Egzoszkielet z naciskiem na równowagę
Project MARCH, studencki zespół działający przy TU Delft, rozwija technologię egzoszkieletów z myślą o poprawie jakości życia osób z urazem rdzenia kręgowego. Celem projektu jest budowa zasilanego, robotycznego kombinezonu, który przejmuje funkcje dolnej części ciała i umożliwia użytkownikowi ponowne stanie oraz chodzenie.
Zespół co roku opracowuje nowy prototyp, traktując go zarówno jako platformę rozwoju technologicznego, jak i narzędzie zwiększania świadomości społecznej dotyczącej wpływu egzoszkieletów na codzienne funkcjonowanie osób z niepełnosprawnościami ruchowymi. W bieżącej edycji w projekcie uczestniczy 26 studentów, którzy na rok przerywają standardowy tok studiów, aby w pełni poświęcić się zaprojektowaniu, budowie i testom nowego rozwiązania. Cały proces od koncepcji po realizację prowadzony jest wewnętrznie.
Najważniejszym obszarem prac w tym roku jest równowaga. Poprzedni zespół uzyskał istotny postęp, aktywnie sterując silnikami w stawach skokowych, co pozwoliło egzoszkieletowi korygować niewielkie zaburzenia stabilności. Obecnie Project MARCH chce rozszerzyć tę funkcjonalność na sam proces chodzenia.
Chodzenie bez kul jako cel rozwoju
Większość egzoszkieletów nadal wymaga używania kul w celu utrzymania stabilności. Zespół z TU Delft wskazuje, że uwolnienie rąk użytkownika jest ważnym krokiem w stronę większej niezależności i pełniejszego uczestnictwa w życiu społecznym.
W praktyce oznaczałoby to możliwość wykonywania codziennych czynności, które przy wykorzystaniu kul są utrudnione albo niemożliwe. Wymieniono m.in. chodzenie za rękę, prowadzenie wózka dziecięcego czy trzymanie kubka kawy. Są to proste działania, ale z punktu widzenia użytkownika mogą mieć duże znaczenie dla samodzielności.
Trzy filary techniczne projektu
W tegorocznych pracach Project MARCH wskazuje trzy główne założenia techniczne. Pierwszym jest w pełni samozbalansowane chodzenie bez użycia kul. Drugim - całkowicie bezdotykowe sterowanie, niewymagające użycia rąk. Trzecim - ograniczenie pomocy potrzebnej przy zakładaniu i zdejmowaniu egzoszkieletu do minimum.
Zespół został podzielony na pięć działów: Management, Operations, Software, Mechanical oraz Embectrical. W kontekście współpracy z Eurocircuits szczególnie istotna jest praca inżynierów odpowiedzialnych za elektronikę i systemy embedded. To oni odpowiadają za płytki PCB, połączenia oraz okablowanie, które umożliwiają działanie egzoszkieletu.
Project MARCH projektuje i montuje własne płytki. W tegorocznym prototypie wykorzystywanych jest siedem różnych PCB, pełniących odrębne funkcje w systemie sterowania, zasilania, pomiarów i diagnostyki.
Płytki PCB w systemie egzoszkieletu
Jednym z kluczowych modułów jest MDrive - dwustronna płytka PCB używana do sterowania silnikami. W egzoszkielecie zastosowano pięć takich płytek. W najnowszej wersji projekt przeszedł z układu STM32F4 na STM32F7. Według zespołu mocniejszy układ zapewnia znacząco większą moc obliczeniową, potrzebną do realizacji chodzenia z utrzymaniem równowagi.
Drugim istotnym elementem jest PDB, czyli Power Distribution Board. Płytka odpowiada za dystrybucję energii z akumulatorów do pozostałych części egzoszkieletu. W tegorocznym projekcie zwiększono pojemność zasilania z 24W do 240W, aby obsłużyć bardziej zaawansowane obliczenia pokładowe, niezbędne przy zbalansowanym chodzeniu. Zespół wskazuje, że modernizacja była potrzebna do zastosowania lepszego komputera w egzoszkielecie. Pełne możliwości tego rozwiązania nie są jeszcze wykorzystywane, ale pozostawiono przestrzeń do dalszego rozwoju w kolejnych latach.
Kolejną płytką jest BRIE, która odczytuje wartości z enkoderów inkrementalnych i przekształca je na sygnał cyfrowy. Pozwala to na dokładne przetwarzanie danych pomiarowych. BAPS zbiera natomiast dane z czujników nacisku umieszczonych w płytach stóp. Informacje te są ważne dla utrzymywania równowagi oraz szybkiej reakcji w sytuacji, gdy równowaga zaczyna się przesuwać.
W projekcie wykorzystywany jest również CATE, czyli tester kabli służący do weryfikacji, czy wszystkie przewody działają poprawnie przed ich zastosowaniem w egzoszkielecie. Blade Connector pełni funkcję złącza elektrycznego, które upraszcza połączenia między elementami często montowanymi i demontowanymi. Ostatnim z wymienionych modułów jest Battery Indicator, zapewniający czytelną informację o pozostałej energii akumulatora oraz potrzebie ładowania.
Projektowanie PCB i kontrola wykonalności
Wsparcie Eurocircuits umożliwia zespołowi korzystanie z wysokiej jakości gołych płytek PCB, na których studenci następnie samodzielnie lutują komponenty. Zmontowane płytki są niezbędne do uruchomienia systemu egzoszkieletu.
Project MARCH korzysta z internetowych narzędzi Eurocircuits do przesyłania projektów PCB. Szczególnie ważnym narzędziem jest PCB Visualizer, który pozwala wgrywać projekty i szczegółowo je analizować. Oprogramowanie automatycznie sprawdza, czy projekt jest możliwy do wykonania, oraz dobiera odpowiednie cechy technologiczne.
Jeżeli wybrane cechy okazują się droższe niż zakładano, narzędzie wskazuje przyczynę takiego wyboru i lokalizuje odpowiednie miejsce w projekcie. Według zespołu znacząco usprawnia to proces optymalizacji kosztów i jest przydatne dla projektantów PCB.
Proces ten skłania konstruktorów do krytycznej oceny, które właściwości płytek są rzeczywiście potrzebne oraz jak najlepiej zoptymalizować przestrzeń i koszty. Istotnym elementem współpracy jest także szybka dostawa. Ponieważ produkcja odbywa się w Europie, czas transportu jest krótki, co pozwala szybciej otrzymywać komponenty i kontynuować prace rozwojowe bez opóźnień.
Elektronika jako fundament niezależnego ruchu
Rozwój tegorocznego prototypu Project MARCH pokazuje, jak istotną rolę w zaawansowanych systemach wspomagania ruchu odgrywają elektronika, zasilanie, przetwarzanie danych z czujników oraz sterowanie napędami. W przypadku egzoszkieletu projektowanego przez studentów TU Delft płytki PCB nie są jedynie elementem pomocniczym, lecz podstawą funkcjonowania całego systemu.
Każda z opisanych płytek odpowiada za konkretny fragment działania urządzenia - od kontroli silników, przez dystrybucję energii i odczyt enkoderów, po pomiar nacisku w stopach, diagnostykę kabli i kontrolę stanu akumulatora. Ich integracja ma wspierać główny cel projektu: opracowanie egzoszkieletu, który pozwoli użytkownikowi chodzić w sposób bardziej samodzielny, bez konieczności używania kul i bez zajmowania rąk podczas codziennych czynności.
Zespół podkreśla, że każda iteracja przybliża projekt do wizji egzoszkieletów oferujących rzeczywistą niezależność - nie tylko mobilność, ale także większą swobodę w życiu codziennym.
Źródło: EUROCIRCUITS
Więcej na www.eurocircuits.com
