Железная рука из школьной лаборатории

Экзоскелеты обещают сделать из людей супергероев: пожарный не будет чувствовать веса инструмента, а пациент с травмой снова начнет двигать рукой. Но почему же эти умные «железные скелеты» до сих пор не появились массово ни в МЧС, ни в реабилитационных центрах?

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Школьник из ИТ-класса школы №1532 Ярослав Камынин, чей прототип экзоскелета руки недавно занял первое место на конференции «Старт в медицину», утверждает: проблема не только в цене. В своем интервью он рассказал, почему 3D-печать может быть дешевле заводского конвейера, как не допустить вибрацию сервопривода и что случится, если у его устройства сядет батарея прямо во время движения.

— Почему экзоскелеты до сих пор не стали массовым инструментом ни в МЧС, ни в медицине? Вы нашли какую-то новую схему или нашли способ удешевить существующую?

— Проблема не только в стоимости, но и в сложности изготовления массового продукта, поскольку экзоскелет пока нельзя сделать абсолютно унифицированным. Да, можно выпустить размерный ряд, но это не будет учитывать индивидуальные особенности каждого человека, что усложняет использование экзоскелета. Этот прототип служит для апробации выбранной компоновки и технологии производства — изготовления с использованием аддитивных технологий, в частности печати на 3D-принтере. По моему мнению, аддитивные технологии и есть тот способ, позволяющий упростить и удешевить массовое производство подобных устройств, ввиду возможности изготовления запасных частей сразу с учетом индивидуальных особенностей человека прямо на месте использования, а не на заводе-изготовителе. К тому же пользователь при определенных навыках 3D-моделирования может сам доработать свой личный экзоскелет, исходя из опыта эксплуатации, и/или сделать несколько вариаций под разные сценарии использования, что практически невозможно учесть на производстве.

— Вы назвали две сферы: спасение и реабилитация. Это принципиально разные нагрузки: статическая нагрузка у пожарного против плавного движения у пациента. Под одну механику можно заточить оба варианта или потребуются разные версии?

— Я считаю, что можно реализовать один экземпляр сразу под обе сферы деятельности на уровне кода программы: один профиль предполагается под реабилитацию, и максимальная скорость работы сервопривода будет снижена, а для спасательных работ, наоборот, повысить скорость. Это один из возможных вариантов, но лучшим решением, конечно же, будет отдельный экзоскелет под каждую сферу, ибо для реабилитации нужен максимально легкий и удобный экземпляр, а для спасательных работ — повышенная прочность, огнеупорность, увеличенный максимально переносимый вес и т. д. Мое устройство — прототип для выявления подобных ветвей развития дальнейших итераций.

— Сейчас управление по одной оси. Что конкретно мешает добавить вторую и третью? Не хватает пинов на Arduino, слабый сервопривод или сложность калибровки нескольких датчиков, которые мешают друг другу?

— Калибровка, к примеру, сразу трех датчиков может вызвать ряд негативных последствий, в частности потерю точности управления и задержки ввиду увеличенной нагрузки на процессор. К тому же усложнится конструкция экзоскелета, из-за чего он может подвести в самый неподходящий момент: ведь чем сложнее механизм, тем выше риск выхода из строя.

Вдобавок ко всему перечисленному верно подмечена сложность синхронной калибровки всех осей. Каждый сервопривод имеет индивидуальное отклонение, да и использование большого количества сервоприводов при близком расположении может создавать наводки при высоком напряжении, а датчики, к примеру, электромагнитные или потенциометры, лишь добавят шумов в сигнал.

— Датчик изгиба дает аналоговый сигнал. Как вы решили проблему «дрожания» привода, когда человек едва шевелит рукой, а сервопривод начинает мелко вибрировать?

— Довольно просто: введем управление по нескольким показаниям. Дребезг привода может быть, но если управлять не по одному поступившему сигналу, а, скажем, по двум, то можно нивелировать эту проблему и совершать движение, только когда разность показаний выходит за рамки определенного диапазона.

— Как выглядит математика внутри вашей прошивки? Угол изгиба датчика и угол поворота сервопривода связаны линейно или вы использовали фильтрацию, например скользящее среднее, чтобы убрать шум?

— В прошивке реализовано строгое линейное преобразование показаний датчика изгиба в управляющий сигнал сервопривода. Для подавления электрических шумов применяется цифровой фильтр скользящего среднего, эффективно сглаживающий случайные отклонения. Такая математика обеспечивает высокую точность позиционирования звена. Вся фильтрация уже вшита в программу. Пользователю не требуется выполнять ручные настройки. Код оптимизирован под микроконтроллер. Точность сохраняется.

— С точки зрения безопасности что произойдет, если у экзоскелета сядет батарея или оборвется провод во время движения? Заблокируется, разожмется или повторит последнюю команду?

— Проблема источника питания действительно серьезная, так как при отсутствии питания экзоскелет перестанет работать. О ней можно лишь предупредить. Специально для этого при достижении 30% заряда аккумулятора экзоскелет будет оповещать пользователя о том, что батарея в скором времени разрядится. Однако в последующих версиях можно будет предусмотреть подключение резервных источников питания, электромагнитный тормоз с нормально замкнутым контуром для блокировки без питания. Но в этой версии прототипа никакой блокировки не произойдет — экзоскелет просто отключится.

— Детали вы печатали на 3D-принтере. Как рассчитывали зазоры в подвижных соединениях: сделали одну точную модель или распечатали пять версий с разными допусками, пока не подошло?

— Это прототип, на котором тестировались принцип работы и возможность изготовления подобных устройств. Соответственно, некоторые детали действительно необходимо было напечатать заново, но большая часть дорабатывалась вручную для максимальной совместимости. При дальнейшей разработке можно провести реверс-инжиниринг уже доработанных деталей и внести расхождения между 3D-моделью и фактическим результатом в финальную версию.

— Что оказалось сложнее — заставить электронику понимать руку человека или спроектировать механику так, чтобы экзоскелет не натирал, не цеплял одежду и не расходился с естественной анатомией движения?

— Оба пункта сложны в реализации по-своему. С одной стороны, необходимо сделать рабочий код управляющей программы с учетом всех нюансов кинематики, а с другой — сделать конструкцию практичной и «привычной» для человека, учесть одежду, внешнюю нагрузку на механические узлы и несущую конструкцию. Нельзя так просто выделить что-то одно, так как проведена комплексная работа, требующая учета различных факторов и проблем.

— Сейчас экзоскелет повторяет движение человека. А для реабилитации нужен обратный режим: чтобы устройство само сгибало руку пациента, а человек расслаблялся. Ваша схема потянет такое программно или потребуется другой тип привода — мощнее и с обратной связью по усилию?

— Так как это прототип, в нем реализованы минимальные возможности. В новых версиях экзоскелета будут использоваться ЭМГ-датчики, благодаря чему человеку не придется «сильно» напрягать руку для активации механизма. Также в новых версиях будут использоваться усиленные сервоприводы, что позволит механизму выдавать большие усилия.

— Если бы у вас был доступ не к школьному принтеру и Arduino, а к промышленному оборудованию и DSP-контроллеру (цифровому сигнальному процессору), какой компонент вы заменили бы в первую очередь?

— Если у меня будет доступ к более серьезному оборудованию, я бы изменил не только датчики и приводы, но и переделал основную раму конструкции. Она осталась бы также составной для более удобной сборки и починки в случае поломки каких-либо секций, но вместо ненадежного ПЛА-пластика я бы стал использовать композитные материалы по типу углепластика.

Подготовлено при поддержке пресс-службы департамента образования и науки Москвы