外骨骼研究向前推进

反光标记贴在用户膝盖上下的蓝色3d打印设备上，外骨骼腿上的两块金属板上。研究人员跟踪和比较标记物的运动，以了解外骨骼的契合程度。在这张合成照片中，底板是在原始图像拍摄后添加的，以显示整个配置。

资料来源:联合国Hanacek / NIST

一套剪裁粗糙的西装或一件皱巴巴的t恤可能不是最时尚的，但穿上它们对你造成的损害不可能超过你的声誉。然而，在战场上或工厂里，不合适的机器人外骨骼可能是一个比时尚失礼更大的问题。

外骨骼如果它们的关节与用户的关节不一致，就会导致疼痛或受伤。为了帮助制造商和消费者降低这些风险，美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员开发了一种新的测量方法，以测试外骨骼和佩戴它的人是否运动平稳、协调。

在一份新的报告中，研究人员描述了一种光学跟踪系统(OTS)，这与电影制作人使用动作捕捉技术让电脑生成的角色栩栩如生没有什么不同。

OTS使用特殊的摄像机发射光线，并捕捉放置在感兴趣的物体上的球形标记所反射回来的东西。计算机计算标记对象的位置3 d空间。在这里，这种方法被用来跟踪外骨骼和被称为“人工制品”的测试部件的运动，这些部件被固定在用户身上。

“最终的目标是把这些人工制品绑在人身上，穿上外骨骼，比较佩戴这些人工制品和外骨骼的人的不同，看看他们是否移动相同，”Roger Bostelman说机器人NIST的工程师和这项研究的第一作者。“如果它们彼此协调，那么就很合适。如果他们的移动方式不同，那就不合适，你可以从那里决定如何调整。”

Bostelman说，在这项新研究中，NIST的研究人员旨在捕捉膝盖的运动，膝盖是人体相对简单的关节之一。为了评估新方法的测量不确定度，他们搭建了两条假腿作为实验台。一个是现成的假膝盖，另一个是3 d打印的膝盖更接近真实的东西。金属板也用蹦极绳固定在腿上，代表外骨骼四肢或测试附着在身体上的人工制品。

在将标记固定在腿和板上之后，研究小组使用OTS和一个数字量角器测量膝关节在整个活动范围内的角度。通过比较两组测量结果，他们能够确定他们的系统能够准确跟踪腿的位置。测试还表明，他们的系统可以计算出腿和外骨骼板的独立运动，使研究人员能够显示出两者在移动时的紧密对齐程度。

为了将他们的方法应用到人的腿上，团队设计了3 d打印的可调节的工件，如膝盖支架，适合用户的大腿和胫骨。Bostelman说，与皮肤不同，皮肤会因为自身的弹性和肌肉的收缩而发生变化，或者紧身的衣服可能会让一些人感到不舒服，这些人工制品提供了一个坚硬的表面，可以稳定、持续地在不同的人身上放置标记。

该团队在Bostelman上安装了膝盖文物和全身外骨骼，并用反射标记装饰。在OTS的密切关注下，他继续做了几组深蹲。测试表明，大多数时候，博斯特尔曼的腿和外骨骼的运动是和谐的。但在短暂的片刻里，他的身体移动了，而外骨骼却没有。这些停顿可以用这种外骨骼的工作方式来解释。

为了提供额外的力量，它使用弹簧，当人移动时，弹簧就会启动和退出。然而，当弹簧切换模式时，外骨骼会暂停，暂时抵制用户的移动。通过检测外骨骼功能的细微差别，新的测量方法证明了它对细节的关注。

仅凭原始数据并不总能揭示一个匹配是否足够。为了提高方法的准确性，Bostelman和他的团队还将使用计算算法来分析位置数据。Bostelman说:“下一步是为手臂、臀部和基本上所有外骨骼应该与之一致的关节开发人工制品，然后进行类似的测试。”

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