संचालित एक्सोस्केलेटन का वर्गीकरण और सिद्धांत

यह विषय बताता है कि संचालित एक्सोस्केलेटन को कैसे वर्गीकृत किया जाता है और उन्हें कार्यशील बनाने वाले इंजीनियरिंग सिद्धांत क्या हैं। उपकरणों को सामान्यतः उनके द्वारा सेवा दिए जाने वाले शरीर के क्षेत्र (निचले अंग, ऊपरी अंग, या पूर्ण शरीर), उनके उद्देश्य (सहायता, वृद्धि, या पुनर्वास), और उनकी सक्रियण और नियंत्रण रणनीति के आधार पर समूहीकृत किया जाता है। इन अक्षों—और उनके नीचे साझा संवेदन-और-नियंत्रण लूप—को समझना पाठक को क्षेत्र के एक सुसंगत मानचित्र के भीतर किसी भी विशिष्ट उपकरण को रखने में मदद करता है।

Definition

एक संचालित एक्सोस्केलेटन एक पहनने योग्य रोबोटिक संरचना है जिसे शरीर के समानांतर पहना जाता है जो एक या अधिक जोड़ों पर सहायक बल या टॉर्क लगाने के लिए एक्चुएटर, सेंसर और एक नियंत्रण प्रणाली का उपयोग करता है; वर्गीकरण योजनाएं ऐसे उपकरणों को शरीर के क्षेत्र, उद्देश्य, सक्रियण प्रकार और नियंत्रण रणनीति के आधार पर व्यवस्थित करती हैं।

Scope

यह प्रविष्टि पहनने योग्य रोबोटिक एक्सोस्केलेटन को वर्गीकृत करने के लिए उपयोग किए जाने वाले आयामों और उनके संचालन के मुख्य सिद्धांतों को शामिल करती है: सक्रियण, संवेदन, और स्तरित नियंत्रण वास्तुकला जो पहनने वाले के इरादे को एक्चुएटर आउटपुट से जोड़ती है। इसमें उपकरण-विशिष्ट नैदानिक परिणाम शामिल नहीं हैं, जिन्हें लोकोमोशन और प्रोस्थेटिक्स विषयों में वर्णित किया गया है। यह शैक्षिक संदर्भ सामग्री है, इंजीनियरिंग विनिर्देश या नैदानिक मार्गदर्शन नहीं।

Core questions

• संचालित एक्सोस्केलेटन को किन अक्षों के साथ वर्गीकृत किया जाता है?
• सहायक, संवर्धनात्मक और पुनर्वास उपकरणों के बीच कार्यात्मक अंतर क्या हैं?
• इरादे की पहचान से लेकर एक्चुएटर कमांड तक एक नियंत्रण प्रणाली कैसे स्तरित होती है?
• सक्रियण विकल्प और संवेदन विधियाँ किसी उपकरण के व्यवहार को कैसे आकार देती हैं?

Key concepts

• शरीर का क्षेत्र: निचला अंग, ऊपरी अंग, पूर्ण शरीर
• उद्देश्य: सहायता, वृद्धि, पुनर्वास
• सक्रियण प्रकार (विद्युत, हाइड्रोलिक, वायवीय, श्रृंखला-लोचदार)
• कठोर बनाम नरम (एक्सोसूट) संरचनाएं
• पदानुक्रमित नियंत्रण: उच्च, मध्य और निम्न स्तर
• इरादे का पता लगाना और चाल-चरण का अनुमान
• अनुपालन और मानव-रोबोट संपर्क

Mechanisms

क्षेत्र की समीक्षाएं संचालित एक्सोस्केलेटन नियंत्रण को तीन-स्तरीय पदानुक्रम के रूप में वर्णित करती हैं: एक उच्च स्तर जो पहनने वाले के इरादे को समझता है और सहायक कार्य का चयन करता है, एक मध्य स्तर जो इरादे को संदर्भ संयुक्त अवस्थाओं या प्रक्षेपवक्र में अनुवादित करता है, और एक निम्न स्तर जो उन संदर्भों को ट्रैक करने के लिए एक्चुएटर्स को चलाता है [tucker-2015]। सहायक रणनीति द्वारा वर्गीकरण पूर्वनिर्धारित प्रक्षेपवक्र ट्रैकिंग, आवश्यकतानुसार सहायता, और प्रतिबाधा- या मॉडल-आधारित नियंत्रण जैसे दृष्टिकोणों को और अलग करता है [yan-2015]। संवेदन विधियाँ—संयुक्त एनकोडर, बल और दबाव सेंसर, जड़त्वीय इकाइयाँ, और जैव-विद्युत संकेत—इन परतों को जानकारी प्रदान करती हैं। उदाहरण के लिए, प्रक्षेपवक्र-आधारित पुनर्वास एक्सोस्केलेटन प्रशिक्षण के दौरान अंग पथों को थोपते या सही करते हैं [banala-2009], जबकि आवश्यकतानुसार सहायता योजनाएं केवल वही समर्थन देती हैं जो पहनने वाला अकेले उत्पन्न नहीं कर सकता।

Clinical relevance

एक सुसंगत वर्गीकरण चिकित्सकों और शोधकर्ताओं को उपकरणों की तुलना करने, एक उपकरण वर्ग को पुनर्वास या सहायता लक्ष्य से मिलाने और साहित्य की व्याख्या करने में मदद करता है। यहां के सिद्धांत बताते हैं कि उपकरण कैसे कार्य करते हैं और उन्हें कैसे वर्गीकृत किया जाता है; वे यह इंगित नहीं करते हैं कि कौन सा उपकरण किसी दिए गए रोगी के लिए उपयुक्त है, यह निर्णय व्यक्तिगत नैदानिक मूल्यांकन की आवश्यकता है।

Evidence & guidelines

वर्गीकरण ढाँचे और नियंत्रण वर्गीकरण मुख्य रूप से इंजीनियरिंग समीक्षा लेखों से आते हैं [tucker-2015][yan-2015]; विशिष्ट नियंत्रण सिद्धांतों के प्रदर्शन उपकरण अध्ययनों में दिखाई देते हैं [banala-2009]। न्यायक्षेत्रों में कोई एकल मानकीकृत नियामक वर्गीकरण नहीं है, इसलिए स्रोतों के बीच शब्दावली भिन्न होती है।

History

संचालित एक्सोस्केलेटन की अवधारणाएं बीसवीं सदी के मध्य के भार-वहन और वृद्धि प्रोटोटाइप से संबंधित हैं, लेकिन आधुनिक वर्गीकरण 2000 और 2010 के दशक में पुनर्वास और सहायक उपकरणों के प्रसार के साथ क्रिस्टलीकृत हुआ। 2010 के दशक के मध्य के समीक्षा लेखों ने क्षेत्र के वर्गीकरण अक्षों और नियंत्रण रणनीतियों को पदानुक्रमित ढांचे में समेकित किया जो अब व्यापक रूप से उद्धृत है [tucker-2015][yan-2015]।

Debates

कठोर एक्सोस्केलेटन बनाम नरम एक्सोसूट

कठोर फ्रेम बड़े टॉर्क को संचारित कर सकते हैं और एक जोड़ को पूरी तरह से सहारा दे सकते हैं लेकिन वजन बढ़ाते हैं और प्राकृतिक गति को बाधित करते हैं, जबकि नरम एक्सोसूट हल्के और कम बाधा डालने वाले होते हैं लेकिन छोटे सहायक बल प्रदान करते हैं; यह व्यापार-बंद यह आकार देता है कि उपकरणों को कैसे वर्गीकृत और चुना जाता है।

निश्चित-प्रक्षेपवक्र बनाम आवश्यकतानुसार सहायता नियंत्रण

एक पूर्वनिर्धारित प्रक्षेपवक्र थोपना सुसंगत गति सुनिश्चित करता है लेकिन पहनने वाले के स्वयं के प्रयास को कम कर सकता है, जबकि आवश्यकतानुसार सहायता रणनीतियाँ सक्रिय भागीदारी को बढ़ावा देने का लक्ष्य रखती हैं; समीक्षाएँ बहस करती हैं कि पुनर्वास के लिए कौन सा बेहतर है।

Seminal works

• tucker-2015
• yan-2015

Frequently asked questions

संचालित एक्सोस्केलेटन को वर्गीकृत करने के मुख्य तरीके क्या हैं?

सामान्य अक्ष सेवा दिए गए शरीर का क्षेत्र (निचला अंग, ऊपरी अंग, या पूर्ण शरीर), उद्देश्य (सहायता, वृद्धि, या पुनर्वास), संरचना (कठोर फ्रेम बनाम नरम एक्सोसूट), और उपयोग की जाने वाली सक्रियण और नियंत्रण रणनीति हैं।

एक एक्सोस्केलेटन में 'नियंत्रण पदानुक्रम' का क्या अर्थ है?

यह नियंत्रण प्रणाली का स्तरित संगठन है: एक उच्च स्तर पहनने वाले के इरादे का अनुमान लगाता है, एक मध्य स्तर उसे लक्ष्य संयुक्त गतियों में परिवर्तित करता है, और एक निम्न स्तर उन लक्ष्यों का पालन करने के लिए एक्चुएटर्स को कमांड करता है।