การจำแนกประเภทและหลักการทำงานของโครงกระดูกภายนอกแบบมีกำลังขับเคลื่อน

หัวข้อนี้จะอธิบายถึงวิธีการจัดหมวดหมู่โครงกระดูกภายนอกแบบมีกำลังขับเคลื่อนและหลักการทางวิศวกรรมที่ทำให้โครงกระดูกเหล่านี้ทำงานได้ โดยทั่วไปแล้ว อุปกรณ์เหล่านี้จะถูกจัดกลุ่มตามส่วนของร่างกายที่ให้บริการ (ขา, แขน, หรือทั้งตัว), ตามวัตถุประสงค์ (การช่วยเหลือ, การเสริมสมรรถนะ, หรือการฟื้นฟู), และตามกลยุทธ์การขับเคลื่อนและการควบคุม การทำความเข้าใจแกนเหล่านี้—และวงจรการตรวจจับและการควบคุมที่ใช้ร่วมกัน—จะช่วยให้ผู้อ่านสามารถจัดวางอุปกรณ์เฉพาะใดๆ ให้อยู่ในแผนที่ที่สอดคล้องกันของสาขาวิชานี้ได้

Definition

โครงกระดูกภายนอกแบบมีกำลังขับเคลื่อนคือโครงสร้างหุ่นยนต์แบบสวมใส่ที่สวมขนานไปกับร่างกาย ซึ่งใช้ตัวขับเคลื่อน, เซ็นเซอร์, และระบบควบคุมเพื่อประยุกต์ใช้แรงหรือแรงบิดช่วยไปยังข้อต่อหนึ่งข้อหรือมากกว่านั้น; แผนการจำแนกประเภทจะจัดระเบียบอุปกรณ์ดังกล่าวตามส่วนของร่างกาย, วัตถุประสงค์, ประเภทการขับเคลื่อน, และกลยุทธ์การควบคุม

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมมิติที่ใช้ในการจำแนกโครงกระดูกภายนอกหุ่นยนต์แบบสวมใส่ได้ และหลักการสำคัญของการทำงาน: การขับเคลื่อน, การตรวจจับ, และสถาปัตยกรรมการควบคุมแบบหลายชั้นที่เชื่อมโยงความตั้งใจของผู้สวมใส่เข้ากับผลลัพธ์ของตัวขับเคลื่อน ไม่รวมผลลัพธ์ทางคลินิกเฉพาะของอุปกรณ์ ซึ่งจะกล่าวถึงในหัวข้อการเคลื่อนที่และอวัยวะเทียม เนื้อหานี้เป็นเอกสารอ้างอิงเพื่อการศึกษา ไม่ใช่ข้อกำหนดทางวิศวกรรมหรือแนวทางทางคลินิก

Core questions

• โครงกระดูกภายนอกแบบมีกำลังขับเคลื่อนถูกจำแนกตามแกนใดบ้าง?
• ความแตกต่างในการทำงานระหว่างอุปกรณ์ช่วยเหลือ, เสริมสมรรถนะ, และฟื้นฟูคืออะไร?
• ระบบควบคุมถูกจัดชั้นอย่างไรตั้งแต่การรับรู้ความตั้งใจไปจนถึงคำสั่งตัวขับเคลื่อน?
• การเลือกใช้ตัวขับเคลื่อนและรูปแบบการตรวจจับมีผลต่อพฤติกรรมของอุปกรณ์อย่างไร?

Key concepts

• ส่วนของร่างกาย: ขา, แขน, ทั้งตัว
• วัตถุประสงค์: การช่วยเหลือ, การเสริมสมรรถนะ, การฟื้นฟู
• ประเภทการขับเคลื่อน (ไฟฟ้า, ไฮดรอลิก, นิวแมติก, แบบยืดหยุ่นอนุกรม)
• โครงสร้างแข็งเทียบกับโครงสร้างอ่อน (ชุดโครงกระดูกภายนอกแบบอ่อน)
• การควบคุมแบบลำดับชั้น: ระดับสูง, กลาง, และต่ำ
• การตรวจจับความตั้งใจและการประมาณระยะการเดิน
• การปฏิบัติตามและการปฏิสัมพันธ์ระหว่างมนุษย์กับหุ่นยนต์

Mechanisms

การทบทวนสาขาวิชานี้อธิบายการควบคุมโครงกระดูกภายนอกแบบมีกำลังขับเคลื่อนว่าเป็นลำดับชั้นสามระดับ: ระดับสูงที่รับรู้ความตั้งใจของผู้สวมใส่และเลือกงานช่วยเหลือ, ระดับกลางที่แปลความตั้งใจไปสู่สถานะข้อต่ออ้างอิงหรือวิถีการเคลื่อนที่, และระดับต่ำที่ขับเคลื่อนตัวขับเคลื่อนให้ติดตามการอ้างอิงเหล่านั้น [tucker-2015] การจำแนกตามกลยุทธ์การช่วยเหลือยังแยกความแตกต่างของแนวทางต่างๆ เช่น การติดตามวิถีการเคลื่อนที่ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า, การช่วยเหลือตามความจำเป็น, และการควบคุมตามอิมพีแดนซ์หรือตามแบบจำลอง [yan-2015] รูปแบบการตรวจจับ—ตัวเข้ารหัสข้อต่อ, เซ็นเซอร์แรงและความดัน, หน่วยเฉื่อย, และสัญญาณชีวไฟฟ้า—ป้อนข้อมูลให้กับชั้นเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น โครงกระดูกภายนอกเพื่อการฟื้นฟูตามวิถีการเคลื่อนที่ จะกำหนดหรือแก้ไขเส้นทางของแขนขาในระหว่างการฝึก [banala-2009] ในขณะที่แผนการช่วยเหลือตามความจำเป็นจะให้การสนับสนุนเฉพาะส่วนที่ผู้สวมใส่ไม่สามารถสร้างขึ้นเองได้เท่านั้น

Clinical relevance

การจำแนกประเภทที่สอดคล้องกันช่วยให้แพทย์และนักวิจัยสามารถเปรียบเทียบอุปกรณ์, จับคู่อุปกรณ์กับเป้าหมายการฟื้นฟูหรือการช่วยเหลือ, และตีความวรรณกรรมได้ หลักการในที่นี้อธิบายว่าอุปกรณ์ทำงานอย่างไรและถูกจัดหมวดหมู่อย่างไร; ไม่ได้ระบุว่าอุปกรณ์ใดเหมาะสมกับผู้ป่วยรายใด ซึ่งการตัดสินใจดังกล่าวต้องอาศัยการประเมินทางคลินิกเป็นรายบุคคล

Evidence & guidelines

กรอบการจำแนกประเภทและอนุกรมวิธานการควบคุมส่วนใหญ่มาจากบทความทบทวนทางวิศวกรรม [tucker-2015][yan-2015]; การสาธิตหลักการควบคุมเฉพาะปรากฏในการศึกษาอุปกรณ์ [banala-2009] ไม่มีอนุกรมวิธานการกำกับดูแลที่เป็นมาตรฐานเดียวในทุกเขตอำนาจศาล ดังนั้นคำศัพท์จึงแตกต่างกันไปในแต่ละแหล่งที่มา

History

แนวคิดโครงกระดูกภายนอกแบบมีกำลังขับเคลื่อนมีมาตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 20 ในรูปแบบต้นแบบสำหรับการบรรทุกน้ำหนักและการเสริมสมรรถนะ แต่การจัดหมวดหมู่สมัยใหม่ได้ตกผลึกขึ้นเมื่ออุปกรณ์ฟื้นฟูและอุปกรณ์ช่วยเหลือแพร่หลายในช่วงทศวรรษ 2000 และ 2010 บทความทบทวนจากกลางทศวรรษ 2010 ได้รวบรวมแกนการจำแนกประเภทและกลยุทธ์การควบคุมของสาขาวิชานี้เข้าไว้ในกรอบลำดับชั้นที่ได้รับการอ้างอิงอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน [tucker-2015][yan-2015]

Debates

โครงกระดูกภายนอกแบบแข็งเทียบกับชุดโครงกระดูกภายนอกแบบอ่อน

โครงสร้างแบบแข็งสามารถส่งแรงบิดขนาดใหญ่และรองรับข้อต่อได้อย่างเต็มที่ แต่เพิ่มน้ำหนักและจำกัดการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติ ในขณะที่ชุดโครงกระดูกภายนอกแบบอ่อนมีน้ำหนักเบากว่าและกีดขวางน้อยกว่า แต่ให้แรงช่วยเหลือที่น้อยกว่า; การแลกเปลี่ยนนี้มีผลต่อวิธีการจำแนกและเลือกใช้อุปกรณ์

การควบคุมแบบวิถีคงที่เทียบกับการช่วยเหลือตามความจำเป็น

การกำหนดวิถีการเคลื่อนที่ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเคลื่อนไหวที่สอดคล้องกัน แต่อาจลดความพยายามของผู้สวมใส่เอง ในขณะที่กลยุทธ์การช่วยเหลือตามความจำเป็นมีเป้าหมายเพื่อส่งเสริมการมีส่วนร่วมอย่างกระตือรือร้น; การทบทวนถกเถียงกันว่าวิธีใดเหมาะสมกับการฟื้นฟูมากกว่า

Seminal works

• tucker-2015
• yan-2015

Frequently asked questions

โครงกระดูกภายนอกแบบมีกำลังขับเคลื่อนถูกจำแนกด้วยวิธีหลักๆ อย่างไรบ้าง?

แกนหลักที่ใช้กันทั่วไปคือส่วนของร่างกายที่ให้บริการ (ขา, แขน, หรือทั้งตัว), วัตถุประสงค์ (การช่วยเหลือ, การเสริมสมรรถนะ, หรือการฟื้นฟู), โครงสร้าง (โครงแข็งเทียบกับชุดโครงกระดูกภายนอกแบบอ่อน), และกลยุทธ์การขับเคลื่อนและการควบคุมที่ใช้

คำว่า 'ลำดับชั้นการควบคุม' ในโครงกระดูกภายนอกหมายถึงอะไร?

หมายถึงการจัดระเบียบแบบหลายชั้นของระบบควบคุม: ระดับสูงจะอนุมานความตั้งใจของผู้สวมใส่, ระดับกลางจะแปลงความตั้งใจนั้นเป็นการเคลื่อนไหวข้อต่อเป้าหมาย, และระดับต่ำจะสั่งการตัวขับเคลื่อนให้ปฏิบัติตามเป้าหมายเหล่านั้น