Метод измерения проверяет пригодность экзоскелетов

Экзоскелеты, многие из которых приводятся в действие пружинами или двигателями, могут вызвать боль или травму, если их суставы не выровнены с суставами пользователя. Чтобы снизить эти риски, был разработан новый метод измерения, позволяющий проверить, плавно и гармонично двигаются экзоскелет и человек, который его носит.

Этот метод представляет собой оптическую систему слежения (OTS), мало чем отличающуюся от методов захвата движения, используемых кинематографистами для оживления созданных компьютером персонажей. OTS использует специальные камеры, которые излучают свет и фиксируют то, что отражается сферическими маркерами, расположенными на интересующих объектах. Компьютер вычисляет положение помеченных объектов в трехмерном пространстве. Этот подход использовался для отслеживания движения экзоскелета и тестовых образцов, называемых «артефактами», прикрепленных к его пользователю.

Конечная цель состоит в том, чтобы надеть эти артефакты на человека, надеть экзоскелет, сравнить разницу между человеком, носящим артефакты, и человеком, носящим экзоскелет, и посмотреть, двигаются ли они согласованно друг с другом. Если они двигаются по-разному или не подходят, можно внести коррективы.

Исследователи стремились запечатлеть движение колена — одного из относительно простых суставов тела. Чтобы оценить неопределенность измерения нового подхода, они построили две искусственные ноги в качестве испытательных стендов. В одном из них был готовый протез колена, а в другом было колено, напечатанное на 3D-принтере, которое более точно имитировало настоящее. Металлические пластины также были прикреплены к ногам банджи-шнурами, чтобы представить экзоскелетные конечности или тестовые артефакты, прикрепленные к телу. Прикрепив маркеры к ногам и пластинам, команда использовала OTS и цифровой транспортир для измерения углов коленей во всем диапазоне движения. Сравнив два набора измерений, они смогли определить, что их система способна точно отслеживать положение ног. Тесты также показали, что их система может рассчитывать отдельные движения ног и экзоскелетных пластин, что позволяет исследователям показать, насколько точно они выровнены во время движения.

Чтобы адаптировать метод для использования на ноге реального человека, команда разработала и напечатала на 3D-принтере регулируемые артефакты, которые, как наколенник, подходят к бедру и голени пользователя. В отличие от кожи, которая смещается из-за собственной эластичности и сокращения мышц под ней, или тесной одежды, которая может быть неудобной для некоторых, эти артефакты предлагают жесткую поверхность, чтобы стабильно и последовательно размещать маркеры на разных людях. Команда установила артефакты колена и экзоскелет всего тела, украшенный отражающими маркерами, на человека. Под наблюдением OTS испытуемый выполнил несколько подходов приседаний. Тесты показали, что большую часть времени нога испытуемого и экзоскелет двигались синхронно. Но на короткое время тело субъекта двигалось, а экзоскелет — нет. Эти паузы можно объяснить тем, как работает этот экзоскелет.

Для обеспечения дополнительной прочности в нем используются пружины, которые включаются и расцепляются при движении человека. Экзоскелет останавливается, когда пружины меняют режимы, временно сопротивляясь движению пользователя. Обнаружив нюансы работы экзоскелета, новый метод измерения продемонстрировал внимание к деталям.

Одни только необработанные данные не всегда показывают, является ли соответствие адекватным. Чтобы повысить точность своего метода, команда также будет использовать вычислительные алгоритмы для анализа позиционных данных. Следующими шагами будут разработка артефактов для руки, бедра и практически всех суставов, которым должен соответствовать экзоскелет, а затем выполнение аналогичных тестов.