[論文レビュー] Voice Controlled Upper Body Exoskeleton: A Development For Industrial Application

Shivam Tripathy, Rohan Panicker+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2020

Stroke Rehabilitation and Recovery被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、産業用途を想定した音声制御上肢外骨格を提示している。この外骨格により、作業者は肩や腕への負担を軽減しながら最大20 kgの追加重量を挙上可能となる。3Dプリンティングによるメカニカル構造、Arduinoを用いた音声認識、および荷重支持部品を備えたプロトタイプは、反復的な挙上作業における身体的負担の軽減と筋力の強化の可能性を実証している。

ABSTRACT

An exoskeleton is a wearable electromechanical structure that is intended to resemble and allow movements in a manner similar to the human skeletal system. They can be used by both disabled and able people alike to increase physical strength in carrying out tasks that would be otherwise difficult, or as a rehabilitation device to aid in physiotherapeutic activities of a weakened body part. This paper intends to introduce a voicecontrolled upper body exoskeleton for industrial applications which can aid workers wearing it by reducing stresses on their arms and shoulders over longer periods and add up to 20kg more strength in lifting applications. The 3D design, calculations and considerations, and load analysis are presented along with brief results of a basic prototype model of the exoskeleton.

研究の動機と目的

• 反復的な挙上作業における筋骨格への負担を軽減することを目的とした、着用式で音声制御可能な外骨格の開発。
• 上肢の運動において最大20 kgの追加挙上支援を提供することで、身体的筋力を強化すること。
• 産業環境に適した機械的および制御システムを備えた、軽量で3Dプリントされた外骨格の設計。
• 構造的計算および荷重解析を通じたプロトタイプ開発による概念の検証。
• Arduinoベースの処理を用いた音声コマンド制御の統合による、両手を自由に使える操作の実現。

提案手法

• 外骨格は、人体の運動学を模倣するように設計された、3Dプリントされたメカニカルフレームと、肩、肘、手首の関節を備えている。
• 20 kgの荷重下での構造的整合性を確保するため、荷重解析および静的応力計算が実施された。
• マイクモジュールを介して音声コマンドを取得し、Arduino Unoマイコンにより処理して作動をトリガーする。
• 肩および肘の主要関節に設けられたサーボモーターは、音声入力に基づいて制御され、挙上および移動を支援する。
• 「lift」や「lower」などの簡単なコマンドセットが、事前に定義されたモーター動作にマッピングされている。
• プロトタイプの試験には、機械的荷重試験および運動の滑らかさと応答時間の評価が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 音声制御外骨格は、反復的な挙上作業における産業作業者の身体的負担を効果的に軽減できるか？
• RQ2 音声活性化された外骨格は、産業環境において人の挙上力をどの程度強化できるか？
• RQ3 機械的設計および荷重分散は、着用式上肢外骨格の構造的信頼性にどのように影響するか？
• RQ4 低コストの音声認識をリアルタイムのモーター制御と統合する外骨格において、実現可能性はいかがなものか？
• RQ5 制御された荷重条件下で、プロトタイプの応答時間および運動精度はどの程度の性能を示すか？

主な発見

• プロトタイプは、最大20 kgの追加荷重を挙上する支援を効果的に実証し、ユーザーの努力を顕著に軽減した。
• 構造的計算により、3Dプリント部品が最大予想荷重下でも破損せずに耐えうることが確認された。
• 音声コマンド認識とモーター作動は、実験室内条件下で0.5秒未満の応答時間で達成された。
• 挙上および降下サイクル中、外骨格は安定した運動を維持し、効果的な制御統合が実現したことを示した。
• 荷重解析により、主要関節に均等な応力分布が確認され、局所的疲労や摩耗が最小限に抑えられた。
• プロトタイプの設計は、最小限の改造で産業環境にスケーラブルかつ適応可能であることが実証された。