Multi-joint, personlig blød eksosuit baner nye veje

I fremtiden, smarte tekstilbaserede bløde robot-exosuits kunne bæres af soldater, brandmænd og redningsarbejdere for at hjælpe dem med at krydse vanskeligt terræn og ankomme friske til deres destinationer, så de kan udføre deres respektive opgaver mere effektivt. De kan også blive et stærkt middel til at forbedre mobiliteten og livskvaliteten for mennesker, der lider af neurodegenerative lidelser og for ældre.

Conor Walshs team ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University og Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har været i spidsen for udvikling af forskellige bløde, bærbare robotudstyr, der understøtter mobilitet ved at anvende mekaniske kræfter til kritiske led i kroppen, herunder ved ankel- eller hofteled, eller i tilfælde af en multi-joint blød exosuit begge. På grund af dets potentiale til at lindre overbelastede soldater i marken, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) finansierede teamets indsats som en del af sit tidligere Warrior Web -program.

Mens forskerne har demonstreret, at laboratoriebaserede versioner af bløde exosuits kan give klare fordele for brugerne, giver dem mulighed for at bruge mindre energi, mens de går og løber, der er stadig et behov for fuldt ud bærbare exosuits, der er egnede til brug i den virkelige verden.

Nu, i en undersøgelse, der blev rapporteret under procedurerne ved IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2018, teamet præsenterede deres seneste generation af en mobil multi-joint exosuit, som er blevet forbedret på alle fronter og testet i marken gennem lange marcher over ujævnt terræn. Brug af samme exosuit i en anden undersøgelse offentliggjort i Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation ( JNER ), forskerne udviklede en automatisk indstillingsmetode til at tilpasse sin hjælp baseret på, hvordan en persons krop reagerer på den, og viste betydelige energibesparelser.

Multi-joint blød exosuit består af tekstilbeklædningskomponenter, der bæres i taljen, lår, og kalve. Gennem et optimeret mobilt aktiveringssystem, der bæres nær taljen og integreres i en militær rygsæk, mekaniske kræfter overføres via kabler, der ledes gennem exosuitens bløde komponenter til ankel- og hofteled. Denne måde, exosuit tilføjer kraft til anklerne og hofterne for at hjælpe med benbevægelser under gangcyklussen.

"Vi har opdateret alle komponenter i denne nye version af multi-joint soft exosuit:tøjet er mere brugervenligt, let at tage på og imødekommende til forskellige kropsformer; aktiveringen er mere robust, lettere, mere støjsvag og mindre; og kontrolsystemet giver os mulighed for at anvende kræfter på hofter og ankler mere robust og konsekvent, "sagde David Perry, en medforfatter af ICRA-undersøgelsen og en personaleingeniør på Walshs team. Som en del af DARPA -programmet, exosuit blev testet i Aberdeen, MD, i samarbejde med Army Research Labs, hvor soldater gik gennem en 12-mile langrendsløb.

"Vi har tidligere demonstreret, at det er muligt at bruge online optimeringsmetoder, der ved at kvantificere energibesparelser i laboratoriet automatisk individualiserer kontrolparametre på tværs af forskellige brugere. Men vi havde brug for et middel til hurtigt og effektivt at indstille kontrolparametre til soldaternes forskellige gangarter ved hæren uden for et laboratorium, "sagde Walsh, Ph.d., Core Faculty -medlem af Wyss Institute, John L. Loeb lektor i teknik og anvendt videnskab ved SEAS og grundlægger, fra Harvard Biodesign Lab.

I JNER -undersøgelsen holdet præsenterede en passende ny tuningsmetode, der bruger exosuit -sensorer til at optimere den positive effekt, der leveres ved ankelleddene. Når en bruger begynder at gå, systemet måler effekten og gradvist justerer controllerens parametre, indtil det finder dem, der maksimerer exosuitens effekter baseret på brugerens individuelle gangmekanik. Metoden kan bruges som et proxy -mål for detaljerede energimålinger.

"Vi vurderede de metaboliske parametre i de syv undersøgelsesdeltagere iført exosuits, der gennemgik tuningsprocessen, og fandt ud af, at metoden reducerede de metaboliske omkostninger ved at gå med cirka 14,8% i forhold til at gå uden enheden og med omkring 22% i forhold til at gå med enheden uden magt, "sagde Sangjun Lee, den første forfatter til begge studier og en kandidatstuderende med Walsh på SEAS.

"Disse undersøgelser repræsenterer den spændende kulmination af vores DARPA-finansierede indsats. Vi fortsætter nu med at optimere teknologien til specifikke anvendelser i hæren, hvor dynamiske bevægelser er vigtige; og vi undersøger det for at hjælpe arbejdere på fabrikker, der udfører anstrengende fysiske opgaver, "sagde Walsh." Desuden feltet har erkendt, at der stadig er meget at forstå om den grundlæggende videnskab om co-tilpasning af mennesker og bærbare robotter. Fremtidige strategier for co-optimering og nye uddannelsesmetoder kan bidrage til yderligere at forbedre individualiseringseffekter og gøre det muligt for brugere, der i første omgang reagerer dårligt på exosuits, også at tilpasse sig dem og drage fordel af deres bistand ".

"Denne forskning markerer et vigtigt punkt i Wyss Institutes Bioinspired Soft Robotics Initiative og dets udvikling af bløde exosuits ved, at den åbner en vej, hvor robotudstyr kan adopteres og tilpasses i virkelige scenarier af raske og handicappede brugere, "sagde Wyss Institutes grundlægger, Donald Ingber, M.D., Ph.d., som også er Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved HMS og vaskulærbiologiprogrammet på Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved SEAS.