革新的光学追跡法でエクソスケルトンの完璧なフィットとユーザー安全を確保

バネやモーターで駆動されるエクソスケルトンは、関節がユーザーのものと整列していないと痛みや怪我を引き起こす可能性があります。このリスクを軽減するため、エクソスケルトンと着用者が滑らかに調和して動いているかをテストする新しい測定法が開発されました。

この手法は、映画製作者がCGキャラクターに命を吹き込むために使用するモーションキャプチャ技術に類似した光学追跡システム（OTS）です。OTSは光を放射し、注目対象に配置された球形マーカーで反射した光を捕捉する特殊カメラを使用します。コンピュータが3D空間でのラベル付きオブジェクトの位置を計算します。このアプローチで、エクソスケルトンの動きと、ユーザーに固定された「アーティファクト」と呼ばれるテストピースの動きを追跡しました。

最終目標は、これらのアーティファクトを人に装着し、エクソスケルトンを着用させ、アーティファクト装着時とエクソスケルトン装着時の差を比較し、それらが協調して動くかを見ることです。異なる動きをするか、正しくフィットしていなければ調整できます。

研究者たちは、体の比較的単純な関節である膝の動きを捉えることを目指しました。新アプローチの測定不確実性を評価するため、2本の人工脚をテストベッドとして構築しました。一つは市販の義膝を、もう一つは本物により近い3Dプリント膝を備えています。金属プレートをバンジーコードで脚に固定し、エクソスケルトンの肢や身体に装着するテストアーティファクトを表しました。マーカーを脚とプレートに固定し、OTSとデジタルプロトラクターで膝の全可動域での角度を測定しました。2つの測定値を比較することで、システムが脚の位置を正確に追跡できることを確認しました。テストはまた、システムが脚とエクソスケルトンプレートの個別の動きを計算でき、動作中にそれらがどれだけ密接に整列しているかを示せることも確立しました。

実際の人の脚に適応させるため、チームは膝サポーターのようにユーザーの大腿と下腿にフィットする調整可能なアーティファクトを設計・3Dプリントしました。皮膚はその弾力性と下の筋肉収縮でズレたり、肌着は一部の人に不快だったりするのに対し、これらのアーティファクトは剛性表面を提供し、異なる人々にマーカーを安定かつ一貫して配置できます。チームは膝アーティファクトと反射マーカーで飾られた全身エクソスケルトンを人体被験者に装着しました。OTSが見守る中、被験者は複数セットのスクワットを行いました。テストでは大半の時間、被験者の脚とエクソスケルトンは調和して動きました。しかし一瞬、被験者の身体が動いたのにエクソスケルトンが動かない瞬間がありました。これらの一時停止は、このエクソスケルトンの動作原理で説明できます。

追加の強度を提供するためにバネを使用し、人が動くとバネが係合・離脱します。バネがモードを切り替えるときエクソスケルトンは一時停止し、ユーザーの動きを一時的に抵抗します。エクソスケルトンの機能のニュアンスを検出することで、新測定法はその細部への注意を示しました。

生データだけではフィットが適切か常に判明するとは限りません。手法の精度向上のため、チームは計算アルゴリズムで位置データも分析します。次のステップは、腕、股関節、基本的にエクソスケルトンが整列すべきすべての関節用アーティファクトを開発し、同様のテストを行うことです。