Читая публикации о современных экзоскелетах, можно увидеть расхожую формулировку: экзоскелеты относятся к перспективным разработкам и призваны расширять, усиливать или дополнять физические возможности человека. Так пишут журналисты научно-популярных порталов. Каким образом человек добивается поставленной цели с помощью экзоскелета? Начнём с того, что экзоскелет экзоскелету рознь.
На картинке — Harvard Soft Robotic Exosuit — Wyss Institute, Panasonic REALIVE — Matsushita Electric Industrial Co., DSTO Operations Exoskeleton. По данным портала exoskeletonreport.com
В глобальном плане любой экзоскелет можно рассматривать как роботизированное и носимое устройство. Именно привязка к человеку выступает чертой, позволяющей отличить экзоскелет от классического робота.
| Любой робот априори подчиняется законам кибернетики. Экзоскелет, в свою очередь, «заточен» под биомеханику человеческого тела и должен работать в плотной интеграции с опорно-двигательным аппаратом носителя. Эта черта выступает основным ограничением для экзоскелетов, но в ней же сокрыт и потенциал их развития. Современные роботы выполняют огромный спектр движений, а также способны решать сложные задачи. Тем не менее робототехника XXI века далеко не идеальна. В последние годы эволюция роботов подошла к черте водораздела, породив две уникальные ветки развития: мягкую и жёсткую робототехнику. |
Движения «жесткого» экзоскелета не назовёшь хирургически точными. Пока речь идёт о подъёме или перемещении тяжестей, это не становится большой проблемой. Но как быть с аппетитами устройства, требующими подвода большого количества электроэнергии? А ведь подобные гаджеты планируется использовать не в стерильной лаборатории, а в опасных полевых условиях. Ходьба по пересечённой местности, неровная поверхность и требования форсировать препятствия разного вида превращаются в колоссальную сложность. Её нужно как-то решать.
| «Жёсткий» экзоскелет обладает низким комплаенсом. Контакт тела с плотной деталью экзоскелета быстро вызывает конфликт между ней и живыми тканями. Обойти его можно двумя путями: использовать биологически инертные и нетравматические материалы или же физически разделить человека с роботизированной периферией. Первый подход неплохо показывает себя в деле бионического протезирования конечностей. Второй использовала научная группа, которая занималась разработкой «третьей» руки. |
Чем уникальны мягкие экзоскелеты?
Мягкий экзокостюм не наделяет человека сверхъестественной силой. Вместо этого он поддерживает работу врождённой мускулатуры, позволяя экономить энергию во время марш-бросков и выполнения стереотипных движений. Мы будем разбирать принципы работы этого устройства на основе публикации «Autonomous multi-joint soft exosuit with augmentation-power-based control parameter tuning reduces energy cost of loaded walking», вышедшей под эгидой портала «Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation».
Напомним, что мягкий экзокостюм не превращает своего владельца в Шварценеггера. Вместо прибавки к силе он повышает выносливость человека. Функционирование устройства осуществляется по интуитивно понятному принципу. Его суть — помощь в подошвенном сгибании и разгибании голеностопного сустава, а также аналогичных действиях по отношению к бедру.
| Тут нужно сделать небольшую ремарку. Биомеханика человеческой ходьбы основана на принципе рычага. Наши конечности умеют выполнять несколько стереотипных действий. К ним относят сгибание, разгибание, приведение, отведение, а также пронацию и супинацию: вращение от тела и к нему. Из таких «кирпичиков» складываются любые движения. |
Именно поэтому все наземные животные адаптированы к отталкиванию от поверхности. Но тут возникает новый вопрос: почему человек не опрокидывается во время ходьбы? Посудите сами — наш центр масс расположен достаточно высоко. Во время движения мы переносим точку опоры, регулярно оказываясь в состоянии контролируемого падения.
| Если рассматривать стоячего человека как математический маятник, то у него будут две точки равновесия — верхняя и нижняя. Точки равновесия можно описать как состояния системы с наименьшей энергией. При этом равновесие в верхней точке будет неустойчивым и нарушится от любого возмущения. Или нет? Выяснить это наверняка помогает маятник Капицы. Этот прибор поражает своей неочевидностью. Груз, прикреплённый к нерастяжимой спице, соединён с вибрирующим подвесом. В случае цикличных вибраций подвеса по направлению вверх-вниз наш грузик не просто выталкивается в возвышенное положение — он как бы застревает там, категорически не желая падать. |
Визуализация маятника Капицы. Автор Chris Burks.
Вибрационная механика родилась в тот момент, когда академик Капица сумел разработать математический аппарат для описания уже известных колебательных процессов.
| Человеческое тело приобретает устойчивость во время ходьбы за счёт колебательных движений голеностопного сустава. Во время шага или бега любой из нас напоминает перевёрнутый маятник, чей центр находится около стопы, а подошвенная поверхность играет роль вибрирующего основания. Центр маятника не стоит путать с центром массы. Наше прямохождение развивалось в ходе долгих эволюционных процессов, но даже они так и не смогли решить проблему возможного опрокидывания человека. |
Официальное фото с испытаний лабораторного прототипа. Изображение взято из открытых источников.
Устройство состоит из двух критически важных блоков: системы срабатывания и передающего комплекса, который транслирует усилие на приборы-исполнители. Первый блок установлен в рюкзаке армейского образца. Тросы Боудена выступают проводником, через который экзокостюм развивает необходимое усилие.
Контроллер функционирует пошагово. Он разбивает программу движения на комплекс итеративных команд. Так обеспечивается многосуставная помощь для сгибания подошвы и разгибания бедра во время шага. Этот метод хорошо показывает себя, когда усилие формируется в соответствующий момент. Для этого был разработан весьма прогрессивный метод онлайн-мониторинга, о котором будет рассказано позже.
Контроль эффективности
Как определить реальную эффективность костюма? Ответ простой: замерить метаболические затраты человека с этим устройством и без него. Для этого испытуемым предложили идти по беговой дорожке со скоростью 1,5 м/с, неся на плечах рюкзак весом 6,8 килограмм.
Результаты оказались интересными. Начнём с того, что в подобных исследованиях существует множество «подводных камней». Главным, но отнюдь не единственным выступает индивидуальная анатомия. Все люди разные, хоть и относятся к одному биологическому виду. Кто-то экономно расходует энергию, а кто-то прожигает питательные вещества, как мартеновская печь. Следовательно, константа, выведенная для конкретного добровольца, может оказаться мало применимой к другому!
Метод онлайновой настройки параметров позволяет нивелировать этот негативный эффект и динамически адаптировать экзокостюм под потребности конкретного носителя. Для начала исследователи строили положительную карту возможностей. Она описывает спектр воздействий, позволяющих повышать усилие голеностопного сустава и не наносить ему травматических повреждений.
| В первом тесте научная группа сравнивала энергетические траты носителя в двух состояниях: с включенным и выключенным экзокостюмом. Оказалось, что при функционирующем гаджете метаболические затраты во время переноски груза снизились на 15 ± 1,09%. При этом Р составляла 5 х 10-5. Соответственно, ходьба стала выгоднее на 22,03 ± 2,23% с Р = 2 х 10-5. Это впечатляющий результат, особенно для лабораторного прототипа. Трудно не согласиться: бонусы 16% к выносливости и 24% к ходьбе могут иметь решающее значение, особенно для того, кто работает в недружелюбных условиях! |
Калибровка экзоскелета
Любой экзоскелет — это устройство для расширения человеческих возможностей. Даже наиболее совершенные гаджеты не могут выступать в роли телепатов. Чтобы механика «разобралась», чего от неё хотят, нужно каким-то образом наладить контакт приводов с нервной системой человека.
Исследовательские группы по всему миру активно работают над разработкой методов управления, но аспекты адаптивной настройки контроллера до сих пор представляют изрядную сложность. Традиционный подход сводится к ручной настройке экзоскелета. Оператор или носитель устройства смотрит на параметры походки, а после вносит исправления. При всей простоте этот метод априори будет субъективным. Значит, оператор должен быть весьма продвинут в работе с программно-аппаратной оболочкой экзоскелета. Более современное решение — отдать часть «скучной» работы на своеобразный аутсорс.
В этом случае на носимом компьютере будут непрерывно обрабатываться сложные алгоритмы, чей список весьма обширен:
- Поиск оптимальных параметров.
- Увеличение метаболической выгоды движений.
- Мгновенная оценка энергетических затрат пользователя.
- Принятие решения, в какой момент направить физическую помощь суставу.
Для этого система должна знать, от чего ей отталкиваться. Метаболические затраты человека можно исследовать разными способами, но самым простым выступает измерение дыхания. По его частоте, глубине, а также концентрации углекислого газа на выдохе можно делать выводы о том, насколько интенсивно протекает энергетический обмен.
Динамические модели передвижения всегда ориентированы под конкретную модель экзоскелета. Вычислительные алгоритмы представлены множеством вариантов. К ним относят обучение пользователя с помощью инструктора, поиск экстремумов и адаптивное динамическое программирование.
| Эти подходы не исключают, а дополняют друг друга. Дать приоритет нательным датчикам — значит выпустить устройство за пределы лаборатории, где эксперименту всегда предшествует очень долгая процедура настройки и синхронизации с носителем. |
Устройство активно взаимодействует с ногой через две точки приложения:
- Сгибание бедра во время первой фазы отталкивания.
- Многосуставное разгибание, после которого наступает новая стадия ходьбы.
На этом изображении видны компоненты экзокостюма и некоторые устройства для аппаратного облегчения ходьбы. А: Красные и синие линии — прокладки тросов Боудена. Толстыми линиями обозначены оболочки, а тонкие показывают ход самих тросов. Зелёные и жёлтые круги отмечают точки, где «сидят» датчики контроля напряжений. B: пути многосуставной нагрузки. Сгибание бедра выделено красным цветом, а разгибание, в свою очередь, отображено синими отметками. С: мобильная приводная система состоит из 4 автономных блоков. Каждый состоит из мотора, коробки передач и троса Боудена.
| Обратим внимание на исполнительную систему. Её части расположены в рюкзаке. Четыре независимых приводных блока обеспечивают развитие усилия. Механизм-исполнитель представлен безрамным шестиполюсным мотором Emoteq от американской компании Allied Motion Ink. Коробка передач Spiroid обеспечивает передаточное число 38:1 для приводных блоков и 36:1 в случае процесса разгибания бедра. Сами приводные блоки были разработаны при участии Illinois Tool Works. |
Всё это запитано от литий-полимерного аккумулятора весом 2 кг. Его заряда вполне хватает на 8 км непрерывной ходьбы.
На каждой ноге испытуемого расположено по шлейфовому жгуту. Он включает пять инерциальных блоков для динамических измерений: IMU, MTi-3, а также два тензорных датчика LBS200. Эти приборы собирают данные в реальном времени. Блоки инициируют каскад принципиально важных замеров, таких как определение ориентации экзоскелета в плоскости движения, а также угловой скорости каждого сегмента.
Датчики нагрузки идут параллельно с боуденовскими тросами. Они мониторят уровень вспомогательной силы, которая направляется носителю системами экзокостюма.
Экзокостюм обеспечивает поддержку ходьбы, втягивая тросы Боудена синхронно с движениями в суставе. Профили положения троса рассчитываются исходя из четырёх параметров: Т0, Т1, Т2 и Т3. Каждый из них занимает определённую процентную величину в цикле ходьбы. Следующие параметры, PosOffset и PosMax, можно получить, выполнив комплекс итеративных вычислений во время работы устройства.
Уделим немного внимания разбору этих циклов:
- Т0 определяет пределы цикла походки и время запуска контроллера.
- Т1 — точка активного втягивания троса.
- Т2 выражается в момент завершения активного втягивания — то есть когда механика прекращает адаптивную помощь.
- Отпускание троса закодировано в Т3.
Соответственно, PosOffset проявлена в точке Т1 выражает максимальное вытягивание троса Боудена, а PosMax — экстремум, при котором струна оказывается полностью втянута. Он длится от Т2 до Т3.
На этом изображении представлены данные о работе многосуставного контроллера. Вверху обозначен профиль положения боуденовского троса. Результирующий профиль, через который выражена вспомогательная сила, можно видеть ниже.
Удар пятки о поверхность — момент, в который запускается работа экзокостюма. Львиная доля помощи во время фазы отталкивания осуществляется именно в виде реакции на этот триггер. Зелёный цвет выделяет фазу активного втягивания троса. Параметры этой фазы определены промежутком между Т1 и Т2. Настройка параметров управления происходит в тесной интеграции с данными об увеличении развиваемого усилия.
Эта иллюстрация демонстрирует репрезентативные данные о работе контроллеров сгибания бедра. Вверху показан профиль положения троса Боудена. Снизу — результирующий профиль вспомогательной силы. В данном случае поддержка разгибания начинается с выявления точки максимального сгибания бедра.
И здесь мы подходим к более сложному вопросу: механизму работы контроллера, который следит за нагрузкой в нескольких суставах. Сначала происходит удар пятки в нижней точке траектории. Это не остаётся незамеченным для гироскопа. Такое событие выступает триггером для запуска многосуставного контроллера Т0МА. Тогда включается двигатель, обеспечивая втяжение троса со скоростью 394 мм/с. Такое значение удалось получить в ходе многочисленных испытаний. Если скорость будет ниже, то экзоскелет и носитель начнут работать вразнобой. При ускорении втягивания возникает иной риск — вызвать сгибание до того, как оно понадобится в следующих фазах ходьбы. В таком случае возможно падение человека, а подобных инцидентов следует избегать.
| Таким образом устройство достигает PosOffset и сохраняет положение до начала активного втягивания троса в Т1. Оно будет длиться вплоть до PosMaxМА, чья финальная точка — положение Т2. |
Скорость выпускания зависит от ритма ходьбы. Её верхняя граница — 606 мм в секунду, пока система не достигнет нулевого положения. В нём трос пассивно повисает, чтобы испытуемый не испытывал затруднений при повороте тела и смене траектории. На этом цикл активной помощи можно считать завершённым. После удара пяткой он снова запустится, проходя те же самые итерации.
В конце каждого шага контроллер динамически определяет, уменьшить или увеличить PosOffset PosMax для следующего шага. Это решение принимается исходя из сравнения желаемой и измеренной силы. Учёные экспериментально выявили, что оптимальной пиковой силой в PosOffset будет 75 Н, которая будет приложена во временной промежуток между Т0 и Т1. PosMax обеспечивает пиковую силу в 400 Н между Т1 и Т3 соответственно. Выходит, 400 Н — это и есть выигрыш в силе, которая проявлена во время активного втягивания кабеля.
| Каждый помнит из школьной программы, что 1 Ньютон — это сила, которая сообщает телу массой в 1 кг ускорение 1 м/с2. Значит, 400 Ньютонов — весьма солидный показатель! Контроллер разгибания бедра функционирует по схожей методике. Разница между ним и многосуставным контроллером заключена в том, что для него параметры Т0-Т3 выделены как процентный коридор в едином цикле походки. |
Такое состояние поддерживается, пока ползунок не заполнится до 7%. От 7 до 28% наступает повторное втяжение троса, которое закончится PosMax на 28%. Пройдя немного больше четверти глобального цикла, контроллер дожидается 34% сгибания. В этот момент наступает следующая фаза работы: отпускание троса со скоростью 800 мм/с.
Контроллер разгибания бедра обеспечивает поддержку в 10 Н в PosOffset между Т0 и Т1, которая переходит во взрывное увеличение силы до 300 Ньютонов между Т1 и Т3. Звучит неплохо, но многосуставная помощь требует калибровки под конкретного человека. Здесь в полной мере раскрывается потенциал онлайновой настройки параметров управления, благодаря которым получится обеспечить максимальную силу, развиваемую в голеностопном суставе. Этот показатель имеет явную корреляцию с метаболическим преимуществом, ради которого и был начат столь прорывной эксперимент.
В цикле ходьбы существует великое множество важных точек. Из него экспериментаторы особенно выделяют два параметра: Т1 и DMA, который рассчитывается по простой формуле DMA = Т2МА — Т1 МА. Следовательно, через DMA выражена продолжительность активного втяжения троса.
Показатели Т1 и DMA лучше всего отображают состояние троса во время активной фазы отталкивания — следовательно, именно в этот момент экзокостюм сообщает большую часть силы голеностопному суставу. Исследователи разработали весьма аскетичный алгоритм, позволяющий наблюдать критически важные параметры ходьбы в режиме онлайн. Настройка занимала 15 минут, пока испытуемые ходили по беговой дорожке. Многосуставной контроллер не сидел без дела, активно замеряя 16 параметров, а также отыскивая те настройки, при которых адаптивная помощь даст максимальный прирост силы.
Всё начиналось с проверки четырёх стартовых условий, при которых Т1 изменяется в пределах 35, 40, 45 и 50% от глобального цикла сгибания бедра. В это же время DMA оставался неизменным на протяжении начальных 15% временного интервала. Среди этих четырёх значений устройство находило такую настройку адаптивной помощи, при которой лодыжка развивает максимальное усилие. При этом экзокостюм получил ряд ограничений, не дающих развивать прирост силы более 400 Ньютонов.
Повторяя эти проверки каждые 2,5-5,0% от длительности цикла, программная оболочка находила значения, при которых прирост силы укладывался в заданные коридоры. Преимущества такого алгоритма состоят в его простоте. Процесс тонкой настройки состоял в динамической смене двух параметров управления. Каждая математическая развёртка по двухмерной матрице учитывала лишь один параметр, а второй оставляла неизменным.
Существуют и другие методы проводить этот комплекс алгебраических вычислений, но такой подход позволял выяснить, в какой мере изменение одного параметра влияет на все остальные процессы во время ходьбы.
| В исследовании, которому посвящён этот обзор, участвовало 7 взрослых добровольцев. Все они были мужчинами возраста около 30 лет, с массой тела 75-90 кг, ростом 180 см и со старта имеющими опыт обращения с экзоскелетами. В ходе экспериментальной сессии испытуемые ходили по беговой дорожке со скоростью 1,5 м/с, неся на плечах рюкзак массой 6,8 кг. В начале сеанса участники проходили 15 минутный процесс настройки параметров управления. |
Экспериментальная установка выглядела так. Красным цветом выделены компоненты экзокостюма. При состоянии «нет устройства» система срабатывания и блоки питания были выключены.
Для измерения энергетических затрат во время ходьбы исследователи применили систему непрямой калориметрии K4b2 итальянского производства. Метаболическую мощность рассчитывали через модифицированное уравнение Брокуэя.
Чистую скорость метаболизма вычисляли для каждого условия путём вычитания метаболической мощности во время стояния, а после — усредняли по массе тела конкретного участника. Процент метаболической выгоды удалось получить, сравнивая скорость метаболизма человека с включённым и выключенным экзокостюмом.
Для чистой скорости метаболизма и процентного снижения его интенсивности учёные выявили два важных критерия. Ими стали межсубъектное среднее значение и стандартная ошибка среднего значения. Двусторонние парные t-тесты определили статистическую значимость для разницы в чистой скорости между двумя состояниями.
На следующем рисунке можно видеть положительную карту возможностей для увеличения силы, развиваемой в голеностопном суставе:
Так выглядит положительная карта мощности во время настройки контрольных параметров. Звёздочки отражают условия, за которыми наблюдали системы контроля. Числа под каждой из них — положительная односторонняя мощность усиления. Она выражена в ваттах. Стрелки с номерами в кружках показывают последовательность исследования по сгруппированным условиям. Тут видно, что кое-где экзокостюм не сумел достичь пиковой силы в 400 Нютонов. Такие случаи помечены отметкой «не удалось».
На следующей картинке показаны параметры управления для конкретного испытуемого, найденные методом адаптивной настройки параметров по результирующим профилям. Начало втягивания троса у пользователя происходило во время фазы Т1 или 43,75-46,25% цикла ходьбы. При этом DMA, о которой мы уже рассказывали, варьировалась от 13,75 до 22,5%. Эти различия неизбежно приводят к возникновению широкого диапазона профилей силы.
Использование многосуставного мягкого экзокостюма существенно улучшает энергетические затраты на переноску грузов. Как видно из приведённых данных, включенное устройство экономит до 15% энергии носителя и понижает скорость его метаболизма на 20-24%:
Здесь показаны метаболические затраты на переноску груза, собранные по данным трёх статистических выборок. Сплошные столбцы отображают усреднённое значение чистой скорости метаболизма. Двойные звёздочки указывают, что разница между двумя условиями (работа с отключенным и включённым экзокостюмом) имеет статистическую значимость. При ней парный t-критерий n = 7; P < 0,01. Для эксперимента с включенным гаджетом чистая скорость метаболизма снизилась на 14,8 ± 1,09% по сравнению с состоянием без адаптивной помощи (P = 5 × 10–5).
Экзокостюм, ставший героем нашего обзора, оказался жизнеспособным. Он принёс явную метаболическую пользу, сделав движения носителя менее затратными. Тем не менее, статья будет неполной без упоминания ряда ограничений, которые, судя по всему, распространяются на большинство приборов этого класса.
Недостатки и перспективы технологии
Начнём с того, что метод настройки контрольных параметров доказал свою эффективность, но степень метаболического выигрыша варьируется в широких пределах и явно зависит от физиологии носителя. С учётом того, что пилотный эксперимент был посвящён обкатке новой технологии, эффекты от настройки конкретных параметров остались разобранными не в полной мере.
Кроме того, алгоритм настройки параметров был основан на банальном поиске по сетке, а такой метод подвержен погрешностям измерения и цифровому «шуму» от аппаратуры.
Авторы оригинальной статьи предлагают несколько путей, которые позволят нивелировать упомянутые недостатки.
| Очевидно, что обеспечить комплексную интеграцию человека с экзокостюмом не так-то просто. В этом деле может помочь технология трёхмерного захвата движения, применение электромиографии для считывания электрической активности мускулатуры, а также интеграция ультразвуковых датчиков, благодаря которым аппаратная периферия сможет точно «знать», где находятся её компоненты в отдельно взятый момент времени. |
Эти сложности вполне можно решить на современном уровне развития технологий. Любой прорывной концепт, такой как перспективная робототехника или производство мягких экзоскелетов, нуждается в параллельной разработке многими научными группами. До тех пор, пока эти вещи остаются достоянием локальных лабораторий, говорить об их полноценном внедрении в быт кажется слишком оптимистичным. В любом случае, разобранный нами проект выглядит жизнеспособным. Комплектующие мягкого экзоскелета не стоят совсем уж космических денег и достаточно гибкие, чтобы адаптироваться под нужды разнообразных носителей.
Российская промышленность не остаётся в стороне от мирового тренда. На этой картинке можно видеть модель в костюме X-SOFT LADY, адаптированном под женскую анатомию. По данным сайта exorise.com
Что «вылупится» из этой разработки, пока не знает никто. Возможно, экзокостюмы данного класса найдут своё применение в медицине, ускорив реабилитацию пациентов после тяжёлых болезней. Снижение затрат на движение открывает большие перспективы по расширению автономности научных и спасательных групп, действующих в наиболее удалённых уголках Земли.
В любом случае каждая инновация стартует с идеи. А вот идея, получившая воплощение в металле и пластике, неизбежно становится реальностью.
Источники:
- Все изображения взяты из открытых источников и принадлежат правообладателям;
- Дополнительная информация приведена в виде гиперссылок.
Автор: Никита Игнатенко.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
