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光学跟踪系统可以捕获并重新创建数字空间中外骨骼标记

穿着陈旧的西服或萎缩的T恤可能不是最时髦的,但是穿着它们可能不会给您的声誉带来更多伤害。然而,在战场或工厂车间,不合适的机器人外骨骼可能会比人造假人大得多的问题。

如果外骨骼的关节与使用者的关节不对齐,则外骨骼可能会引起疼痛或伤害,其中许多外骨骼是由弹簧或电动机驱动的。为了帮助制造商和消费者减轻这些风险,美国国家标准技术研究院(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者的动作是否平稳,和谐。

在一份新报告中,研究人员描述了一种光学跟踪系统(OTS),与电影制片人用来使计算机生成的角色栩栩如生的动作捕捉技术不同。

OTS使用特殊的摄像头,这些摄像头会发光并捕获被布置在感兴趣对象上的球形标记反射回来的内容。计算机会计算出带标签的对象在3D空间中的位置。在此,此方法用于跟踪固定在其使用者身上的外骨骼和试件(称为“工件”)的运动。

NIST的机器人工程师Roger Bostelman说:“最终的目标是将这些人造物绑在人身上,戴上外骨骼,比较穿着这些人造物的人与外骨骼之间的差异,并观察它们是否可以移动。”该研究的主要作者。“如果他们彼此一致地移动,那么它就正确地适合。如果他们以不同的方式运动,那它就不能正确地适应,您可以从那里确定调整。”

Bostelman说,在这项新研究中,NIST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。为了评估其新方法的测量不确定度,他们建造了两条人造腿作为测试台。一个以现成的假肢为特征,而另一个以3D打印的膝盖为原型,更接近于真实物体。还用蹦极绳将金属板固定在腿上,以代表附着在身体上的骨骼外肢或测试假象。

在将标记物固定在腿和板上之后,该团队使用OTS和数字量角器在整个运动范围内测量膝盖角度。通过比较两组测量值,他们能够确定其系统能够准确跟踪腿部位置。

测试还确定了他们的系统可以计算腿和骨骼外板的独立运动,从而使研究人员能够显示运动时两者的对齐程度。

为了使他们的方法适用于实际的人的腿部,该团队设计了3D打印的可调节伪像,这些伪像像护膝一样适合用户的大腿和小腿。博斯泰尔曼说,与由于皮肤自身的弹性和下面的肌肉收缩而移动的皮肤,或者对于某些人可能不舒服的紧身衣服不同,这些人工制品提供了坚硬的表面,可以将标记物稳定,一致地放置在不同的人身上。

该团队将膝盖假象和以反光标记装饰的全身外骨骼装在Bostelman身上。在OTS密切注视着他的双腿的同时,他进行了几组下蹲。

测试表明,大多数时候,博斯泰尔曼的腿和外骨骼都协调运动。但是片刻之内,他的身体移动了,而外骨骼却没有。这些停顿可以通过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,随着人的移动,弹簧会接合和脱离。当弹簧切换模式时,外骨骼会暂停,但是会暂时阻止使用者的运动。通过检测外骨骼功能的细微差别,新的测量方法表明了其对细节的关注。

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