Алгоритм адаптивного экзоскелета голеностопного сустава реагирует на изменения темпа и походки.
Экзоскелеты лодыжки, которые могут помочь людям увеличить свою выносливость, стали на шаг ближе к реальности благодаря новому алгоритму управления, разработанному в Мичиганском университете, который может позволить будущим экзоскелетам автоматически адаптироваться к отдельным пользователям и задачам. Это уменьшит или устранит необходимость ручной повторной калибровки.
Текущие экзоскелеты ограничены, потому что они должны быть адаптированы для одного пользователя, выполняющего одну задачу, например, ходьбу по прямой. Любые изменения требуют длительного набора ручных корректировок. Новый алгоритм управления демонстрирует способность работать с разной скоростью, а также с изменением походки между бегом и ходьбой. Это может проложить путь к экзоскелетам, которые лучше справятся с неопределенностями реального мира.
«Этот конкретный тип экзоскелета голеностопного сустава можно использовать для увеличения людей с ограниченной подвижностью», — сказала Лея Стирлинг, доцент кафедры промышленной и эксплуатационной инженерии и робототехники Университета Массачусетса, а также старший автор исследования, опубликованного в PLOS ONE.
«Это может быть пожилой человек, который обычно не может ходить в парк со своими внуками. Но теперь, используя систему, они получают дополнительную помощь, которая позволяет им делать больше, чем раньше».
Алгоритм управления напрямую измеряет, насколько быстро мышечные волокна расширяются и сокращаются, чтобы определить количество химической энергии, которую мышца использует при выполнении своей работы. Затем он сравнивает это измерение с биологической моделью, чтобы определить наилучший способ оказания помощи.
Непосредственное измерение физиологии мышц является ключевым отклонением от современных методов, которые используют более широкие измерения движения. Переход прямо к источнику движения может привести к более точным измерениям в большем диапазоне движений с гораздо меньшей вычислительной мощностью.
Стерлинг и первый автор Пол Придхэм, старший специалист по исследованиям в области промышленного и производственного проектирования, сосредоточили свое внимание на лодыжке, поскольку она играет ключевую роль в мобильности. Помощь мышцам лодыжки может существенно повлиять на нашу способность ходить дальше и быстрее.
Поскольку исследование проводилось во время ограничений COVID-19, тестирование с участием людей было невозможно. Вместо этого команда использовала данные о существующих устройствах экзоскелета лодыжки и динамике мышц из предыдущих исследований, чтобы смоделировать, протестировать и настроить алгоритм, чтобы он лучше реагировал на изменения скорости и походки.
Тестирование на людях является важным следующим шагом и потребует измерения мышечных волокон в режиме реального времени с использованием ультразвука. Несмотря на то, что предстоит еще много работы и усовершенствований, исследователи уверены, что новое направление исследований однажды поможет людям на земле.
«Это может помочь практически любому, — сказал Придхэм, — от тех, кто много ходит по работе, до военных, выполняющих задачи в течение длительного времени, до людей с мышечными расстройствами, которым нужна дополнительная помощь».
