Robotik protezlarni boshqarish - Robotic prosthesis control

Robotik protezlarni boshqarish a ni boshqarish usuli protez boshqariladigan robot protezi oyoq-qo'llari yo'qolgan odamga biologik aniq yurishni tiklaydigan tarzda.[1] Bu odamlar va robototexnika o'rtasidagi o'zaro ta'sirga alohida e'tibor beradigan maxsus boshqaruv bo'limi.

Fon

Tizim uchun kontrollerlarni loyihalashda ishlatiladigan asosiy boshqaruv blok diagrammasi.

1970 yilda bir nechta tadqiqotchilar bog'langan elektrohidravlik transfemoral protezni ishlab chiqdilar.[2][3][4][5][6][7] Bunga faqat ekologik boshqaruv deb nomlangan boshqaruv turidan foydalangan holda, bortdan tashqaridagi elektronika tomonidan boshqariladigan gidravlik harakatga keltiriladigan tizza qo'shilishi kiritilgan.[4] Echo control kinematikani tovush oyog'idan olishga harakat qiladi va protez oyog'ini yurish davrining shu qismiga etib borganida buzilmagan oyoqqa mos kelish uchun boshqaradi.[3] 1988 yilda Popovich va Shvirtlich tomonidan doimiy dvigatellarda ishlaydigan va pozitsiyani kuzatishni boshqarish algoritmi bilan boshqariladigan batareyali quvvatli faol tizza qo'shma qismi yaratildi.[8][9] Kuzatuv nazorati - bu muayyan holatni, masalan, pozitsiyani, tezlikni yoki momentni muayyan traektoriyani kuzatishga majbur qilish uchun ishlatiladigan keng tarqalgan boshqaruv usuli. Bular ushbu sohada amalga oshirilgan avvalgi ishlarning ikkita misolidir.

Oyoqlarning pastki qismini boshqarish

Empedansni boshqarish

Boshqarishning ushbu shakli atrof-muhit va manipulyator o'rtasidagi dinamik o'zaro ta'sirlarni boshqarish uchun ishlatiladigan yondashuvdir.[10] Bu atrof-muhitni qabul qilish va manipulyatorni impedans sifatida ko'rib chiqish orqali ishlaydi.[11] Bu robot protezi uchun o'zaro bog'liqlik atrof-muhit tomonidan qo'zg'atilgan harakatga javoban kuch ishlab chiqarish o'rtasidagi bog'liqlikni keltirib chiqaradi. Bu yurish aylanishi davomida bog'langan passiv impedans funktsiyalari qatori sifatida ifodalangan bitta qadam davomida har bir qo'shilishda zarur bo'lgan momentga aylanadi.[10] Empedans nazorati kuch yoki pozitsiyani mustaqil ravishda tartibga solmaydi, aksincha kuch va pozitsiya va tezlik o'rtasidagi munosabatni tartibga soladi. Empedans tekshirgichini loyihalash uchun empedans funktsiyasini parametrlash uchun yurish ma'lumotlarini regressiya tahlili ishlatiladi. Pastki oyoq protezi uchun impedans funktsiyasi quyidagi tenglamaga o'xshaydi.[12]

Xed Xer TED-2014da yangi robotlashtirilgan protez oyoqlarini namoyish qilmoqda: "Bu asabiy buyruq ostida yurishning birinchi namoyishi edi. Mushaklarimni qancha ko'p otgan bo'lsam, shuncha ko'p tork olaman."

K (bahorning qattiqligi), The atamalari0 (muvozanat burchagi) va b (namlanish koeffitsienti) - bu regressiya orqali topilgan va yurish tsiklining turli qismlari va ma'lum bir tezlik uchun sozlangan parametrlar. Keyinchalik, bu munosabatlar yurish bosqichining turli qismlarida kerakli momentni aniqlash uchun mikro tekshirgichga dasturlashtiriladi.

Mioelektrik boshqaruv

Elektromiyografiya (EMG) - bu ishlab chiqarilgan elektr faolligini baholash va qayd qilish uchun ishlatiladigan usuldir skelet mushaklari.[13] Ilg'or naqshni aniqlash algoritmlar ushbu yozuvlarni olib, ma'lum harakatlar paytida mushaklar hosil qiladigan noyob EMG signal naqshlarini dekodlashi mumkin. Naqshlar yordamida foydalanuvchining maqsadini aniqlash va protez a'zosini boshqarish uchun foydalanish mumkin.[14] Robot protezining pastki qismi uchun foydalanuvchi tekis zaminda, nishabda yoki zinapoyada yurishni xohlaydimi yoki yo'qligini aniqlay olishi kerak. Ayni paytda bu erda mioelektrik boshqaruv intro o'ynaydi. Ushbu turli xil ish rejimlari orasidagi o'tish paytida EMG signali juda o'zgaruvchan bo'ladi va mo'ljallangan ish rejimini aniqlash uchun mexanik sensorlardan ma'lumotlarni to'ldirish uchun ishlatilishi mumkin.[14] Ushbu turdagi boshqarish uchun sozlangan robot protezidan foydalanadigan har bir bemor o'z tizimini ular uchun maxsus o'qitishi kerak. Bu ularni turli xil ish rejimlaridan o'tishi va naqshlarni aniqlash algoritmini o'rgatish uchun ushbu ma'lumotlardan foydalanish orqali amalga oshiriladi.[14]

Tezlikni moslashtirish mexanizmi

Tezlikni moslashtirish mexanizmi - bu turli xil harakatlanish tezligida bo'g'inlardan kerakli momentni aniqlash uchun ishlatiladigan mexanizm.[1] Stans fazasida, burchakka nisbatan moment momenti munosabatlarining hosilasi bo'lgan kvazistiflik yurish tezligi funktsiyasi sifatida doimo o'zgarib turishi aniqlandi.[1] Bu shuni anglatadiki, pozitsiya fazasi davomida, sub'ektning harakatlanish tezligiga qarab, pastki oyoq protezini boshqarish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan tork burchagi munosabati mavjud. Tebranish fazasi davomida bo'g'inish momenti yurish tezligiga mutanosib ravishda ko'payadi va tebranish fazasining davomiyligi qadam vaqtiga mutanosib kamayadi.[1] Ushbu xususiyatlar, tebranish fazasi ustidagi burchak traektoriyasini aniq tavsiflaydigan atrofida boshqariladigan traektoriyalarni chiqarishga imkon beradi. Ushbu ikkita mexanizm odamdan odamga doimiy bo'lib turishi sababli, bu usul pastki oyoq-qo'l protez tekshirgichlari talab qiladigan tezlikni va bemorning o'ziga xos sozlamalarini yo'q qiladi.[1]

Modeldan mustaqil kvadratik dasturlar (MIQP) + Empedansni boshqarish

Yurish yurishi quyidagicha tasniflanadi gibrid tizim, bu uning dinamikasiga bo'linganligini anglatadi. Ushbu noyob muammo bilan ta'sir o'tkazadigan gibrid tizimlarning echimlari to'plami ishlab chiqildi Tezkor eksponent ravishda barqarorlashtirish Lyapunov funktsiyalarini boshqarish (RES-CLF).[15] Nazorat Lyapunov funktsiyasi chiziqli bo'lmagan tizimni kerakli holatlar to'plamiga barqarorlashtirish uchun ishlatiladi. RES-CLF-larni bir nechta tengsizlikni cheklaydigan va optimal natijani beradigan kvadratik dasturlar yordamida amalga oshirish mumkin.[15] Ulardan bir muammo shundaki, ular RES-CLFlarni ishlab chiqish uchun tizim modelini talab qiladilar. Muayyan shaxslarni sozlash zarurligini bartaraf etish uchun CLFlarni olish uchun Model Mustaqil Kvadratik Dasturlar (MIQP) ishlatilgan. Ushbu CLFlar faqat kerakli momentning qanday bo'lishi kerakligini bilmasdan kerakli chiqindagi xatoni kamaytirishga qaratilgan. Ushbu ma'lumotni taqdim etish uchun MIQP-ga tizimning to'liq modeliga ega bo'lmasdan o'zi boshqaradigan tizim haqida ma'lumot to'plash imkonini beradigan ilgarilangan muddatni ta'minlash uchun impedans nazorati qo'shiladi.[15]

Yuqori oyoq-qo'llarni boshqarish

Tijorat echimlari protezni boshqarish uchun yuzaki EMG signallaridan foydalanadi. Bundan tashqari, tadqiqotchilar turli xil biologik manbalardan foydalanadigan muqobil echimlarni o'rganishmoqda:

  • nerv yoki mushak faoliyatini qayd etish uchun joylashtirilgan elektrodlar (asab, mushak ichiga va epimizial elektrodlar);
  • mushaklarning qisqarishi paytida kuch o'zgarishini aniqlash uchun bosim sensori matritsalari;
  • mushaklarning deformatsiyasini o'lchash uchun miyokinetik yondashuv.

Miyokinetik nazorat

Miyokinetik boshqaruv standart mioelektrik boshqaruvga alternativani anglatadi. Bu mushaklarning elektr faoliyati o'rniga qisqarish paytida mushaklarning deformatsiyasini o'lchashga qaratilgan. Yaqinda 2017 yilda yangi qoldiq mushaklarga to'g'ridan-to'g'ri joylashtirilgan doimiy magnitlangan magnit maydonni sezishga asoslangan yangi yondashuv paydo bo'ldi.[16][17] Magnit o'rnini lokalizatsiya qilish, magnit u bilan harakatlanayotganda joylashtirilgan mushakning qisqarishini / uzayishini o'lchashga tengdir. Ushbu ma'lumot mavzuning ixtiyoriy harakatini talqin qilish va natijada protezni boshqarish uchun ishlatilishi mumkin. Magnitlar tomonidan hosil qilingan magnit signallarni qoldiq a'zoning atrofiga joylashtirilgan tashqi sensorlar aniqlaydi. Keyinchalik lokalizatsiya optimallashtirish usuli bilan amalga oshiriladi, bu magnit teskari muammoni hal qilish orqali kuzatishni amalga oshiradi (masalan, Levenberg - Markard algoritmi ).[16]

Adabiyotlar

  1. ^ a b v d e Lenzi, Tommaso; Hargrouv, L .; Sensinger, J. (2014). "Tezlikni moslashtirish mexanizmi: robot protezlari bo'g'in momentini faol ravishda tartibga solishi mumkin". IEEE robototexnika va avtomatika jurnali. 21 (4): 94–107. doi:10.1109 / mra.2014.2360305.
  2. ^ Shteyn, J. L .; Gullar, W. C. (1988). "Tiz tizzasidan yuqorisidagi protezlarning holatini nazorat qilish: SACH oyoq dizayni bilan tizzalarini boshqarish". Biomexanika jurnali. 20 (1): 19–28. doi:10.1016/0021-9290(87)90263-6. hdl:2027.42/26850. PMID  3558425.
  3. ^ a b Grimes, D. L. (1979). Tiz protezining yuqoridagi faol ko'p rejimi. Doktorlik dissertatsiyasi, Kembrij, MA, MIT, Mashinasozlik bo'limi.
  4. ^ a b Grimes, D. L .; Gullar, W. C .; Donat, M. (1977). "Yuqoridagi tizza protezlarini faol boshqarish sxemasini amalga oshirish imkoniyati". Biomexanik muhandislik jurnali. 99 (4): 215–221. doi:10.1115/1.3426293.
  5. ^ Gullar, W. C .; Mann, R. V. (1977). "Protez simulyatori uchun elektrohidravlik tizza momentini boshqaruvchi". Biomexanik muhandislik jurnali. 99 (4): 3–8. doi:10.1115/1.3426266. PMID  23720163.
  6. ^ Donat, M. (1974). Tiz tizzasidan yuqorisidagi protez uchun mutanosib EMG nazorati. Magistrlik dissertatsiyasi Kembrij, MA, MIT, Mashinasozlik bo'limi
  7. ^ Gullar, W. C. (1973). Tiz tizzasidan yuqorisidagi protezlarni o'rganish uchun odam-interaktiv simulyator tizimi. Doktorlik dissertatsiyasi, Kembrij, MA, MIT, Mashinasozlik bo'limi.
  8. ^ Popovich D. va Shvirtlich, L. (1988). Belgrad faol A / K protezi. Elektrofizyolojik Kinesiologiya (Xalqaro Kongresslar seriyasi, № 804), de Vriz, J. (tahrir). Amsterdam, Excerpta Medica, 337-343 betlar
  9. ^ Au, S., Bonato, P. va Herr, H. (2005) .Topik-oyoq protezi uchun EMG pozitsiyasini boshqaruvchi tizim: dastlabki eksperimental tadqiqotlar. Robototexnika bo'yicha reabilitatsiya bo'yicha IEEE Xalqaro konferentsiyasi materiallari, 375–379 betlar
  10. ^ a b Agasadegi, Navid va boshq. "Pastki oyoq-qo'l protezlari uchun impedans regulyatori parametrlarini o'rganish." Intellektual robotlar va tizimlar (IROS), 2013 yil IEEE / RSJ xalqaro konferentsiyasi. IEEE, 2013 yil.
  11. ^ Xogan, Nevill. "Empedansni boshqarish: manipulyatsiyaga yondashuv." Amerika nazorati konferentsiyasi, 1984 yil. IEEE, 1984 yil.
  12. ^ Sup, Frank; Bohara, Amit; Goldfarb, Maykl (2008). "Quvvatli transfemoral protezni loyihalash va boshqarish". Xalqaro robototexnika tadqiqotlari jurnali. 27 (2): 263–273. doi:10.1177/0278364907084588. PMC  2773553. PMID  19898683.
  13. ^ Kamen, Gari. Elektromiyografik kinesiologiya. Robertsonda, DGE va boshq. Biyomekanikada tadqiqot usullari. Champaign, IL: Human Kinetics Publ., 2004.
  14. ^ a b v Hargrove LJ; Yosh AJ; Simon AM; va boshq. (2015-06-09). "Ambulyatsiya paytida kuchli protezli oyoqni intuitiv boshqarish: randomizatsiyalangan klinik sinov". JAMA. 313 (22): 2244–2252. doi:10.1001 / jama.2015.4527. ISSN  0098-7484. PMID  26057285.
  15. ^ a b v Chjao, Xuixua; Rey, Jeyk; Shox, Jonatan; Paredes, Viktor; Ames, Aaron D. (2015-01-01). O'z-o'zidan saqlanadigan transfemoral protezda chiziqli bo'lmagan real vaqtda optimallashtirishga asoslangan tekshirgichlarni amalga oshirish. ACM / IEEE oltinchi kiber-fizik tizimlar bo'yicha xalqaro konferentsiya materiallari. ICCPS '15. Nyu-York, NY, AQSh: ACM. 130-138 betlar. doi:10.1145/2735960.2735964. ISBN  9781450334556.
  16. ^ a b Tarantino, S .; Klemente, F.; Barone, D .; Kontrozzi, M .; Cipriani, C. (2017). "Miyokinetik boshqaruv interfeysi: protezlangan nazorat vositasi sifatida joylashtirilgan magnitlarni kuzatib borish". Ilmiy ma'ruzalar. 7 (1): 17149. Bibcode:2017 yil NatSR ... 717149T. doi:10.1038 / s41598-017-17464-1. ISSN  2045-2322. PMC  5719448. PMID  29215082.
  17. ^ Viskonti, P.; Gaetani, F .; Zappatore, G.A .; Primiceri, P. (2018). "Myo armbandning texnik xususiyatlari va funktsional xususiyatlari: asosan qo'l protezlariga yo'naltirilgan mioelektrik bilaguzuklarning tegishli adabiyotlari va rivojlangan qo'llanmalariga umumiy nuqtai". Smart Sensing va Intelligent tizimlari bo'yicha xalqaro jurnal. 11 (1): 1–25. doi:10.21307 / ijssis-2018-005. ISSN  1178-5608.