Влияние Общества инженеров-механиков на развитие носимой робототехники

Влияние Общества инженеров-механиков на развитие носимой робототехники

Общество инженеров-механиков (SME) сыграло ключевую роль в продвижении технологии носимой робототехники. Основанное в начале 20-го века, SME способствовало инновациям и сотрудничеству между инженерами, посвященным улучшению мобильности и возможностей человека. Носимая робототехника, включая экзоскелеты, протезы с питанием и вспомогательные костюмы, перешла от лабораторных прототипов к коммерчески доступным системам. Большая часть этого прогресса может быть прослежена до основополагающей работы членов SME, которые установили инженерные принципы, протоколы испытаний и философии проектирования, которые лежат в основе современной носимой робототехники. Объединив исследователей из биомеханики, систем управления, материаловедения и инженерии человеческих факторов, SME создал междисциплинарную экосистему, необходимую для процветания носимой робототехники.

Влияние организации распространяется на академические, промышленные и нормативные области. Через конференции, публикации и рабочие группы МСП сформировали подход инженеров к проектированию устройств, которые должны работать в тесной гармонии с человеческим телом. Двойные проблемы механической производительности и безопасности пользователей потребовали строгих стандартов, которые МСП помогли определить. Поскольку носимая робототехника продолжает расширяться в области здравоохранения, производства, логистики и обороны, основополагающий вклад МСП остается центральным для каждой новой разработки. В этой статье рассматривается историческая роль МСП в носимой робототехнике, ее специфический технический вклад, влияние на несколько секторов и будущие направления, которые организация помогает наметить.

Исторические предпосылки МСП

Основанное в 1914 году Общество инженеров-механиков было основано с целью содействия развитию методов машиностроения в различных отраслях промышленности.В первые десятилетия своего существования МСП ориентировались на традиционные механические системы, включая производство электроэнергии, производственное оборудование и транспорт. Организация предоставила инженерам форум для обмена техническими знаниями, установления лучших практик и установления образовательных стандартов для профессии.

По мере того, как машиностроение расширялось в новые области, МСП адаптировали свой охват. К середине 20-го века рост автоматизации, систем управления и ранней робототехники побудил МСП сформировать специализированные технические комитеты. Эти комитеты исследовали, как механические принципы могут быть применены к машинам, которые взаимодействовали с людьми новыми способами. Область человеческого увеличения начала привлекать внимание членов МСП, которые видели потенциал механических систем для повышения, а не замены человеческих возможностей.

В 1960-х и 1970-х годах МСП помогали организовывать ранние симпозиумы по реабилитационной инженерии и вспомогательным устройствам. Эти мероприятия объединили инженеров-механиков, медицинских работников и исследователей биомеханики. Перекрестное опыление идей привело к первым систематическим усилиям по проектированию ортезов и экзоскелетных структур. Технические публикации SME&rsquo этой эпохи документируют постепенный переход от жестких, чисто механических рамок к системам, включающим датчики, приводы и контроль обратной связи.

К 1990-м годам МСП создали специальные комитеты по робототехнике и автоматизации. Носимая робототехника стала отдельной областью внимания, а МСП спонсировали семинары по дизайну экзоскелетов, взаимодействию человека и робота и увеличению мощности. Организация также сотрудничала с такими группами, как IEEE Robotics и Automation Society, чтобы соавторить руководящие принципы для тестирования и оценки производительности. Эти сотрудничества помогли создать общий словарь для описания носимых роботизированных систем, что позволило инженерам из разных слоев общества эффективно общаться.

Вклад в носимую робототехнику

МСП сыграли важную роль в установлении отраслевых стандартов, содействии сотрудничеству в области исследований и проведении конференций, посвященных носимой робототехнике. Эти усилия ускорили разработку устройств, которые помогают в мобильности, реабилитации и промышленной работе. Вклад организации может быть сгруппирован в несколько ключевых областей: технические стандарты, финансирование исследований и направление, образование и развитие рабочей силы и пропаганда государственной политики.

Исследования и инновации

Члены МСП внесли свой вклад в новаторские инновации, в том числе в экзоскелеты и протезы. Эти инновации предназначены для повышения силы, выносливости и ловкости человека, принося пользу как медицинскому, так и промышленному секторам. Известные примеры включают экзоскелеты нижних конечностей, которые восстанавливают способность ходить для людей с травмами спинного мозга, костюмы верхней части тела, которые уменьшают усталость во время повторяющейся работы над головой, и системы полного тела, которые позволяют солдатам или службам быстрого реагирования переносить тяжелые грузы на большие расстояния.

Исследования, спонсируемые МСП, также продвинули понимание того, как носимая робототехника взаимодействует с физиологией человека. Исследования, опубликованные в журналах МСП, изучали профили крутящего момента суставов, модели активации мышц и метаболические затраты энергии во время использования экзоскелета. Эти биомеханические данные были необходимы для уточнения конструкций устройств и повышения комфорта пользователей. Организация поощряла открытый обмен результатами испытаний и эталонами производительности, позволяя полю развиваться быстрее, чем если бы каждая лаборатория работала в изоляции.

Кроме того, МСП финансировала исследования на ранних стадиях через гранты и студенческие конкурсы. Такие программы, как SME Innovation Challenge, стимулировали молодых инженеров к разработке новых концепций для носимой робототехники. Многие из ведущих экзоскелетных компаний сегодня прослеживают свое происхождение от проектов, которые начались в университетских лабораториях, поддерживаемых инициативами МСП.

Стандарты и лучшие практики

МСП разработали руководящие принципы, обеспечивающие безопасность, эффективность и совместимость носимой робототехники. Эти стандарты помогают производителям производить надежные устройства и способствовать более широкому внедрению носимой технологии. Одной из наиболее важных областей стандартизации были ограничения силы взаимодействия человека и робота. Комитеты МСП работали над определением максимально допустимых сил, которые экзоскелет может применять к суставам пользователя, не вызывая травм. Эти ограничения варьируются в зависимости от того, используется ли устройство для реабилитации, промышленной помощи или военного увеличения, а МСП подготовил руководство для каждого случая использования.

Еще одна важная работа по стандартизации связана с протоколами тестирования. МСП опубликовала рекомендуемые процедуры для измерения ключевых показателей производительности, таких как выход крутящего момента, время автономной работы, задержка отклика и долговечность. Стандартизированное тестирование позволяет покупателям сравнивать устройства от разных производителей на равной основе. Это также помогает регулирующим органам оценивать, соответствует ли устройство требованиям безопасности. МСП сотрудничал с международными органами по стандартизации, чтобы обеспечить соответствие своих руководящих принципов более широкой нормативной базе.

Организация также рассмотрела стандарты совместимости, которые имеют решающее значение для систем, которые объединяют компоненты от нескольких поставщиков. По мере того, как носимая робототехника становится более модульной, со сменными приводами, датчиками и контроллерами, важны общие определения интерфейса. Комитеты МСП разработали спецификации для механических точек присоединения, электрических разъемов и протоколов передачи данных. Эти стандарты снижают затраты на интеграцию и позволяют пользователям модернизировать отдельные компоненты, а не заменять целые системы.

Ключевые технические области, на которые оказывает влияние МСП

Помимо стандартов и исследований, МСП сформировали техническое направление носимой робототехники благодаря сосредоточенному вниманию к конкретным инженерным задачам. К ним относятся проектирование привода, алгоритмы управления, интеграция датчиков и управление питанием. Каждая из этих областей выиграла от рабочих групп и публикаций под руководством МСП.

Актуарные технологии

Приводы являются мышцами носимой робототехники, и их производительность непосредственно определяет возможности устройства. Члены МСП впервые использовали ряд упругих приводов, которые размещают пружину между двигателем и нагрузкой. Эта конструкция улучшает управление силой и безопасность, поглощая удары и обеспечивая соответствие. Технические документы МСП проанализировали компромиссы между различными типами приводов, включая электродвигатели, пневматические мышцы и гидравлические цилиндры, в контексте носимых приложений. Организация помогла установить руководящие принципы проектирования для выбора спецификаций привода на основе целевого сустава, диапазона движения и требуемого крутящего момента.

Системы управления

Управление носимым роботом, который должен двигаться синхронно с пользователем-человеком, представляет уникальные проблемы. Робот не может просто следовать заранее запрограммированному пути; он должен вывести намерение пользователя и реагировать соответствующим образом. МСП внес свой вклад в развитие управляющих архитектур, которые сочетают подходы к передаче данных и обратной связи. Публикации конференций МСП описали методы оценки совместных углов от электромиографических датчиков, обнаружения фазовых переходов походки и модуляции уровней помощи на основе усилий пользователя. Организация также способствовала исследованиям адаптивных алгоритмов управления, которые со временем адаптируются к отдельным пользователям, повышая комфорт и эффективность.

Сенсорные системы

Носимая робототехника зависит от богатого набора датчиков для измерения сил, положений и физиологических сигналов. МСП помог определить требования к производительности для датчиков, используемых в этих приложениях. Например, датчики силы, встроенные в пластину экзоскелета с более низкой конечностью, должны быть точными, свободными от дрейфа и устойчивыми к повторной нагрузке. Руководящие принципы МСП определили процедуры калибровки, методы компенсации температуры и скорости отбора данных. Кроме того, организация способствовала исследованиям мягких датчиков, которые могут быть интегрированы в ткани или ремни, уменьшая объем и вес систем зондирования.

Влияние на здравоохранение и реабилитацию

Пациенты с нарушениями подвижности извлекли выгоду из роботизированных экзоскелетов, которые позволяют ходить и реабилитироваться. Исследования SME&rsquo помогли сделать эти устройства более доступными и эффективными. В клинических условиях носимая робототехника используется для тренировки походки после инсульта, травмы спинного мозга или черепно-мозговой травмы. Устройства обеспечивают повторяющиеся, последовательные модели движения, которые помогают переквалифицировать нервные пути. Исследования, опубликованные в журналах, связанных с МСП, продемонстрировали улучшение скорости ходьбы, длины шагов и баланса для пациентов, которые используют экзоскелеты в рамках комплексной программы реабилитации.

МСП также повлияли на разработку протезов с приводными суставами. Современные приводные лодыжки и колени используют датчики для обнаружения фазы походки пользователя и соответственно корректируют демпфирование или выходную мощность. Эта технология прослеживает свое происхождение от исследований МСП по биомеханике передвижения и управлению приводом. Организация работала над снижением стоимости и сложности этих устройств, делая их доступными для более широкой популяции. Через свою сеть клинических партнеров МСП собрала данные о результатах, которые информируют о решениях о страховании и клинических рекомендациях.

Реабилитация не ограничивается ходьбой. Экзоскелеты верхних конечностей, разработанные членами МСП, помогают пациентам восстанавливаться после травм плеча, ремонта манжеты или неврологических состояний, которые ухудшают функцию руки. Эти устройства поддерживают вес руки, позволяя пациенту практиковать движения, достигающие и хватающие. Семинары МСП объединили профессиональных терапевтов, физиотерапевтов и инженеров для уточнения интерфейсов и стратегий управления, которые максимизируют терапевтическую пользу.

Влияние на промышленность и военные применения

Носимая робототехника помогает работникам в поднятии тяжелых нагрузок и снижении рисков травматизма. В производстве и логистике экзоскелеты используются для поддержки спины, плеч и коленей во время повторяющихся или напряженных задач. Работники автомобильной сборки носят пассивные или активные экзоскелеты для снижения напряжения при работе над головой или подъемных компонентов. МСП опубликовала тематические исследования, которые количественно оценивают снижение мышечной усталости и травматизма на объектах, которые приняли эти устройства. Организация также рассмотрела эргономические проблемы интеграции экзоскелетов в существующие рабочие процессы, включая соображения продолжительности смены, обслуживания и обучения пользователей.

Военные используют экзоскелеты для повышения выносливости и силы во время требовательных операций. Национальный институт биомедицинской визуализации и биоинженерии сотрудничал с исследователями, связанными с МСП, для оценки эффективности экзоскелета в полевых условиях. Солдаты, несущие тяжелые пакеты, боеприпасы и оборудование в течение длительных периодов времени, испытывают снижение усталости и более низкий риск травм при использовании экзоскелетов с более низкой конечностью. Стандарты МСП были применены для обеспечения надежной работы этих устройств при экстремальных температурах, грязи и песке. Организация также рассмотрела срок службы батареи и логистику зарядки, которые имеют решающее значение для военных развертываний.

В промышленном секторе МСП помогали разрабатывать программы подготовки работников, использующих экзоскелеты. Правила надлежащей подгонки, корректировки и технического обслуживания имеют важное значение для обеспечения безопасности и эффективности. Руководящие принципы МСП охватывают, как выбрать соответствующее устройство для данной задачи, как проверять оборудование перед каждым использованием и как распознавать признаки чрезмерного износа. Эти стандарты обучения были приняты несколькими крупными производителями и упоминались организациями по безопасности труда.

Технические проблемы, с которыми сталкиваются МСП

Развитие носимой робототехники потребовало решения сложных инженерных задач. МСП сталкивались с этими проблемами посредством целевых исследовательских инициатив и технических комитетов. Три области, которым уделяется особое внимание, - это управление питанием, дизайн интерфейса человека-робота и надежность системы.

Управление электроэнергетикой

Носимые роботы должны нести свой собственный источник энергии, и плотность энергии батарей остается ограничивающим фактором. МСП спонсировал исследования по энергоэффективным конструкциям приводов, регенеративным тормозным системам, которые захватывают энергию во время замедления, и гибридным энергетическим системам, которые объединяют батареи с суперконденсаторами. Организация опубликовала руководящие принципы для прогнозирования времени автономной работы в различных профилях использования, что позволяет пользователям планировать операции соответственно. МСП также исследовал потенциал для сбора энергии от собственного движения пользователя, например, использование пьезоэлектрических материалов в стельках обуви для получения дополнительной мощности.

Интерфейс человек-робот

Интерфейс между пользователем и роботом имеет решающее значение для комфорта и управления. Комитеты МСП изучили конструкцию манжеток, ремней и ремней, которые распределяют силы, не вызывая точек давления или ограничения кровотока. Исследования, опубликованные в журналах МСП, изучили механические свойства материалов интерфейса, включая воздухопроницаемость, трение и соответствие. Организация также рассмотрела вопрос о размещении датчиков и приводов для минимизации помех естественному движению. Эти усилия привели к более легким, более удобным экзоскелетам, которые пользователи могут носить в течение длительных периодов времени.

Надежность системы

Носимая робототехника, используемая в здравоохранении или промышленности, должна надежно работать в течение тысяч циклов. МСП разработал протоколы тестирования для ускоренного тестирования жизни, воздействия окружающей среды и анализа режима отказа. Эти протоколы помогают производителям выявлять слабые места в своих проектах до того, как продукты попадают на рынок. В публикациях МСП задокументированы общие механизмы отказа, такие как износ кабелей, усталость разъема и перегрев привода, а также рекомендованные меры по смягчению конструкции. Организация также способствовала использованию модульных архитектур, которые упрощают ремонт и замену, сокращая время простоя для пользователей.

Будущие направления

По мере развития технологий МСП продолжают поддерживать инновации в носимой робототехнике. Будущие разработки направлены на создание более интуитивных, легких и доступных устройств, которые могут легко интегрироваться в повседневную жизнь и рабочую среду. Несколько тенденций формируют следующее поколение носимой робототехники, и МСП позиционируется как руководство их эволюцией.

Улучшенное взаимодействие человека и робота

Достижения в области машинного обучения и искусственного интеллекта позволяют экзоскелетам более точно предвидеть намерения пользователей. На конференциях МСП были представлены исследования нейронных сетей, которые классифицируют шаблоны походки в реальном времени, позволяя экзоскелету плавно переходить между стоянием, ходьбой и подъемом по лестнице. Будущие системы, вероятно, будут включать в себя прогностические алгоритмы, которые корректируют уровни помощи на основе рельефа, усталости и предпочтений пользователей. МСП помогает определить показатели проверки, которые обеспечивают эффективность и безопасность этих интеллектуальных систем.

Повышение энергоэффективности

Сокращение энергопотребления является приоритетом для практического использования носимой робототехники в течение всего дня. Исследования МСП по легким материалам, эффективным системам передачи и регенеративным схемам энергии продолжают раздвигать границы того, что возможно. Международная федерация робототехники отметила важность энергоэффективности для широкого внедрения, и вклад SME &rsquo в этой области имеет решающее значение. Будущие экзоскелеты могут использовать переменные коэффициенты передачи, которые оптимизируют эффективность для различных задач, или они могут включать системы хранения энергии, которые захватывают и повторно используют кинетическую энергию.

Носимая робототехника все чаще подключается к цифровым платформам здравоохранения, которые отслеживают использование, производительность и результаты пользователей. МСП сотрудничал с ISO и другими организациями по стандартизации для определения форматов данных и протоколов конфиденциальности для носимых роботизированных систем. Эта интеграция позволяет клиницистам удаленно отслеживать прогресс пациентов, производителям улучшать конструкции устройств на основе реальных данных и пользователям делиться информацией со своими командами по уходу. Работа SME &rsquo по стандартам совместимости гарантирует, что данные с разных устройств могут быть объединены и проанализированы на разных платформах.

Образование и развитие рабочей силы

МСП также инвестировали в образование и развитие рабочей силы, чтобы гарантировать, что следующее поколение инженеров готово к продвижению носимой робототехники. Организация предлагает программы сертификации в области робототехники, спонсирует конкурсы студенческого дизайна и предоставляет онлайн-ресурсы для самостоятельного изучения. Технические подразделения МСП публикуют учебники и монографии, которые охватывают основы дизайна экзоскелетов, биомеханики и взаимодействия человека и робота. Эти материалы используются в университетских курсах по всему миру.

Благодаря своим программам наставничества МСП связывает опытных инженеров со студентами и специалистами в области ранней карьеры. Эта сеть наставничества помогла молодым исследователям ориентироваться в сложностях междисциплинарной работы и способствовала сотрудничеству, которое охватывает учреждения и страны. Ежегодная конференция МСП&rsquo включает в себя специальные сессии для студенческих презентаций, предоставляя платформу для новых талантов, чтобы поделиться своей работой и получить обратную связь от авторитетных экспертов.

Организация также обратилась к необходимости непрерывного образования среди практикующих инженеров. Поскольку технология носимой робототехники быстро развивается, профессионалы должны регулярно обновлять свои навыки. МСП предлагает семинары и вебинары по таким темам, как передовая теория управления, калибровка датчиков и тестирование человеческих факторов. Эти программы помогают инженерам оставаться в курсе последних методов и стандартов.

Заключение

Общество инженеров-механиков остается движущей силой в формировании будущего носимой робототехники, обеспечивая, чтобы эти технологии служили потребностям общества эффективно и этически. От его ранней работы по реабилитационной инженерии до его текущих усилий в разработке стандартов, финансировании исследований и образовании, МСП создал инфраструктуру, которая позволяет процветать инновациям. Акцент организации на строгом тестировании, безопасности и совместимости сделал возможным переход носимой робототехники от лабораторного любопытства к практическому инструменту.

Заглядывая в будущее, МСП сталкивается с проблемой балансирования быстрого технологического прогресса с тщательным рассмотрением социальных и этических последствий. Организация уже начала решать вопросы о конфиденциальности данных, алгоритмическом уклоне и потенциале экзоскелетов для обострения неравенства, если доступ ограничен. Комитеты МСП разрабатывают этические руководящие принципы для проектирования и развертывания носимой робототехники, гарантируя, что преимущества широко распределены.

Будущее носимой робототехники будет зависеть от продолжения сотрудничества между дисциплинами и секторами. Роль SME &rsquo как организатора и знаменосца позиционирует его для облегчения этого сотрудничества. Инженеры, клиницисты, политики и пользователи будут иметь голос в формировании следующего поколения устройств. Основы, заложенные МСП более чем за столетие обслуживания профессии машиностроителя, гарантируют, что область построена на прочной технической основе, готовой к решению проблем и возможностей, которые лежат впереди.