Revolutionaire optische tracking methode garandeert perfecte exoskelet pasvorm en gebruikersveiligheid

Exoskeletten, velen waarvan aangedreven worden door veren of motoren, kunnen pijn of letsel veroorzaken als hun gewrichten niet uitgelijnd zijn met die van de gebruiker. Om deze risico's te mitigeren, is een nieuwe meetmethode ontwikkeld om te testen of een exoskelet en de persoon die het draagt soepel en in harmonie bewegen.

De methode is een optisch tracking systeem (OTS) niet ongelijke de motion capture technieken gebruikt door filmmakers om computergenererde personages tot leven te wekken. De OTS gebruikt speciale camera's die licht emitteren en vastleggen wat weerkaatst wordt door sferische markers gerangschikt op objecten van belang. Een computer berekent de positie van de gelabelde objecten in 3D ruimte. De benadering werd gebruikt om de beweging van een exoskelet en teststukken, genaamd "artifacts," bevestigd aan de gebruiker te volgen.

Het uiteindelijke doel is deze artifacts op een persoon te plaatsen, het exoskelet aan te trekken, het verschil te vergelijken tussen de persoon die de artifacts draagt versus het exoskelet, en te zien of ze in concert met elkaar bewegen. Als ze anders bewegen of niet correct passen, kunnen aanpassingen gemaakt worden.

Onderzoekers wilden de beweging van de knie vastleggen — een van de relatief eenvoudige gewrichten van het lichaam. Om de meetonzekerheid van de nieuwe benadering te beoordelen, bouwden ze twee kunstmatige benen als testbeds. Eén had een kant-en-klaar prothetische knie, terwijl de andere een 3D-geprinte knie incorporeerde die het echte ding nauwkeuriger namide. Metaalplaten werden ook aan de benen bevestigd met elastische touwen om exoskelet ledematen of test artifacts bevestigd aan het lichaam voor te stellen. Na het bevestigen van markers aan de benen en platen, gebruikte het team de OTS en een digitale hoekmeter om kniehoeken door hun volledige bewegingsbereik te meten. Door de twee sets metingen te vergelijken, konden ze bepalen dat hun systeem in staat was om beenpositie nauwkeurig te volgen. De testen stelden ook vast dat hun systeem de afzonderlijke bewegingen van de benen en exoskelet platen kon berekenen, wat de onderzoekers in staat stelde om te laten zien hoe nauwkeurig de twee uitgelijnd zijn tijdens beweging.

Om de methode aan te passen voor gebruik op een echt persoon's been, ontwierp en 3D-printte het team aanpasbare artifacts die — zoals een knieschijf — passen op de dij en scheen van de gebruiker. In tegenstelling tot de huid, die verschuift door zijn eigen elasticiteit en samenkrampende spieren eronder, of strakkleding die voor sommigen ongemakkelijk kan zijn, bieden deze artifacts een rigide oppervlak om markers stabiel en consistent op verschillende mensen te plaatsen. Het team bevestigde de knie artifacts en een full-body exoskelet versierd met reflecterende markers op een menselijk proefpersoon. Met de OTS als toeschouwer, voerde het proefpersoon diverse sets diepknien uit. De testen toonden aan dat de meeste tijd, het been van het proefpersoon en het exoskelet in harmonie bewogen. Maar voor korte momenten, bewog het lichaam van het proefpersoon terwijl het exoskelet niet. Deze pauzes kunnen verklaard worden door de manier waarop dit exoskelet werkt.

Om extra kracht te bieden, gebruikt het veren, die ingrijpen en loslaten naarmate de persoon beweegt. Het exoskelet pauzeert wanneer de veren modi schakelen, tijdelijk de beweging van de gebruiker weerstand biedend. Door de nuances van de exoskeletfunctie te detecteren, toonde de nieuwe meetmethode haar aandacht voor detail.

De ruwe data alleen onthult niet altijd of een pasvorm adequaat is. Om de nauwkeurigheid van hun methode te verbeteren, zal het team ook computationele algoritmes gebruiken om de positionele data te analyseren. De volgende stappen zijn artifacts te ontwikkelen voor de arm, de heup, en basisweg alle gewrichten waar het exoskelet in lijn met moet zijn en dan vergelijkbare testen uit te voeren.