Роботизированные «суперконечности» могут помочь космонавтам оправиться от падений

SuperLimbs, система носимых роботизированных конечностей, созданная инженерами Массачусетского технологического института, предназначена для физической поддержки космонавта и поднятия его на ноги после падения, помогая ему экономить энергию для других важных задач. На снимке слева направо: Сан-Ёп Ли, Гарри Асада и Эрик Баллестерос. Автор: Jennifer Chu

«Астронавты физически очень работоспособны, но они могут столкнуться со сложностями на Луне, где гравитация составляет одну шестую от земной, но их инерция все та же. Более того, ношение скафандра — это значительная нагрузка, которая может сковывать их движения», — говорит Гарри Асада, профессор машиностроения Массачусетского технологического института. «Мы хотим предоставить астронавтам безопасный способ встать на ноги в случае падения».

Асада и его коллеги разрабатывают пару носимых роботизированных конечностей, которые смогут физически поддерживать космонавта и поднимать его на ноги после падения. Система, которую исследователи назвали «Сверхштатные роботизированные конечности» или «Суперконечности», спроектирована так, чтобы выдвигаться из рюкзака, который также будет нести систему жизнеобеспечения астронавта, а также контроллер и двигатели для питания конечностей.

Исследователи создали физический прототип, а также систему управления конечностями на основе отзывов космонавтов, использующих ее. Команда протестировала предварительную версию на здоровых испытуемых, которые также вызвались носить сжимающую одежду, похожую на скафандр космонавта. Когда добровольцы пытались встать из положения сидя или лежа, они делали это с меньшими усилиями при помощи SuperLimbs по сравнению с тем, когда им приходилось восстанавливаться самостоятельно.

Команда Массачусетского технологического института предполагает, что SuperLimbs может физически помогать астронавтам после падения и в процессе помогать им сохранять энергию для других важных задач. Эта конструкция может оказаться особенно полезной в ближайшие годы, с запуском миссии НАСА «Артемида», которая планирует отправить астронавтов обратно на Луну впервые за более чем 50 лет.

В отличие от преимущественно исследовательской миссии «Аполлон», астронавты «Артемиды» попытаются построить первую постоянную лунную базу — физически сложная задача, которая потребует многочисленных расширенных выходов в открытый космос (EVA).

«В эпоху Аполлона астронавты падали в 80% случаев, когда занимались раскопками или выполняли какую-то работу с помощью инструмента», — говорит член команды и аспирант Массачусетского технологического института Эрик Баллестерос. «Миссии «Артемида» действительно будут сосредоточены на строительстве и раскопках, поэтому риск падения намного выше. Мы думаем, что SuperLimbs может помочь им восстановиться, чтобы они могли быть более продуктивными и продлить время выхода в открытый космос».

Асада, Бальестерос и их коллеги представят свои разработки и исследования на этой неделе на Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA). Среди их соавторов постдок Массачусетского технологического института Санг-Ёп Ли и Калинд Карпентер из Лаборатории реактивного движения.

Занимая позицию

Разработка команды представляет собой новейшее применение SuperLimbs, которое Асада впервые разработала около десяти лет назад и с тех пор адаптировала для ряда приложений, включая помощь работникам в авиастроении, строительстве и судостроении.

Совсем недавно Асада и Бальестерос задались вопросом, могут ли SuperLimbs помочь астронавтам, особенно в связи с тем, что НАСА планирует отправить астронавтов обратно на поверхность Луны.

«В ходе общения с НАСА мы узнали, что проблема падения на Луну представляет собой серьезный риск», — говорит Асада. «Мы поняли, что можем внести некоторые изменения в нашу конструкцию, чтобы помочь астронавтам оправиться от падений и продолжить свою работу».

Команда сначала сделала шаг назад, чтобы изучить способы естественного восстановления людей после падения. В своем новом исследовании они попросили нескольких здоровых добровольцев попытаться встать прямо после лежания на боку, спереди и на спине.

Затем исследователи посмотрели, как изменились попытки добровольцев встать, когда их движения были ограничены, подобно тому, как движения астронавтов ограничены массой их скафандров. Команда создала костюм, имитирующий жесткость традиционных скафандров, и попросила добровольцев надеть его, прежде чем снова попытаться встать из различных положений падения. Последовательность движений добровольцев была аналогичной, хотя и требовала гораздо больше усилий по сравнению с их свободными попытками.

Команда составила карту движений каждого добровольца, когда он вставал, и обнаружила, что каждый из них выполнял общую последовательность движений, переходя от одной позы или «путевой точки» к другой в предсказуемом порядке.

«Эти эргономические эксперименты помогли нам наглядно смоделировать то, как человек встает», — говорит Бальестерос. «Мы могли бы предположить, что около 80 процентов людей встают аналогичным образом. Затем мы разработали контроллер, работающий по этой траектории».

Команда Массачусетского технологического института предполагает, что SuperLimbs может физически помогать астронавтам после падения и в процессе помогать им сохранять энергию для других важных задач. «Это похоже на дополнительную силу, движущуюся вместе с вами», — говорит Эрик Баллестерос (на фото), который также опробовал костюм и ассистент для рук. «Представьте, что вы носите рюкзак, и кто-то хватает вас за верхнюю часть и как бы тянет вас вверх. Со временем это становится своего рода естественным». Автор: Massachusetts Institute of Technology

Рука помощи

Команда разработала программное обеспечение для создания траектории движения робота, следуя последовательности, которая поможет поддержать человека и поднять его на ноги. Они применили контроллер к тяжелой фиксированной роботизированной руке, которую прикрепили к большому рюкзаку. Затем исследователи прикрепили рюкзак к громоздкому костюму и помогли добровольцам вернуться в костюм. Они попросили добровольцев снова лечь на спину, спереди или на бок, а затем предложили им встать, пока робот чувствовал движения человека и адаптировался, чтобы помочь ему встать на ноги.

В целом, добровольцы смогли устойчиво стоять с гораздо меньшими усилиями при помощи робота, по сравнению с тем, когда они пытались стоять в одиночку, надевая громоздкий костюм.

«Это похоже на дополнительную силу, движущуюся вместе с вами», — говорит Баллестерос, который также опробовал костюм и систему помощи рукам. «Представьте, что вы носите рюкзак, и кто-то хватает вас за верхнюю часть и как бы тянет вас вверх. Со временем это становится своего рода естественным».

Эксперименты подтвердили, что система управления может успешно направлять робота, чтобы помочь человеку встать на ноги после падения. Исследователи планируют объединить систему управления со своей последней версией SuperLimbs, которая состоит из двух многосуставных роботизированных рук, которые можно выдвигать из рюкзака. Рюкзак также будет содержать батарею и двигатели робота, а также систему вентиляции космонавта.

«Мы разработали эти роботизированные руки на основе поисковой системы ИИ и оптимизации конструкции, чтобы найти конструкции классических роботов-манипуляторов с определенными инженерными ограничениями», — говорит Баллестерос. «Мы отфильтровали множество проектов и искали дизайн, который потребляет наименьшее количество энергии для поднятия человека. Эта версия SuperLimbs является продуктом этого процесса».

Летом Бальестерос построит полную систему SuperLimbs в Лаборатории реактивного движения НАСА, где он планирует упростить конструкцию и минимизировать вес ее частей и двигателей, используя современные легкие материалы. Затем он надеется соединить конечности с костюмами космонавтов и протестировать их в симуляторах низкой гравитации с целью когда-нибудь помочь астронавтам в будущих миссиях на Луну и Марс.

«Ношение скафандра может стать физическим бременем», — отмечает Асада. «Робототехнические системы могут помочь облегчить это бремя и помочь астронавтам быть более продуктивными во время своих миссий».

Источник: Massachusetts Institute of Technology