Ученые из Georgia Tech создали роботизированный экзоскелет, управляемый с помощью универсальной системы контроля. В отличие от предыдущих разработок, данная система не требует обучения, калибровки или сложной настройки алгоритмов.
Экзоскелет предназначен для помощи людям с нарушениями мобильности, такими как пациенты после инсульта, а также для защиты рабочих от травм. Исследователи настроили устройство для различных ситуаций, включая ходьбу, стояние, подъем по лестнице и пандусам.
Управление на основе машинного обучения
Экзоскелет оснащен интеллектуальными алгоритмами глубокого обучения, которые автоматически регулируют уровень поддержки пользователя с учетом его физиологических особенностей. Система обеспечивает плавную работу, помогая ходить, стоять, подниматься по лестнице и пандусам. Исследователи называют её "универсальной системой управления".
"Наша цель заключалась не просто в том, чтобы обеспечить управление различными видами деятельности, а в создании единой системы. Пользователю не нужно нажимать кнопки для переключения между режимами или использовать алгоритм классификации, который пытается определить, поднимаетесь ли вы по лестнице или идете по ровной поверхности", - пояснил Аарон Янг, доцент Школы машиностроения имени Джорджа В. Вудраффа.
Предыдущие разработки экзоскелетов обычно фокусировались на поддержке только одного вида деятельности, например, ходьбы по ровной поверхности или подъема по лестнице. Исследователи из Georgia Tech пошли другим путем, сосредоточившись на мышцах и суставах человека.
По словам разработчиков, они перестали пытаться делить человеческие движения на отдельные режимы, такие как ходьба по ровной поверхности или подъем по лестнице. Реальные движения гораздо более разнообразны. Поэтому инженеры создали систему управления, основанную на физиологии пользователя. Система считывает сигналы мышц пользователя и понимает, что следует делать экзоскелету в той или иной ситуации.
Снижение нагрузки на суставы
Тестируя экзоскелет для бедер, исследователи обнаружили, что он снижает метаболические и биомеханические затраты пользователя. Для движения требуется меньше энергии, а суставам не приходится работать так же интенсивно, как при использовании других вспомогательных средств.
"Самое крутое то, что система подстраивается под внутреннюю динамику каждого человека без каких-либо настроек или эвристических корректировок, что является огромным отличием от многих разработок в этой области. Не требуется никакой индивидуальной настройки или изменения параметров для ее работы", - говорит Янг.
Система управления предназначена для устройств с частичной поддержкой, в частности, для усовершенствованных экзоскелетов, которые усиливают движение, не заменяя полностью усилия пользователя.
Исследователи использовали существующий алгоритм для обучения экзоскелета бедер с помощью обширных данных о силе и захвате движения. В испытаниях участвовали люди разного пола и телосложения, которые выполняли ходьбу по силовым плитам на разной скорости, подъем и спуск по лестницам с регулируемой высотой, перемещение по пандусам и переходы между этими движениями.
В заявлении подчеркивается, что данный контроллер является первым шагом к реальному практическому применению роботизированных экзоскелетов.
Исследование опубликовано в журнале Science Robotics.
