую степень поддержки.

По трём показателям с обеих ног можно определить, какое движение выполняет пользователь и какая помощь ему нужна. Эти измерения проводятся 150 раз в секунду, что позволяет экзо-тренажёрам плавно переходить от одного вида деятельности к другому.

Грегг отметил, что для экзоконтроллеров, действующих по заранее определённым шаблонам, переключение между задачами может стать проблемой. Им может потребоваться около секунды, чтобы понять намерение пользователя.

Если ваш экзо пытается пройти наверх, а вы пытаетесь пройти вниз, это может создать сложности, — сказал он.

В новом контроллере физическая модель сочетается с машинным обучением. Это не позволяет экзоскелету совершать неожиданные движения, если пользователь ведёт себя не так, как при обучении контроллера.

Грегг предполагает, что стоимость экзоскелетов в промышленных масштабах составит около 2 000 долларов за пару.

В исследовании участвовали 10 человек: 5 женщин и 5 мужчин. Они выполняли задания два дня подряд: один раз в свежем состоянии, другой — в состоянии усталости. Чтобы вызвать усталость, участники делали приседания с гирей до изнеможения. Все участники имели опыт правильной техники выполнения приседаний.

18.09.2024