Свой робот ближе к телу: экзоскелет с поддержкой мелкой моторики и точная роборука

Сегодняшние роботы обретают не только новые качества, они всё теснее взаимодействуют с человеком, расширяя его возможности. Появилось даже целое новое направление в носимой робототехнике — экзоскелеты.

При разработке экзоскелетов приходится искать компромисс между целым рядом параметров. Среди них сила и точность движений, скорость выполнения манипуляций и степень их разнообразия, надёжность и сложность конструкции, время автономной работы и масса. Последние два особенно актуальны для всех носимых роботизированных компонентов.

На втором ежегодном коллоквиуме по робототехнике в Гарвардском университете доцент кафедры механической и биомедицинской инженерии Конор Уолш (Conor Walsh) представил экзоскелет с роботизированными перчатками для спасателей и военных. Он не только защищает суставы от избыточной нагрузки и усиливает движения крупных мышц, но также помогает при совершении мелких манипуляций.

Профессор Конор Уолш (слева) и доктор Панайотис Полигеринос обсуждают с роботизированную перчатку (фото: Kirstin Hagelskj?r Petersen)

Многочисленные моторы усиливают движения пальцев, позволяя орудовать рукой в перчатке как универсальным и необычайно удобным инструментом. Человек, чьи возможности расширены при помощи такого экзоскелета, получает дополнительную силу без ущерба для ловкости, как это обычно происходит с другими подобными изобретениями. 

Солдаты смогут увеличить массу носимого снаряжения и переносить тяжёлые грузы на большие расстояния, оставаясь всё время готовыми к бою. Во многих ситуациях спасатели получат возможность действовать в экстремальных условиях не дожидаясь подхода тяжёлой техники и в одиночку эвакуировать раненых.

Прототип мягкого экзоскелета (фото: Harvard Biodesign Lab.)

Исследование финансировалось DARPA, однако экзоскелет найдёт применение и в реабилитационной медицине, помогая пациентам быстрее восстанавливаться после инсульта и различных травм. Для этих целей команда Уолша разработала вариант мягкого эластомерного экзоскелета. Он аккуратно выполняет упражнения на восстановление подвижности пациентов с любыми поражениями нервной и опорно-двигательной системы, кроме паралича. 

Это ограничение обусловлено необходимостью совершения хотя бы минимальных усилий самим пациентом. Экзосклет берёт на себя роль тренера, который помогает правильно дозировать нагрузку и постепенно увеличивать амплитуду движений, но не станет выполнять упражнения вместо человека.

Аналогично баланс между массой параметров необходимо соблюдать и при создании манипуляторов для автономных роботов, потребность в которых растёт с каждым днём. Хотя манипуляторы для всех видов работ создавались десятилетиями, в этом направлении каждый год появляется что-то принципиально новое.

На том же коллоквиуме другой гарвардский профессор – Роберт Хау представил i-HY — роботизированный манипулятор с открытой архитектурой, обеспечивающий высокую точность движений. 

Прототип манипулятора i-HY (Harvard-Yale). Фото: biorobotics.harvard.edu

В своём выступлении профессор Хау так прокомментировал важность своей разработки:

Представьте, что ураган разрушил энергоблок. Ремонтнику со стандартным оснащением будет трудно устранить неполадки и опасно находиться в этой зоне. Обычные роботы окажутся бесполезными из-за своей неуклюжести. Робот с таким манипулятором — самый предпочтительный вариант.

На протяжении многих лет группы исследователей тщетно пытаются создать робота с манипуляторами, обладающими достаточной силой, но в то же время способными быстро и точно выполнять мелкие движения, так необходимые при ремонте и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Называя разработку «роботизированной рукой для реального мира», Хау комментирует историю её создания:

С начала восьмидесятых были опубликованы сотни диссертаций на эту тему. Пока никому так и не удалось сделать робота, выполняющего разные операции в реальных условиях, а не на стенде. Поэтому мы отринули все прошлые концепты и перестали пытаться скопировать руку человека.

Манипулятор i-HY ловко захватывает крупные предметы и мелкие детали практически любой формы (фото: biorobotics.harvard.edu)

Универсальный манипулятор получился больше похожим на клешню омара. Это трёхпалая роботизированная рука, прототип которой создан методами 3D-печати. Она снабжена сенсорами, благодаря которым постоянно подстраивается под меняющиеся условия и дозирует усилия на каждый искусственный палец отдельно.

Совсем недавно основная масса роботов представляла собой тяжёлое автоматизированное оборудование для выполнения рутинных производственных процессов. Тяжёлые промышленные роботы производили сборку автомобилей и различной техники, с каждым поколением всё сильнее вытесняя людей с их прежних рабочих мест. Большинство людей вообще старалось не приближаться к ним без особой нужды из-за риска производственной травмы и психологической боязни, а операторы ограничивались дистанционным управлением. 

Сейчас робототехника меняется на глазах. Один за другим создаются лёгкие, гибкие и даже носимые варианты, нацеленные на постоянное взаимодействие с человеком. Современные роботы не вытесняют людей, а лишь расширяют их возможности, позволяя работать более эффективно.