Запечатлевая движение,
Создавая истории

На Олимпийских играх в Токио 2020 года применение различных высоких технологий привлекло внимание. Например, силовой экзоскелет, используемый сотрудниками Олимпиады для переноски тяжёлых предметов, может эффективно снизить травмы, вызванные гравитационным давлением при переноске тяжестей.

В последние годы роботизированные экзоскелеты для верхних конечностей привлекли большое внимание. Они не только улучшают мобильность и эффективность работников, но также могут носиться на конечностях людей с нарушениями движения и предоставлять помощь суставам. Использование экзоскелета для достижения вспомогательных спортивных тренировок может заменить физиотерапевтов, предоставляя услуги спортивной реабилитации для пациентов и фиксируя параметры реабилитационного лечения, что улучшает эффективность и целенаправленность реабилитационных тренировок. Робот-экзоскелет для реабилитационных тренировок верхних конечностей может носиться на человеческой руке, обеспечивая крутящий момент для суставов человеческой руки.

Для улучшения надежности и точности управления движением экзоскелета конечностей, а также обеспечения адаптируемости и удобства, исследователи из Университета Бэйханг разработали экзоскелет руки на основе кабельного привода. Экзоскелет имеет специальный механизм, а специальное устройство с кольцом-манжетой может улучшить взаимодействие экзоскелета с человеческими руками. Исследователи установили кинематическую модель экзоскелета и улучшили точность модели, итеративно определяя неопределенные параметры и уменьшая неопределенности в кинематике костей человеческой руки и креплении экзоскелета к верхней конечности.

Чтобы проверить точность метода выявления неопределенных параметров, включая ошибку присоединения центра плеча и локтя, манжеты верхней и нижней части руки, исследователи разработали прототип экзоскелета и провели эксперименты по отслеживанию движений с использованием системы захвата движения NOKOV. В ходе эксперимента участникам было предложено надеть экзоскелет и сесть на стул. Задача заключалась в том, чтобы четыре раза переместить правую верхнюю конечность по прямой траектории (движение рукой по прямой линии вдоль t-образной перекладины).

Один маркер был установлен на руке испытуемого для получения результатов отслеживания в эксперименте. Четырнадцать маркеров были установлены на точках подключения кабелей на манжете экзоскелетного робота, чтобы зафиксировать и отслеживать изменения в длине кабелей экзоскелета (движение руки оценивалось по длине кабелей). Маркер, прикрепленный к плечевому суставу испытуемого, регистрирует движение центра сустава. Поскольку система захвата движения NOKOV обладает субмиллиметровой точностью захвата, результаты измерений рассматриваются как реальные результаты эксперимента. Результаты захвата движения были сопоставлены с результатами распознавания для проверки точности кинематической модели.

Ниже представлена информация об изменении длины кабеля в процессе эксперимента. Как показано на рисунке, рассчитанные результаты кинематической модели с распознаванием параметров (сплошная красная линия) ближе к реальным значениям, полученным с помощью системы захвата движения NOKOV (пунктирная линия), чем рассчитанные результаты без распознавания (сплошная синяя линия). Вычислив среднеквадратичную ошибку между результатами захвата движения и результатами с распознаванием/без распознавания, было доказано, что метод идентификации неопределенных параметров может эффективно улучшить кинематическую модель.

Ниже представлена диаграмма, показывающая центральное положение плечевого сустава человека в зависимости от движений тела. Сплошная зеленая линия представляет результат траектории движения центра плеча, измеренной с помощью системы захвата движения NOKOV, а синяя кривая показывает результат идентификации параметров центра плеча. Как видно на рисунке, результаты распознавания в целом соответствуют тем, которые были измерены системой захвата движения, что подтверждает хорошую предсказательную способность предложенного метода для движений плечевого сустава человека.

Библиография:

   Чен, В.; Ли, З.; Цуй, Х.; Чжан, J.; Бай, С. Механический дизайн и кинематическое моделирование экзоскелета с кабельным приводом с учетом неточных антропоморфных параметров человеческих конечностей. Sensors 2019, 19, 4461.