Messmethode testet Passform von Exoskeletten

Exoskelette, von denen viele durch Federn oder Motoren angetrieben werden, können Schmerzen oder Verletzungen verursachen, wenn ihre Gelenke nicht mit denen des Benutzers ausgerichtet sind. Um diese Risiken zu mindern, wurde eine neue Messmethode entwickelt, um zu testen, ob sich ein Exoskelett und die Person, die es trägt, reibungslos und harmonisch bewegen.

Die Methode ist ein optisches Tracking-System (OTS), ähnlich den Motion-Capture-Techniken, die von Filmemachern verwendet werden, um computergenerierte Charaktere zum Leben zu erwecken. Das OTS verwendet spezielle Kameras, die Licht aussenden und erfassen, was von sphärischen Markern, die auf interessierenden Objekten angeordnet sind, zurückreflektiert wird. Ein Computer berechnet die Position der beschrifteten Objekte im 3D-Raum. Der Ansatz wurde verwendet, um die Bewegung eines Exoskeletts und Teststücke, sogenannte „Artefakte“, zu verfolgen, die an seinem Benutzer befestigt waren.

Das ultimative Ziel besteht darin, diese Artefakte einer Person anzulegen, das Exoskelett anzulegen, den Unterschied zwischen der Person, die die Artefakte trägt, und dem Exoskelett zu vergleichen und zu sehen, ob sie sich gemeinsam bewegen. Wenn sie sich anders bewegen oder nicht richtig sitzen, können Anpassungen vorgenommen werden.

Die Forscher wollten die Bewegung des Knies erfassen – eines der relativ einfachen Gelenke des Körpers. Um die Messunsicherheit des neuen Ansatzes abzuschätzen, konstruierten sie zwei Beinprothesen als Testbeds. Eines war mit einer Knieprothese von der Stange ausgestattet, während das andere ein 3D-gedrucktes Knie enthielt, das das Original besser nachahmte. Metallplatten wurden auch mit Gummiseilen an den Beinen befestigt, um Exoskelettglieder oder am Körper befestigte Testartefakte darzustellen. Nach dem Befestigen von Markierungen an den Beinen und Platten verwendete das Team das OTS und einen digitalen Winkelmesser, um die Kniewinkel über ihren gesamten Bewegungsbereich zu messen. Durch den Vergleich der beiden Messreihen konnten sie feststellen, dass ihr System in der Lage war, die Beinposition genau zu verfolgen. Die Tests ergaben auch, dass ihr System die getrennten Bewegungen der Beine und der Exoskelettplatten berechnen konnte, wodurch die Forscher zeigen konnten, wie eng die beiden während der Bewegung ausgerichtet sind.

Um die Methode an das Bein einer tatsächlichen Person anzupassen, entwarf und 3D-druckte das Team verstellbare Artefakte, die sich – wie eine Knieorthese – an Oberschenkel und Schienbein des Benutzers anpassen. Anders als die Haut, die sich aufgrund ihrer eigenen Elastizität verschiebt und sich die darunter liegenden Muskeln zusammenziehen, oder hautenge Kleidung, die für manche unangenehm sein kann, bieten diese Artefakte eine starre Oberfläche, um Markierungen stabil und konsistent an verschiedenen Personen anzubringen. Das Team befestigte die Knieartefakte und ein Ganzkörper-Exoskelett, das mit reflektierenden Markierungen verziert war, an einem menschlichen Subjekt. Während der OTS zusah, führte die Testperson mehrere Sätze Kniebeugen aus. Die Tests zeigten, dass sich das Bein des Probanden und das Exoskelett die meiste Zeit im Einklang bewegten. Aber für kurze Momente bewegte sich der Körper des Subjekts, während das Exoskelett es nicht tat. Diese Pausen könnten durch die Funktionsweise dieses Exoskeletts erklärt werden.

Um zusätzliche Kraft zu bieten, werden Federn verwendet, die ein- und ausrasten, wenn sich die Person bewegt. Das Exoskelett pausiert, wenn die Federn den Modus wechseln, und widersetzt sich vorübergehend der Bewegung des Benutzers. Durch die Erkennung der Nuancen der Funktion des Exoskeletts demonstrierte die neue Messmethode ihre Liebe zum Detail.

Die Rohdaten allein sagen nicht immer aus, ob eine Passform ausreichend ist. Um die Genauigkeit ihrer Methode zu verbessern, wird das Team auch Computeralgorithmen verwenden, um die Positionsdaten zu analysieren. Die nächsten Schritte bestehen darin, Artefakte für den Arm, die Hüfte und im Grunde alle Gelenke zu entwickeln, mit denen das Exoskelett übereinstimmen soll, und dann ähnliche Tests durchzuführen.