Klassifizierung und Funktionsprinzipien von angetriebenen Exoskeletten

Dieses Thema beschreibt, wie angetriebene Exoskelette kategorisiert werden und welche technischen Prinzipien ihrer Funktionsweise zugrunde liegen. Geräte werden üblicherweise nach der Körperregion, die sie unterstützen (untere Extremität, obere Extremität oder Ganzkörper), nach ihrem Zweck (Assistenz, Augmentation oder Rehabilitation) sowie nach ihrer Aktuierungs- und Steuerungsstrategie gruppiert. Das Verständnis dieser Achsen – und der gemeinsamen Sensor- und Regelschleife, die ihnen zugrunde liegt – ermöglicht es dem Leser, jedes spezifische Gerät innerhalb einer kohärenten Karte des Fachgebiets einzuordnen.

Definition

Ein angetriebenes Exoskelett ist eine tragbare robotische Struktur, die parallel zum Körper getragen wird und Aktuatoren, Sensoren und ein Steuerungssystem verwendet, um unterstützende Kräfte oder Drehmomente auf ein oder mehrere Gelenke auszuüben; Klassifizierungsschemata organisieren solche Geräte nach Körperregion, Zweck, Aktuator-Typ und Steuerungsstrategie.

Scope

Der Eintrag behandelt die Dimensionen, die zur Klassifizierung tragbarer robotischer Exoskelette verwendet werden, sowie die Kernprinzipien ihrer Funktionsweise: Aktuierung, Sensorik und die geschichtete Steuerungsarchitektur, die die Absicht des Trägers mit der Aktuatorausgabe verknüpft. Gerätespezifische klinische Ergebnisse, die in den Themenbereichen Lokomotion und Prothetik behandelt werden, sind ausgeschlossen. Es handelt sich um ein lehrreiches Referenzmaterial, nicht um eine technische Spezifikation oder klinische Leitlinie.

Core questions

• Entlang welcher Achsen werden angetriebene Exoskelette klassifiziert?
• Worin bestehen die funktionalen Unterschiede zwischen assistiven, augmentativen und rehabilitativen Geräten?
• Wie ist ein Steuerungssystem von der Absichtserkennung bis zum Aktuatorbefehl geschichtet?
• Wie beeinflussen Aktuatorwahl und Sensormodalitäten das Verhalten eines Geräts?

Key concepts

• Körperregion: untere Extremität, obere Extremität, Ganzkörper
• Zweck: Assistenz, Augmentation, Rehabilitation
• Aktuator-Typ (elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, seriell-elastisch)
• Starre versus weiche (Exosuit) Strukturen
• Hierarchische Steuerung: hohe, mittlere und niedrige Ebenen
• Absichtserkennung und Gangphasenschätzung
• Compliance und Mensch-Roboter-Interaktion

Mechanisms

Übersichten des Fachgebiets beschreiben die Steuerung von angetriebenen Exoskeletten als eine dreistufige Hierarchie: eine hohe Ebene, die die Absicht des Trägers wahrnimmt und die unterstützende Aufgabe auswählt, eine mittlere Ebene, die die Absicht in Referenzgelenkzustände oder -trajektorien übersetzt, und eine niedrige Ebene, die die Aktuatoren antreibt, diese Referenzen zu verfolgen [tucker-2015]. Die Klassifizierung nach Assistenzstrategie unterscheidet ferner Ansätze wie vordefinierte Trajektorienverfolgung, „Assist-as-needed“ und impedanz- oder modellbasierte Steuerung [yan-2015]. Sensorische Modalitäten – Gelenkgeber, Kraft- und Drucksensoren, Inertialsensoren und bioelektrische Signale – speisen diese Ebenen. Trajektorienbasierte Rehabilitations-Exoskelette erzwingen oder korrigieren beispielsweise Gliedmaßenpfade während des Trainings [banala-2009], während „Assist-as-needed“-Schemata nur die Unterstützung bieten, die der Träger nicht alleine aufbringen kann.

Clinical relevance

Eine konsistente Klassifizierung hilft Klinikern und Forschern, Geräte zu vergleichen, eine Geräteklasse einem Rehabilitations- oder Assistenzziel zuzuordnen und die Literatur zu interpretieren. Die hier beschriebenen Prinzipien erläutern, wie Geräte funktionieren und kategorisiert werden; sie geben keine Auskunft darüber, welches Gerät für einen bestimmten Patienten geeignet ist, da diese Entscheidung eine individualisierte klinische Beurteilung erfordert.

Evidence & guidelines

Klassifizierungsrahmen und Steuerungstaxonomien stammen hauptsächlich aus technischen Übersichtsartikeln [tucker-2015][yan-2015]; Demonstrationen spezifischer Steuerungsprinzipien erscheinen in Gerätestudien [banala-2009]. Es gibt keine einzige standardisierte regulatorische Taxonomie über verschiedene Jurisdiktionen hinweg, daher variiert die Terminologie zwischen den Quellen.

History

Konzepte für angetriebene Exoskelette reichen bis zu Prototypen für Lastentransport und Augmentation aus der Mitte des 20. Jahrhunderts zurück, doch die moderne Taxonomie kristallisierte sich heraus, als sich Rehabilitations- und Assistenzgeräte in den 2000er und 2010er Jahren verbreiteten. Übersichtsartikel aus der Mitte der 2010er Jahre konsolidierten die Klassifizierungsachsen und Steuerungsstrategien des Fachgebiets zu dem heute weit verbreiteten hierarchischen Rahmen [tucker-2015][yan-2015].

Debates

Starre Exoskelette versus weiche Exosuits

Starre Rahmen können große Drehmomente übertragen und ein Gelenk vollständig unterstützen, erhöhen aber das Gewicht und schränken die natürliche Bewegung ein, während weiche Exosuits leichter und weniger hinderlich sind, aber geringere unterstützende Kräfte liefern; der Kompromiss prägt die Klassifizierung und Auswahl der Geräte.

Festgelegte Trajektoriensteuerung versus „Assist-as-needed“-Steuerung

Das Auferlegen einer vordefinierten Trajektorie gewährleistet eine konsistente Bewegung, kann aber die Eigenleistung des Trägers reduzieren, während „Assist-as-needed“-Strategien darauf abzielen, die aktive Beteiligung zu fördern; Übersichten diskutieren, welche Methode für die Rehabilitation besser geeignet ist.

Seminal works

• tucker-2015
• yan-2015

Frequently asked questions

Auf welche Hauptarten werden angetriebene Exoskelette klassifiziert?

Gängige Achsen sind die unterstützte Körperregion (untere Extremität, obere Extremität oder Ganzkörper), der Zweck (Assistenz, Augmentation oder Rehabilitation), die Struktur (starrer Rahmen versus weicher Exosuit) sowie die verwendete Aktuierungs- und Steuerungsstrategie.

Was versteht man unter einer „Steuerungshierarchie“ in einem Exoskelett?

Es ist die geschichtete Organisation des Steuerungssystems: Eine hohe Ebene leitet die Absicht des Trägers ab, eine mittlere Ebene wandelt diese in Zielgelenkbewegungen um, und eine niedrige Ebene steuert die Aktuatoren, um diese Ziele zu verfolgen.