Güçlendirilmiş Ekzoskeleton Sınıflandırması ve İlkeleri
Bu konu, güçlendirilmiş ekzoskeletonların nasıl kategorize edildiğini ve çalışmalarını sağlayan mühendislik ilkelerini açıklamaktadır. Cihazlar genellikle hizmet ettikleri vücut bölgesine (alt ekstremite, üst ekstremite veya tüm vücut), amaçlarına (destek, güçlendirme veya rehabilitasyon) ve aktüasyon ve kontrol stratejilerine göre gruplandırılmaktadır. Bu eksenleri ve bunların altında yatan ortak algılama ve kontrol döngüsünü anlamak, okuyucunun herhangi bir belirli cihazı alanın tutarlı bir haritası içine yerleştirmesine olanak tanımaktadır.
Tanım
Güçlendirilmiş bir ekzoskeleton, vücuda paralel olarak giyilen, bir veya daha fazla ekleme yardımcı kuvvetler veya torklar uygulamak için aktüatörler, sensörler ve bir kontrol sistemi kullanan giyilebilir bir robotik yapıdır; sınıflandırma şemaları bu tür cihazları vücut bölgesine, amacına, aktüasyon tipine ve kontrol stratejisine göre düzenlemektedir.
Kapsam
Bu madde, giyilebilir robotik ekzoskeletonları sınıflandırmak için kullanılan boyutları ve çalışma prensiplerini (aktüasyon, algılama ve kullanıcının niyetini aktüatör çıktısına bağlayan katmanlı kontrol mimarisi) kapsamaktadır. Cihaza özgü klinik sonuçlar, lokomosyon ve protez konularında ele alındığından bu kapsamın dışındadır. Bu, mühendislik spesifikasyonu veya klinik rehberlik değil, eğitici bir referans materyalidir.
Temel sorular
- Güçlendirilmiş ekzoskeletonlar hangi eksenler boyunca sınıflandırılmaktadır?
- Yardımcı, güçlendirici ve rehabilitasyon cihazları arasındaki işlevsel farklılıklar nelerdir?
- Bir kontrol sistemi, niyet tanımadan aktüatör komutuna kadar nasıl katmanlandırılmaktadır?
- Aktüasyon seçimleri ve algılama modaliteleri bir cihazın davranışını nasıl şekillendirmektedir?
Anahtar kavramlar
- Vücut bölgesi: alt ekstremite, üst ekstremite, tüm vücut
- Amaç: destek, güçlendirme, rehabilitasyon
- Aktüasyon tipi (elektrikli, hidrolik, pnömatik, seri-elastik)
- Sert yapılar ve yumuşak (ekzo-giysi) yapılar
- Hiyerarşik kontrol: yüksek, orta ve düşük seviyeler
- Niyet tespiti ve yürüyüş fazı tahmini
- Uyum ve insan-robot etkileşimi
Mekanizmalar
Alanla ilgili derlemeler, güçlendirilmiş ekzoskeleton kontrolünü üç seviyeli bir hiyerarşi olarak tanımlamaktadır: kullanıcının niyetini algılayan ve yardımcı görevi seçen yüksek seviye, niyeti referans eklem durumlarına veya yörüngelerine çeviren orta seviye ve aktüatörleri bu referansları takip etmeye yönlendiren düşük seviye [tucker-2015]. Yardımcı stratejiye göre sınıflandırma, önceden tanımlanmış yörünge takibi, ihtiyaç duyulduğunda yardım ve empedans veya model tabanlı kontrol gibi yaklaşımları daha da ayırt etmektedir [yan-2015]. Algılama modaliteleri (eklem kodlayıcıları, kuvvet ve basınç sensörleri, atalet birimleri ve biyo-elektrik sinyalleri) bu katmanları beslemektedir. Örneğin, yörünge tabanlı rehabilitasyon ekzoskeletonları, eğitim sırasında uzuv yollarını dayatmakta veya düzeltmektedir [banala-2009], oysa ihtiyaç duyulduğunda yardım şemaları, kullanıcının tek başına üretemediği desteği sağlamaktadır.
Klinik önem
Tutarlı bir sınıflandırma, klinisyenlerin ve araştırmacıların cihazları karşılaştırmasına, bir cihaz sınıfını bir rehabilitasyon veya destek hedefine eşleştirmesine ve literatürü yorumlamasına yardımcı olmaktadır. Buradaki ilkeler, cihazların nasıl çalıştığını ve nasıl kategorize edildiğini açıklamaktadır; belirli bir hastaya hangi cihazın uygun olduğunu belirtmemektedir, bu karar bireyselleştirilmiş klinik değerlendirme gerektirmektedir.
Kanıt ve kılavuzlar
Sınıflandırma çerçeveleri ve kontrol taksonomileri öncelikli olarak mühendislik derleme makalelerinden [tucker-2015][yan-2015] gelmektedir; belirli kontrol prensiplerinin gösterimleri cihaz çalışmalarında [banala-2009] yer almaktadır. Yargı bölgeleri arasında tek bir standartlaştırılmış düzenleyici taksonomi bulunmamaktadır, bu nedenle terminoloji kaynaklar arasında farklılık göstermektedir.
Tarihçe
Güçlendirilmiş ekzoskeleton kavramları, yirminci yüzyılın ortalarındaki yük taşıma ve güçlendirme prototiplerine dayanmaktadır, ancak modern taksonomi, 2000'li ve 2010'lu yıllarda rehabilitasyon ve yardımcı cihazların yaygınlaşmasıyla kristalleşmiştir. 2010'ların ortalarından itibaren yayınlanan derleme makaleleri, alanın sınıflandırma eksenlerini ve kontrol stratejilerini günümüzde yaygın olarak atıf yapılan hiyerarşik çerçevede birleştirmiştir [tucker-2015][yan-2015].
Tartışmalar
- Sert ekzoskeletonlar ve yumuşak ekzo-giysiler
- Sert çerçeveler büyük torkları iletebilir ve bir eklemi tamamen destekleyebilir ancak ağırlık ekler ve doğal hareketi kısıtlar; yumuşak ekzo-giysiler ise daha hafiftir ve daha az engelleyicidir ancak daha küçük yardımcı kuvvetler sağlar; bu denge, cihazların nasıl sınıflandırıldığını ve seçildiğini şekillendirmektedir.
- Sabit yörünge kontrolü ve ihtiyaç duyulduğunda yardım kontrolü
- Önceden tanımlanmış bir yörünge dayatmak tutarlı hareketi sağlarken, kullanıcının kendi çabasını azaltabilmektedir; ihtiyaç duyulduğunda yardım stratejileri ise aktif katılımı teşvik etmeyi amaçlamaktadır; derlemeler, hangisinin rehabilitasyona daha iyi hizmet ettiğini tartışmaktadır.
İlgili konular
Temel eserler
- tucker-2015
- yan-2015
Sıkça sorulan sorular
- Güçlendirilmiş ekzoskeletonlar başlıca hangi yöntemlerle sınıflandırılmaktadır?
- Yaygın eksenler, hizmet edilen vücut bölgesi (alt ekstremite, üst ekstremite veya tüm vücut), amaç (destek, güçlendirme veya rehabilitasyon), yapı (sert çerçeve ve yumuşak ekzo-giysi) ve kullanılan aktüasyon ve kontrol stratejisidir.
- Bir ekzoskeletonda 'kontrol hiyerarşisi' ne anlama gelmektedir?
- Kontrol sisteminin katmanlı organizasyonudur: yüksek seviye kullanıcının niyetini çıkarır, orta seviye bunu hedef eklem hareketlerine dönüştürür ve düşük seviye aktüatörlere bu hedefleri takip etmeleri için komut verir.