ARC ANGEL：NASAが開発したサブ1G訓練での腕疲労を軽減する革新的システム

ジョンソン宇宙センター（ヒューストン、テキサス州）

ARC ANGELのアクティブ制御システムは、様々な手持ち工具の重量を自動的にオフロードし、サブ1G訓練中の腕の疲労を防ぎます。（画像：NASA）

ARGOSシステムの限界

NASAジョンソン宇宙センター（JSC）の革新者たちは、地上でのロボット訓練システム「ARGOS」を開発しました。オーバーヘッド滑走路とブリッジ駆動システムを用いてケーブルで体重を部分的または完全にオフロードし、テスト対象者を効果的に浮上させることで、宇宙での無重力状態をシミュレートします。しかし、テスト対象者の胴体と脚はオフロードされますが、腕や重い手持ち工具はオフロードされません。

ARC ANGELによる腕のオフロード

Actuated Realtime Control for ARGOS Negation of Gravitational Effects on the Limbs（ARC ANGEL）技術は、ARGOSを使用して訓練活動を行う際に宇宙服着用テスト対象者の腕をオフロードし、疲労を軽減するために開発されました。ARGOSと同様に、コンピューター制御のアクティブケーブルテンションでオフロードを提供します。ケーブルは、各肘のすぐ上にあるアームカフと、宇宙服のバックパック型一次生命維持システム（PLSS）に取り付けられたモーター駆動リールの間に張られています。

多様な地上応用への展開

このアクティブオフロード技術は、ゼロから1G環境のシミュレーション以外にも多くの応用が可能です。例えば、肩をリハビリ中の患者が腕の重量や把持荷重をオフロードする動作支援を受けたり、重い工具を扱う建設作業員がより容易に操作できたり、軍人の装備重量を相殺して四肢の疲労を防いだりできます。

システム構成と動作原理

ARC ANGELはARGOSと同様のアクティブロボットシステムですが、電動モーターがオーバーヘッドの滑走路とブリッジシステムに取り付けられる代わりに、テスト対象者のバックパック型PLSSに搭載され、ケーブルを介して上腕にリアルタイムの作動トルクオフロードを提供します。テスト対象者がハンマーを拾うと、システムはプログラムされた環境に応じて即座にハンマーの重量をオフロードします。

システムは電動モーター、ソフトグッズ、電子ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアで構成されます。JSCのエンジニアたちは、運動学アルゴリズムとモーター制御のクローズドループアーキテクチャ、センサーデータを取り込むカスタムコンピューター言語スクリプトを活用したソフトウェアをコーディングし、スムーズな腕オフロードとシステム性能の最適化を実現しました。これにより、ARC ANGELのサブシステムがシームレスに統合され、ゼロから1G環境を正確にシミュレートできます。

リアルタイム制御とユーザーインターフェース

動作中、コンパクトなテンションセンサーと慣性計測ユニットが腕の重量と動きを検出し、データをシングルボードコンピューターと必要なファームウェアに供給するクローズドループ制御システムを形成します。また、希望する腕オフロード値を入力するためのカスタムグラフィカルユーザーインターフェースも社内で開発されました。

独立した電源と外部ケーブル不要

さらに、ARC ANGELは独自の電源を備え、サブコンポーネントに外部ケーブルなしで電力を供給します。これによりARGOSから独立して機能でき、地上応用への可能性をさらに広げます。この研究は、リハビリテーションや支援医療デバイスに実装されているアクティブ外骨格開発と直接関連しています。ARC ANGELは、被験者の完全な可動域を維持しながら所望の支援（オフロード）を提供します。システムのハードウェアとソフトウェアは、宇宙服なしで個人にカスタムフィットさせ、腕のオフロードだけでなく四肢支援動作に向けて修正可能です。

NASAはこの技術の商業化に向けてライセンシーを積極的に募集しています。ライセンスに関するお問い合わせは、NASAライセンスコンシェルジュ（メール、電話：202-358-7432）までご連絡ください。詳細情報はこちらをご覧ください。