«Космические» электродвигатели делают роботизированный протез ноги более удобным

Новый прототип роботизированного протеза ноги обеспечивает более естественную походку и почти вдвое дольше работает от батареи.

Группа исследователей спроектировала новый уникальный роботизированный протез с более гибкой конструкцией колена и функцией рекуперативного торможения, которая позволяет заряжать батарею устройства при ходьбе. Ключом к этой возможности стало использование новых небольших и мощных двигателей, изначально разработанных для роботизированного манипулятора для Международной космической станции.

«Наш протез ноги потребляет примерно половину энергии современных аналогов, и даже может обеспечить большую силу», - сказал Роберт Грегг, доцент кафедры электротехники и компьютерной инженерии Мичиганского университета и член Института робототехники университета, который руководил исследованием во время учебы в Техасском университете в Далласе.

При использовании обычных протезов, люди должны поднимать бедра, чтобы поднять искусственную конечность и качнуть ее вперед. Эта неестественная походка отнимает больше энергии, чем обычная ходьба, вызывает дополнительный стресс и болевые ощущения в бедрах и нижней части спины, и в конечном итоге повреждает суставы. Роботизированные протезы ног способны обеспечить гораздо более комфортную походку, но одним из их недостатков является недостаточная подвижность в суставах.

«Мы спроектировали наши суставы так, чтобы они получились как можно более гибкими, - сказал Тоби Элери (Toby Elery), первый автор исследования и недавний выпускник докторантуры в Университет Далласа. - Наша роботизированная нога может работать и даже реагировать как человеческий сустав, обеспечивая естественное поведения колена и амортизацию ударов при контакте с землей».

Двигатели в роботизированных протезах должны вписываться в ограниченное пространство, сравнимое с объемом обычной конечности. В прошлом это подразумевало использование небольших двигателей с высокой частотой вращения, которую приходилось понижать с помощью шестерен для увеличения крутящего момента.

Проблема подобного подхода заключается в том, что шестерни сами по себе шумные, неэффективные, увеличивают вес и затрудняют качание шарниров. Группа Грегга преодолела эту проблему, использовав два более мощных «космических» двигателя, один из которых используется в колене, а другой в лодыжке. При этом отказ от шестерен не только уменьшил вес протеза, а также радикально уменьшил шум от уровня громкости пылесоса до громкости холодильника, и позволил создать свободно вращающееся колено и реализовать функцию рекуперативного торможения, когда протез ноги ударяется о землю.

Участники проекта, которые тестируют протезы в лаборатории Грегга, говорят, что они чувствуют, как нога помогает им отталкиваться от земли во время ходьбы. По его словам, в некоторых случаях они наблюдали, как мышцы бедер и спины испытывают меньшую нагрузку при использовании нового протеза, по сравнению с их обычным.

Следующим шагом команды является усовершенствование алгоритмов управления, которые помогут роботизированному протезу автоматически адаптироваться к различным рельефам поверхности, изменениям в темпе ходьбы и переходам между различными видами деятельности.