Неудачно сшитый костюм или уменьшенная футболка могут быть не самыми стильными, но их ношение вряд ли повредит вашей репутации. Однако неподходящий роботизированный экзоскелет на поле боя или в заводском цехе может стать гораздо большей проблемой, чем модная бестактность.
Экзоскелеты, многие из которых приводятся в действие пружинами или двигателями, могут вызвать боль или травму, если их суставы не совпадают с суставами пользователя. Чтобы помочь производителям и потребителям снизить эти риски, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый метод измерения, позволяющий проверить , плавно и гармонично ли движутся экзоскелет и человек, носящий его.
В новом отчете исследователи описывают систему оптического слежения (OTS), мало чем отличающуюся от методов захвата движения, используемых кинематографистами для оживления компьютерных персонажей.
OTS использует специальные камеры, которые излучают свет и фиксируют то, что отражается, с помощью сферических маркеров, расположенных на интересующих объектах. Компьютер вычисляет положение помеченных объектов в трехмерном пространстве. Здесь этот подход был использован для отслеживания движения экзоскелета и тестовых образцов, называемых «артефактами», прикрепленных к его пользователю.
«Конечная цель — привязать эти артефакты к человеку, надеть экзоскелет, сравнить разницу между человеком, носящим эти артефакты, и экзоскелетом и посмотреть, двигаются ли они одинаково», — сказал Роджер Бостельман, инженер-робототехник из NIST и ведущий автор исследования. «Если они движутся согласованно друг с другом, значит, они подходят правильно. Если они двигаются по-разному, они не подходят правильно, и вы можете определить корректировки оттуда».
В новом исследовании исследователи NIST стремились зафиксировать движение колена — одного из относительно простых суставов тела, сказал Бостельман. Чтобы оценить неопределенность измерений своего нового подхода, они построили две протезы в качестве испытательных стендов. На одном из них был стандартный протез колена, а на другом — колено с трехмерной печатью, которое более точно имитировало настоящую вещь. Металлические пластины также были прикреплены к ногам с помощью эластичных шнуров, чтобы представить экзоскелетные конечности или тестовые артефакты, прикрепленные к телу.
После прикрепления маркеров к ногам и пластинам команда использовала OTS и цифровой транспортир для измерения углов колен во всем диапазоне их движений. Сравнивая два набора измерений, они смогли определить, что их система способна точно отслеживать положение ног.
Тесты также установили, что их система может рассчитывать отдельные движения ног и экзоскелетных пластин, что позволяет исследователям показать, насколько близко они расположены друг к другу при движении.
Чтобы адаптировать свой метод для использования на ноге реального человека, команда разработала и напечатала на 3D-принтере регулируемые артефакты, которые, как коленный бандаж, подходят к бедру и голени пользователя. По словам Бостельмана, в отличие от кожи, которая смещается из-за собственной эластичности и сокращения мышц под ней, или плотной одежды, которая может быть неудобной для некоторых, эти артефакты предлагают жесткую поверхность, чтобы стабильно и последовательно размещать маркеры на разных людях.
Команда установила на Бостельмана артефакты колен и экзоскелет всего тела, украшенный светоотражающими маркерами. Наблюдая за его ногами, OTS приступил к выполнению нескольких подходов приседаний.
Тесты показали, что большую часть времени нога Бостельмана и экзоскелет двигались в гармонии. Но на короткое время его тело двигалось, а экзоскелет — нет. Эти паузы можно объяснить тем, как работает этот экзоскелет.
Чтобы придать дополнительную силу, в нем используются пружины, которые включаются и расцепляются при движении человека. Экзоскелет приостанавливается, когда пружины переключают режимы, однако временно препятствуя движению пользователя. Обнаружив нюансы функции экзоскелета, новый метод измерения продемонстрировал внимание к деталям.
Сами по себе необработанные данные не всегда показывают, подходит ли подгонка. Чтобы повысить точность своего метода, Бостельман и его команда также будут использовать вычислительные алгоритмы для анализа позиционных данных.
«Следующие шаги — разработать артефакты для руки, бедра и практически всех суставов, которым должен соответствовать этот экзоскелет, а затем провести аналогичные тесты», — сказал Бостельман.