Как сделать экзокостюм, который поможет при подъеме

Активные экзокостюмы, включающие электронику и двигатели с электроприводом, еще не получили широкого распространения. Они, как правило, большие и тяжелые, и полагаются на жесткие экзоскелеты для передачи веса от тела к земле. По словам Янга, экзоскелеты также добавляют большую жесткость. Надевание наиболее активных экзокостюмов немного похоже на использование вилочного погрузчика, ограничивающего пользователя подъемом тяжестей в вертикальной плоскости.

По всем этим причинам костюм Янга с асимметричной спиной (ABX) описан в номере журнала от 5 октября. IEEE Transactions по робототехнике очень нестандартный. Нет экзоскелета, жесткой конструкции, ничего, что соприкасается с полом. Если владелец просто стоит там, он ничего не делает, кроме добавления 14 фунтов к его ногам. Но если они поднимают свое тело из положения наклона, это издает какой-то неистовый звук: это звук ABX, который помогает им вращать туловище, помогая им скручиваться.

Хотя большинство активных экзокостюмов поддерживает вертикальные подъемы, вращение и скручивание также широко распространены, особенно в определенных сферах ручного труда, таких как сбор мусора и обработка багажа. По словам Янга, во многих случаях эти движения могут быть неудобными и утомительными, приводя к производственным травмам, а также к болям в спине. Боль в спине, в свою очередь, напрямую связана с силой сжимающих и сдвигающих сил, прилагаемых к позвоночнику.

Создавая свой экзокостюм, исследователи искали способ уменьшить эти нагрузки на суставы позвоночника. Его надевание немного похоже на надевание футуристического рюкзака. Два мотора сначала прикрепляются к задней части каждой верхней части бедра. Затем эти двигатели подключаются к задней части противоположных плеч, каждый с собственным кабелем, образуя два кабеля, которые пересекаются по диагонали. Экзокостюм оказывает помощь, прикладывая натяжение к тросам, когда обнаруживает, что пользователь поднимается из согнутой позы.

«Это определенно другое ощущение, чем этакий стандартный экзоскелет. Это не ваш стандартный дизайн, — сказал Янг.

Поскольку у диагональных тросов есть компонент движения, который является горизонтальным, они оказывают натяжение на туловище, которое может способствовать его перекручиванию из стороны в сторону. В ходе испытаний исследователи показали, что, когда владелец ABX раскачивает груз с земли на одну сторону, экзокостюм снижает активацию мышц спины в среднем на 16%, по данным датчиков электромиографии (ЭМГ). Экзокостюм также обеспечил 37% -ное снижение нагрузки на мышцы спины, когда пользователь поднимал тяжести симметрично, прямо от земли — уровень поддержки, сопоставимый с более жесткими конструкциями.

«Люди определенно чувствовали, что технология им помогает, и это здорово. И мы действительно наблюдали одновременное снижение ЭМГ », — сказал Янг. «Я думаю, что это отличный первый шаг».

В некотором смысле, ношение экзокостюма похоже на закрепление на теле двух дополнительных мышц — нестандартных мышц, которые проходят прямо от спины к ноге. Интересно, что именно расположение этих мышц, а не их грубая сила делает их функциональными, сказал Янг.

Двигатели тянут кабели с гораздо меньшей мощностью, чем мышцы тела. Однако кабели расположены намного дальше от стыков. Благодаря такому расположению тросы получают большее усилие и механическое преимущество, позволяя пользователю снизить общую мышечную мощность и, следовательно, нагрузку, которую они возлагают на позвоночник. (Нагрузка на позвоночник непосредственно в исследовании не измерялась.)

По словам Янга, помимо его общих характеристик, именно гибкая, асимметричная природа костюма действительно делает его уникальным. В настоящее время нет других активных экзокостюмов, которые помогли бы скручиванию и вращению с сопоставимым диапазоном движений. В то время как в других экзокостюмах также используются кабели, ни один из них не располагал их по диагонали.

В настоящее время Янг ищет сотрудничества с отраслевыми партнерами для дальнейшей разработки экзокостюма. В своей будущей работе он видит систему управления, которую необходимо улучшить. В настоящее время, когда человек поднимает туловище из опущенного положения, тросы просто тянутся с постоянным натяжением. Но должна быть возможность заставить систему обнаруживать различные действия пользователя и регулировать свое притяжение в ответ.