Proportional mioelektrik boshqaruv - Proportional myoelectric control

[1]

To'piq ekzoskeletining mioelektrik boshqaruvini tasvirlash

Proportional mioelektrik boshqaruv robotning pastki oyoq-qo'lini faollashtirish uchun (boshqa maqsadlar bilan bir qatorda) foydalanish mumkin ekzoskeletlar. Mutanosib mioelektrik boshqaruv tizimi a dan foydalanadi mikrokontroller yoki kiritadigan kompyuter elektromiyografiya (EMG) oyoq mushaklari (lar) datchiklaridan signal beradi va keyin mos keladigan bo'g'inni faollashtiradi aktuator (lar) EMG signaliga mutanosib ravishda.

Fon

Robotik ekzoskelet - bu turi ortez ishlatadigan aktuatorlar buzilmagan oyoq bo'g'imining harakatlanishiga yordam berish yoki unga qarshi turish; buni quvvat bilan jihozlash bilan adashtirish mumkin emas protez, etishmayotgan a'zoning o'rnini bosadi. Robot osti ekstremal skeletlari uchun to'rtta maqsad mavjud:[2]

  • Odatda kuch yoki chidamlilikni oshirish bilan bog'liq bo'lgan inson faoliyatini yaxshilash (qarang. Qarang) Quvvatlangan ekzoskeletlar )
  • Ekzoskelet kiygan holda nogiron kishilarga o'z-o'zidan yurish qobiliyatini ta'minlashga qaratilgan uzoq muddatli yordam
  • Insonning nerv-mushak boshqaruvi, energetikasi va / yoki kinematikasini yaxshiroq tushunish uchun robot ekzoskeletlaridan foydalangan holda odamning harakatini o'rganish. harakatlanish
  • Jarohatdan keyingi reabilitatsiya, bu jarohatlardan so'ng (masalan, qon tomir, o'murtqa shikastlanish yoki boshqa asab kasalliklari kabi) ekzoskelet kiyib, mashg'ulotlar paytida qisqa vaqt ichida foydalanmasdan yaxshiroq ishlash uchun tiklanishiga yordam beradi. ekzoskeletning

Robotik pastki ekstremal skeletlari bir necha usul bilan boshqarilishi mumkin, shu jumladan oyoq tugmachasi (oyoqning pastki qismiga bog'langan bosim sensori), yurish fazasini baholash (yurishning hozirgi bosqichini aniqlash uchun qo'shma burchaklar yordamida) va mioelektrik boshqarish (yordamida elektromiyografiya ).[2][3] Ushbu maqola mioelektrik boshqaruvga qaratilgan.

Boshqarish usullari

Teridagi sensorlar aniqlaydi elektromiyografiya (EMG) foydalanuvchi oyoqlari (oyoqlari) mushaklaridan signal beradi. EMG signallarini ekzoskeletning turiga va qancha bo'g'imlarning harakatlanishiga qarab faqat bitta mushakdan yoki ko'pdan o'lchash mumkin. Keyin har bir o'lchangan signal boshqaruvchiga yuboriladi, u ham bortda mikrokontroller (ekzoskeletga o'rnatilgan) yoki yaqin atrofdagi kompyuterga o'rnatiladi. Bortdagi mikrokontrollerlar uzoq muddatli yordamchi vositalar uchun ishlatiladi, chunki egzoskeletni kiygan holda u turli joylarda yurishi kerak, shu bilan birga ekzoskelet bilan olib o'tilmaydigan kompyuterlar terapevtik yoki tadqiqot maqsadida ishlatilishi mumkin, chunki foydalanuvchi juda yurishi shart emas. uzoq klinik yoki laboratoriya sharoitida.

Nazoratchi filtrlaydi shovqin EMG signallaridan va keyin normallashadi ularni mushaklarni faollashtirish sxemasini yaxshiroq tahlil qilish uchun. Mushakning normalizatsiya qilingan EMG qiymati uning faollashuv foizini anglatadi, chunki EMG signali uni kelgan mushak uchun mumkin bo'lgan maksimal EMG ko'rsatkichiga bo'lish orqali normalizatsiya qilinadi. Maksimal EMG ko'rsatkichi mushak to'liq qisqarganda hosil bo'ladi. Normallashtirishning alternativ usuli - bu aktuator quvvatini EMG signaliga minimal faollashtirish chegarasi va yuqori o'rtasida mutanosib ravishda mos kelishdir. to'yinganlik Daraja.

To'g'ridan-to'g'ri proportsional mioelektrik boshqaruv

Proportional mioelektrik tekshirgich bilan aktuatorga yuboriladigan quvvat mushakdan normalizatsiya qilingan EMG signalining amplitudasiga mutanosib bo'ladi.[4] Mushak harakatsiz bo'lsa, qo'zg'atuvchi boshqaruvchidan quvvat olmaydi va mushak to'liq qisqarganda, aktuator o'zi boshqaradigan bo'g'in atrofida maksimal momentni hosil qiladi. Masalan, oyoq Bilagi zo'r ortez (AFO ) pnevmatikni ishlatishi mumkin sun'iy mushak ta'minlash uchun plantar fleksiyon faollashtirish darajasiga mutanosib moment soleus (buzoq mushaklaridan biri). Ushbu nazorat usuli ekzoskeletni egasining biologik mushaklari kabi bir xil asab yo'llari bilan boshqarilishini ta'minlaydi va odamlarga boshqa boshqarish usullariga qaraganda odatiy yurish bilan yurishlariga imkon beradi, masalan, oyoq tovushidan foydalanadi.[5]Robot pastki oyoq ekzoskeletlarining mutanosib mioelektrik boshqaruvi boshqa boshqarish usullaridan afzalliklarga ega, masalan:

  • Uning fiziologik tabiati ekzoskeletning mexanik yordami hajmini samarali ravishda o'lchashga imkon beradi[6]
  • Buning natijasida mushaklarning biologik yollanishi kamayadi kinematik asoslangan boshqaruv usullari[5]
  • Bu yangi vosita vazifalari uchun ekzoskelet boshqaruvini osonlikcha moslashtirishga imkon beradi[7]

Shu bilan birga, mutanosib mioelektrik boshqaruvning boshqa boshqaruv usullari bilan taqqoslaganda kamchiliklari bor, jumladan:

  • Yuzaki elektrod interfeysi ko'pincha ishonchli EMG signalini olishda qiyinchiliklarni keltirib chiqarishi mumkin[8]
  • Tegishli chegara va yutuqlarni aniqlash uchun tizim sozlashni talab qiladi[9]
  • The mushak-skelet tizimi ko'plari bor sinergetik mushaklar sirt EMG elektrodlari orqali osonlikcha o'tish mumkin emas[10]
  • Nörolojik kasalliklar asab-mushak nazoratining pasayishiga olib kelganligi sababli, ba'zi odamlar ekzoskeletni mioelektrik nazorat bilan ishlatishga imkon beradigan etarli darajada asabiy nazoratga ega bo'lmasligi mumkin.

Fleksor inhibisyonu bilan mutanosib mioelektrik nazorat

Bevosita proportsional boshqarish ekzoskeletning har bir bo'g'ini bitta yo'nalishda harakatga kelganda yaxshi ishlaydi (masalan, pnevmatik piston faqat tizzasini bukadi, lekin ikkita qo'shma aktuator qarama-qarshi ishlaganda unchalik samarasiz bo'ladi (ikki tomonlama harakat) . Bunga bitta pnevmatik sun'iy mushak yordamida oyoq Bilagi zo'r ekzeletlari misol bo'lishi mumkin dorsifleksiya asoslangan tibialis anterior (mushak mushaklari) EMG va boshqa pnevmatik sun'iy mushak plantar fleksiyon asoslangan soleus (buzoq mushaklari) EMG. Bu ikkita aktuatorning katta darajada faollashishiga olib kelishi va yurishni qiyinlashtirishi mumkin.[11] Ushbu kiruvchi birgalikdagi aktivatsiyani to'g'irlash uchun, boshqarish sxemasiga qoida qo'shilishi mumkin, shunda sun'iy dorsifleksor faollashuvi, to'siq osti EMG belgilangan chegaradan yuqori bo'lganida inhibe qilinadi. Fleksor inhibisyonu bilan mutanosib nazorat to'g'ridan-to'g'ri mutanosiblik nazoratiga qaraganda tabiiy yurishga imkon beradi; fleksor inhibisyonu, shuningdek, har bir bo'g'inida ikki yo'nalishli aktuatorlar bo'lgan tizza va oyoq Bilagi zo'r skeletlari bilan sub'ektlarga juda oson yurish imkonini beradi.[7]

Ilovalar

Ishlash samaradorligini oshirish

Faoliyatni kuchaytirish odatdagi inson qobiliyatlari, masalan, kuch yoki chidamlilik bilan bog'liq. Hozirgi vaqtda ishlab chiqilayotgan ko'plab to'liq tanadagi robot ekzoskeletlari elektromiyografiya o'rniga qo'shma momentlar va burchaklar asosida boshqaruvchilardan foydalanadilar. Qarang Quvvatlangan ekzoskeletlar.

Uzoq muddatli yordam

Robotning pastki oyoq ekzoskeletining bir usuli - bu yurish uchun nogiron odamning harakatiga yordam berishdir. Orqa miya shikastlangan, oyoq mushaklari zaiflashgan, kambag'al shaxslar asab-mushak nazorat qilish yoki qon tomirlari bo'lganlar bunday qurilmani ishlatishdan foyda ko'rishlari mumkin. Ekzoskelet beradi moment EMG ma'lumotlari bo'g'inning aylanayotganligini ko'rsatadigan yo'nalishdagi bo'g'in haqida. Masalan, yuqori EMG signallari vastus medialis (to'rt boshli mushak) va past EMG signallari biseps femoris (muskul muskullari) foydalanuvchi oyog'ini cho'zayotganligini bildiradi, shuning uchun ekzoskelet tizzada tork bilan oyoqni to'g'rilashga yordam beradi.

Odamlarning harakatlanishini o'rganish

Proportional mioelektrik boshqaruv va robot ekzoskeletlari o'nlab yillar davomida yuqori oyoq-qo'l qurilmalarida ishlatilgan, ammo muhandislar ularni yaqinda odamni yaxshiroq tushunish uchun pastki oyoq-qo'l qurilmalarida foydalanishni boshladilar. biomexanika va harakatlanishning asabiy nazorati.[12][13] Mutanosib mioelektrik tekshirgichli ekzoskelet yordamida olimlar invaziv bo'lmagan usuldan foydalanishlari mumkin. asab plastisiyasi mushaklarning kuchini o'zgartirish (biologik +/- sun'iy kuch), shuningdek, harakatni boshqarish uchun vosita xotiralari qanday shakllanishi bilan bog'liq.[11]

Reabilitatsiya

Robotik pastki oyoq ekzoskeletlari insonga qon tomir, umurtqa pog'onasi yoki boshqa nevrologik nogironlar kabi jarohatni tiklashda yordam berish imkoniyatiga ega. Nörolojik vosita kasalliklari ko'pincha mushaklarning ixtiyoriy faollashishi amplitudasining pasayishiga olib keladi, buziladi propriosepsiya va mushaklarning muvofiqlashtirilmaganligi; mutanosib mioelektrik boshqaruvga ega bo'lgan robot ekzoskelet mushaklarning faollashishi va proprioseptiv teskari aloqa o'rtasidagi munosabatni kuchaytirish orqali bu uchalasini ham yaxshilashi mumkin. Mushaklarni faollashtirish oqibatlarini ko'paytirib, ekzoskelet fiziologik usulda sensorli qayta aloqani yaxshilashi mumkin, bu esa vosita boshqaruvini yaxshilaydi.[2] Umurtqa pog'onasi shikastlangan yoki qon tomirini olgan shaxslar yurishni intensiv reabilitatsiya qilish orqali o'zlarining motor harakatlarini yaxshilaydilar,[14] Shaxsning tana vaznini qisman qo'llab-quvvatlashga yordam beradigan uchta jismoniy terapevtni talab qilishi mumkin.[15] Robot pastki ekstremal skeletlari topildi bu ikkala sohada ham.

Fiziologik javob

The asab-mushak tizim maqsadli qo'shilishga ega torklar u yurish paytida ishlab chiqarishga harakat qiladi. Yordamchi ekzoskeletlar yurish paytida bir yoki bir nechta oyoq bo'g'imlarini harakatga keltirish uchun zarur bo'lgan ba'zi bir momentni ishlab chiqaradi, bu esa sog'lom odamga bu bo'g'inlarda kamroq mushak momentini hosil qilish va metabolik energiyani kamroq sarflash imkonini beradi. Mushak momenti har bir bo'g'in atrofidagi aniq momentni ekzoskeletsiz yurish bilan taqqoslash uchun etarli darajada kamayadi.[16] Har bir bo'g'inning atrofidagi aniq moment - bu mushak momenti va harakatlantiruvchi moment. Nogironlar ekzoskelet bilan yurish paytida mushaklarning aylanish momentida, agar mavjud bo'lsa, deyarli pasayishni sezmaydilar, chunki ularning mushaklari oddiy yurish bilan yurish uchun etarli darajada kuchga ega emas yoki umuman; ekzoskelet ular yurishi uchun zarur bo'lgan qolgan momentni ta'minlaydi.

Misollar

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ Konrad, Kendon J.; Konrad, Karen M.; Mazza, Jessica; Rayli, Bart B.; Funk, Rod; Shteyn, Mark A .; Dennis, Maykl L. (2012 yil dekabr). "GAINning xulq-atvori murakkabligi o'lchovining o'lchovliligi, ierarxik tuzilishi, yoshni umumlashtirilishi va mezon asosliligi". Psixologik baholash. 24 (4): 913–924. doi:10.1037 / a0028196. ISSN  1939-134X. PMC  5715715. PMID  22545694.
  2. ^ a b v Ferris, D.P. va Lyuis, KL.: "Proportional mioelektrik boshqaruvdan foydalangan holda quyi ekstremal robotlarning ekzoskeletlari", IEEE EMBS 31 yillik xalqaro konferentsiyasi, 2119–2124-betlar, 2009 y
  3. ^ Jung, J, Jang, I, Riener, R va Park, H: "Robot ekzoskeleton yordamida tayoqchali yurish yordamchisidan foydalangan holda paraplejik bemorlar uchun yurish niyatini aniqlash algoritmi", Xalqaro boshqaruv, avtomatlashtirish va tizimlar jurnali, 10 (5), pp 954-962, 2012 y
  4. ^ Ferris, D.P., Czerniecki, JM va Hannaford, B.: "Sun'iy pnevmatik mushaklar yordamida oyoq Bilagi zo'r ortez", '' Journal of Applied Biomechanics '', 21, 189-97 betlar, 2005
  5. ^ a b Keyn, SM, Gordon, K.E. va Ferris, D.P .: "Oyoq Bilagi zo'r ortezga lokomotor moslashuv boshqarish uslubiga bog'liq", Neyroinjiniring va reabilitatsiya jurnali, 4, 48-bet, 2007 yil
  6. ^ Ferris, D.P., Savicki, G.S. va Deyli, M.A .: "Fiziologning odamning harakatlanishi uchun robot ekzoskeletlari haqidagi qarashlari", Humanoid robototexnika xalqaro jurnali, 4, 507-28 betlar, 2007 y
  7. ^ a b Savicki, G.S. va Ferris, D.P .: "Mioelektrik faollashishi va inhibatsiyasi bilan pnevmatik quvvat bilan ishlaydigan tizza-oyoq-oyoq ortezi (KAFO)", Neyroinjiniring va reabilitatsiya jurnali, p. matbuotda, 2009 yil
  8. ^ Parker, P, Englehart, K ​​va Xadgins, B: "Quvvatlanadigan oyoq protezlarini boshqarish uchun mioelektrik signallarni qayta ishlash", J Elektromiyogr Kinesiol., 16 (6), 541-48 betlar, 2006 y
  9. ^ Gordon, K.E. va Ferris, D.P .: "Oyoq Bilagi zo'r ekzoskelet yordamida yurishni o'rganish", Biomexanika jurnali, 40, 2636-44 bet, 2007 y
  10. ^ Kinnaird, CR va Ferris, D.P .: "Robotli oyoq Bilagi zo'r ekzoskeletning medial Gastroknemius mioelektrik boshqaruvi", IEEE Trans Neural Syst Reabilitatsiya Eng., 17 (1), 31-37 bet, 2009 y
  11. ^ a b Ferris, DP, Gordon, KE, Savicki, G.S. va Peethambaran, A .: "Proportional mioelektrik nazorat yordamida takomillashtirilgan oyoq Bilagi zo'r ortez", Yurish va holat, 23, 425-428 betlar, 2006 y
  12. ^ Skott, R.N .: "Protezlarni mioelektrik boshqarish", Jismoniy tibbiyot va reabilitatsiya arxivlari, 47, 174-81-betlar, 1966 y
  13. ^ Reinkensmeyer, DJ, Emken, JL va Kramer, S.C .: "Robotika, motorli o'rganish va nevrologik tiklanish", Annu Rev Biomed Eng, 6, 497-525 betlar, 2004 y
  14. ^ Dietz, V, Wirz, M, Colombo, G and Curt, A: "Paraplegik bemorlarda lokomotor quvvat va orqa miya funktsiyasini tiklash: klinik va elektrofizyologik baholash", Elektroensef klinikasi neyrofiziol, 109, 140-53 betlar, 1998
  15. ^ Behrman, A.L. va Harkema S.J .: "Inson umurtqa pog'onasi shikastlangandan so'ng lokomotor mashqlar: bir qator amaliy ishlar", Fizika Ther, 80, pp 688-700, 2000 y
  16. ^ Lyuis, KL va Ferris, D.P .: "Robot kestirib, ekzoskelet bilan yurish paytida kestirib, invariant naqsh", Biomexanika jurnali, 44, 789-93 betlar, 2011 y