Robotiske superlemmer kan hjælpe månevandrere med at komme sig efter fald

Har du brug for et øjebliks lethed? Prøv at se videoer af astronauter, der falder på månen. NASA's resultater af Apollo-astronauter, der snubler og snubler, mens de hopper i slowmotion, er dejligt relaterbare.

For MIT-ingeniører fremhæver måneblooperne også en mulighed for at innovere.

"Astronauter er fysisk meget dygtige, men de kan kæmpe på månen, hvor tyngdekraften er en sjettedel af Jordens, men deres inerti er stadig den samme. Desuden er det at bære en rumdragt en betydelig byrde og kan indsnævre deres bevægelser," siger Harry Asada, professor i maskinteknik ved MIT. "Vi ønsker at give astronauter en sikker måde at komme på fode igen, hvis de falder."

Asada og hans kolleger designer et par bærbare robotlemmer, der fysisk kan støtte en astronaut og løfte dem tilbage på fødderne efter et fald. Systemet, som forskerne har døbt Supernumerary Robotic Limbs eller "SuperLimbs", er designet til at strække sig fra en rygsæk, som også ville bære astronautens livstøttesystem sammen med controlleren og motorerne til at drive lemmerne.

Forskerne har bygget en fysisk prototype samt et kontrolsystem til at styre lemmerne, baseret på feedback fra astronauten, der bruger den. Holdet testede en foreløbig version på raske forsøgspersoner, som også meldte sig frivilligt til at bære en snærende beklædningsgenstand, der ligner en astronauts rumdragt. Når de frivillige forsøgte at rejse sig fra en siddende eller liggende stilling, gjorde de det med mindre indsats, når de blev hjulpet af SuperLimbs, sammenlignet med når de skulle komme sig af sig selv.

MIT-teamet forestiller sig, at SuperLimbs fysisk kan hjælpe astronauter efter et fald og i processen hjælpe dem med at spare deres energi til andre væsentlige opgaver. Designet kan vise sig at være særligt nyttigt i de kommende år, med lanceringen af ​​NASAs Artemis-mission, som planlægger at sende astronauter tilbage til månen for første gang i mere end 50 år.

I modsætning til Apollos hovedsagelig udforskende mission vil Artemis-astronauter bestræbe sig på at bygge den første permanente månebase – en fysisk krævende opgave, der vil kræve flere udvidede ekstravehikulære aktiviteter (EVA'er).

"Under Apollo-æraen, hvor astronauter faldt, var det 80 % af tiden, når de lavede udgravninger eller en eller anden form for arbejde med et værktøj," siger teammedlem og MIT-doktorand Erik Ballesteros. "Artemis-missionerne vil virkelig fokusere på konstruktion og udgravning, så risikoen for at falde er meget højere. Vi tror, ​​at SuperLimbs kan hjælpe dem med at komme sig, så de kan blive mere produktive og udvide deres EVA'er."

Asada, Ballesteros og deres kolleger vil præsentere deres design og undersøgelse i denne uge på IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Deres medforfattere omfatter MIT postdoc Sang-Yoep Lee og Kalind Carpenter fra Jet Propulsion Laboratory.

at tage stilling

Teamets design er den seneste anvendelse af SuperLimbs, som Asada udviklede for første gang for omkring et årti siden og siden har tilpasset til en række anvendelser, herunder at assistere arbejdere inden for flyproduktion, konstruktion og skibsbygning.

Senest spekulerede Asada og Ballesteros på, om SuperLimbs kunne hjælpe astronauter, især da NASA planlægger at sende astronauter tilbage til månens overflade.

"I kommunikation med NASA lærte vi, at dette problem med at falde på månen er en alvorlig risiko," siger Asada. "Vi indså, at vi kunne foretage nogle ændringer af vores design for at hjælpe astronauter med at komme sig efter fald og fortsætte deres arbejde."

Holdet tog først et skridt tilbage for at studere de måder, hvorpå mennesker naturligt kommer sig efter et fald. I deres nye undersøgelse bad de flere raske frivillige forsøge at stå oprejst efter at have ligget på siden, foran og bagpå.

Forskerne så derefter på, hvordan de frivilliges forsøg på at stå ændrede sig, når deres bevægelser blev indsnævret, på samme måde som astronauternes bevægelser er begrænset af hovedparten af ​​deres rumdragter. Holdet byggede en dragt for at efterligne stivheden af ​​traditionelle rumdragter og fik frivillige iført dragten, før de igen forsøgte at rejse sig fra forskellige faldne stillinger. De frivilliges rækkefølge af bevægelser var ens, men krævede meget mere indsats sammenlignet med deres ubehæftede forsøg.

Holdet kortlagde hver enkelt frivilligs bevægelser, mens de rejste sig, og fandt ud af, at de hver især udførte en fælles sekvens af bevægelser, idet de bevægede sig fra en stilling eller "waypoint" til den næste i en forudsigelig rækkefølge.

"Disse ergonomiske eksperimenter hjalp os med at modellere på en ligetil måde, hvordan et menneske står op," siger Ballesteros. "Vi kunne postulere, at omkring 80 procent af mennesker står op på en lignende måde. Så designede vi en controller omkring den bane."

Hjælpende hånd

Holdet udviklede software til at generere en bane for en robot, efter en sekvens, der ville hjælpe med at støtte et menneske og løfte dem tilbage på deres fødder. De satte controlleren på en tung, fast robotarm, som de fastgjorde til en stor rygsæk. Forskerne fastgjorde derefter rygsækken til den omfangsrige dragt og hjalp frivillige tilbage i dragten. De bad de frivillige om igen at ligge på ryggen, forsiden eller siden, og fik dem derefter til at prøve at stå, mens robotten fornemmede personens bevægelser og tilpassede sig for at hjælpe dem på fode.

Samlet set var de frivillige i stand til at stå stabilt med meget mindre indsats, når de blev hjulpet af robotten, sammenlignet med når de forsøgte at stå alene, mens de var iført den omfangsrige dragt.

"Det føles lidt som en ekstra kraft, der bevæger sig med dig," siger Ballesteros, der også prøvede dragten og armassistenten. "Forestil dig, at du har en rygsæk på, og nogen tager fat i toppen og på en måde trækker dig op. Med tiden bliver det lidt naturligt."

Eksperimenterne bekræftede, at kontrolsystemet med succes kan styre en robot til at hjælpe en person med at rejse sig op igen efter et fald. Forskerne planlægger at parre kontrolsystemet med deres seneste version af SuperLimbs, som består af to multileddede robotarme, der kan strække sig ud fra en rygsæk. Rygsækken ville også indeholde robottens batteri og motorer sammen med en astronauts ventilationssystem.

"Vi designede disse robotarme baseret på en AI-søgning og designoptimering for at lede efter design af klassiske robotmanipulatorer med visse tekniske begrænsninger," siger Ballesteros. "Vi filtrerede gennem mange designs og ledte efter det design, der bruger den mindste mængde energi for at løfte en person op. Denne version af SuperLimbs er produktet af denne proces."

I løbet af sommeren vil Ballesteros bygge det fulde SuperLimbs-system på NASAs Jet Propulsion Laboratory, hvor han planlægger at strømline designet og minimere vægten af ​​dets dele og motorer ved hjælp af avancerede, lette materialer. Derefter håber han at parre lemmerne med astronautdragter og teste dem i lavtyngdekraftsimulatorer med det mål en dag at hjælpe astronauter på fremtidige missioner til månen og Mars.

"At bære en rumdragt kan være en fysisk belastning," bemærker Asada. "Robotiske systemer kan hjælpe med at lette denne byrde og hjælpe astronauter med at være mere produktive under deres missioner."

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.