アポロ宇宙飛行士がスローモーションで跳ね返りながらつまずいたりつまずいたりするNASAの映像は、MITのエンジニアにとって、イノベーションの機会を浮き彫りにしたという。
マサチューセッツ工科大学機械工学ハリー・アサダ教授らは、宇宙飛行士を物理的に支え、落下後に立ち上がらせることができる一対の装着可能なロボットの手足を設計している。
研究者らが過剰なロボット四肢または「SuperLimbs」と名付けたこのシステムは、バックパックから伸びるように設計されており、バックパックには宇宙飛行士の生命維持システムのほか、四肢に電力を供給するコントローラーやモーターも搭載される。
アサダ教授：宇宙飛行士は身体的に非常に有能ですが、月では重力が地球の6分の1でも慣性は変わらないため、苦戦する可能性があります。さらに、宇宙服を着ることは大きな負担であり、動きが制限される可能性があります。 私たちは、宇宙飛行士が転倒しても立ち上がるための安全な方法を提供したいと考えています。
研究者らは、物理的なプロトタイプと、それを使用する宇宙飛行士からのフィードバックに基づいて、手足を制御する制御システムを構築した。研究チームは、宇宙飛行士の宇宙服に似た締め付けのある衣服を着用することを志願した健康な被験者を対象に予備バージョンをテストした。
ボランティアが座った姿勢や横になった姿勢から立ち上がろうとしたとき、SuperLimbsの助けを借りた場合、自力で立ち直らなければならなかった場合に比べて、より少ない労力で立ち上がることができました。
MITチームは、SuperLimbsが宇宙飛行士の落下後に物理的に支援し、その過程で他の重要な作業に向けてエネルギーを節約できるようになると構想している。この設計は、50年以上ぶりに宇宙飛行士を月に送り返すことを計画しているNASAのアルテミス計画の打ち上げに伴い、今後数年間で特に役立つことが判明する可能性があるという。
アポロの主に探査目的のミッションとは異なり、アルテミスの宇宙飛行士は初の恒久的な月面基地の建設に努めるが、これは複数回にわたる長時間の船外活動（EVA）を必要とする肉体的に厳しい任務だ。
マサチューセッツ工科大学博士課程の学生エリック・バレステロス氏は、次のようにコメントする。
アポロ時代には、宇宙飛行士が落下する確率は80パーセントで、掘削や工具を使った何らかの作業をしていた時でした。 アルテミスのミッションは実際に建設と掘削に重点を置くため、落下のリスクははるかに高くなります。私たちは、SuperLimbs が彼らの回復を助け、生産性を高め、EVA を延長できると考えています。
アサダ氏、バレステロス氏、およびその同僚らは、IEEEロボティクスとオートメーションに関する国際会議 (ICRA) で設計と研究を発表する。彼らの共著者には、MIT博士研究員の Sang-Yoep Lee氏とジェット推進研究所の Kalind Carpenter氏が含まれるという。
立ち向かう
このチームの設計は、浅田氏が約10年前に初めて開発したSuperLimbsの最新アプリケーションであり、それ以来、航空機の製造、建設、造船における作業員の支援など、さまざまな用途に適応してきた。
アサダ氏とバレステロス氏は最近、特にNASAが宇宙飛行士を月面に送り返す計画があることから、SuperLimbsが宇宙飛行士を支援できるのではないかと考えていたという。
アサダ氏：NASAとのやりとりの中で、月面落下というこの問題が深刻なリスクであることが分かりました。 私たちは、宇宙飛行士が転倒から回復して作業を継続できるように、設計にいくつかの変更を加えることができることに気づきました。
研究チームはまず一歩下がって、人間が転倒から自然に回復する方法を研究した。彼らの新しい研究では、数名の健康なボランティアに、横向き、前向き、後ろ向きに寝た後、直立してみるよう依頼した。
次に研究者らは、宇宙飛行士の動きが宇宙服の大きさによって制限されるのと同じように、動きが制限されたときにボランティアの立とうとする姿勢がどのように変化するかを調べた。チームは従来の宇宙服の硬さを模倣した宇宙服を作り、ボランティアにその宇宙服を着てもらい、さまざまな倒れた姿勢から再び立ち上がることを試みた。ボランティアの一連の動作は同様でしたが、何の制約も受けずに試みた場合に比べて、はるかに多くの努力が必要だったという。
研究チームは、各ボランティアが立ち上がるときの動きをマッピングしたところ、彼らはそれぞれ、予測可能な順序で、あるポーズまたは「ウェイポイント」から次のポーズに移動する、共通の一連の動作を実行していることが判明した。
バレステロス氏：これらの人間工学的実験は、人間がどのように立ち上がるのかを分かりやすくモデル化するのに役立ちました。人間の約 80% が同様の方法で立ち上がると仮定できます。次に、その軌道に沿ってコントローラーを設計しました。
救いの手
チームは、人間をサポートし、立ち上がるのに役立つシーケンスに従って、ロボットの軌道を生成するソフトウェアを開発した。彼らはコントローラーを重い固定ロボットアームに適用し、それを大きなバックパックに取り付けた。
研究者たちはその後、バックパックをかさばるスーツに取り付け、ボランティアがスーツに戻るのを手伝った。彼らはボランティアたちに再び仰向け、正面、または横向きに寝るよう依頼し、ロボットが人の動きを感知して立ち上がるのを助けるように適応する間、彼らに立ってみるようにしてもらった。全体として、ボランティアは、かさばるスーツを着て一人で立とうとした場合に比べ、ロボットの補助を受けると、はるかに少ない労力で安定して立つことができたという。
バレステロス氏：何か特別な力が一緒に動いているような気がする。バックパックを背負っていると、誰かが上部を掴んで引き上げるようなものを想像してみてください。時間が経つにつれて、それはある意味自然になります。
実験では、制御システムがロボットに、転倒後に立ち上がるのを助けるよう首尾よく指示できることが確認された。研究者らは、この制御システムを最新バージョンのSuperLimbsと組み合わせる計画を立てている。
SuperLimbsは、バックパックから伸びる2つの多関節ロボットアームで構成されている。バックパックには、宇宙飛行士の換気システムとともに、ロボットのバッテリーとモーターも含まれる。
バレステロス氏：私たちは、特定の工学的制約を持つ古典的なロボット マニピュレーターの設計を探すために、AI 検索と設計の最適化に基づいてこれらのロボット アームを設計しました。 私たちは多くのデザインを検討し、人を持ち上げるためのエネルギー消費が最も少ないデザインを探しました。SuperLimbsのこのバージョンは、そのプロセスの成果です。
夏の間、バレステロス氏は NASAのジェット推進研究所で完全なSuperLimbsシステムを構築する予定で、そこで先進的な軽量素材を使用して設計を合理化し、部品とモーターの重量を最小限に抑える予定だ。
そして、将来の月や火星へのミッションで宇宙飛行士を支援することを目標に、手足を宇宙飛行士のスーツと組み合わせ、低重力シミュレータでテストしたいと考えているという。
アサダ氏：宇宙服を着るのは身体的な負担になる可能性があります。ロボットシステムはその負担を軽減し、宇宙飛行士がミッション中に生産性を高めるのに役立ちます。
この研究はNASAによって部分的に支援された。
