Tässä blogikirjoituksessa tutkimme puettavien robottien kehitystrendejä ja toimintaperiaatteita sekä tutkimusesimerkkejä sekä Koreasta että ulkomailta.

Miksi puettavat robotit eivät ole enää kaukainen tulevaisuus

Kun ihmiset kuulevat termin "puettava robotti", monet ajattelevat elokuvista tuttuja hahmoja, kuten "Iron Man" tai "RoboCop". Tämän popkulttuurin vaikutuksesta puettavat robotit saattavat vielä tuntua kaukaiseen tulevaisuuteen sijoittuvilta tieteiskirjallisuuksilta, mutta todellisuudessa erilaisia ​​käytännön sovelluksia testataan jo armeijan, teollisuuden, lääketieteen ja sosiaalihuollon aloilla. Esimerkiksi vuoden 2014 jalkapallon MM-kisojen avauspotkussa Brasiliassa näytettiin nuori halvaantunut mies potkaisemassa palloa erityisellä kuntoutusrobottilaitteella; tämä laite käytti järjestelmää, joka havaitsee aivosignaaleja jalkojen liikkeiden ohjaamiseksi.

BLEEX: Varhainen yritys kehittää tukirankajärjestelmä

Yksi varhaisimmista kaupallisista ja tutkimuskäyttöön tarkoitetuista esimerkeistä puettavista roboteista on BLEEX, Kalifornian yliopiston Berkeleyssä vuonna 1994 kehitetty sotilaskäyttöön tarkoitettu alavartalon tukiranka. BLEEX suunniteltiin vähentämään merkittävästi käyttäjän fyysistä rasitusta raskaita kuormia kannettaessa varustamalla lonkka-, polvi- ja nilkkanivelet hydraulisilla toimilaitteilla. Tutkimustulosten mukaan järjestelmä suunniteltiin siten, että jopa noin 80 kg:n kuormaa kannettaessa käyttäjälle välittyvä voima rajoittui noin 2 kg:aan. Käyttäjän aiottujen liikkeiden havaitsemiseksi otettiin käyttöön yli 40 anturia, ja järjestelmä rakennettiin ylläpitämään tasapainoa antamalla näiden anturien vaihtada tietoja reaaliajassa.

Eksoskeletonien luokittelu: avustava vs. augmentatiivinen

Tukirankajärjestelmät luokitellaan karkeasti kahteen luokkaan käyttötarkoituksensa perusteella: avustaviin ja tukirankaa tukeviin. Avustavat tukirankat on kehitetty tukemaan ikääntyneiden tai vammaisten henkilöiden päivittäisiä toimintoja; tukiranka tukee suoraan käyttäjän voimaa liikkumisen mahdollistamiseksi. Sitä vastoin augmentatiiviset tukirankat vahvistavat käyttäjän voimaa, jolloin hän voi suorittaa raskaita tehtäviä esimerkiksi sotilas- ja raskasteollisuuden aloilla. Monet kaupallistamis- tai tutkimusvaiheessa olevat järjestelmät kuuluvat ensisijaisesti avustavien järjestelmien luokkaan, esimerkkeinä Berkeley Bionicsin HULC, eteläkorealaisten tutkijoiden kehittämä HyPER-sarja ja KAISTin Cowalk.

Eksoskeletonien rajoitukset ja kevytrakenteisen suunnittelun trendi

Perinteisillä tukirankarakenteilla on haittapuolena niiden kömpelyys ja painavuus, koska jokainen nivel on varustettava toimilaitteella ja antureilla kulman ja siirtymän havaitsemiseksi. Lisäksi niiden monimutkainen rakenne lisää valmistuskustannuksia ja vähentää kulumista. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi viimeaikainen tutkimus keskittyy rakenteen yksinkertaistamiseen, koon ja painon vähentämiseen sekä valmistuskustannusten alentamiseen. Toisin sanoen on kasvava trendi käyttää yksinkertaisia ​​mekanismeja – kuten johtoja ja pieniä moottoreita – suurten toimilaitteiden sijaan jokaisessa nivelessä tai parantaa käytettävyyttä materiaalien ja suunnittelun avulla, jotka parantavat mukavuutta.

Exo-Glove: Hansikastyyppisen puettavan robotin suunnittelu ja toiminta

Erinomainen esimerkki tästä kevyiden ja yksinkertaistettujen mallien trendistä on Exo-Glove, Soulin kansallisen yliopiston Bio-Robotics Laboratoryn ja muiden kehittämä hansikasmainen puettava robotti. Tämä laite on suunniteltu käytettäväksi hansikasmaisena auttamaan ihmisiä, jotka eivät pysty liikuttamaan sormiaan itse esimerkiksi neurologisten häiriöiden vuoksi, jättäen samalla käden luonnollisen luuston rakenteen ennalleen. Ydinajatuksena on käyttää lankoja, pieniä moottoreita ja elastisia elementtejä sormien taivuttamiseen ja suoristamiseen sen sijaan, että turvauduttaisiin raskaisiin ja monimutkaisiin yksittäisiin nivelaktuaattoreihin.
Tarkemmin sanottuna kämmeneen on asennettu useita lankaohjaimia, ja U-muotoiset lankaohjaimia on sijoitettu sormien päihin. Pari vierekkäin järjestettyjä lankaohjaimia on sijoitettu kunkin sormen ensimmäiseen niveleen. Kädenselkään on asennettu joustava lanka käden tasaisen asennon ylläpitämiseksi; joustavan langan toinen pää on kytketty sormenpäähän ja toinen pää toimilaitteeseen. Kun toimilaite ei ole käytössä, kämmenen puoleiset langat ovat löysät ja käsi pysyy tasaisena kädenselän elastisuuden ansiosta.
Kun käyttäjä yrittää tarttua esineeseen, käyttöyksikkö vetää kämmenen puoleisia lankoja lyhentääkseen niiden pituutta. Tämän seurauksena käden selkäpuolella olevat joustavat langat venyvät, jolloin sormet taipuvat, jotta esineeseen voidaan tarttua. Lankoja voidaan vetää samanaikaisesti moottorilla tai erikseen tiettyjen sormien liikuttamiseksi, mikä mahdollistaa osittaisen hallinnan.

Johtopäätös ja tulevaisuuden haasteet

Yhteenvetona voidaan todeta, että puettava robotiikkateknologia on jo siirtynyt elokuvamaisen fantasian rajojen ulkopuolelle ja siirtynyt käytännön sovellusten vaiheeseen; sitä käytetään käytännössä paitsi kuntoutuksen ja lääketieteen aloilla, myös sotilas- ja teollisuussektoreilla. Jatkossa keskeisiä kilpailuetuja ovat kevyemmät ja mukavammat rakenteet, kustannustehokkaat mallit ja ohjausteknologiat, jotka tulkitsevat käyttäjän aikomuksen tarkasti. Vaikka Etelä-Korea on myöhässä verrattuna maailman johtajiin, se voi silti tulla erittäin kilpailukykyiseksi kevyiden ja yksinkertaistettujen mallien sekä ihmiskeskeisten käyttöliittymien avulla.
Lisäksi, vaikka tähän ensimmäiseen luonnokseen lisäsin suhteellisen yksityiskohtaisen selityksen robottikäsineiden toimintaperiaatteista, teknisten yksityiskohtien lisääminen – kuten yksittäisten komponenttien roolit ja toimilaitteiden ja antureiden fyysiset ominaisuudet – olisi hyödyllistä paitsi tavallisille lukijoille myös tekniikasta kiinnostuneille. Seuraavassa artikkelissa syvennyn tarkemmin käsineiden kunkin osan toimintaperiaatteisiin, käytännön sovellusesimerkkeihin ja käyttäjien palautteeseen kentältä.