로봇 'SuperLimbs'는 Moonwalker가 낙상에서 회복하는 데 도움이 될 수 있습 니다

잠시 여유가 필요하신가요? 달에 떨어지는 우주비행사들의 영상을 시청해 보세요. 아폴로 우주 비행사가 슬로우 모션으로 튕겨 나가면서 넘어지고 넘어지는 NASA의 모습은 유쾌하게 공감됩니다.

MIT 엔지니어들에게 달의 엉뚱한 소리는 또한 혁신의 기회를 강조합니다.

“우주비행사는 육체적으로 매우 유능하지만 중력이 지구의 6분의 1이지만 관성은 여전히 ​​동일한 달에서 어려움을 겪을 수 있습니다. 더욱이 우주복을 입는 것은 상당한 부담이며 움직임을 제한할 수 있습니다.”라고 Harry는 말합니다. 아사다 MIT 기계공학과 교수. “우리는 우주비행사가 넘어졌을 때 다시 일어설 수 있는 안전한 방법을 제공하고 싶습니다.”

Asada와 그의 동료들은 우주 비행사를 물리적으로 지지하고 추락 후 다시 발로 들어올릴 수 있는 한 쌍의 착용 가능한 로봇 팔다리를 설계하고 있습니다. 연구원들이 Supernumerary Robotic Limbs 또는 “SuperLimbs”라고 명명한 이 시스템은 팔다리에 동력을 공급하는 컨트롤러 및 모터와 함께 우주비행사의 생명 유지 시스템을 운반하는 배낭에서 확장되도록 설계되었습니다.

연구자들은 우주비행사의 피드백을 바탕으로 물리적 프로토타입과 팔다리를 지시하는 제어 시스템을 구축했습니다. 팀은 우주비행사의 우주복과 유사한 조이는 옷을 입겠다고 자원한 건강한 피험자들을 대상으로 예비 버전을 테스트했습니다. 자원봉사자들이 앉거나 누운 자세에서 일어나려고 할 때 SuperLimbs의 도움을 받으면 스스로 회복해야 할 때보다 더 적은 노력으로 일어설 수 있었습니다.

MIT 팀은 SuperLimbs가 추락 후 우주비행사를 물리적으로 지원하고 그 과정에서 다른 필수 작업을 위해 에너지를 절약하는 데 도움을 줄 수 있다고 생각합니다. 이 디자인은 50년 만에 처음으로 우주 비행사를 달에 다시 보낼 계획인 NASA의 아르테미스 임무가 시작되면서 향후 몇 년 동안 특히 유용할 수 있습니다. 아폴로의 대규모 탐사 임무와는 달리, 아르테미스 우주비행사들은 최초의 영구 달 기지를 건설하기 위해 노력할 것입니다. 이는 여러 번의 확장된 선외 활동(EVA)이 필요한 육체적으로 힘든 작업입니다.

“아폴로 시대에는 우주비행사가 추락할 때가 80%가 발굴이나 도구를 사용하는 작업을 할 때였습니다”라고 팀원이자 MIT 박사과정 학생인 Erik Ballesteros는 말합니다. “Artemis 임무는 실제로 건설과 발굴에 중점을 두기 때문에 추락 위험이 훨씬 더 높습니다. SuperLimbs는 그들이 회복하여 생산성을 높이고 EVA를 확장할 수 있도록 도울 수 있다고 생각합니다.”

Asada, Ballesteros 및 동료들은 이번 주 ICRA(International Conference on Robotics and Automation)에서 자신들의 설계와 연구를 발표할 예정입니다. 공동 저자로는 MIT 박사후 연구원 이상엽과 제트 추진 연구소의 칼린드 카펜터(Kalind Carpenter)가 있습니다.

입장을 취하다

팀의 디자인은 Asada가 약 10년 전에 처음 개발한 이후 항공기 제조, 건설 및 조선 분야의 작업자 지원을 포함하여 다양한 응용 분야에 적용한 SuperLimbs의 최신 응용 프로그램입니다.

가장 최근에 Asada와 Ballesteros는 특히 NASA가 우주비행사를 달 표면으로 다시 보낼 계획을 세우고 있기 때문에 SuperLimbs가 우주비행사에게 도움이 될 수 있는지 궁금해했습니다.

“NASA와의 통신을 통해 우리는 달에 떨어지는 문제가 심각한 위험이라는 것을 알게 되었습니다.”라고 Asada는 말합니다. “우리는 우주비행사가 낙상에서 회복하고 작업을 계속할 수 있도록 설계를 일부 수정할 수 있다는 것을 깨달았습니다.”

연구팀은 먼저 인간이 넘어졌을 때 자연적으로 회복하는 방식을 연구하기 위해 한 발 물러났습니다. 새로운 연구에서 그들은 몇몇 건강한 자원자들에게 옆으로, 앞으로, 뒤로 누운 후 똑바로 서도록 요청했습니다.

그런 다음 연구원들은 우주비행사의 움직임이 우주복의 크기에 의해 제한되는 방식과 유사하게 움직임이 제한될 때 자원 봉사자들의 일어서려는 시도가 어떻게 바뀌는지 조사했습니다. 팀은 전통적인 우주복의 강성을 모방한 슈트를 제작하고 자원봉사자들에게 슈트를 입힌 후 다양한 추락 자세에서 다시 일어설 것을 시도했습니다. 자원봉사자들의 동작 순서는 비슷했지만, 방해받지 않은 시도에 비해 훨씬 더 많은 노력이 필요했습니다.

팀은 각 자원봉사자가 일어설 때의 움직임을 매핑했으며, 그들이 예측 가능한 순서에 따라 한 자세 또는 “경유지”에서 다음 자세로 이동하는 일반적인 일련의 동작을 수행한다는 사실을 발견했습니다.

Ballesteros는 “이러한 인체공학적 실험은 인간이 어떻게 일어서는지를 간단한 방식으로 모델링하는 데 도움이 되었습니다.”라고 말합니다. “우리는 약 80%의 인간이 비슷한 방식으로 일어선다고 가정할 수 있습니다. 그런 다음 우리는 그 궤적을 중심으로 컨트롤러를 설계했습니다.”

도움의 손길

팀은 인간을 지탱하고 다시 일어서는 데 도움이 되는 시퀀스에 따라 로봇의 궤적을 생성하는 소프트웨어를 개발했습니다. 그들은 컨트롤러를 무겁고 고정된 로봇 팔에 적용하여 큰 배낭에 부착했습니다. 그런 다음 연구원들은 배낭을 부피가 큰 슈트에 부착하고 자원봉사자들이 슈트를 다시 입도록 도왔습니다. 그들은 자원봉사자들에게 다시 등, 앞, 옆으로 눕도록 요청한 다음 로봇이 사람의 움직임을 감지하고 그들이 발을 딛는 것을 돕기 위해 적응하는 동안 일어서도록 했습니다.

전체적으로, 자원봉사자들은 부피가 큰 옷을 입고 혼자 서려고 할 때보다 로봇의 도움을 받을 때 훨씬 적은 노력으로 안정적으로 서 있을 수 있었습니다.

“그것은 당신과 함께 움직이는 추가적인 힘과 같은 느낌입니다.”라고 슈트와 팔 보조 장치를 시험해 본 Ballesteros는 말합니다. “백팩을 메고 있는데 누군가가 윗부분을 잡고 끌어당긴다고 상상해보세요. 시간이 지나면서 그게 자연스러워지죠.”

실험을 통해 제어 시스템이 사람이 넘어진 후 다시 일어설 수 있도록 로봇에 성공적으로 지시할 수 있음이 확인되었습니다. 연구원들은 배낭에서 뻗을 수 있는 두 개의 다관절 로봇 팔로 구성된 최신 버전의 SuperLimbs와 제어 시스템을 결합할 계획입니다. 배낭에는 우주비행사의 환기 시스템과 함께 로봇의 배터리와 모터도 포함됩니다.

Ballesteros는 “우리는 특정 엔지니어링 제약이 있는 기존 로봇 조작기의 디자인을 찾기 위해 AI 검색 및 설계 최적화를 기반으로 이러한 로봇 팔을 설계했습니다.”라고 말합니다. “우리는 많은 디자인을 필터링하여 사람을 들어 올리는 데 최소한의 에너지를 소비하는 디자인을 찾았습니다. 이번 SuperLimbs 버전은 그 과정의 산물입니다.”

여름 동안 Ballesteros는 NASA의 제트 추진 연구소에서 전체 SuperLimbs 시스템을 구축할 예정이며, 그곳에서 그는 고급 경량 소재를 사용하여 설계를 간소화하고 부품과 모터의 무게를 최소화할 계획입니다. 그런 다음 그는 팔다리를 우주 비행복과 결합하고 저중력 시뮬레이터에서 테스트하여 언젠가 달과 화성에 대한 향후 임무에서 우주 비행사를 도울 수 있기를 희망합니다.

“우주복을 입는 것은 신체적 부담이 될 수 있습니다”라고 Asada는 말합니다. “로봇 시스템은 이러한 부담을 덜어주고 우주비행사가 임무를 수행하는 동안 생산성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.”

이 연구는 부분적으로 NASA의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240515164312.htm