Revolutionäre optische Tracking-Methode gewährleistet perfekten Exoskelett-Sitz und Nutzer-Sicherheit

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

Die Methode ist ein optisches Tracking-System (OTS), nicht unähnlich den Motion-Capture-Techniken, die Filmemacher nutzen, um computergenerierte Charaktere zum Leben zu erwecken. Das OTS verwendet spezielle Kameras, die Licht emittieren und das von sphärischen Markern an Objekten von Interesse reflektierte Licht erfassen. Ein Computer berechnet die Position der markierten Objekte im 3D-Raum. Der Ansatz wurde genutzt, um die Bewegung eines Exoskeletts und Teststücke, sogenannte „Artefakte“, die an seinem Nutzer befestigt sind, zu verfolgen.

Das ultimative Ziel ist, diese Artefakte an einer Person anzubringen, das Exoskelett anzuziehen, den Unterschied zwischen der Person mit den Artefakten versus dem Exoskelett zu vergleichen und zu sehen, ob sie sich im Einklang bewegen. Wenn sie sich anders bewegen oder der Sitz nicht korrekt ist, könnten Anpassungen vorgenommen werden.

Die Forscher zielten darauf ab, die Bewegung des Knies – eines der relativ einfachen Gelenke des Körpers – zu erfassen. Um die Messunsicherheit des neuen Ansatzes zu bewerten, konstruierten sie zwei künstliche Beine als Testbetten. Eines verfügte über ein handelsübliches Prothesenknie, während das andere ein 3D-gedrucktes Knie enthielt, das dem echten Knie näher kam. Metallplatten wurden ebenfalls mit Bungee-Seilen an den Beinen befestigt, um exoskelettale Gliedmaßen oder Testartefakte darzustellen, die am Körper angebracht sind. Nach dem Anbringen von Markern an Beinen und Platten nutzte das Team das OTS und einen digitalen Winkelmesser, um Kniebewegungen über ihren gesamten Bewegungsbereich zu messen. Durch Vergleich der beiden Messsätze konnten sie bestimmen, dass ihr System in der Lage war, die Beinposition präzise zu verfolgen. Die Tests stellten auch fest, dass ihr System die separaten Bewegungen der Beine und exoskelettalen Platten berechnen konnte, was den Forschern zeigte, wie eng die beiden während der Bewegung ausgerichtet sind.

Um die Methode für ein echtes menschliches Bein anzupassen, entwarf und 3D-druckte das Team verstellbare Artefakte, die – wie eine Knieschiene – an den Oberschenkel und das Schienbein des Nutzers angepasst werden. Im Gegensatz zur Haut, die aufgrund ihrer eigenen Elastizität und der darunter kontrahierenden Muskeln verschiebt, oder hautenger Kleidung, die für manche unangenehm sein mag, bieten diese Artefakte eine starre Oberfläche, um Marker stabil und konsistent an verschiedenen Personen zu platzieren. Das Team montierte die Knie-Artefakte und ein Ganzkörper-Exoskelett, garniert mit reflektierenden Markern, an einem menschlichen Probanden. Mit dem OTS als Beobachter führte der Proband mehrere Sätze Kniebeugen aus. Die Tests zeigten, dass die meiste Zeit das Bein des Probanden und das Exoskelett in Harmonie bewegten. Aber für kurze Momente bewegte sich der Körper des Probanden, während das Exoskelett stillstand. Diese Pausen könnten durch die Funktionsweise dieses Exoskeletts erklärt werden.

Um zusätzliche Kraft zu bieten, nutzt es Federn, die einrasten und lösen, während sich die Person bewegt. Das Exoskelett pausiert, wenn die Federn den Modus wechseln und vorübergehend der Bewegung des Nutzers widerstehen. Durch das Erkennen der Nuancen der Exoskelett-Funktion demonstrierte die neue Messmethode ihre Detailgenauigkeit.

Die Rohdaten allein offenbaren nicht immer, ob ein Sitz adäquat ist. Um die Genauigkeit ihrer Methode zu verbessern, wird das Team auch computergestützte Algorithmen nutzen, um die Positionsdaten zu analysieren. Die nächsten Schritte sind, Artefakte für den Arm, die Hüfte und im Grunde alle Gelenke zu entwickeln, mit denen das Exoskelett in Linie sein soll, und dann ähnliche Tests durchzuführen.