Science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Robotachtige superledematen kunnen maanwandelaars helpen herstellen van een val

SuperLimbs, een systeem van draagbare robotledematen gebouwd door MIT-ingenieurs, is ontworpen om een ​​astronaut fysiek te ondersteunen en hem na een val weer op zijn voeten te tillen, waardoor hij energie kan besparen voor andere essentiële taken. Op de foto, vanaf links, staan ​​Sang-Yoep Lee, Harry Asada en Erik Ballesteros. Credit:Jennifer Chu

Behoefte aan een moment van lichtzinnigheid? Bekijk video's van astronauten die op de maan vallen. NASA's acties van Apollo-astronauten die struikelen en struikelen terwijl ze in slow motion stuiteren, zijn heerlijk herkenbaar.



Voor MIT-ingenieurs benadrukken de maanbloopers ook een kans om te innoveren.

"Astronauten zijn fysiek zeer capabel, maar ze kunnen worstelen op de maan, waar de zwaartekracht een zesde van die van de aarde is, maar hun traagheid is nog steeds hetzelfde. Bovendien is het dragen van een ruimtepak een aanzienlijke last en kan het hun bewegingen beperken", zegt Harry Asada, hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT. "We willen astronauten een veilige manier bieden om weer op de been te komen als ze vallen."

Asada en zijn collega's ontwerpen een paar draagbare robotledematen die een astronaut fysiek kunnen ondersteunen en hem na een val weer op de been kunnen tillen. Het systeem, dat de onderzoekers Supernumerary Robotic Limbs of 'SuperLimbs' hebben genoemd, is ontworpen om uit een rugzak te komen, die ook het levensondersteunende systeem van de astronaut zou vervoeren, samen met de controller en motoren om de ledematen van stroom te voorzien.

De onderzoekers hebben een fysiek prototype gebouwd, evenals een controlesysteem om de ledematen te sturen, gebaseerd op feedback van de astronaut die het gebruikt. Het team testte een voorlopige versie op gezonde proefpersonen die ook vrijwillig een nauwsluitend kledingstuk droegen, vergelijkbaar met het ruimtepak van een astronaut. Wanneer de vrijwilligers probeerden op te staan ​​vanuit een zittende of liggende positie, deden ze dit met minder inspanning met hulp van SuperLimbs, vergeleken met wanneer ze zelfstandig moesten herstellen.

Het MIT-team voorziet dat SuperLimbs astronauten fysiek kunnen helpen na een val en hen daarbij kunnen helpen hun energie te besparen voor andere essentiële taken. Het ontwerp zou de komende jaren bijzonder nuttig kunnen zijn, met de lancering van NASA's Artemis-missie, die van plan is astronauten voor het eerst in meer dan 50 jaar terug naar de maan te sturen.

In tegenstelling tot de grotendeels verkennende missie van Apollo zullen Artemis-astronauten proberen de eerste permanente maanbasis te bouwen – een fysiek veeleisende taak die meerdere uitgebreide extravehiculaire activiteiten (EVA's) zal vereisen.

"Tijdens het Apollo-tijdperk, toen astronauten vielen, was dat 80% van de tijd wanneer ze opgravingen deden of iets anders met gereedschap deden", zegt teamlid en MIT-promovendus Erik Ballesteros. "De Artemis-missies zullen zich echt richten op bouwen en uitgraven, dus het risico op vallen is veel groter. We denken dat SuperLimbs hen kan helpen herstellen, zodat ze productiever kunnen zijn en hun EVA's kunnen uitbreiden."

Asada, Ballesteros en hun collega's zullen hun ontwerp en studie deze week presenteren op de IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Tot hun co-auteurs behoren MIT-postdoc Sang-Yoep Lee en Kalind Carpenter van het Jet Propulsion Laboratory.

Credit :Massachusetts Institute of Technology

Een standpunt innemen

Het ontwerp van het team is de nieuwste toepassing van SuperLimbs, die Asada ongeveer tien jaar geleden voor het eerst ontwikkelde en sindsdien heeft aangepast voor een reeks toepassingen, waaronder het assisteren van werknemers in de vliegtuigbouw, constructie en scheepsbouw.

Onlangs vroegen Asada en Ballesteros zich af of SuperLimbs astronauten zou kunnen helpen, vooral omdat NASA van plan is astronauten terug naar het oppervlak van de maan te sturen.

"Uit de communicatie met NASA hebben we geleerd dat het vallen op de maan een ernstig risico is", zegt Asada. "We realiseerden ons dat we enkele wijzigingen in ons ontwerp konden aanbrengen om astronauten te helpen herstellen van een val en door te gaan met hun werk."

Het team deed eerst een stap terug om de manieren te bestuderen waarop mensen op natuurlijke wijze herstellen van een val. In hun nieuwe onderzoek vroegen ze verschillende gezonde vrijwilligers om te proberen rechtop te gaan staan ​​nadat ze op hun zij, voorkant en achterkant hadden gelegen.

De onderzoekers keken vervolgens hoe de pogingen van de vrijwilligers om te staan ​​veranderden als hun bewegingen beperkt werden, vergelijkbaar met de manier waarop de bewegingen van astronauten worden beperkt door het grootste deel van hun ruimtepakken. Het team bouwde een pak om de stijfheid van traditionele ruimtepakken na te bootsen, en liet vrijwilligers het pak aantrekken voordat ze opnieuw probeerden op te staan ​​vanuit verschillende gevallen posities. De bewegingsvolgorde van de vrijwilligers was vergelijkbaar, maar vergde veel meer inspanning vergeleken met hun onbelemmerde pogingen.

Het team bracht de bewegingen van elke vrijwilliger in kaart terwijl ze opstonden en ontdekte dat ze allemaal een gemeenschappelijke reeks bewegingen uitvoerden, waarbij ze van de ene houding, of 'waypoint', naar de volgende gingen, in een voorspelbare volgorde.

"Die ergonomische experimenten hebben ons geholpen om op een eenvoudige manier te modelleren hoe een mens opstaat", zegt Ballesteros. "We zouden kunnen veronderstellen dat ongeveer 80 procent van de mensen op een vergelijkbare manier opstaat. Vervolgens hebben we een controller ontworpen rond dat traject."

Het MIT-team voorziet dat SuperLimbs astronauten fysiek kunnen helpen na een val en hen daarbij kunnen helpen hun energie te besparen voor andere essentiële taken. "Het voelt een beetje als een extra kracht die met je meebeweegt", zegt Erik Ballesteros, op de foto, die ook het pak en de armondersteuning uitprobeerde. "Stel je voor dat je een rugzak draagt ​​en iemand de bovenkant vastpakt en je als het ware omhoog trekt. Na verloop van tijd wordt het een beetje natuurlijk." Credit:Massachusetts Institute of Technology

Helpende hand

Het team ontwikkelde software om een ​​traject voor een robot te genereren, waarbij een reeks werd gevolgd die een mens zou helpen ondersteunen en weer op de been brengen. Ze plaatsten de controller op een zware, vaste robotarm, die ze aan een grote rugzak bevestigden. De onderzoekers bevestigden vervolgens de rugzak aan het omvangrijke pak en hielpen vrijwilligers het pak weer aan te trekken. Ze vroegen de vrijwilligers om opnieuw op hun rug, voorkant of zijkant te gaan liggen, en lieten hen vervolgens proberen te gaan staan ​​terwijl de robot de bewegingen van de persoon voelde en zich aanpaste om hem of haar overeind te helpen.

Over het geheel genomen konden de vrijwilligers met veel minder inspanning stabiel staan ​​wanneer ze werden bijgestaan ​​door de robot, vergeleken met wanneer ze alleen probeerden te staan ​​terwijl ze het omvangrijke pak droegen.

"Het voelt een beetje als een extra kracht die met je meebeweegt", zegt Ballesteros, die ook het pak en de armondersteuning uitprobeerde. "Stel je voor dat je een rugzak draagt ​​en iemand de bovenkant vastpakt en je als het ware omhoog trekt. Na verloop van tijd wordt het een soort van natuurlijk."

De experimenten bevestigden dat het besturingssysteem met succes een robot kan aansturen om iemand te helpen weer op te staan ​​na een val. De onderzoekers zijn van plan het besturingssysteem te koppelen aan hun nieuwste versie van SuperLimbs, die bestaat uit twee meergewrichtsrobotarmen die uit een rugzak kunnen steken. De rugzak zou ook de batterij en motoren van de robot bevatten, samen met het ventilatiesysteem van een astronaut.

"We hebben deze robotarmen ontworpen op basis van AI-zoek- en ontwerpoptimalisatie, om te zoeken naar ontwerpen van klassieke robotmanipulatoren met bepaalde technische beperkingen", zegt Ballesteros. "We hebben veel ontwerpen gefilterd en gezocht naar het ontwerp dat de minste hoeveelheid energie verbruikt om iemand op te tillen. Deze versie van SuperLimbs is het product van dat proces."

In de zomer zal Ballesteros het volledige SuperLimbs-systeem uitbouwen in het Jet Propulsion Laboratory van NASA, waar hij van plan is het ontwerp te stroomlijnen en het gewicht van de onderdelen en motoren te minimaliseren met behulp van geavanceerde, lichtgewicht materialen. Vervolgens hoopt hij de ledematen te combineren met astronautenpakken en ze te testen in simulators met lage zwaartekracht, met als doel ooit astronauten te helpen bij toekomstige missies naar de maan en Mars.

"Het dragen van een ruimtepak kan een fysieke belasting zijn", merkt Asada op. "Robotsystemen kunnen die last helpen verlichten en astronauten helpen productiever te zijn tijdens hun missies."

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe verdeelt het cytoplasma zich tussen dochtercellen na mitose?
  2. DropSynth, een eenpotsbenadering van gensynthese
  3. Rijke moleculaire taal begeleidt de vorming van kleine vloeistofdruppels in cellen
  4. Twilight-truc:er is een nieuw type cel gevonden in het oog van een diepzeevis
  5. Hadley Cell Effects
  6. Onderzoekers helpen migrerende zalm de hotspot van sterfte te overleven
  7. Instrumenten die worden gebruikt in de biologie
  8. Geslachtsrollen in de oudheid
  9. Is het Ida-fossiel de ontbrekende schakel?

Wetenschap