Klasifikasi dan Prinsip Eksoskeleton Bertenaga

Topik ini menjelaskan bagaimana eksoskeleton bertenaga dikategorikan dan prinsip-prinsip rekayasa yang mendasarinya. Perangkat umumnya dikelompokkan berdasarkan bagian tubuh yang dilayani (anggota gerak bawah, anggota gerak atas, atau seluruh tubuh), berdasarkan tujuannya (bantuan, augmentasi, atau rehabilitasi), serta berdasarkan aktuasi dan strategi kontrolnya. Memahami sumbu-sumbu ini—dan lingkaran penginderaan-dan-kontrol bersama di baliknya—memungkinkan pembaca menempatkan perangkat spesifik apa pun dalam peta bidang yang koheren.

Definition

Eksoskeleton bertenaga adalah struktur robotik yang dapat dikenakan secara paralel dengan tubuh yang menggunakan aktuator, sensor, dan sistem kontrol untuk menerapkan gaya atau torsi bantu pada satu atau lebih sendi; skema klasifikasi mengorganisasikan perangkat tersebut berdasarkan bagian tubuh, tujuan, jenis aktuasi, dan strategi kontrol.

Scope

Entri ini mencakup dimensi yang digunakan untuk mengklasifikasikan eksoskeleton robotik yang dapat dikenakan dan prinsip-prinsip inti operasinya: aktuasi, penginderaan, dan arsitektur kontrol berlapis yang menghubungkan niat pemakai dengan keluaran aktuator. Ini tidak termasuk hasil klinis spesifik perangkat, yang dibahas dalam topik lokomosi dan prostetik. Ini adalah materi referensi edukasi, bukan spesifikasi rekayasa atau panduan klinis.

Core questions

• Berdasarkan sumbu apa eksoskeleton bertenaga diklasifikasikan?
• Apa perbedaan fungsional antara perangkat bantu, augmentatif, dan rehabilitatif?
• Bagaimana sistem kontrol berlapis dari pengenalan niat hingga perintah aktuator?
• Bagaimana pilihan aktuasi dan modalitas penginderaan membentuk perilaku perangkat?

Key concepts

• Bagian tubuh: anggota gerak bawah, anggota gerak atas, seluruh tubuh
• Tujuan: bantuan, augmentasi, rehabilitasi
• Jenis aktuasi (listrik, hidrolik, pneumatik, seri-elastis)
• Struktur kaku versus lunak (eksosuit)
• Kontrol hierarkis: tingkat tinggi, menengah, dan rendah
• Deteksi niat dan estimasi fase gaya berjalan
• Kepatuhan dan interaksi manusia-robot

Mechanisms

Tinjauan di bidang ini menggambarkan kontrol eksoskeleton bertenaga sebagai hierarki tiga tingkat: tingkat tinggi yang memahami niat pemakai dan memilih tugas bantuan, tingkat menengah yang menerjemahkan niat menjadi keadaan atau lintasan sendi referensi, dan tingkat rendah yang menggerakkan aktuator untuk melacak referensi tersebut [tucker-2015]. Klasifikasi berdasarkan strategi bantuan lebih lanjut membedakan pendekatan seperti pelacakan lintasan yang telah ditentukan, bantuan sesuai kebutuhan, dan kontrol berbasis impedansi atau model [yan-2015]. Modalitas penginderaan—encoder sendi, sensor gaya dan tekanan, unit inersia, dan sinyal bioelektrik—memberi masukan pada lapisan-lapisan ini. Eksoskeleton rehabilitasi berbasis lintasan, misalnya, memaksakan atau mengoreksi jalur anggota gerak selama pelatihan [banala-2009], sedangkan skema bantuan sesuai kebutuhan hanya memberikan dukungan yang tidak dapat dihasilkan sendiri oleh pemakai.

Clinical relevance

Klasifikasi yang konsisten membantu dokter dan peneliti membandingkan perangkat, mencocokkan kelas perangkat dengan tujuan rehabilitasi atau bantuan, dan menafsirkan literatur. Prinsip-prinsip di sini menjelaskan bagaimana perangkat berfungsi dan dikategorikan; prinsip-prinsip ini tidak menunjukkan perangkat mana yang cocok untuk pasien tertentu, keputusan yang memerlukan penilaian klinis individual.

Evidence & guidelines

Kerangka klasifikasi dan taksonomi kontrol terutama berasal dari artikel tinjauan rekayasa [tucker-2015][yan-2015]; demonstrasi prinsip kontrol spesifik muncul dalam studi perangkat [banala-2009]. Tidak ada taksonomi regulasi standar tunggal di berbagai yurisdiksi, sehingga terminologi bervariasi antar sumber.

History

Konsep eksoskeleton bertenaga berasal dari prototipe pengangkut beban dan augmentasi pertengahan abad ke-20, tetapi taksonomi modern mengkristal seiring dengan proliferasi perangkat rehabilitasi dan bantuan pada tahun 2000-an dan 2010-an. Artikel tinjauan dari pertengahan 2010-an mengkonsolidasikan sumbu klasifikasi dan strategi kontrol bidang ini ke dalam kerangka hierarkis yang sekarang banyak dikutip [tucker-2015][yan-2015].

Debates

Eksoskeleton kaku versus eksosuit lunak

Rangka kaku dapat mentransmisikan torsi besar dan sepenuhnya menopang sendi tetapi menambah berat dan membatasi gerakan alami, sedangkan eksosuit lunak lebih ringan dan tidak terlalu menghalangi tetapi memberikan gaya bantu yang lebih kecil; pertukaran ini membentuk bagaimana perangkat diklasifikasikan dan dipilih.

Kontrol lintasan tetap versus bantuan sesuai kebutuhan

Memaksakan lintasan yang telah ditentukan memastikan gerakan yang konsisten tetapi dapat mengurangi upaya pemakai sendiri, sementara strategi bantuan sesuai kebutuhan bertujuan untuk mendorong partisipasi aktif; tinjauan memperdebatkan mana yang lebih baik untuk rehabilitasi.

Seminal works

• tucker-2015
• yan-2015

Frequently asked questions

Apa saja cara utama eksoskeleton bertenaga diklasifikasikan?

Sumbu umum adalah bagian tubuh yang dilayani (anggota gerak bawah, anggota gerak atas, atau seluruh tubuh), tujuan (bantuan, augmentasi, atau rehabilitasi), struktur (rangka kaku versus eksosuit lunak), serta aktuasi dan strategi kontrol yang digunakan.

Apa yang dimaksud dengan 'hierarki kontrol' dalam eksoskeleton?

Ini adalah organisasi berlapis dari sistem kontrol: tingkat tinggi menyimpulkan niat pemakai, tingkat menengah mengubahnya menjadi gerakan sendi target, dan tingkat rendah memerintahkan aktuator untuk mengikuti target tersebut.