Группа ученых из Технологического института Джорджии и Университета Эмори обнаружила, что обычные голеностопные экзоскелеты иногда совсем не помогают поддерживать равновесие в положении стоя. По мнению исследователей, роботизированные средства передвижения реагируют слишком поздно. Вместо этого им приходится вмешиваться до того, как человек отреагирует, чтобы восстановить равновесие после нарушения.

В исследовании "Экзоскелеты должны реагировать быстрее, чем физиологические реакции, чтобы улучшить равновесие стоя", опубликованном в журнале Science Robotics, команда исследователей изучала, насколько экзоскелеты на лодыжках вообще помогают пожилым и физически ослабленным людям улучшить равновесие, чтобы они не падали.

Исследование имеющейся в продаже пары ботинок с экзоскелетом для голеностопа от Dephy, которая использовалась в качестве представителя текущей технологии, было отрезвляющим. Это объясняется тем, что физиологически отсроченная активация экзоскелетной опоры не помогла человеку восстановить равновесие, когда он стоял после сбоя.

Команда проверила это на различных испытуемых. Они должны были стоять на движущейся платформе с пристегнутыми экзоскелетными ботинками, которая резко перемещалась, чтобы нарушить равновесие участников во время стояния. Ученые проверили это в трех различных условиях: без какой-либо поддержки со стороны экзоскелета, с задержкой поддержки со стороны экзоскелета в ответ на естественную реакцию тела и с поддержкой, которая срабатывала быстрее, чем физическая реакция тела.

В видеоролике показано, как последствия нарушения равновесия компенсируются с помощью экзоскелетных ботинок.

Такие экзоскелеты обычно управляются физиологическими сигналами пользователя - например, мышечной или мозговой активностью. Например, измеряется активность мышц вокруг лодыжки. Затем экзоскелет активируется, когда мышца напрягается. Система управления, так сказать, "крадет" реакцию человека и просто накладывает ее.

Необходима более быстрая реакция

Как выяснила команда ученых, этого недостаточно, если равновесие нарушается во время стояния. Экзоскелет активируется слишком поздно из-за собственных реакций организма. Предыдущие подходы к управлению экзоскелетом такого типа не подходят для поддержания равновесия во время стояния. По словам ученых, организму требуется около 150 миллисекунд, чтобы отреагировать на потерю равновесия. Экзоскелет должен отреагировать за этот промежуток времени, чтобы успеть принять контрмеры.

Ученые реализовали это с помощью электронных акселерометров, подобных тем, что используются в смартфонах. Они использовали их для определения возмущения и, таким образом, смогли запустить более быструю реакцию экзоскелетных ботинок. Однако и здесь возникли проблемы, поскольку искусственная быстрая опора перекрывала первоначальное движение лодыжки и мешала ему. При дополнительном активном контроле с помощью мышц дестабилизация была еще больше. Тем не менее, сама по себе быстрая опора принесла улучшение: 9 процентов серьезных нарушений можно было компенсировать без необходимости делать выпад.

Основываясь на полученных результатах, команда уверена, что комбинация глобального датчика и датчика лодыжки не работает из-за задержки между ними. Таким образом, исследователи подтверждают теорию 1970-х годов о том, что глобальные физиологические сигналы лучше подходят для предсказания поведения равновесия, чем локальные сигналы от лодыжки или ноги. Тем не менее, как показывают результаты, одного этого недостаточно. Команда предполагает, что подходы машинного обучения могут помочь распознавать и реагировать на нарушения на ранней стадии.

Источник: Поддержание баланса: Экзоскелеты должны реагировать быстрее, чем люди | heise online