Интегрирование людей и машин-роботов в одну систему предлагает океан возможностей для создания нового поколения реабилитационных технологий, которые можно использовать в биомедицине, промышленности и воздушно-космической отрасли.

Человеческая система предоставляет естественные и высокоразвитые алгоритмы управления, позволяющие создавать передовые решения и специализированные сенсорные устройства нечетких систем, в то время как роботизированная система предлагает технологические такие преимущества, как мощность, точность и скорость.

Моторизированный экзоскелет относится к классу роботов-манипуляторов, которые увеличивают мускульную силу человека, сохраняя при этом контроль над выполнением задачи со стороны человека. Система суставов экзоскелета соответствует суставам человеческого тела и позволяет осуществить прямую трансформацию сигналов усилия и информационных сигналов через человеко-машинный (человек/экзоскелет) интерфейс. В работе приведена оценка двух поколений конструкций экзоскелетов за последние 30 лет. Первое поколение использовало концепцию «хозяин-слуга» на основе кинематического контроля. Для второго поколения применялась основанная на динамическом контроле концепция прямого контакта посредством человеко-машинного (человек/экзоскелет) интерфейса.

Позиционирование уровня человеко-машинного интерфейса (MMI) для системы человек/экзоскелет является ключевым условием, критическим для общего качества функционирования системы, и поэтому определяет качество интеграции. Так как этап MMI устанавливается на более высоких уровнях человеческой физиологической иерархии, время реакции системы снижается, и манипулирование системой происходит более естественно. Данная работа предлагает новое поколение экзоскелета, поднимающее уровень MMI до уровня человеческого нервно-мышечного соединения с использованием ЭМГ-сигналов (обработанная элегромиограмма – ЭМГ) в качестве командных сигналов для экзоскелетонной системы. Установка человеко-машинных интерфейсов на уровне ЭМГ-сигналов нервно-мышечной системы в человеческой физиологической иерархии повышает качество функционирования интегрированной системы человек/экзоскелет и открывает новые горизонты для применения системы как к здоровым, так и к больным людям.

Оценка новой концепции производилась с использованием экспериментальной экзоскелетонной руки, которая объединяла в себе руку человека и механическую конструкцию с моторизированным локтевым суставом, управляемую персональным компьютером. Эта экспериментальная система использовалась для изучения различных рабочих характеристик и алгоритмов управления. Аппаратное обеспечение позволяло маневрировать экзоскелетом для оценки границ его функционирования. Программное обеспечение и его графический пользовательский интерфейс обеспечивали гибкость, необходимую для проектирования, преобразования и настройки схем управления и для создания исполняемых программ, работающих в режиме реального времени.

Ключевым элементом экзоскелетонной системы, работающей на основе обработки ЭМГ-сигналов, является ЭМГ-процессор. ЭМГ-процессор симулирует человеческие мышцы и предсказывает мышечные усилия до того, как в фактической мышце произойдет сокращение. Эта оценка выполняется на основании трех типов вводимых данных: (i) указанных ЭМГ-сигналами уровней нейронной активности, (ii) положения сустава и (iii) угловой скорости движения сустава. Были изучены два типа мышечных моделей: модель Хилла и система искусственной нейронной сети. Внедрение мышечных моделей в экзоскелетонную систему в качестве ЭМГ-процессоров, работающих в режиме реального времени, позволяет ввести в действие пробную версию сгибающих/разгибающих мышц локтевого сустава, используя модель Хилла. Предсказанное ЭМГ-процессором мышечное усилие усиливается моторизированным экзоскелетом и дает в результате управляемое движение интегрированной системы рука человека/экзоскелет. Эта новая концепция решает проблему электромеханической задержки, являющейся внутренним физиологическим явлением, которое ограничивало качество функционирования предшествующих поколений экзоскелета.

Новое поколение экзоскелета позволяет достичь значительного расширения границ общего функционирования системы. Так, экзоскелет, работающий с регулятором момента, и синтез ЭМГ-сигналов и плеча/момента силы как входной командный сигнал, дали коэффициент усиления, в два раза превышающий (макс.коэффициент усиления = 16) коэффициент усиления в предшествующей ей экзоскелетонной системе (макс.коэффициент усиления = 8). Практическое значение такого повышения качества функционирования заключается в том, что пользователь, манипулируя экзоскелетом, работающим на основе ЭМГ-сигналов, несет на себе только малый процент всей внешней нагрузки. Как оказалось, ЭМГ-сигналы значительно повышает отношение «командный сигнал/шум (SNR)» для двигателя экзоскелета. Повышение этого показателя позволило в дальнейшем увеличить общий коэффициент механического усиления экзоскелетонной системы, что является одним из главных преимуществ концепции третьего поколения по сравнению с предшествующими поколениями экзоскелетонных систем.

а

b

Рис.: Показатели качества функционирования экзоскелета – Общий коэффициент механического усиления момента (а) и нормализованный составной уровень мышечной деятельности (b) для механизированного локтевого сустава, измеренный экспериментально как функция нормализованного коэффициента усиления ЭМГ (Входной сигнал) и нормализованного усиления контактного момента (Обратная связь). Белые зоны определяют нестабильные состояния. Результаты указывают на то, что при надлежащем синтезе между ЭМГ как командными сигналами и контактным моментом как сигналами обратной связи общий коэффициент механического усиления может достичь уровня, равного 16 (a). Этот коэффициент усиления означает, что оператор несет на себе только 5.8% от внешней нагрузки, в то время как остальная нагрузка переносилась конструкцией экзоскелета и приводами. Использование либо только ЭМГ-сигналов, либо только контактных моментов дает в результате общий коэффициент механического усиления ниже, чем коэффициент усиления, полученный синтезом обоих типов сигналов. Кроме того, уровни мышечной активации при максимальном усилении составляли всего лишь 3.2% от их абсолютных значений при манипулировании одной и той же нагрузкой без помощи экзоскелета (b). Даже при таком низком уровне мышечной нейронной активации обработанные ЭМГ-сигналы были достаточно значимыми, чтобы обеспечить ввод команд в систему.

Потенциал использования экзоскелета как медицинского устройства реабилитации оценен как совокупность тестовых данных для пациента, страдающего от болезни Тея-Сакса (TSD). TSD это врожденная ошибка метаболизма из-за дефицита энзима, который критически важен в процессе катаболизма макромолекул. Расстройство не поддается лечению и постепенно разрушает нервные клетки. В предварительном эксперименте было задано 75%-е снижение деятельности локтевых мышц по отношению к здоровому человеку. Экзоскелет позволил пациенту осуществлять мышечную деятельность с помощью двигателя экзоскелета таким образом, что пациент мог совершать маневры с весом так же, как и здоровый человек без экзоскелета.

Для использования экзоскелета как устройства реабилитации больных должны быть выполнены несколько условий. Экзоскелет в основном является ортопедическим устройством, что означает, что пациент должен иметь свою собственную верхнюю конечность. Кроме того, так как экзоскелет является устройством реабилитации, пациент должен иметь, по меньшей мере, определенную ограниченную способность маневрировать своей собственной конечностью. Кроме того, принцип работы новой экзоскелетонной концепции требует наличия ЭМГ-сигналов, соотносящихся с кинематикой/динамикой конечности, а также наличия минимальной способности выработки мышечного усилия. Отвечающий этим требованиям пациент с нервно-мышечным расстройством сможет управлять экзоскелетонной системой как моторизированным ортопедическим реабилитационным устройством тем способом, который использует новое измерение качества жизни. Установка человеко-машинного интерфейса на уровне ЭМГ-сигналов нервно-мышечной системы в человеческой физиологической иерархии повышает качество функционирования интегрированной системы человек/экзоскелет и открывает новые горизонты применения системы как к здоровым, так и к больным людям.

Категория: EXO-UL1 | Нет комментариев »

Комментарии