Роботизированное управление протезами

Роботизированное управление протезом – метод управления протезом таким образом, что управляемый роботизированный протез восстанавливает биологически точную походку человеку с потерей конечности. ^[1] Это особая отрасль управления, в которой упор делается на взаимодействие человека и робототехники.

Фон

В 1970-х годах несколько исследователей разработали привязной электрогидравлический трансфеморальный протез. ^[2]^[3]^[4]^[5]^[6]^[7] Он включал только коленный шарнир с гидравлическим приводом, управляемый внешней электроникой с использованием типа управления, называемого эхо-контролем. ^[4] Эхо-контроль пытается взять кинематику здоровой ноги и управлять протезной ногой, чтобы она соответствовала неповрежденной ноге, когда она достигает этой части цикла ходьбы. ^[3] В 1988 году Попович и Швиртлих создали активный коленный сустав с батарейным питанием, приводимый в действие двигателями постоянного тока и управляемый надежным алгоритмом отслеживания положения. ^[8]^[9] Управление отслеживанием — это распространенный метод управления, используемый для принудительного отслеживания определенного состояния, такого как положение, скорость или крутящий момент, для отслеживания определенной траектории. Это всего лишь два примера предыдущей работы, проделанной в этой области.

Контроль нижних конечностей

Контроль импеданса

Эта форма контроля представляет собой подход, используемый для управления динамическим взаимодействием между окружающей средой и манипулятором. ^[10] Это работает, рассматривая окружающую среду как входной канал, а манипулятор – как импеданс. ^[11] Взаимосвязь, которую это накладывает на роботизированный протез, представляет собой взаимосвязь между производством силы в ответ на движение, вызванное окружающей средой. Это выражается в крутящем моменте, необходимом для каждого сустава во время одного шага, представленном как серия функций пассивного сопротивления, по частям соединенных в течение цикла ходьбы. ^[10] Контроль импеданса не регулирует силу или положение независимо, вместо этого он регулирует соотношение между силой, положением и скоростью. Для разработки контроллера импеданса используется регрессионный анализ данных походки для параметризации функции импеданса. Для протеза нижней конечности функция импеданса выглядит аналогично следующему уравнению. ^[12]

$\tau =k(\theta -\theta {\scriptstyle {\text{0}}})+b{\dot {\theta }}$

Условия k (жесткость пружины), θ ₀ (угол равновесия) и b (коэффициент демпфирования) — это параметры, найденные посредством регрессии и настроенные для различных частей цикла ходьбы и для определенной скорости. Затем это соотношение программируется в микроконтроллере для определения необходимого крутящего момента на различных этапах фазы ходьбы.

Миоэлектрический контроль

Электромиография (ЭМГ) — метод, используемый для оценки и регистрации электрической активности скелетных мышц . ^[13] Усовершенствованные алгоритмы распознавания образов могут брать эти записи и декодировать уникальные образцы сигналов ЭМГ, генерируемые мышцами во время определенных движений. Шаблоны можно использовать для определения намерений пользователя и обеспечения управления протезом конечности. ^[14] Для роботизированных протезов нижних конечностей важно иметь возможность определить, хочет ли пользователь идти по ровной поверхности, вверх по склону или вверх по лестнице. В настоящее время именно здесь вступает в игру миоэлектрический контроль . Во время переходов между этими различными режимами работы сигнал ЭМГ становится сильно изменчивым и может использоваться в качестве дополнения к информации от механических датчиков для определения предполагаемого режима работы. ^[14] Каждому пациенту, который использует роботизированный протез, настроенный для такого типа управления, необходимо специально подготовить систему для него. Это делается путем прохождения ими различных режимов работы и использования этих данных для обучения алгоритма распознавания образов. ^[14]

Механизм адаптации скорости

Механизм адаптации скорости – это механизм, используемый для определения требуемого крутящего момента сочленений при различных скоростях движения. ^[1] Было замечено, что во время фазы опоры квазижесткость, которая является производной зависимости угла крутящего момента от угла, постоянно меняется в зависимости от скорости ходьбы. ^[1] Это означает, что на этапе опоры, в зависимости от скорости движения субъекта, существует зависимость угла крутящего момента, которую можно использовать для управления протезом нижней конечности. Во время фазы переноса вращающий момент сустава увеличивается пропорционально скорости ходьбы, а продолжительность фазы переноса уменьшается пропорционально времени шага. ^[1] Эти свойства позволяют получать траектории, которыми можно управлять, которые точно описывают угловую траекторию на этапе поворота. Поскольку эти два механизма остаются неизменными от человека к человеку, этот метод исключает скорость и индивидуальную настройку пациента, необходимые для большинства контроллеров протезов нижних конечностей. ^[1]

Независимые от модели квадратичные программы (MIQP) + контроль импеданса

Ходьба относится к гибридной системе , то есть имеет разделенную динамику. Для решения этой уникальной проблемы был разработан набор решений для гибридных систем, испытывающих воздействия, под названием «Быстрые экспоненциально стабилизирующие управляющие функции Ляпунова» (RES-CLF). ^[15] Управляющие функции Ляпунова используются для стабилизации нелинейной системы до желаемого набора состояний. RES-CLF можно реализовать с помощью квадратичных программ, которые учитывают несколько ограничений неравенства и возвращают оптимальный результат. ^[15] Одна из проблем заключается в том, что для разработки RES-CLF им требуется модель системы. Чтобы исключить необходимость настройки под конкретных людей, для получения CLF использовались модельно-независимые квадратичные программы (MIQP). Эти CLF ориентированы только на уменьшение ошибки желаемого выходного сигнала без каких-либо знаний о том, каким должен быть желаемый крутящий момент. Для предоставления этой информации добавляется контроль импеданса, обеспечивающий упреждающую величину, которая позволяет MIQP собирать информацию о системе, которой он управляет, не имея полной модели системы. ^[15]

Контроль верхних конечностей

Коммерческие решения используют поверхностные сигналы ЭМГ для управления протезом. Кроме того, исследователи изучают альтернативные решения, использующие различные биологические источники:

имплантированные электроды (нейральные, внутримышечные и эпимизиальные электроды) для регистрации нервной или мышечной активности;
матрицы датчиков давления для обнаружения изменений силы во время мышечного сокращения;
миокинетический подход к измерению мышечной деформации.

Миокинетический контроль

Миокинетический контроль представляет собой альтернативу стандартному миоэлектрическому контролю. Он направлен на измерение деформации мышц во время сокращения, а не на электрическую активность мышц. Недавно в 2017 году появился новый подход, основанный на измерении магнитного поля постоянных магнитов, непосредственно имплантированных в остаточные мышцы. ^[16]^[17] Определение положения магнита эквивалентно измерению сокращения/удлинения мышцы, в которую он имплантирован, по мере движения магнита вместе с ним. Эту информацию можно использовать для интерпретации произвольных движений субъекта и, следовательно, для управления протезом. Магнитные сигналы, генерируемые магнитами, регистрируются внешними датчиками, расположенными вокруг культи конечности. Затем локализация реализуется с помощью метода оптимизации, который выполняет отслеживание путем решения магнитной обратной задачи (например, алгоритм Левенберга-Марквардта ). ^[16]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Лензи, Томмазо; Харгроув, Л.; Сенсингер, Дж. (2014). «Механизм адаптации скорости: роботизированные протезы могут активно регулировать крутящий момент суставов». Журнал IEEE «Робототехника и автоматизация» . 21 (4): 94–107. дои : 10.1109/mra.2014.2360305 . S2CID 7750192 .
^ Штейн, Дж.Л.; Цветы, туалет (1988). «Управление фазой опоры протезов выше колена: контроль колена в сравнении с конструкцией стопы SACH». Журнал биомеханики . 20 (1): 19–28. дои : 10.1016/0021-9290(87)90263-6 . hdl : 2027.42/26850 . ПМИД 3558425 .
^ Jump up to: ^а ^б Граймс, Д.Л. (1979). Активный многорежимный контроллер протеза выше колена. Докторская диссертация, Кембридж, Массачусетс, Массачусетский технологический институт, факультет машиностроения.
^ Jump up to: ^а ^б Граймс, Д.Л.; Цветы, туалет; Донат, М. (1977). «Осуществимость схемы активного управления протезами выше колена». Журнал биомеханической инженерии . 99 (4): 215–221. дои : 10.1115/1.3426293 .
^ Цветы, туалет; Манн, RW (1977). «Электрогидравлический коленный регулятор момента для имитатора протеза». Журнал биомеханической инженерии . 99 (4): 3–8. дои : 10.1115/1.3426266 . ПМИД 23720163 .
^ Донат, М. (1974). Пропорциональное управление ЭМГ для протеза выше колена. Магистерская диссертация Кембридж, Массачусетс, Массачусетский технологический институт, факультет машиностроения
^ Цветы, туалет (1973). Человеко-интерактивный тренажер для изучения протезирования выше колена. Докторская диссертация, Кембридж, Массачусетс, Массачусетский технологический институт, факультет машиностроения.
^ Попович Д. и Швиртлих Л. (1988). Белградский активный протез A/K. Электрофизиологическая кинезиология (Серия международных конгрессов, № 804), де Врис, Дж. (ред.). Амстердам, Excerpta Medica, стр. 337–343.
^ Ау, С., Бонато, П. и Херр, Х. (2005). Система, контролируемая ЭМГ-положением, для активного протеза голеностопного сустава: первоначальное экспериментальное исследование. Материалы Международной конференции IEEE по реабилитационной робототехнике, стр. 375–379.
^ Jump up to: ^а ^б Агасадеги, Навид и др. «Изучение параметров контроллера импеданса для протезов нижних конечностей». Интеллектуальные роботы и системы (IROS), международная конференция IEEE/RSJ 2013 г., посвященная . ИИЭР, 2013.
^ Хоган, Невилл. «Контроль импеданса: подход к манипуляции». Американская конференция по контролю, 1984 г. ИИЭР, 1984.
^ Упс, Фрэнк; Бохара, Амит; Гольдфарб, Майкл (2008). «Проектирование и контроль механизированного трансфеморального протеза» . Международный журнал исследований робототехники . 27 (2): 263–273. дои : 10.1177/0278364907084588 . ПМЦ 2773553 . ПМИД 19898683 .
^ Камен, Гэри. Электромиографическая кинезиология. Робертсон, DGE et al. Методы исследования в биомеханике. Шампейн, Иллинойс: Издательство Human Kinetics, 2004.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Харгроув, LJ; Молодой Эй Джей; Саймон А.М.; и др. (09.06.2015). «Интуитивное управление протезом ноги с электроприводом во время ходьбы: рандомизированное клиническое исследование» . ДЖАМА . 313 (22): 2244–2252. дои : 10.1001/jama.2015.4527 . ISSN 0098-7484 . ПМИД 26057285 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Чжао, Хуэйхуа; Реер, Джейк; Хорн, Джонатан; Паредес, Виктор; Эймс, Аарон Д. (01 января 2015 г.). «Реализация контроллеров на основе нелинейной оптимизации в реальном времени на автономном трансфеморальном протезе». Материалы шестой международной конференции ACM/IEEE по киберфизическим системам . МЦПС '15. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: ACM. стр. 130–138. дои : 10.1145/2735960.2735964 . ISBN 9781450334556 . S2CID 5764182 .
^ Jump up to: ^а ^б Тарантино, С.; Клементе, Ф.; Барон, Д.; Контроцци, М.; Чиприани, К. (2017). «Интерфейс миокинетического управления: отслеживание имплантированных магнитов как средство протезного контроля» . Научные отчеты . 7 (1): 17149. Бибкод : 2017NatSR...717149T . дои : 10.1038/s41598-017-17464-1 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5719448 . ПМИД 29215082 .
^ Висконти, П.; Гаэтани, Ф.; Заппатор, Джорджия; Примичери, П. (2018). «Технические характеристики и функциональные возможности миоэлектрических повязок: обзор соответствующей литературы и расширенных возможностей применения миоэлектрических повязок, в основном ориентированных на протезы рук» . Международный журнал по интеллектуальному зондированию и интеллектуальным системам . 11 (1): 1–25. doi : 10.21307/ijssis-2018-005 . ISSN 1178-5608 .

[:2-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Лензи, Томмазо; Харгроув, Л.; Сенсингер, Дж. (2014). «Механизм адаптации скорости: роботизированные протезы могут активно регулировать крутящий момент суставов». Журнал IEEE «Робототехника и автоматизация» . 21 (4): 94–107. дои : 10.1109/mra.2014.2360305 . S2CID 7750192 .

[2] Штейн, Дж.Л.; Цветы, туалет (1988). «Управление фазой опоры протезов выше колена: контроль колена в сравнении с конструкцией стопы SACH». Журнал биомеханики . 20 (1): 19–28. дои : 10.1016/0021-9290(87)90263-6 . hdl : 2027.42/26850 . ПМИД 3558425 .

[:3-3] Jump up to: ^а ^б Граймс, Д.Л. (1979). Активный многорежимный контроллер протеза выше колена. Докторская диссертация, Кембридж, Массачусетс, Массачусетский технологический институт, факультет машиностроения.

[:4-4] Jump up to: ^а ^б Граймс, Д.Л.; Цветы, туалет; Донат, М. (1977). «Осуществимость схемы активного управления протезами выше колена». Журнал биомеханической инженерии . 99 (4): 215–221. дои : 10.1115/1.3426293 .

[5] Цветы, туалет; Манн, RW (1977). «Электрогидравлический коленный регулятор момента для имитатора протеза». Журнал биомеханической инженерии . 99 (4): 3–8. дои : 10.1115/1.3426266 . ПМИД 23720163 .

[6] Донат, М. (1974). Пропорциональное управление ЭМГ для протеза выше колена. Магистерская диссертация Кембридж, Массачусетс, Массачусетский технологический институт, факультет машиностроения

[7] Цветы, туалет (1973). Человеко-интерактивный тренажер для изучения протезирования выше колена. Докторская диссертация, Кембридж, Массачусетс, Массачусетский технологический институт, факультет машиностроения.

[8] Попович Д. и Швиртлих Л. (1988). Белградский активный протез A/K. Электрофизиологическая кинезиология (Серия международных конгрессов, № 804), де Врис, Дж. (ред.). Амстердам, Excerpta Medica, стр. 337–343.

[9] Ау, С., Бонато, П. и Херр, Х. (2005). Система, контролируемая ЭМГ-положением, для активного протеза голеностопного сустава: первоначальное экспериментальное исследование. Материалы Международной конференции IEEE по реабилитационной робототехнике, стр. 375–379.

[:0-10] Jump up to: ^а ^б Агасадеги, Навид и др. «Изучение параметров контроллера импеданса для протезов нижних конечностей». Интеллектуальные роботы и системы (IROS), международная конференция IEEE/RSJ 2013 г., посвященная . ИИЭР, 2013.

[11] Хоган, Невилл. «Контроль импеданса: подход к манипуляции». Американская конференция по контролю, 1984 г. ИИЭР, 1984.

[12] Упс, Фрэнк; Бохара, Амит; Гольдфарб, Майкл (2008). «Проектирование и контроль механизированного трансфеморального протеза» . Международный журнал исследований робототехники . 27 (2): 263–273. дои : 10.1177/0278364907084588 . ПМЦ 2773553 . ПМИД 19898683 .

[13] Камен, Гэри. Электромиографическая кинезиология. Робертсон, DGE et al. Методы исследования в биомеханике. Шампейн, Иллинойс: Издательство Human Kinetics, 2004.

[:1-14] Jump up to: ^а ^б ^с Харгроув, LJ; Молодой Эй Джей; Саймон А.М.; и др. (09.06.2015). «Интуитивное управление протезом ноги с электроприводом во время ходьбы: рандомизированное клиническое исследование» . ДЖАМА . 313 (22): 2244–2252. дои : 10.1001/jama.2015.4527 . ISSN 0098-7484 . ПМИД 26057285 .

[:5-15] Jump up to: ^а ^б ^с Чжао, Хуэйхуа; Реер, Джейк; Хорн, Джонатан; Паредес, Виктор; Эймс, Аарон Д. (01 января 2015 г.). «Реализация контроллеров на основе нелинейной оптимизации в реальном времени на автономном трансфеморальном протезе». Материалы шестой международной конференции ACM/IEEE по киберфизическим системам . МЦПС '15. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: ACM. стр. 130–138. дои : 10.1145/2735960.2735964 . ISBN 9781450334556 . S2CID 5764182 .

[Tarantino-16] Jump up to: ^а ^б Тарантино, С.; Клементе, Ф.; Барон, Д.; Контроцци, М.; Чиприани, К. (2017). «Интерфейс миокинетического управления: отслеживание имплантированных магнитов как средство протезного контроля» . Научные отчеты . 7 (1): 17149. Бибкод : 2017NatSR...717149T . дои : 10.1038/s41598-017-17464-1 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5719448 . ПМИД 29215082 .

[ViscontiGaetani2018-17] Висконти, П.; Гаэтани, Ф.; Заппатор, Джорджия; Примичери, П. (2018). «Технические характеристики и функциональные возможности миоэлектрических повязок: обзор соответствующей литературы и расширенных возможностей применения миоэлектрических повязок, в основном ориентированных на протезы рук» . Международный журнал по интеллектуальному зондированию и интеллектуальным системам . 11 (1): 1–25. doi : 10.21307/ijssis-2018-005 . ISSN 1178-5608 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]