Дуэт мягкого и жесткого — необычная перчатка из Новой Зеландии

Наша статья поможет разобраться в основах экзоскелетов и расскажет про уникальную перчатку, которая объединила разные инженерные подходы.

Ранее мы уже уже рассказывали о перспективных экзоскелетах, сравнивая классические «жёсткие» модули с мягкими экзокостюмами. Сегодня эта тема получила продолжение. Перчатка, о которой мы хотим рассказать, —  интересный баланс между жесткими и мягкими решениями. Но, прежде, чем разбирать нюансы, вспомним основы (на всякий случай, если забыли. Или не знали). 

Экзоскелеты представляют собой устройства, которые прикрепляются к телу человека и выполняют две основные функции или одну из них:

1. Расширяют физические возможности здорового оператора.
2. Компенсируют утраченные функции у носителя, который по каким-то причинам ограничен в своих действиях.

И если с задачами устройств все прозаично, то в их видах возможна путаница. Во-первых, все экзоскелеты можно разделить на «мягкие» и «жесткие». Думаю, уже по названию можно прочувствовать разницу.

Но тем не менее, здесь требуется пояснение: 

• «Жёсткий» экзоскелет увеличивает силу человека-оператора, позволяя переносить грузы без вреда для здоровья. Такой скелет состоит из жестких звеньев — то бишь жесткие пластины конструкции соединены между собой шарнирами. Материал соответствующий: керамика, металлы и т. д.
• «Мягкие» экзокостюмы не превращают своего владельца в бодибилдера, но здорово экономят силы во время марш-бросков или позволяют быстрее пробегать спортивную дистанцию. В них уже нет жестких звеньев, но появляются совместимые материалы, что делает экзокостюм более «податливым».

Материалы и структура могут быть в разы сложнее, чем у жестких экзоскелетов. Например, были созданы полимеры с памятью формы, которые состоят из двух разных компонентов: каркаса и материала шарнира. При печати материал нагревается до температуры, превышающей температуру стеклования материала шарнира. Это допускает деформацию материала шарнира, не влияя при этом на материал каркаса. 

В общем, костюм Дэдпула будет мягким экзоскелетом, а Железного человека — жестким:

Следующий параметр, по которому можно разделить экзоскелеты на группы — это источник энергии. В зависимости от него экзоскелеты делятся на активные, полуактивные и пассивные.

Активный экзоскелет осуществляет движение за счёт энергии аккумуляторов сжатого воздуха или другого источника:

Пример активного экзоскелета. Удержание двери выполняет лапка, работающая за счет внутренних двигателей.

Пассивный экзоскелет не нуждается во внешних источниках энергии. Принципы его действия основаны на законах классической механики. Это устройство умеет распределять нагрузку с помощью системы рычагов и противовесов.

Пример пассивного экзоскелета. Нагрузка приходится на сами руки, источники энергии здесь не нужны.

Активные экзоскелеты также отличаются по типам срабатывания. Тип срабатывания определяет, каким образом носимая робототехника реагирует на триггер.

Экзоскелеты бывают разные и предназначены они для большого спектра задач. Они могут изготавливаться как для всего тела, так и для отдельных его частей. В рамках данной статьи хотим рассказать об опыте разработки экзоскелета для кисти руки. Это сложное инженерное решение, особенностью которого является наличие (неожиданно) пальцев. Они должны иметь возможность совершать полезную работу и при этом не ограничивать подвижность самой кисти. Ограничение подвижности —  одна из самых главных проблем «экзоскелетостроения». 

Классический экзоскелет для руки функционирует на основе рычагов с сервомоторами. Перчатка притягивает пальцы за счёт тросов. Их двигательные элементы могут располагаться где угодно. Главное — провести струну от двигателя до точки крепления. Это — сухожильные приводы.

Относительно новый и весьма перспективный вариант — использовать пневматические актуаторы☑. Они похожи на воздушные баллоны, которые заполняются газом и обеспечивают развитие механического усилия.

Подобным образом работают актуаторы экскаваторов, только вместо воздуха используется гидравлика: 

У него были гидравлические актуаторы…

Сухожильные приводы и надувные баллоны (пневматические актуаторы) — это инженерные решения, которые обладают своими достоинствами и недостатками. Пневматические актуаторы легко адаптируются под выполнение конкретной задачи. При этом актуатор, чьи стенки сложены из растяжимого эластомера, подвержены износу, что может приводить к раннему выходу прибора из строя. 

Сухожильные приводы. Таким  решением, например, являются приводы с тросами Боудена. Они лишены этих недостатков. Они более компактные. Нерастяжимая струна всегда ведёт себя одинаково и может передавать большее усилие, чем надувной баллон. Однако все это о классических экзоскелетах. Как правило, многое хорошее рождается на стыке и при помощи компромиссов для решения новых задач. 

Гибридная роботизированная перчатка, о которой мы рассказываем далее, выступает любопытным компромиссом между силой и ловкостью. Её строение унаследовало эффективность тросов и высокую податливость мягких приводов. Но сначала еще одно небольшое отступление.

Рука — орган, благодаря которому человек может взаимодействовать с окружающей средой. По факту, в бытовой жизни мы регулярно берём какой-то предмет и совершаем работу с его помощью. 

То, насколько важны руки, становится видно после травм, болезней или нейродегенеративных расстройств. Рассеянный склероз, повреждения спинного мозга, всевозможные инсульты и артриты — негативные факторы, под влиянием которых нарушается работа рук. Проблемы таких людей вовсе не заканчиваются с вылеченной болезнью. Мало устранить жизнеугрожающий фактор: важно провести реабилитацию. В таких случаях многим пациентам приходится заново осваивать собственные руки!

И здоровому человеку подобный ручной экзоскелет вряд ли пригодится. Другое дело, что существует категория людей с нарушениями нервно-мышечной проводимости, например, те, кто перенес травму или инсульт. Реабилитация таких пациентов — процесс долгий и сложный. Чем быстрее человек восстановит эффективные движения в руках, тем проще ему будет адаптироваться к обычной жизни. Возможность сразу пользоваться кистью значительно ускоряет как само лечение, так и восстановление после болезни.

Использование экзоскелетов для восстановления подвижности человеческого тела не ограничивается данной перчаткой. Российская компания «ExoAtlet» разработала (внимание) экзоатлет, который является, пожалуй, самым известным экзоскелетом в РФ и применяется для реабилитации людей после инсульта.

Когда учёные стали классифицировать ADL, то пришли ко вполне ожидаемому выводу: многие движения «заточены» под отведение большого пальца или разведение фаланг. В этом есть не только практический, но и эволюционный смысл. Человек освоил орудийную деятельность во многом благодаря тому, что ладонь способна динамически менять свою геометрию, захватывая предметы разных габаритов и форм.

Авторы разработки заявляют, что их детище заметно улучшило показатели хвата и облегчило выполнение бытовых действий у людей-добровольцев, страдающих функциональными расстройствами кисти. Перейдем же к перчатке, гвоздю сегодняшней статьи.

Перчатка была разработана учеными из Новой Зеландии в сотрудничестве с учеными из Гарвардского университета. Главной задачей была разработка легкого и доступного экзоскелета руки, пригодного для помощи людям, страдающим заболеваниями опорно-двигательного аппарата, а также неврологическими расстройствами. Существующие на тот момент решения не обеспечивали нужной ловкости (такой, как у здоровой человеческой руки). Потому был выбран путь объединения лучших характеристик жесткого и мягкого экзоскелетов — создание гибрида. 

Использование этой перчатки позволяет человеку с ограничениями подвижности кисти восстанавливать свои способности и увеличивать силу хвата. Это может помочь в реабилитации нейродегенеративных заболеваний, расстройствах мышечной системы, а также при обучении человека работе рукой после инсульта. Таким образом, перчатка выполняет функции медицинского реабилитационного прибора. Поговорим о том, как она работает. 

Гибридная экзоперчатка умеет считывать электрическую активность мышц и планировать движение на основе полученных данных. Пневматические актуаторы, раздвигающие пальцы, роднят этот прибор с мягкими экзоскелетами. Хват ладони обеспечивается втягиванием струн, вдохновлённых теми самыми тросами Боудена. Разгибание происходит благодаря эластичным вставкам на тыльной поверхности перчатки. За счет упругости материала весь процесс можно назвать пассивным. 

Современные экзоскелеты прекрасно умеют усиливать хват и подходят для реабилитации. Для этого не нужны космические технологии: хватит исполнительного блока, системы управления и элементов питания. Однако все представленные ранее решения имеют ограничения по зонам свободы, т.е. их пальцы не могут двигаться также, как и пальцы здорового человека. Жесткие экзоскелеты не позволяют сделать это. А перчатка в виду того, что имеет элементы мягкого экзоскелета, позволяет совершать полную амплитуду движений с высокой жесткостью силовых элементов. 

Но это еще не все. У этой перчатки есть особенность (куда без них в инновационных приборах?). Шестой палец. Это может показаться странным, но людям с ограниченными возможностями хвата может не хватать точек удержания предмета. 

Эта надувная подушка и есть дополнительный большой палец

Для здорового человека взять в руки предмет — простая задача, при которой активно используется большой палец, дающий широкие возможности для ограничения зоны свободы перемещения предмета, который мы хотим взять. У людей с ограниченными возможностями большой палец может двигаться слабо либо не двигаться вовсе. В результате предмет выпадает из руки. Попробуйте взять что-то в руку, не задействуя большой палец. Удобно?
Из этих рассуждений проистекает логичный вывод: чем больше точек контакта руки и предмета, тем стабильнее выполненный захват. Именно поэтому разработчики добавляют шестой палец. 

Роботизированная перчатка состоит из 2 критически важных систем:

1. Мягкой перчатки.
2. Блока управления.

Мягкая перчатка размещает на себе крепления для тросиков, актуаторов и самого шестого пальца. На кончиках пальцев располагаются 5 мягких опор для искусственных сухожилий. Дополнительные структуры с такими же механическими свойствами позволяют менять геометрию струн во время сложных движений. Деформируемые крепления позволяют носителю чувствовать, какой предмет он держит в руке. Ее можно было бы назвать каркасом экзоскелета, но это будет не совсем верно, поскольку каркас жесткий и ограничивает свободу движений, а перчатка, напротив, мягкая. На тыльной стороне перчатки располагаются кнопки для управления.  

 
Исполнительный механизм кистевого экзоскелета состоит из 6 искусственных сухожилий и 4 пневматических приводов. На запястье расположена панель с несколькими кнопками для адаптивного контроля над работой механики.

Вторая важная часть перчатки это — блок управления. Как вы понимаете, кисть здорового человека приводится в движение мышцами, расположенными внутри руки. А сами мышцы управляются нервами и мозгом. Для того, чтобы привести в действие перчатку необходимо найти замены мышцам и нервной системе. Для этого и существует блок управления. В нем располагаются электродвигатели для натяжения струн и воздушные компрессоры для управления актуаторами. Всеми этими исполнительными устройствами управляет микроконтроллер, располагающийся в этом же блоке. Кроме того, там находится плата усилителя миографического сигнала и аккумулятор.

Для того, чтобы передавать механическое усилие из блока управления к перчатке используется набор трубок, внутри которых проходят тросики и сжатый воздух: 

Главные особенности гибридной перчатки — это тросовая система для сгибания пальцев, надувные приводы для их разведения и телескопический большой палец, обеспечивающий стабилизацию хвата. Носимые механизмы соединены с блоками управления, через которые достигается контроль над исполнительными частями устройства.

Работа привода. Сама по себе перчатка имеет лишь несколько считывающих миографических электродов. Они нужны для распознавания электрических сигналов на поверхности мышц. Человек, напрягая мышцу, создает в ней слабый электрический ток, который и определяется датчиком. Таким образом, напрягая и расслабляя мышцу человек может отправлять команды в блок управления перчатки. Именно по данной команде блок «понимает», когда нужно совершить действие, а когда — нет. 

И тут есть нюанс, который является головной болью в области управления экзоскелетами и бионическими протезами инвалидов. Он заключается в том, что простым считыванием сигнала с нескольких мышц невозможно запрограммировать устройство на выполнение такого же разнообразия движений, какое есть у здорового человека. Но есть костыльные решения проблемы. Если снабдить перчатку кнопками переключения режимов работы, то одним и тем же управляющим сигналом с мышцы можно будет расширять разнообразие движений перчатки. Способ неудобный, но увы. На тыльной стороне перчатки есть набор кнопок, нажимая которые можно поменять режим работы. 

Ох уж эти прототипы с одноцветными кнопками. Чтобы пользователь не перестарался и не разрушил захваченный предмет, компьютеризированная периферия непрерывно анализирует мощность каждого двигателя.

Из чего состоит шестой палец и как его изготавливают?

Создавая дополнительный большой палец, учёные вдохновлялись принципами «мягкой» робототехники. Основа этой структуры — два эластомера из уретановой резины. Первый и самый толстый слой считается базовым. Второй, формирующий выдвижную структуру, больше подложки на 2 мм. Третий слой резины заполняет зазоры и обеспечивает герметичность всей конструкции. Палец выдвигается из ладони при подаче сжатого воздуха. Максимально он может выдвигаться на расстояние до 8 см. 

Небольшая толщина актуатора и его изменяемая геометрия позволяют выполнять всевозможные захваты. Когда речь идёт о действиях, где дополнительный палец бывает полезным, в ход идёт округлая форма раздуваемого баллона. 
 

На рисунке изображена схема строения выдвигающегося пальца.

В целом для здоровых людей такая перчатка не имеет никаких дополнительных преимуществ. Ее уникальность и польза заключается в том, что научная группа сделала небольшой шажочек в области практической разработки устройств с диаметрально разными характеристиками, а именно: мягкой и гибкой перчатки с элементами жесткого привода. 

С практической точки зрения перчатка возможно действительно может быть полезна людям, для которых совершение, казалось бы, простых движений является сложной задачей. В любом случае без подобных исследований мы не можем надеяться на то, что в будущем появятся такие же классные решения, как экзокостюмы из Crysis, например. 

Еще хотелось бы отметить, что несмотря на гибкую конструкцию, авторам удалось обеспечить как сгибание, так и разгибание трех человеческих пальцев (за исключением безымянного и мизинца). Это непростая задача даже для дорогих жестких бионических протезов. Возможно, в будущем, эти наработки мы все же увидим в реальной практике. Что касается шестого пальца — вероятно, это полезный атрибут. И, как заявляют авторы, его использование увеличивает надежность хвата на 78% (по сравнению хвата людей с ограничениями в движениях). Хотя и неизвестно, насколько удобно им вообще пользоваться.

Ожидания и модели, как правило, отличаются от реальности. 

Недостатков же больше, чем достоинств (по нашему мнению). И самым главным является сложность управления, когда каждое движение нужно программировать, прежде, чем его совершить. Впрочем, как было сказано ранее, на данный момент это самое распространенное решение для управления, например, бионическими протезами. Конечно, есть возможность увеличения количества движений, которые не нужно программировать. Но это требует размещения на руке большого количества миографических электродов и обучения классификатора движений, который будет уникальным для каждого пользователя. Это и является основным препятствием для устранения недостатков. 

1.     Lucas Gerez; Anany Dwivedi; Minas Liarokapis A Hybrid, Soft Exoskeleton Glove Equipped with a Telescopic Extra Thumb and Abduction Capabilities по данным портала https://ieeexplore.ieee.org/document/9197473;
2.   Дополнительная информация приведена в виде гиперссылок;
3.   Все изображения взяты из открытых источников и принадлежат правообладателям;

Авторы: Никита Игнатенко, Анастасия Лазукина.