Suit up mit einem Roboter zu gehen und laufen leichter

Suit up mit einem Roboter zu gehen und laufen leichter

Zwischen Wandern in gemächlichem Tempo und läuft für Ihr Leben, die menschlichen Gangarten decken eine Breite Palette von Geschwindigkeiten. In der Regel wählen wir die Gangart, die uns erlaubt, verbrauchen die geringste Menge an Energie bei einer bestimmten Drehzahl. Zum Beispiel bei niedrigen Geschwindigkeiten, die metabolische rate des walking ist geringer als das laufen in einem langsamen jog; Umgekehrt bei hohen Geschwindigkeiten, die metabolische rate des Laufens ist niedriger als die von speed-walking.

Forscher in akademischen und Industrie-labs, zuvor entwickelte Roboter-Geräte für die rehabilitation und anderen Bereichen des Lebens, die entweder helfen, gehen oder laufen, aber keine kabellose tragbare Gerät könnte effizient tun beide. Die Unterstützung gehen und laufen mit einem einzigen Gerät ist eine Herausforderung, weil der grundsätzlich verschiedenen Biomechanik der beiden Gangarten. Jedoch, beide Gangarten haben gemeinsam eine Erweiterung des Hüftgelenkes, die beginnt um die Zeit, wenn der Fuß kommt in Kontakt mit dem Boden und erfordert erhebliche Energie für den Antrieb des Körpers nach vorne.

Wie berichtet, heute in der Wissenschaft, ein team von Forschern an der Harvard Wyss Institut für Biologisch Inspirierte Engineering und John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und der University of Nebraska-Omaha-jetzt hat eine tragbare exosuit, der hilft mit Gang-spezifische hip extension während des Gehens und Laufens. Ihre leichte exosuit ist aus textilen Komponenten getragen an der Taille und den Oberschenkeln, und ein mobiles Antriebssystem befestigt, um den unteren Rücken, die gesteuert wird durch einen Algorithmus, kann robust erkennen den übergang vom gehen zum laufen und Umgekehrt.

Die Mannschaft, die zuerst zeigte, dass die exosuit getragen, die von Benutzern in Laufband-basierten indoor-tests im Durchschnitt reduziert Ihre Stoffwechselrate zu Fuß um 9,3% und den Betrieb von 4% im Vergleich zu, wenn Sie waren zu Fuß und läuft ohne das Gerät. „Wir waren begeistert zu sehen, dass das Gerät auch durchgeführt, auch bei bergauf-zu Fuß, bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und bei oberirdischen Tests außerhalb, die zeigte, dass die Vielseitigkeit des Systems“, sagte Conor Walsh, Ph. D., der die Studie leitete. Walsh ist ein Core Fakultätsmitglied an der Wyss Institut, die Gordon McKay Professor of Engineering und Angewandte Wissenschaften (MEERE, und Gründer der Harvard Biodesign-Labor. „Während der Stoffwechsel-Reduktionen fanden wir bescheiden sind, unsere Studie zeigt, dass es möglich ist, eine tragbare wearable Roboter helfen, mehr als nur eine einzige Aktivität, zu helfen, den Weg zu ebnen für diese Systeme allgegenwärtig in unserem Leben,“ sagte Walsh.

Die hip exosuit war entwickelt als Teil der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)’s ehemaligen Krieger-Web-Programm und ist der Höhepunkt von Jahren der Forschung und Optimierung der soft exosuit-Technologie, die durch das team. Eine Vorherige multi-joint-exosuit, entwickelt von dem team helfen könnten, sowohl die Hüfte und Knöchel während des Gehens, und eine medical-version von der exosuit Zielen auf die Verbesserung der Gang-rehabilitation von Schlaganfallpatienten ist ab sofort im Handel erhältlich in den USA und Europa, über eine Zusammenarbeit mit ReWalk Robotics.

Das team der neuesten hip-Unterstützung exosuit ist entworfen, um einfacher zu sein und leichter an Gewicht im Vergleich zu Ihrer Vergangenheit multi-joint-exosuit. Es hilft dem Träger über ein Kabel actuation system. Die betätigung Kabel anwenden einer Zugkraft zwischen der Taille, Gürtel und Oberschenkel-wraps erzeugen eine externe Erweiterung Drehmoment im Hüftgelenk, die funktioniert im zusammenspiel mit den Gesäßmuskeln. Das Gerät wiegt 5 kg, insgesamt mit mehr als 90% von seinem Gewicht nahe dem Körper die Mitte der Masse. „Dieser Ansatz konzentriert sich das Gewicht, kombiniert mit der flexiblen Bekleidung-Schnittstelle minimiert die energetische Belastung und die Bewegungseinschränkung für den Träger“, sagte co-Erstautor Jinsoo Kim, ein SEAS-student im Aufbaustudium in Walsh ‚ s Gruppe. „Das ist wichtig für das gehen, mehr aber noch für die Ausführung als die Glieder hin und her bewegen, viel schneller.“ Kim teilte die erste-Autorenschaft mit Giuk Lee, Ph. D., ein ehemaliger Postdoc-fellow an Walsh ‚ s team und jetzt Assistant Professor an der Chung-Ang Universität in Seoul, South Korea.

Eine große Herausforderung, das team zu lösen hatte, war, dass die exosuit benötigt, um in der Lage sein, zu unterscheiden zwischen gehen und laufen Gangarten und ändern Sie dessen betätigung profile entsprechend mit der richtigen Menge an Unterstützung zur richtigen Zeit von den Gang-Zyklus.

Zu erklären, die unterschiedliche Kinetik bei den Gang-Zyklen, biomechanists oft vergleichen zu Fuß zu den Bewegungen eines inversen Pendels und ausgeführt, um die Bewegungen des Feder-Masse-system. Während des Gehens, die körpereigene Schwerpunkt bewegt sich nach oben, nach Ferse-Streik, dann erreicht die maximale Höhe in der Mitte der Standphase zu steigen gegen Ende der Standphase. In laufen, der Bewegung von der Mitte der Masse gegenüber. Es senkt sich in Richtung auf eine minimale Höhe, in der Mitte der Standphase und bewegt sich dann nach oben hin zu push-off.

„Wir nutzten diese biomechanischen Erkenntnisse in die Entwicklung unserer biologisch inspiriert Gang-classification-Algorithmus, können robust und zuverlässig erkennen, ein übergang von einer Gangart zur anderen durch die überwachung der Beschleunigung eines einzelnen ’s Zentrum der Masse mit sensoren, die am Körper befestigt“, sagte co-entsprechenden Autor Philippe Malcolm, Ph. D., Assistant Professor an der University of Nebraska in Omaha. „Sobald sich eine Gang-übergang detektiert wird, wird der exosuit passt automatisch das timing seiner betätigung-Profil zu helfen, dem anderen Gang, als wir gezeigt durch seine Fähigkeit zur Verringerung der metabolischen Sauerstoffverbrauch in den Träger.“

In der Laufenden Arbeit, das team ist konzentriert auf die Optimierung aller Aspekte der Technologie, einschließlich der weiteren Reduzierung von Gewicht, individualisierende Hilfen und die Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit. „Es ist sehr befriedigend zu sehen, wie weit unser Ansatz ist gekommen“, sagte Walsh, „und wir sind begeistert, weiterhin gilt es auf eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Unterstützung diejenigen mit Gang Beeinträchtigungen, Industrie Arbeitnehmer in Gefahr von Verletzungen, die körperlich anstrengende Tätigkeiten, Freizeit-oder Wochenend-Krieger.“

„Diese bahnbrechende Studie aus den Wyss Institut Bioinspirierte Soft-Robotics-Plattform gibt uns einen Einblick in eine Zukunft, in der tragbare Roboter-Geräte können verbessern, das Leben der gesunden, als auch jenen dienen, die mit Verletzungen oder in der Notwendigkeit der rehabilitation,“ sagte Wyss-Institut-Gründungsdirektor Donald Ingber, M. D., Ph. D., der auch der Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der HMS, der Vaskulären Biologie-Programm an der Boston-Kinderklinik, und Professor für Bioengineering an der SEE.