تصنيف الهياكل الخارجية الآلية ومبادئ عملها

يحدد هذا الموضوع كيفية تصنيف الهياكل الخارجية الآلية والمبادئ الهندسية التي تقوم عليها. تُصنَّف الأجهزة عادةً حسب منطقة الجسم التي تخدمها (الأطراف السفلية، الأطراف العلوية، أو الجسم بالكامل)، وحسب الغرض منها (المساعدة، التعزيز، أو إعادة التأهيل)، وحسب استراتيجية التشغيل والتحكم. يتيح فهم هذه المحاور – وحلقة الاستشعار والتحكم المشتركة التي تكمن وراءها – للقارئ وضع أي جهاز محدد ضمن خريطة متماسكة للمجال.

Definition

الهيكل الخارجي الآلي هو هيكل روبوتي قابل للارتداء يُلبس بالتوازي مع الجسم ويستخدم المشغلات والمستشعرات ونظام التحكم لتطبيق قوى أو عزوم مساعدة على مفصل واحد أو أكثر؛ وتنظم مخططات التصنيف هذه الأجهزة حسب منطقة الجسم، والغرض، ونوع التشغيل، واستراتيجية التحكم.

Scope

يغطي المدخل الأبعاد المستخدمة لتصنيف الهياكل الخارجية الروبوتية القابلة للارتداء والمبادئ الأساسية لعملها: التشغيل، والاستشعار، وهندسة التحكم متعددة الطبقات التي تربط نية المستخدم بمخرجات المشغل. يستثني المدخل النتائج السريرية الخاصة بالجهاز، والتي تُعالَج في مواضيع الحركة والأطراف الصناعية. وهو مادة مرجعية تعليمية، وليس مواصفات هندسية أو إرشادات سريرية.

Core questions

• على أي محاور تُصنَّف الهياكل الخارجية الآلية؟
• ما هي الاختلافات الوظيفية بين الأجهزة المساعدة، والمعززة، والمخصصة لإعادة التأهيل؟
• كيف يُبنَى نظام التحكم بشكل طبقي من التعرف على النية وصولاً إلى أمر المشغل؟
• كيف تشكل خيارات التشغيل وأنماط الاستشعار سلوك الجهاز؟

Key concepts

• منطقة الجسم: الأطراف السفلية، الأطراف العلوية، الجسم بالكامل
• الغرض: المساعدة، التعزيز، إعادة التأهيل
• نوع التشغيل (كهربائي، هيدروليكي، هوائي، مرن متسلسل)
• الهياكل الصلبة مقابل الهياكل اللينة (البدلة الخارجية اللينة)
• التحكم الهرمي: المستويات العليا والمتوسطة والدنيا
• اكتشاف النية وتقدير مرحلة المشي
• الامتثال والتفاعل بين الإنسان والروبوت

Mechanisms

تصف مراجعات المجال التحكم في الهيكل الخارجي الآلي كتسلسل هرمي ثلاثي المستويات: مستوى عالٍ يدرك نية المستخدم ويختار مهمة المساعدة، ومستوى متوسط يترجم النية إلى حالات أو مسارات مرجعية للمفاصل، ومستوى منخفض يدفع المشغلات لتتبع تلك المرجعيات [tucker-2015]. يميز التصنيف حسب استراتيجية المساعدة كذلك بين المناهج مثل تتبع المسار المحدد مسبقًا، والمساعدة حسب الحاجة، والتحكم القائم على المعاوقة أو النموذج [yan-2015]. تغذي أنماط الاستشعار – مشفرات المفاصل، ومستشعرات القوة والضغط، والوحدات القصورية، والإشارات الكهربائية الحيوية – هذه الطبقات. على سبيل المثال، تفرض هياكل إعادة التأهيل الخارجية القائمة على المسار أو تصحح مسارات الأطراف أثناء التدريب [banala-2009]، بينما توفر مخططات المساعدة حسب الحاجة الدعم الذي لا يستطيع المستخدم توليده بمفرده فقط.

Clinical relevance

يساعد التصنيف المتسق الأطباء والباحثين على مقارنة الأجهزة، ومطابقة فئة الجهاز مع هدف إعادة التأهيل أو المساعدة، وتفسير الأدبيات. تصف المبادئ هنا كيفية عمل الأجهزة وتصنيفها؛ ولا تشير إلى الجهاز المناسب لمريض معين، وهو قرار يتطلب تقييمًا سريريًا فرديًا.

Evidence & guidelines

تأتي أطر التصنيف وتصنيفات التحكم بشكل أساسي من مقالات المراجعة الهندسية [tucker-2015][yan-2015]؛ وتظهر عروض مبادئ التحكم المحددة في دراسات الأجهزة [banala-2009]. لا يوجد تصنيف تنظيمي موحد واحد عبر الولايات القضائية، لذا تختلف المصطلحات بين المصادر.

History

تعود مفاهيم الهياكل الخارجية الآلية إلى نماذج أولية لحمل الأحمال والتعزيز في منتصف القرن العشرين، لكن التصنيف الحديث تبلور مع انتشار أجهزة إعادة التأهيل والمساعدة في العقدين الأولين من الألفية الثالثة. وقد عززت مقالات المراجعة من منتصف العقد الثاني من الألفية الثالثة محاور التصنيف واستراتيجيات التحكم في هذا المجال ضمن الإطار الهرمي الذي يُستشهد به على نطاق واسع الآن [tucker-2015][yan-2015].

Debates

الهياكل الخارجية الصلبة مقابل البدلات الخارجية اللينة

يمكن للإطارات الصلبة أن تنقل عزومًا كبيرة وتدعم المفصل بالكامل ولكنها تضيف وزنًا وتقيد الحركة الطبيعية، بينما البدلات الخارجية اللينة أخف وزنًا وأقل إعاقة ولكنها توفر قوى مساعدة أصغر؛ يشكل هذا التوازن كيفية تصنيف الأجهزة واختيارها.

التحكم بالمسار الثابت مقابل المساعدة حسب الحاجة

يضمن فرض مسار محدد مسبقًا حركة متسقة ولكنه قد يقلل من جهد المستخدم نفسه، بينما تهدف استراتيجيات المساعدة حسب الحاجة إلى تعزيز المشاركة النشطة؛ تناقش المراجعات أيهما يخدم إعادة التأهيل بشكل أفضل.

Seminal works

• tucker-2015
• yan-2015

Frequently asked questions

ما هي الطرق الرئيسية لتصنيف الهياكل الخارجية الآلية؟

المحاور الشائعة هي منطقة الجسم التي تُخدم (الأطراف السفلية، الأطراف العلوية، أو الجسم بالكامل)، والغرض (المساعدة، التعزيز، أو إعادة التأهيل)، والهيكل (إطار صلب مقابل بدلة خارجية لينة)، واستراتيجية التشغيل والتحكم المستخدمة.

ماذا يُقصد بـ 'التسلسل الهرمي للتحكم' في الهيكل الخارجي؟

إنه التنظيم الطبقي لنظام التحكم: مستوى عالٍ يستنتج نية المستخدم، ومستوى متوسط يحول ذلك إلى حركات مفصلية مستهدفة، ومستوى منخفض يأمر المشغلات باتباع تلك الأهداف.