Método para que los exoesqueletos encajen bien

Un traje mal confeccionado o una camiseta encogida puede no ser lo más elegante, pero es poco probable que usarlos dañe más que nuestra reputación. Un exoesqueleto robótico mal ajustado en el campo de batalla o en la fábrica, sin embargo, podría ser un problema mucho más grande que un paso en falso de la moda.

Los exoesqueletos, muchos de los cuales son accionados por resortes o motores, pueden causar dolor o lesiones si sus articulaciones no están alineadas con las del usuario. Para ayudar a los fabricantes y consumidores a mitigar estos riesgos, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) desarrollaron un nuevo método de medición para comprobar si un exoesqueleto y la persona que lo lleva se mueven con suavidad y en armonía.

En un nuevo informe, los investigadores describen para esta tarea un sistema de rastreo óptico (OTS) no muy diferente de las técnicas de captura de movimiento utilizadas por los cineastas para dar vida a personajes generados por ordenador.

El OTS utiliza cámaras especiales que emiten luz y capturan lo que se refleja en marcadores esféricos dispuestos en los objetos de interés. Una computadora calcula la posición de los objetos marcados en el espacio tridimensional. El método se utilizó para rastrear el movimiento de un exoesqueleto y elementos de ensayo, llamados "artefactos", sujetos a su usuario.

"El objetivo es comparar cómo la persona lleva estos artefactos y cómo los lleva el exoesqueleto, y ver si se mueven igual", dijo Roger Bostelman, ingeniero en robótica del NIST y autor principal del estudio. "Si se mueven conjuntados, entonces todo encaja correctamente. Si se mueven de manera diferente, entonces no encaja correctamente, y podrías determinar los ajustes a partir de ahí".

Unos marcadores reflectantes se fijan a un aparato azul, impreso en 3D, por encima y por debajo de la rodilla del usuario, así como a dos placas metálicas en la pierna del exoesqueleto. Los investigadores rastrean y comparan el movimiento de los marcadores para comprender cómo encajan los exoesqueletos. En esta foto compuesta, la placa inferior ha sido añadida después de la imagen original para mostrar toda la configuración. (Foto: N. Hanacek/NIST)

En el nuevo estudio, los investigadores del NIST se propusieron capturar el movimiento de la rodilla, una de las articulaciones relativamente simples del cuerpo, dijo Bostelman. Para evaluar la incertidumbre de medición de su nuevo método, construyeron dos piernas artificiales como bancos de prueba. Una de ellas tenía una rodilla protésica estándar, mientras que la otra incorporaba una rodilla impresa en 3D que se asemejaba más a la real. También se fijaron placas metálicas a las piernas con cuerdas elásticas para representar miembros exoesqueléticos o artefactos de prueba adheridos al cuerpo.

Después de fijar los marcadores en las piernas y las placas, el equipo usó el OTS y un transportador digital para medir los ángulos de las rodillas en todo su rango de movimiento. Comparando los dos conjuntos de medidas, pudieron determinar que su sistema era capaz de rastrear con precisión la posición de las piernas.

Las pruebas también establecieron que su sistema podía calcular los movimientos separados de las piernas y las placas exoesqueléticas, permitiendo a los investigadores mostrar cuán estrechamente alineados están los dos mientras se mueven.

Para adaptar su método para ser usado en la pierna de una persona real, el equipo diseñó e imprimió en 3D artefactos ajustables que - como una rodillera - se ajustan al muslo y la espinilla del usuario. A diferencia de la piel, que se desplaza debido a su propia elasticidad y a la contracción de los músculos de la parte inferior, o de la ropa ajustada a la piel que puede resultar incómoda para algunos, estos artefactos ofrecen una superficie rígida para colocar marcadores de forma estable y consistente en diferentes personas, según Bostelman.

El equipo montó los artefactos de la rodilla y un exoesqueleto de cuerpo entero adornado con marcadores reflectantes sobre Bostelman. Con el OTS vigilando de cerca sus piernas, procedió a realizar varias sentadillas.

Las pruebas mostraron que la mayoría de las veces, la pierna de Bostelman y el exoesqueleto se movían en armonía. Pero por breves momentos, su cuerpo se movió mientras que el exoesqueleto no. Estas pausas podrían explicarse por la forma en que funciona el exoesqueleto.

Para proporcionar fuerza extra, utiliza resortes, que se activan y desactivan a medida que la persona se mueve. El exoesqueleto hace una pausa cuando los resortes cambian de modo, sin embargo, resistiendo temporalmente el movimiento del usuario. Al detectar los matices de la función del exoesqueleto, el nuevo método de medición demostró su atención a los detalles.

Los datos en bruto por sí solos no siempre revelan si un ajuste es adecuado. Para mejorar la precisión de su método, Bostelman y su equipo también usarán algoritmos computacionales para analizar los datos posicionales.

"Los siguientes pasos son desarrollar artefactos para el brazo, para la cadera y básicamente todas las articulaciones con las que se supone que este exoesqueleto estará alineado y luego realizar pruebas similares", dijo Bostelman. (Fuente: NCYT Amazings)