Phân loại và Nguyên lý Hoạt động của Bộ Xương Ngoài Có Động Cơ

Chủ đề này trình bày cách phân loại bộ xương ngoài có động cơ và các nguyên lý kỹ thuật làm cho chúng hoạt động. Các thiết bị thường được nhóm theo vùng cơ thể mà chúng phục vụ (chi dưới, chi trên hoặc toàn thân), theo mục đích của chúng (hỗ trợ, tăng cường hoặc phục hồi chức năng), và theo chiến lược truyền động và điều khiển của chúng. Hiểu được các trục này—và vòng lặp cảm biến-điều khiển chung bên dưới chúng—cho phép người đọc đặt bất kỳ thiết bị cụ thể nào vào một bản đồ mạch lạc của lĩnh vực này.

Definition

Bộ xương ngoài có động cơ là một cấu trúc robot có thể đeo được, được mang song song với cơ thể, sử dụng bộ truyền động, cảm biến và hệ thống điều khiển để áp dụng các lực hoặc mô-men xoắn hỗ trợ cho một hoặc nhiều khớp; các sơ đồ phân loại tổ chức các thiết bị như vậy theo vùng cơ thể, mục đích, loại truyền động và chiến lược điều khiển.

Scope

Mục này bao gồm các khía cạnh được sử dụng để phân loại bộ xương ngoài robot có thể đeo và các nguyên lý cốt lõi trong hoạt động của chúng: truyền động, cảm biến và kiến trúc điều khiển phân lớp liên kết ý định của người đeo với đầu ra của bộ truyền động. Nó không bao gồm các kết quả lâm sàng cụ thể của thiết bị, vốn được xử lý trong các chủ đề về vận động và bộ phận giả. Đây là tài liệu tham khảo giáo dục, không phải đặc điểm kỹ thuật kỹ thuật hoặc hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Bộ xương ngoài có động cơ được phân loại theo những trục nào?
• Sự khác biệt chức năng giữa các thiết bị hỗ trợ, tăng cường và phục hồi chức năng là gì?
• Một hệ thống điều khiển được phân lớp như thế nào từ nhận dạng ý định đến lệnh truyền động?
• Các lựa chọn truyền động và phương thức cảm biến định hình hành vi của thiết bị như thế nào?

Key concepts

• Vùng cơ thể: chi dưới, chi trên, toàn thân
• Mục đích: hỗ trợ, tăng cường, phục hồi chức năng
• Loại truyền động (điện, thủy lực, khí nén, đàn hồi nối tiếp)
• Cấu trúc cứng nhắc so với mềm (exosuit)
• Điều khiển phân cấp: cấp cao, cấp trung, và cấp thấp
• Phát hiện ý định và ước tính pha dáng đi
• Độ tuân thủ và tương tác người-robot

Mechanisms

Các đánh giá trong lĩnh vực này mô tả điều khiển bộ xương ngoài có động cơ như một hệ thống phân cấp ba cấp độ: cấp độ cao nhận biết ý định của người đeo và chọn nhiệm vụ hỗ trợ, cấp độ trung gian chuyển đổi ý định thành trạng thái khớp tham chiếu hoặc quỹ đạo, và cấp độ thấp điều khiển các bộ truyền động để theo dõi các tham chiếu đó [tucker-2015]. Phân loại theo chiến lược hỗ trợ còn phân biệt các phương pháp như theo dõi quỹ đạo được xác định trước, hỗ trợ khi cần thiết, và điều khiển dựa trên trở kháng hoặc mô hình [yan-2015]. Các phương thức cảm biến—bộ mã hóa khớp, cảm biến lực và áp suất, các đơn vị quán tính và tín hiệu điện sinh học—cung cấp dữ liệu cho các lớp này. Ví dụ, bộ xương ngoài phục hồi chức năng dựa trên quỹ đạo áp đặt hoặc điều chỉnh đường đi của chi trong quá trình luyện tập [banala-2009], trong khi các sơ đồ hỗ trợ khi cần thiết chỉ cung cấp sự hỗ trợ mà người đeo không thể tự tạo ra.

Clinical relevance

Một phân loại nhất quán giúp các nhà lâm sàng và nhà nghiên cứu so sánh các thiết bị, đối chiếu một loại thiết bị với mục tiêu phục hồi chức năng hoặc hỗ trợ, và diễn giải tài liệu. Các nguyên lý ở đây mô tả cách các thiết bị hoạt động và được phân loại; chúng không chỉ ra thiết bị nào phù hợp với một bệnh nhân cụ thể, một quyết định đòi hỏi đánh giá lâm sàng cá nhân hóa.

Evidence & guidelines

Các khung phân loại và phân loại điều khiển chủ yếu đến từ các bài báo đánh giá kỹ thuật [tucker-2015][yan-2015]; các minh họa về các nguyên lý điều khiển cụ thể xuất hiện trong các nghiên cứu thiết bị [banala-2009]. Không có một phân loại quy định tiêu chuẩn hóa duy nhất trên các khu vực pháp lý, vì vậy thuật ngữ có thể khác nhau giữa các nguồn.

History

Các khái niệm về bộ xương ngoài có động cơ có từ các nguyên mẫu vận chuyển tải và tăng cường vào giữa thế kỷ XX, nhưng phân loại hiện đại đã được hình thành khi các thiết bị phục hồi chức năng và hỗ trợ phát triển mạnh vào những năm 2000 và 2010. Các bài báo đánh giá từ giữa những năm 2010 đã củng cố các trục phân loại và chiến lược điều khiển của lĩnh vực này thành khung phân cấp hiện được trích dẫn rộng rãi [tucker-2015][yan-2015].

Debates

Bộ xương ngoài cứng nhắc so với bộ đồ ngoài mềm (exosuit)

Khung cứng có thể truyền mô-men xoắn lớn và hỗ trợ hoàn toàn một khớp nhưng làm tăng trọng lượng và hạn chế chuyển động tự nhiên, trong khi bộ đồ ngoài mềm nhẹ hơn và ít cản trở hơn nhưng cung cấp lực hỗ trợ nhỏ hơn; sự đánh đổi này định hình cách các thiết bị được phân loại và lựa chọn.

Điều khiển quỹ đạo cố định so với hỗ trợ khi cần thiết

Việc áp đặt một quỹ đạo được xác định trước đảm bảo chuyển động nhất quán nhưng có thể làm giảm nỗ lực của người đeo, trong khi các chiến lược hỗ trợ khi cần thiết nhằm thúc đẩy sự tham gia tích cực; các đánh giá tranh luận về phương pháp nào phục vụ phục hồi chức năng tốt hơn.

Seminal works

• tucker-2015
• yan-2015

Frequently asked questions

Các cách chính để phân loại bộ xương ngoài có động cơ là gì?

Các trục phổ biến là vùng cơ thể được phục vụ (chi dưới, chi trên hoặc toàn thân), mục đích (hỗ trợ, tăng cường hoặc phục hồi chức năng), cấu trúc (khung cứng nhắc so với bộ đồ ngoài mềm), và chiến lược truyền động và điều khiển được sử dụng.

Thuật ngữ 'hệ thống phân cấp điều khiển' trong bộ xương ngoài có nghĩa là gì?

Đó là tổ chức phân lớp của hệ thống điều khiển: cấp cao suy luận ý định của người đeo, cấp trung chuyển đổi điều đó thành các chuyển động khớp mục tiêu, và cấp thấp ra lệnh cho các bộ truyền động để theo dõi các mục tiêu đó.