Здесь приводится описание испанского проекта, целью которого является проектирование, конструирование и тестирование активных ортезов для ребенка, страдающего параличом всех четырех конечностей-тетраплегией.

НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПРИВОДОВ И СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА И РОБОТОВ
Министерство науки и техники Испании (DPI2010-18702)

Задачи проекта

В последние годы новое поколение шагающих роботов благодаря своему потенциальному воздействию на общество в будущем, привлекает внимание исследователей из самых разных областей. Экзоскелеты нижних конечностей и активные ортезы это надеваемые на пользователя роботизированные устройства, плотно прилегающие к его ногам и действующие параллельно с ними. Это наилучшее решение вопроса расширения возможностей человека в городских условиях, на производстве и в естественной среде.

Ожидается, что экзоскелеты и активные ортезы помогут пользователям ходить (и даже бегать), выдерживая при этом как свой собственный вес, так и дополнительную нагрузку. Потенциальные преимущества таких роботизированных устройств в их помощи физическим инвалидам впечатляют. Однако, несмотря на все усилия разработчиков в данной сфере, фактически имеется очень мало прототипов с очевидной эффективностью функционирования. Основными препятствиями, ограничивающими их возможности, являются следующие:

(1) Необходимость автономного электропитания в течение длительного времени,
(2) будучи переносными устройствами, они должны включать в себя все приводы и источники питания,
(3) они должны иметь повышенную приводную мощность,
(4) они должны быть легкими, и
(5) они должны быть безопасны для человека, который ими пользуется.

С традиционными техническими средствами приводов все эти пять требований выполнить невозможно.

Это приводит к появлению новую ветви исследований, нацеленных на разработку энергетически эффективных, высокомощных приводов и энергосберегащих схем управления перемещением для нового поколения шагающих роботов. Данный проект нацелен на проведение этого нового долгосрочного исследования через достижение трех основных задач:

Первая задача – исследовать, спроектировать и сконструировать новейшие приводы, отвечающие требованию повышенной мощности на единицу веса для экзоскелетов.

Вторая задача проекта – изучить способы достижения рационального использования энергии при контроле передвижения. Сочетание пассивной динамики (использование эластичных элементов для сохранения энергии на некоторых фазах цикла ходьбы) и регулируемых приводов с резистивными датчиками для достижения варьируемой пластичности в течение цикла ходьбы должно позволить выполнение активного запуска только в случае необходимости подвода питания к системе. Это даст возможность оптимизировать потребление энергии и повысить степень автономности робота.

Конечной целью проекта является проектирование, конструирование и тестирование активных ортезов для ребенка, страдающего параличом всех четырех конечностей (тетраплегией), что позволит показать преимущества новых приводных механизмов и схем управления. Устройство будет продуцировать движения ребенка в его каждодневной активности (встать, сесть, устойчиво пройти). Специалисты компании CAR DCA (ранее IAI-CSIC) имеют обширные знания в области проектирования, конструирования и управления шагающими роботами и проводят исследования в этой области уже свыше 20 лет.

Экзоскелет нижних конечностей ATLAS поможет при ходьбе пациентам с тетраплегией

Экзоскелет ATLAS классифицируется как активный ортез, так как он был разработан для оказания помощи при ходьбе без дополнительного груза. В терминах биопротезирования его можно рассматривать как активный ортез THKAFO (Туловище (T)- Бедро (H)- Колено (K) – Голень (A) –Стопа (F)). ATLAS рассчитан на поддержание веса 25-килограммовой девочки и оказание ей помощи в ходьбе с умеренной скоростью (<1 м/с). Специфической патологией пациента/пользователя ATLAS является паралич всех четырех конечностей (тетраплегия): в данном случае, это 8-летняя девочка, у которой парализованы обе ноги и руки (девочка может двигать только левой рукой). Паралич сковал ее после травмы спинного мозга, вследствие которой она не может двигать конечностями и не может управлять туловищем для удержания равновесия. Корме того, у пациентов с тераплегией биологические сигналы, идущие от коры головного мозга, не достигают конечностей. Поэтому такие стандартные неинвазивные методы, как электромиограмма, используемые в экзоскелетах, не позволяют получить биосигналы, управляющие движением экзоскелета. С учетом всего этого экзоскелет ATLAS был задуман как легкая по весу, простая в обращении и в управлении роботизированная система, состоящая из следующих основных компонентов

Схематическое изображение экзоскелета ATLAS

1.Механическая конструкция: Являясь ортезом нижней конечности, он должен быть простым в обращении, легким, прочным, надежным и внешне приятным. Это механизм с шестью степенями подвижности, по 3 степени подвижности на каждую ногу: в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах. Конструкция крепится к телу пользователя с помощью удобных ремней. Экзоскелет носится под одеждой, поэтому он не должен быть громоздким.

2.Система приводов: Движение суставов осуществляется электромоторами, закрепленными в тазобедренной зоне, коленной зоне и в голеностопе.

3.Сенсорная система: Она состоит из гониометров на тазобедренных суставах, коленях и голеностопах пользователя, измеряющих углы в сочленении, инерциального измерительного блока (IMU) на корпусе тела и вмонтированной в обувь системы измерения подошвенного давления для каждой стопы.

4.Устройство управления походкой: Устройство управления на базе платформы SingleBoard RIO канадского стандарта с операционной системой реального времени (ОСРВ) и вентильной матрицей, программируемой пользователем (FPGA). Устройство управления с полным сопротивлением запрограммировано таким образом, чтобы следовать за естественными траекториями движений сустава, полученными с помощью данных клинического анализа походки (CGA), при этом чутко реагируя на малые возмущения в сагиттальной плоскости. Устройство управления, сопутствующая электроника, усилители сигналов датчиков и аккумуляторы располагаются в ранце экзоскелета.

5.Интерфейс пользователя: Хотя движения экзоскелета по большей части автономны, пользователю, тем не менее, надо отдавать такие команды глобального поведения, как пойти вперед, остановиться, сесть и встать. Так как биосигналы можно получить только из головного мозга, наилучшим решением считается интерфейс на основе электроэнцефалограммы (ЭЭГ).

Категория: Atlas | Нет комментариев »

Комментарии