Классификация и принципы работы экзоскелетов с приводом

В этой теме рассматривается классификация экзоскелетов с приводом и инженерные принципы, лежащие в основе их работы. Устройства обычно группируются по области тела, которую они обслуживают (нижние конечности, верхние конечности или все тело), по их назначению (помощь, увеличение возможностей или реабилитация), а также по стратегии приведения в действие и управления. Понимание этих осей — и общей петли сенсорного восприятия и управления, лежащей в их основе, — позволяет читателю поместить любое конкретное устройство в связную карту данной области.

Definition

Экзоскелет с приводом — это носимая роботизированная конструкция, надеваемая параллельно телу, которая использует приводы, датчики и систему управления для приложения вспомогательных сил или крутящих моментов к одному или нескольким суставам; схемы классификации организуют такие устройства по области тела, назначению, типу приведения в действие и стратегии управления.

Scope

Статья охватывает параметры, используемые для классификации носимых роботизированных экзоскелетов, и основные принципы их работы: приведение в действие, сенсорное восприятие и многоуровневую архитектуру управления, которая связывает намерение пользователя с выходным сигналом привода. Она не включает клинические результаты, специфичные для конкретных устройств, которые рассматриваются в темах, посвященных локомоции и протезированию. Это образовательный справочный материал, а не инженерная спецификация или клиническое руководство.

Core questions

• По каким осям классифицируются экзоскелеты с приводом?
• Каковы функциональные различия между вспомогательными, увеличивающими возможности и реабилитационными устройствами?
• Как система управления наслаивается от распознавания намерения до команды приводу?
• Как выбор привода и модальности сенсорного восприятия формируют поведение устройства?

Key concepts

• Область тела: нижние конечности, верхние конечности, все тело
• Назначение: помощь, увеличение возможностей, реабилитация
• Тип приведения в действие (электрический, гидравлический, пневматический, последовательно-эластичный)
• Жесткие против мягких (экзокостюм) структур
• Иерархическое управление: высокий, средний и низкий уровни
• Обнаружение намерения и оценка фазы походки
• Соответствие и взаимодействие человека и робота

Mechanisms

Обзоры данной области описывают управление экзоскелетом с приводом как трехуровневую иерархию: высокий уровень, который воспринимает намерение пользователя и выбирает вспомогательную задачу, средний уровень, который преобразует намерение в эталонные состояния или траектории суставов, и низкий уровень, который управляет приводами для отслеживания этих эталонов [tucker-2015]. Классификация по вспомогательной стратегии дополнительно различает такие подходы, как отслеживание предопределенной траектории, помощь по мере необходимости и управление на основе импеданса или модели [yan-2015]. Модальности сенсорного восприятия — энкодеры суставов, датчики силы и давления, инерциальные блоки и биоэлектрические сигналы — питают эти уровни. Например, реабилитационные экзоскелеты, основанные на траектории, навязывают или корректируют пути конечностей во время тренировки [banala-2009], тогда как схемы помощи по мере необходимости оказывают только ту поддержку, которую пользователь не может обеспечить самостоятельно.

Clinical relevance

Последовательная классификация помогает клиницистам и исследователям сравнивать устройства, сопоставлять класс устройства с целью реабилитации или помощи, а также интерпретировать литературу. Принципы, описанные здесь, объясняют, как функционируют и классифицируются устройства; они не указывают, какое устройство подходит конкретному пациенту, поскольку это решение требует индивидуальной клинической оценки.

Evidence & guidelines

Основы классификации и таксономии управления в основном получены из инженерных обзорных статей [tucker-2015][yan-2015]; демонстрации конкретных принципов управления появляются в исследованиях устройств [banala-2009]. Не существует единой стандартизированной регуляторной таксономии в разных юрисдикциях, поэтому терминология может различаться между источниками.

History

Концепции экзоскелетов с приводом восходят к прототипам для переноски грузов и увеличения возможностей середины XX века, но современная таксономия кристаллизовалась по мере распространения реабилитационных и вспомогательных устройств в 2000-х и 2010-х годах. Обзорные статьи середины 2010-х годов объединили оси классификации и стратегии управления в этой области в иерархическую структуру, которая теперь широко цитируется [tucker-2015][yan-2015].

Debates

Жесткие экзоскелеты против мягких экзокостюмов

Жесткие рамы могут передавать большие крутящие моменты и полностью поддерживать сустав, но добавляют вес и ограничивают естественное движение, тогда как мягкие экзокостюмы легче и менее громоздки, но обеспечивают меньшие вспомогательные силы; компромисс формирует то, как устройства классифицируются и выбираются.

Управление с фиксированной траекторией против управления с помощью по мере необходимости

Навязывание предопределенной траектории обеспечивает последовательное движение, но может снизить собственные усилия пользователя, в то время как стратегии помощи по мере необходимости направлены на содействие активному участию; обзоры обсуждают, что лучше подходит для реабилитации.

Seminal works

• tucker-2015
• yan-2015

Frequently asked questions

Каковы основные способы классификации экзоскелетов с приводом?

Общие оси — это обслуживаемая область тела (нижние конечности, верхние конечности или все тело), назначение (помощь, увеличение возможностей или реабилитация), структура (жесткая рама против мягкого экзокостюма), а также используемая стратегия приведения в действие и управления.

Что подразумевается под «иерархией управления» в экзоскелете?

Это многоуровневая организация системы управления: высокий уровень интерпретирует намерение пользователя, средний уровень преобразует его в целевые движения суставов, а низкий уровень отдает команды приводам для следования этим целям.