Здесь представлены технические подробности проекта экзоскелета EXO-UL3 из Bionics Lab.

Второе экзоскелетонное устройство содержало трехзвенный, двусуставный механизм, соответствующий плечу и предплечью руки, а также плечевому и локтевому суставам человеческого тела. Система включала в себя весовую пластину (внешнюю нагрузку), которую можно было закреплять на конце предплечья экзоскелета. Механизм был зафиксирован на стене и располагался параллельно саггитальной плоскости оператора. Человеко-машинный (человек/экзоскелет) механический интерфейс включал в себя плечевой браслет, устанавливаемый на плечевом участке, и рукоятку, охватываемую кистью оператора. Этот двусуставный механизм использовался как система с двумя степенями подвижности. Локтевой и плечевой суставы могли свободно двигаться в анатомически допустимом диапазоне их движений. Механизм включал в себя встроенные механические ограничители, которые удерживали угол экзоскелетонного сустава в пределах средних значений антропометрических показателей. Так как рука человека и экзоскелет были механически взаимосвязаны, движения предплечья и плеча как человека, так и экзоскелета были идентичны.

Основной целью экзоскелетонной системы как устройства-помощника является усиление момента, вырабатываемого человеческими мышцами относительно локтевого сустава, при манипулировании грузами. Питание на локтевой и плечевой суставы экзоскелета поступало от сервомотора постоянного тока (ESCAP-35NT2R82) с малым моментом 360 мН*м, который был оборудован планетарной коробкой передач (ESCAP-R40) с передаточным отношением 1:193 и имел максимальный крутящий момент на выходе 40 Н*м. На валу двигателя был закреплен оптический инкрементный датчик положения (HP HEDS 5500), имевший 500 делений. Благодаря расположению датчика и большой передаче практическая точность измерения угла сустава датчиком положения составляла 0.0036 градусов. Эта установка заключала в себе двигатель постоянного тока с максимальным имеющимся на тот момент отношением вращающего момента к массе и с питанием от аккумулятора. Высокомощный блок питания и привод с высоким отношением вращающего момента к массе являются двумя ключевыми характеристиками экзоскелетонной системы как самостоятельного подвижного устройства-помощника для инвалидов. Правда, полезный груз системы не превышал 5 кг. Это было связано с ограничениями, накладываемыми существующей технологией на два вышеупомянутых ключевых компонента, а также с технические требованиями к разработке компактной системы, которая могла бы работать как медицинское устройство оказания помощи инвалидам. Однако универсальность концепции экзоскелетов и их рабочих алгоритмов не ограничивается этой медикобиологической конструкцией. Так, нагрузочную способность экзоскелетов можно значительно повысить, используя другие приводные систем, например, гидравлические.

Предплечье экзоскелета было удлинено стержнем со специальным соединителем для прикрепления дисковидных грузов (внешняя нагрузка). Четыре датчика усилия (TEDEA 1040) были установлены на интерфейсы между экзоскелетом и оператором, один – на конец стержня, несущего внешнюю нагрузку, два – между экзоскелетом и кистью человека, и один – на интерфейс между плечом и экзоскелетом. Первый датчик нагрузки, Первый датчик нагрузки, устанавливаемый между стержнем, удерживающим внешнюю нагрузку, и предплечьем экзоскелета, измерял фактическое сдвигающее усилие, перпендикулярное оси предплечья, которое прикладывалось к внешней нагрузке. Другие датчики нагрузки устанавливались между рукояткой, обхватываемой кистью человека, и предплечьем экзоскелета, а также между плечевым браслетом и плечом экзоскелета. Эти датчики нагрузки измеряли сдвигающие усилия, прикладываемое оператором к механизму. Умножение показаний измерений датчиков на соответствующие значения плеча силы давало в результате моменты, прикладываемые весовыми пластинами и кистью человека относительно локтевого и плечевого суставов.

Поверхностные ЭМГ(электромиографические) электроды (8 ммAg-AgCl BIOPAC — EL208S) прикреплялись к коже человека с помощью липких дисков для измерения ЭМГ- сигнала от мышц, являющихся продолжением медиальных головок двуглавой и трехглавой мышц плеча. Сигналы были улучшены ЭМГ-усилителями (BIOPAC — EMG100A) с использованием коэффициента усиления в диапазоне 2000-5000 (в зависимости от тестируемого человека). ЭМГ-сигналы и сигналы датчиков нагрузки поступали на аналого-цифровой преобразователь (12-битовый от Scientific Solution Lab, Master 12 bit internal PC card) с частотой выборки 1 кГц, а сигналы датчики положения подсчитывались специализированным оборудованием. Все собранные данные записывались одновременно и сохранялись для последующего независимого анализа и моделирования.

Специальное ПО для управления системой в режиме реального времени было записано в C-кодах и запущено на платформе на базе ПК. ПО было составлено из трех основных модулей. Первый модуль имел дело с аппаратно-программным интерфейсом. Он управлял взаимодействием между ПК и внешним приводом двигателя и датчиками через плату цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования. Второй модуль включал в себя автоматический код, сгенерированный программой MATLAB — Simulink Real-Time. Третий модуль являлся модулем пользовательского интерфейса, позволяющим задать различные рабочие параметры периода работы. Все модули были откомпилированы и собраны с целью создания эффективного ПО для работы в режиме реального времени.

Проекты

Оценка возможностей моторизированной экзоскелетонной системы с одной степенью подвижности, принцип действия которой основан на обработке ЭМГ-сигналов

Устройство: Прототип экзоскелета 1 – Активный режим (В режиме реального времени)
Принцип работы: Испытуемые люди – Симуляция человеческих мышц в режиме реального времени
Состояние: Завершен

Возможности мышечных моделей Hill-Type and Neural Network Muscle Models – К экзоскелету, принцип действия которой основан на обработке ЭМГ-сигналов

Устройство: Прототип экзоскелета 1 – Пассивный режим
Принцип работы: Испытуемые люди – Моделирование человеческих мышц в автономном режиме/ Симуляция
Состояние: Завершен

Категория: EXO-UL3 | 2 комментария »

Комментарии