Пассивный экзоскелет превратили в носимый генератор
Канадские инженеры разработали пассивный экзоскелет ног, который помогает ногам тормозить во время фазы переноса и тем самым снижает энергозатраты человека в среднем на 2,5 процента. Одновременно с этим экзоскелет выступает как генератор, вырабатывая 0,25 ватт. Статья опубликована в Science.
Чаще всего под экзоскелетом понимают устройство, надеваемое на все тело и расширяющее его возможности, но есть много исследований, посвященных экзоскелетам отдельных конечностей, как правило, ног. Они различаются по предназначению: обычно разработчики пытаются уменьшить метаболические затраты человека на ходьбу или бег, но есть и экзоскелеты для ускорения ходьбы. Для снижения нагрузки используют пассивные конструкции, которые либо связывают движения ног и переносят энергию между фазами ходьбы, либо самостоятельно помогают в определенные фазы, а также активные, которые делают это при помощи электромоторов или других актуаторов. Также есть работы, в которых экзоскелет использовали для выработки электричества из ходьбы.
Группа канадских инженеров под руководством Майла Шепертицкого (Michael Shepertycky) и Цинго Ли (Qingguo Li) из Университета Куинс в Кингстоне совместили преимущества предыдущих устройств, разработав пассивный экзоскелет, снижающий метаболические затраты на ходьбу и вырабатывающий энергию.
Экзоскелет закреплен на лямках от рюкзака и надевается на спину, а его масса составляет чуть более чем один килограмм. От него вниз отходят два троса, которые крепятся на ногах выше лодыжки. Со стороны экзоскелета тросы крепятся к катушкам с муфтой свободного хода и спиральной пружиной, стремящейся вернуть трос после размотки катушки. Катушки также соединены с общим генератором, который вырабытывает во время их вращения электрический ток.
Во время фазы переноса нога разматывает катушку и тем самым раскручивает генератор. Также в этот момент экзоскелет усиливает разгибающий момент в колене и помогает ноге тормозить в финальной части фазы переноса, способствуя эксцентрическому сокращению мышц. А во время фазы опоры из-за муфты свободного хода нога не испытывает почти никакого влияния экзоскелета и тросы свободно наматываются на катушку под действием пружин.
Исследователи провели испытания экзоскелета на 10 добровольцах, которые ходили по беговой дорожке и без нее, а также надевали датчик измерения интенсивности дыхания, позволяющим определить метаболические затраты. Испытания показали, что экзоскелет в среднем снизил метаболические затраты на 2,5 ± 0,8 процента по сравнению с обычной ходьбой без его помощи. Одновременно с этим он вырабатывал электрический ток, мощность выработки составила 0,25 ± 0,02 ватт. Также авторы протестировали другой режим ходьбы, при котором мощность составила 0,53 ± 0,03 ватт, но в таком случае метаболические затраты повышались по сравнению с ходьбой без экзоскелета.
Инженеры также разрабатывают и экзоскелеты рук. Например, в прошлом году японские инженеры создали мягкий экзоскелет кисти, помогающий сжимать пальцы.
Григорий Копиев
Он позволяет подключать до шести роборук одновременно
Инженеры и дизайнеры из Японии разработали прототип модульной системы дополнительных носимых роборук JIZAI ARMS. Система состоит из базового блока, который надевается на спину как рюкзак, а уже к нему можно присоединять до шести роботизированных конечностей. Доклад с описанием разработки представлен в рамках конференции CHI ’23. Инженеры достаточно давно экспериментируют с носимыми дополнительными конечностями. Как правило, это роборуки, которые крепятся к торсу или спине человека и управляются либо им самим, либо оператором. Однако существующие прототипы чаще всего выполнены в виде одной руки или дополнительной пары — например, именно так выглядели роборуки, представленные в 2019 году группой инженеров под руководством Масахико Инами (Masahiko Inami) из Токийского университета. Теперь японские инженеры и дизайнеры под руководством Нахоко Ямамуры (Nahoko Yamamura) из Токийского университета при участии Масахико Инами разработали носимую систему JIZAI ARMS, которая поддерживает сразу шесть роборук. Система имеет модульную конструкцию, в основе которой находится базовый блок. Он надевается на спину человека как рюкзак и удерживается в плотном контакте с телом за счет нескольких ремней. Блок имеет шесть портов для установки быстросъемных робоконечностей. Порты попарно расположены в разных плоскостях чтобы установленные руки не мешали движению друг друга. Каждый порт имеет электрический разъем в центре и энкодер для определения угла, под которым прикреплена роботизированная рука. Масса базового блока составляет 4,1 килограмм. А общая масса системы вместе с четырьмя подсоединенными к терминалам руками достигает 14 килограмм. Длина роборук подбиралась такой, чтобы при вытягивании их вперед перед пользователем быть приблизительно равной длине его рук. Кисти роборук съемные и при необходимости их можно заменить захватами другого типа. Также дизайнеры постарались придать робоконечностям анатомическое сходство с человеческими руками. Система может управляться через приложение на персональном компьютере, а также с помощью контроллера, выполненного в виде уменьшенной вдвое копии базового модуля и присоединенных к нему роборук. Если пользователь или сторонний оператор изменяет положение рук на контроллере, то это приводит к аналогичным движениям робоконечностей на полноразмерном прототипе. Авторы отмечают сложность управления несколькими руками одновременно, для этого им приходилось задействовать сразу несколько операторов. В дальнейшем исследователи планируют изучить впечатления и ощущения людей от длительного ношения и использования модулей с дополнительными конечностями. https://www.youtube.com/watch?v=WZm7xOfUZ2Y На сегодняшний день отсутствие эффективных систем управления — главное препятствие на пути внедрения систем дополнительных носимых рук. Однако, как продемонстрировали инженеры из Японии, в будущем, возможно, удастся научить людей управлять дополнительными конечностями с помощью нейроинтерфейсов.