طبقهبندی و اصول اسکلتهای بیرونی توانمند
این موضوع به چگونگی دستهبندی اسکلتهای بیرونی توانمند و اصول مهندسی که باعث عملکرد آنها میشود، میپردازد. این دستگاهها معمولاً بر اساس ناحیه بدنی که به آن خدمت میکنند (اندام تحتانی، اندام فوقانی، یا کل بدن)، هدف آنها (کمک، تقویت، یا توانبخشی)، و راهبرد تحریک و کنترلشان گروهبندی میشوند. درک این محورها—و حلقه مشترک حسگری و کنترل زیربنای آنها—به خواننده امکان میدهد تا هر دستگاه خاصی را در یک نقشه منسجم از این حوزه قرار دهد.
Definition
اسکلت بیرونی توانمند یک ساختار رباتیک پوشیدنی است که به موازات بدن پوشیده میشود و از محرکها، حسگرها، و یک سیستم کنترل برای اعمال نیروها یا گشتاورهای کمکی به یک یا چند مفصل استفاده میکند؛ طرحهای طبقهبندی این دستگاهها را بر اساس ناحیه بدن، هدف، نوع تحریک، و راهبرد کنترل سازماندهی میکنند.
Scope
این مدخل ابعاد مورد استفاده برای طبقهبندی اسکلتهای بیرونی رباتیک پوشیدنی و اصول اصلی عملکرد آنها را پوشش میدهد: تحریک، حسگری، و معماری کنترل لایهای که قصد کاربر را به خروجی محرک مرتبط میکند. این مدخل نتایج بالینی خاص دستگاه را که در موضوعات حرکت و پروتز مورد بررسی قرار میگیرند، شامل نمیشود. این یک ماده مرجع آموزشی است، نه مشخصات مهندسی یا راهنمای بالینی.
Core questions
- اسکلتهای بیرونی توانمند بر اساس کدام محورها طبقهبندی میشوند؟
- تفاوتهای عملکردی بین دستگاههای کمکی، تقویتی و توانبخشی چیست؟
- یک سیستم کنترل چگونه از تشخیص قصد تا فرمان محرک لایهبندی میشود؟
- انتخابهای تحریک و روشهای حسگری چگونه رفتار یک دستگاه را شکل میدهند؟
Key concepts
- ناحیه بدن: اندام تحتانی، اندام فوقانی، کل بدن
- هدف: کمک، تقویت، توانبخشی
- نوع تحریک (الکتریکی، هیدرولیکی، پنوماتیکی، سری-الاستیک)
- ساختارهای صلب در مقابل نرم (اگزوسوت)
- کنترل سلسله مراتبی: سطوح بالا، میانی و پایین
- تشخیص قصد و تخمین فاز راه رفتن
- انطباقپذیری و تعامل انسان-ربات
Mechanisms
بررسیهای این حوزه، کنترل اسکلت بیرونی توانمند را به عنوان یک سلسله مراتب سه سطحی توصیف میکنند: یک سطح بالا که قصد کاربر را درک میکند و وظیفه کمکی را انتخاب میکند، یک سطح میانی که قصد را به حالتها یا مسیرهای مرجع مفصلی ترجمه میکند، و یک سطح پایین که محرکها را برای ردیابی آن مراجع هدایت میکند [tucker-2015]. طبقهبندی بر اساس راهبرد کمکی، رویکردهایی مانند ردیابی مسیر از پیش تعریف شده، کمک در صورت نیاز، و کنترل مبتنی بر امپدانس یا مدل را بیشتر متمایز میکند [yan-2015]. روشهای حسگری—رمزگذارهای مفصلی، حسگرهای نیرو و فشار، واحدهای اینرسی، و سیگنالهای بیوالکتریک—این لایهها را تغذیه میکنند. به عنوان مثال، اسکلتهای بیرونی توانبخشی مبتنی بر مسیر، مسیرهای اندام را در طول آموزش تحمیل یا تصحیح میکنند [banala-2009]، در حالی که طرحهای کمک در صورت نیاز فقط حمایتی را ارائه میدهند که کاربر نمیتواند به تنهایی تولید کند.
Clinical relevance
یک طبقهبندی منسجم به پزشکان و محققان کمک میکند تا دستگاهها را مقایسه کنند، یک کلاس دستگاه را با یک هدف توانبخشی یا کمکی مطابقت دهند، و ادبیات را تفسیر کنند. اصول اینجا نحوه عملکرد و دستهبندی دستگاهها را توصیف میکنند؛ آنها نشان نمیدهند که کدام دستگاه برای یک بیمار خاص مناسب است، تصمیمی که نیاز به ارزیابی بالینی فردی دارد.
Evidence & guidelines
چارچوبهای طبقهبندی و طبقهبندیهای کنترل عمدتاً از مقالات مروری مهندسی [tucker-2015][yan-2015] نشأت میگیرند؛ نمایش اصول کنترل خاص در مطالعات دستگاهها ظاهر میشود [banala-2009]. هیچ طبقهبندی نظارتی استاندارد واحدی در سراسر حوزههای قضایی وجود ندارد، بنابراین اصطلاحات بین منابع متفاوت است.
History
مفاهیم اسکلت بیرونی توانمند به نمونههای اولیه حمل بار و تقویت در اواسط قرن بیستم بازمیگردد، اما طبقهبندی مدرن با گسترش دستگاههای توانبخشی و کمکی در دهههای 2000 و 2010 شکل گرفت. مقالات مروری از اواسط دهه 2010، محورهای طبقهبندی و راهبردهای کنترل این حوزه را در چارچوب سلسله مراتبی که اکنون به طور گسترده مورد استناد قرار میگیرد، تثبیت کردند [tucker-2015][yan-2015].
Debates
- اسکلتهای بیرونی صلب در مقابل اگزوسوتهای نرم
- قابهای صلب میتوانند گشتاورهای زیادی را منتقل کرده و به طور کامل از یک مفصل حمایت کنند، اما وزن اضافه کرده و حرکت طبیعی را محدود میکنند، در حالی که اگزوسوتهای نرم سبکتر و کمتر مزاحم هستند اما نیروهای کمکی کوچکتری را ارائه میدهند؛ این بدهبستان نحوه طبقهبندی و انتخاب دستگاهها را شکل میدهد.
- کنترل مسیر ثابت در مقابل کمک در صورت نیاز
- تحمیل یک مسیر از پیش تعریف شده حرکت ثابت را تضمین میکند اما میتواند تلاش خود کاربر را کاهش دهد، در حالی که راهبردهای کمک در صورت نیاز با هدف ترویج مشارکت فعال هستند؛ بررسیها در مورد اینکه کدام یک برای توانبخشی بهتر است، بحث میکنند.
Related topics
Seminal works
- tucker-2015
- yan-2015
Frequently asked questions
- راههای اصلی طبقهبندی اسکلتهای بیرونی توانمند چیست؟
- محورهای رایج عبارتند از ناحیه بدنی که به آن خدمت میشود (اندام تحتانی، اندام فوقانی، یا کل بدن)، هدف (کمک، تقویت، یا توانبخشی)، ساختار (قاب صلب در مقابل اگزوسوت نرم)، و راهبرد تحریک و کنترل مورد استفاده.
- منظور از «سلسله مراتب کنترل» در یک اسکلت بیرونی چیست؟
- این سازماندهی لایهای سیستم کنترل است: یک سطح بالا قصد کاربر را استنباط میکند، یک سطح میانی آن را به حرکات مفصلی هدف تبدیل میکند، و یک سطح پایین به محرکها فرمان میدهد تا از آن اهداف پیروی کنند.