Здесь представлены технические подробности проекта экзоскелета EXO-UL7 из Bionics Lab.

Интеграция человека и робота в единую систему открывает огромные возможности для создания нового поколения ортопедической реабилитационной техники как для здоровых, так и для больных людей. Человек обладает естественно выработанными алгоритмами контроля над движениями, но они ограничены мышечной силой человека. Кроме того, слабость мышц является основной причиной недееспособности большинства людей с нервно-мышечными заболеваниями и поражениями центральной нервной системы. Роботизированные манипуляторы, напротив, могут выполнять задачи, требующие приложения больших усилий; однако их искусственные алгоритмы контроля над движениями не обеспечивают гибкости в реализации широкого диапазона состояний с тем же качеством исполнения, что и у человека. В связи с этим представляется, что комбинирование этих двух сущностей, человека и робота, в одну интегрированную систему под управлением человека может привести к решению, в котором были бы использованы преимущества, предлагаемые каждой из подсистем.

Экзоскелетонный робот, работающий как вспомогательное средство, носится человеком (как ортопедический аппарат) и выступает в роли усилителя различных функций человека. Его суставы и звенья соответствуют суставам и звеньям тела человека, а его приводы делят с оператором внешнюю нагрузку. Одной из первичных инновационных идей предлагаемого исследования является установка человеко-машинного интерфейса (HMI) на нервно-мышечном уровне физиологической иерархии человека. Этот интерфейс использует собственные нейронные командные сигналы человека в качестве одних из первичных командных сигналов экзоскелета. Эти сигналы будут иметь форму обработанных сигналов поверхностной электромиограммы (sEMG), выявляемых посредством поверхностных электродов, помещаемых на кожу оператора.

Предложенный человеко-машинный интерфейс вобрал в себя преимущество электро-химико-механической задержки по времени, существует в костно-мышечной системе человека от природы – задержки между временем, когда нервная система активирует мышечную систему, и временем, когда мышцы вырабатывают моменты вокруг суставов. ЭМГ-процессор это модель человеческой мышцы, работающая в режиме реального времени параллельно физиологической мышце. Во время электро-химико-механической задержки по времени система будет собирать информацию, касающуюся уровня нейронной активности физиологических мышц, основанную на обработанных sEMG-сигналах, положении сустава и угловой скорости. Кроме того, используя ЭМГ-процессор, система будет предсказывать силу, вырабатываемую мышцой перед тем ,как произойдет физиологическое сокращение. К моменту сокращения человеческой мышцы будет иметь место синхронное перемещение экзоскелета с человеком, делающее возможным естественный контроль за движениями экзоскелета как продолжения человеческого тела.

Целью данного исследования явилась проектирование, построение и изучение интеграции моторизированного экзоскелета, управляемого ЭМГ-сигналами, для руки человека. Выполнение этой цели исследования будет осуществляться через выполнение нескольких задач: (i) разработка моторизированного антропоморфного экзоскелета для руки с 8 степенями подвижности, включая захват/ослабление; (ii) установка интерфейса HMI на нервно-мышечном уровне через использование обработанных sEMG-сигналов как первичных командных сигналов на экзоскелетонную систему; (iii) Разработка мышечных моделей (ЭМГ-процессор) для предсказания моментов поворота суставов человеческой руки; (iv) разработка алгоритмов контроля, которые объединят информацию от множества датчиков и будут гарантировать стабильную работу экзоскелета; (v) оценка общей эффективности работы интегрированных систем с помощью стандартизированных функциональных тестов для рук/кистей. Эти цели и задачи будут выполняться с использованием нескольких экспериментальных протоколов, направленных на разработку ЭМГ-процессоров и оценку общей эффективности работы экзоскелета. Долгосрочной целью проекта является оценка эффективности работы экзоскелета в случае с недееспособными пациентами, страдающими от различных неврологических поражений, таких как инсульт, поражение спинного мозга, мышечная дистрофия и других нервно-дегенеративных заболеваний. Предлагаемые экспериментальные протоколы включают в себя пока только здоровых людей как первый шаг в достижении вышеназванной долгосрочной цели.

Концептуальная модель экзоскелета верхней конечности с несколькими степенями подвижности (DOF) (Дополнительные степени подвижности, позволяющие выполнить захват кистью, не показаны). Черным цветом обозначены звенья, красным – моторизированные (приводимые в действие) суставы, а зеленым – датчики усилия по нескольким осям.

Предполагается, что данное исследование расширит текущие знания в сфере моделирования человеческих мышц и их математического описания. Это знание в дальнейшем будет использоваться для создания нового интерфейса HMI и позволит лучше понять взаимодействие между человеком и роботом на нейронном уровне. Кроме того, предлагаемое исследование обеспечит инструментарий и фундаментальное понимание, касающееся развития реабилитационных технологий для улучшения качества жизни инвалидов. Предлагаемая научная работа будет способствовать междисциплинарному взаимодействию студентов и членов факультетского преподавательского состава с позиций электрической инженерии, механической инженерии, биоинженерии и реабилитационной медицины.

Проекты

Виртуальные миры / Игры с тактильностью, использующие инструментарий среды Microsoft Robotic Studio

Устройство: EXO-UL7
Принцип работы: Robotics Studio — Microsoft
Состояние: Действующее исследование

Кинематика и динамика руки человека при выполнении ежедневных действий по отношению к моторизированному экзоскелету верхней конечности с 7 степенями подвижности (7 DOF)

Устройство: Vicon System (Режим реального времени)
Принцип работы: Испытуемые люди – Кинематика/ динамика руки
Состояние: Завершен

Категория: EXO-UL7 | Нет комментариев »

Комментарии