Запечатлевая движение,
Создавая истории

Исследовательские команды Университета науки и технологий Хэфэя, Университета Сидянь, Университета Тиссайда и Гонконгского политехнического университета разработали биовдохновлённый пятистепенной механизм в стиле оригами и использовали его для создания активного экзоскелета с роботизированной поддержкой позвоночника на основе технологии оригами (OSAE). Система предназначена для учёта естественных движений позвоночника человека и оказания помощи при симметричном и асимметричном подъёме грузов. С помощью системы захвата движения NOKOV исследователи собрали трёхмерные данные о движении верхней части тела участников и сравнили амплитуду движений туловища при наклоне вперёд, боковом наклоне и ротации вокруг вертикальной оси с использованием устройства OSAE и без него для подтверждения прозрачности движений.

Обзор исследования

Почему экзоскелет с поддержкой позвоночника должен обеспечивать баланс между помощью и свободой движений

Ручное перемещение грузов широко распространено в аэрокосмической промышленности, логистике, строительстве, сельском хозяйстве и других отраслях. Рабочие регулярно наклоняются, скручиваются и поднимают тяжести, что создаёт значительные компрессионные и сдвиговые нагрузки на поясничный отдел позвоночника. Экзоскелеты для поддержки спины могут оказывать вспомогательное усилие или крутящий момент, однако механизмы с недостаточным числом степеней свободы способны ограничивать наклон вперёд, боковой наклон и ротацию вокруг вертикальной оси, что ухудшает естественность движений и комфорт носки.

В связи с этим исследование ответило на два вопроса: может ли экзоскелет оказывать помощь при разных способах подъёма и весе груза, а также способна ли спина и туловище пользователя сохранять диапазон движений, близкий к естественному, во время ношения устройства.

От пятистепенного механизма оригами к системе OSAE

Биовдохновлённый модуль позвоночника с жёсткогибким связанным механизмом оригами

Вдохновлённые конструкциями оригами, исследователи предложили дизайн механизма с пятью степенями свободы: поступательное движение по оси Y, поступательное движение по оси Z, вращение вокруг оси X, вращение вокруг оси Y и вращение вокруг оси Z. Благодаря инженерной разработке команда создала биовдохновлённый механизм с жёсткогибкой связью в стиле оригами, имитирующий подвижность и механические функции человеческих позвонков и межпозвоночных дисков. Семь таких механизмов, соединённых последовательно, формируют биовдохновлённый модуль позвоночника, способный деформироваться при изменении кривизны позвоночника.

Рисунок 1. Пять степеней свободы разработанного механизма оригами и жёсткогибкий биовдохновлённый механизм оригами.

Управление с помощью тросов, конечный автомат и адаптивная поддержка

Система OSAE состоит преимущественно из модуля позвоночника и модуля тросового привода. Натягивая модуль позвоночника, тросовый привод имитирует работу выпрямляющих позвоночник мышц. Конечный автомат определяет режим работы экзоскелета, а стратегия адаптивного управления корректирует уровень помощи в зависимости от способа подъёма и веса груза. Прототип OSAE имеет массу около 3,11 кг; блок электродвигателя и аккумулятор являются дополнительными компонентами.

Рисунок 2. Прототип экзоскелета.

Роль системы NOKOV в исследовании

При проведении испытаний двигательных задач исследователи использовали систему захвата движения NOKOV для сбора трёхмерных данных о движении верхней части тела участников. В условиях без экзоскелета световозвращающие маркеры крепились на теле участников; в условиях с экзоскелетом их устанавливали на систему человекэкзоскелет. Данные, полученные в обоих режимах, применялись для расчёта и сравнения амплитуды движений туловища, чтобы определить, не ограничивает ли устройство OSAE естественные движения. В данном исследовании система NOKOV обеспечила измерения трёхмерных движений, необходимые для оценки прозрачности динамики экзоскелета и его способности повторять движения позвоночника.

Рисунок 3. Экспериментальная установка.

Испытания двигательных задач: оценка амплитуды движений туловища на основе трёхмерных данных о движении

В исследовании приняли участие шестнадцать здоровых добровольцев без заболеваний спины или опорнодвигательного аппарата. Были протестированы два экспериментальных режима: использование устройства без экзоскелета и ношение экзоскелета в пассивном режиме. Участники выполняли наклон вперёд в сагиттальной плоскости, боковой наклон во фронтальной плоскости и ротацию вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости. Каждый участник выполнил по пятнадцать попыток в каждом режиме. Каждая попытка длилась две минуты, между попытками делался пятиминутный перерыв; для анализа использовались данные о движении за последнюю минуту каждой попытки.

Рисунок 4. Испытания двигательных задач устройства OSAE.

Авторы отмечают, что амплитуда движений туловища при наклоне вперёд составляла от нуля до минус 80,61 градуса без экзоскелета и от нуля до минус 79,10 градуса при его использовании. Диапазон бокового наклона составил от минус 41,77 до плюс 41,14 градуса и от минус 39,05 до плюс 39,51 градуса соответственно, а диапазон ротации вокруг вертикальной оси — от минус 64,56 до плюс 61,34 градуса и от минус 61,43 до плюс 59,55 градуса.

По сравнению с режимом без экзоскелета, амплитуда движений туловища при наклоне вперёд, боковом наклоне и ротации вокруг вертикальной оси снизилась на 3,06% (P = 0,312), 5,25% (P = 0,513) и 3,91% (P = 0,833) соответственно при надевании устройства OSAE. Статистически значимых различий ни для одного из трёх направлений движения выявлено не было. В статье делается вывод о том, что устройство OSAE обладает высокой гибкостью и адаптируется к движениям позвоночника человека; авторы подтверждают, что испытания двигательных задач верифицировали прозрачность динамики экзоскелета.

Рисунок 5. Амплитуды движений туловища участников в разных режимах. (a) Наклон вперёд. (b) Боковой наклон. (c) Ротация вокруг вертикальной оси.

Испытания подъёма грузов: оценка эффекта помощи методами ЭМГ

Испытания подъёма грузов сравнивали два режима: без устройства OSAE и при ношении экзоскелета в активном режиме. Задачи включали симметричный подъём объекта весом 10 кг, асимметричный подъём объекта весом 10 кг, а также симметричный подъём объектов весом 5 кг и 15 кг. Каждый участник выполнял по шесть попыток для каждой задачи, включая десять циклов подъёма в каждой попытке. Для данного теста явно сообщается, что оценочные данные собирались с помощью шестиканальной беспроводной ЭМГсистемы с частотой дискретизации 1000 Гц и использовались для анализа активности левой и правой поясничной выпрямляющей мышцы спины (LES), грудной выпрямляющей мышцы спины (TES) и наружной косой мышцы живота (EO). В обзорной части эксперимента также указано, что система NOKOV собирала трёхмерные данные о движении верхней части тела участников; однако результаты подъёма грузов, представленные здесь, получены именно с помощью ЭМГ.

Рисунок 6. Испытания подъёма груза устройством OSAE.

При симметричном подъёме груза массой 10 кг активность левой и правой поясничных мышц (LES) снизилась на 41,54% и 41,02% соответственно, а активность грудных мышц (TES) — на 41,10% и 40,10%; все четыре разницы были статистически значимыми. Снижение активности косых мышц живота не имело статистической значимости. При асимметричном подъёме 10 кг активность левой и правой мышц LES снизилась на 30,15% и 39,54%, грудных мышц TES — на 20,97% и 35,79%, а активность правой косой мышцы живота (EO) уменьшилась на 14,44% (P = 0,008).

При симметричном подъёме грузов массой 5 кг, 10 кг и 15 кг средняя активность мышц LES снизилась на 44,17%, 41,28% и 38,98% соответственно, а средняя активность мышц TES снизилась на 42,77%, 40,60% и 38,00%; все эти различия обладали статистической значимостью. Результаты изменения мышечной активности были использованы для подтверждения эффективности подъёмной помощи устройства OSAE и измерены с помощью ЭМГсистемы.

Рисунок 7. Результаты статистического анализа активности левой и правой мышц LES, TES и EO участников в двух экспериментальных режимах. (a) Симметричный подъём 10 кг. (b) Асимметричный подъём 10 кг. (c) Симметричный подъём 5 кг. (d) Симметричный подъём 15 кг.

Выводы, потенциал применения и ограничения

В рамках исследования был завершён проектирование прототипа OSAE и проведена оценка прозрачности динамики и эффективности помощи посредством испытаний двигательных задач и нагрузочных тестов. Результаты подтверждают, что OSAE способна снижать активность мышц LES и TES при выполнении множества задач по подъёму грузов, не ограничивая существенно амплитуду движений туловища при наклоне вперёд, боковом наклоне или ротации вокруг вертикальной оси.

Авторы рассматривают OSAE как перспективное решение для работ, связанных с ручным перемещением грузов в симметричном и асимметричном режимах. Также отмечается, что предложенный пятистепенной механизм оригами может быть применён в тяжёлых промышленных роботах, континуальных роботах и параллельных механизмах. Исследование базировалось на кратковременных экспериментах со здоровыми добровольцами; в нём не оценивалось влияние длительного ношения в течение шести месяцев или года, а также не демонстрировалось снижение уровня травм спины в реальных промышленных условиях.

Информация о публикации

Часто задаваемые вопросы

Что измеряла система захвата движения NOKOV в данном исследовании?

Измеряемым объектом служила верхняя часть тела участников. В режиме с использованием OSAE световозвращающие маркеры крепились на системе человекэкзоскелет. Система собирала трёхмерные данные о движении верхней части тела.

Как трёхмерные данные о движении использовались для верификации OSAE?

Исследователи применили данные для расчёта амплитуды движений туловища при наклоне вперёд, боковом наклоне и ротации вокруг вертикальной оси, после чего сравнили режимы с использованием OSAE и без него, чтобы определить, не ограничивает ли экзоскелет естественные движения.

Принимала ли система NOKOV участие в замкнутом управлении OSAE?

В статье не утверждается, что это так. Устройство OSAE использует собственную систему датчиков и управления; данные захвата движения применялись в работе исключительно для экспериментальной оценки при испытаниях двигательных задач.

Какое оборудование измерило снижение мышечной активности, указанное в статье?

Эти результаты получены с помощью шестиканальной беспроводной ЭМГсистемы. Система NOKOV применялась для трёхмерных замеров и оценки амплитуды движений туловища; ошибочно указывать её как источник ЭМГданных.

Подтвердило ли исследование, что OSAE снижает риск травм спины при длительном применении?

Нет. В статье описаны кратковременные эксперименты со здоровыми участниками, а снижение риска травм спины представлено как возможное будущее применение. Эффекты от длительного ношения требуют дополнительных исследований.