Войти
Управление роботизированными протезами - это метод управления протез таким образом, что управляемый роботизированный протез восстанавливает биологически точную походку человеку с потерей конечности. Это особая ветвь управления, в которой упор делается на взаимодействие человека и робототехники.
Базовая блок-схема управления, используемая при проектировании контроллеров для системы. Еще в 1970 году несколько исследователей разработали привязной электрогидравлический трансфеморальный протез. Он включал только коленный шарнир с гидравлическим приводом, управляемый внешней электроникой с использованием типа управления, называемого эхоконтролем. Управление эхом пытается взять кинематику здоровой ноги и управлять протезной ногой, чтобы она соответствовала неповрежденной ноге, когда она достигает этой части цикла походки. В 1988 г. Попович и Швиртлих создали активный коленный сустав с батарейным питанием, приводимый в действие двигателями постоянного тока и управляемый надежным алгоритмом отслеживания положения. Управление слежением - это общий метод управления, используемый для принудительного отслеживания определенного состояния, такого как положение, скорость или крутящий момент, по определенной траектории. Это всего лишь два примера предыдущей работы, проделанной в этой области.
Эта форма контроля представляет собой подход, используемый для управления динамическими взаимодействиями между окружающей средой и манипулятором. Это работает, рассматривая окружающую среду как допуск, а манипулятор как импеданс. Взаимосвязь, которую это накладывает на роботизированный протез, представляет собой взаимосвязь между производством силы в ответ на движение, вызванное окружающей средой. Это выражается в крутящем моменте, требуемом на каждом суставе во время одного шага, представленном в виде серии функций пассивного импеданса, кусочно связанных в течение цикла походки. Контроль импеданса не регулирует силу или положение независимо, вместо этого он регулирует соотношение между силой, положением и скоростью. Чтобы разработать контроллер импеданса, для параметризации функции импеданса используется регрессионный анализ данных походки. Для протеза нижней конечности функция импеданса выглядит следующим образом:
Хью Герр демонстрирует новые роботизированные протезы ног на TED 2014: «Это была первая демонстрация беговой походки под нейронным управлением. Чем больше я тренирую свои мышцы, тем больше крутящий момент я получаю ». Термины k (жесткость пружины), θ 0 (угол равновесия) и b (коэффициент демпфирования) - все параметры, найденные с помощью регрессии и настроенные для различных частей цикл походки и для определенной скорости. Это соотношение затем программируется в микроконтроллере для определения необходимого крутящего момента на различных этапах фазы ходьбы.
Электромиография (ЭМГ) - это метод, используемый для оценки и регистрации электрической активности, производимой скелетными мышцами. Усовершенствованные алгоритмы распознавания образов могут принимать эти записи и декодировать уникальные образцы сигналов ЭМГ, генерируемые мышцами во время определенных движений. Шаблоны могут использоваться для определения намерений пользователя и обеспечения контроля над протезом конечности. Для роботизированных протезов нижних конечностей важно иметь возможность определить, хочет ли пользователь ходить по ровной поверхности, по склону или по лестнице. В настоящее время здесь вступает в игру миоэлектрический контроль. Во время переходов между этими различными режимами работы сигнал ЭМГ становится очень изменчивым и может использоваться для дополнения информации от механических датчиков для определения предполагаемого режима работы. Каждый пациент, использующий роботизированный протез, настроенный для этого типа управления, должен специально обучать свою систему. Это достигается путем прохождения ими различных режимов работы и использования этих данных для обучения алгоритму распознавания образов.
Механизм адаптации скорости - это механизм, используемый для определить требуемый крутящий момент от шарниров при разных скоростях движения. Было замечено, что во время фазы опоры квазижесткость, которая является производной отношения угла крутящего момента по отношению к углу, постоянно изменяется в зависимости от скорости ходьбы. Это означает, что в фазе опоры, в зависимости от скорости движения объекта, существует зависимость угла крутящего момента, которую можно использовать для управления протезом нижней конечности. Во время фазы поворота суставной крутящий момент увеличивается пропорционально скорости ходьбы, а продолжительность фазы поворота уменьшается пропорционально времени шага. Эти свойства позволяют получать траектории, которыми можно управлять, точно описывая угловую траекторию на фазе поворота. Поскольку эти два механизма остаются постоянными от человека к человеку, этот метод устраняет скорость и индивидуальную настройку пациента, требуемую большинством контроллеров протезирования нижних конечностей.
Ходьба классифицируется как гибридная система, что означает, что она имеет раздельную динамику. С этой уникальной проблемой был разработан набор решений для гибридных систем, которые подвергаются ударам, под названием «Быстрое экспоненциально стабилизирующее управление функциями Ляпунова (RES-CLF). Управляющие функции Ляпунова используются для стабилизации нелинейной системы к желаемому набору состояний. RES-CLF могут быть реализованы с использованием квадратичных программ, которые учитывают несколько ограничений неравенства и возвращают оптимальный результат. Одна из проблем с ними заключается в том, что им требуется модель системы для разработки RES-CLF. Чтобы избавиться от необходимости настройки на конкретных людей, для получения CLF использовались независимые от модели квадратичные программы (MIQP). Эти CLF ориентированы только на уменьшение ошибки в желаемом выходе без каких-либо знаний о том, каким должен быть желаемый крутящий момент. Чтобы предоставить эту информацию, добавлен контроль импеданса, чтобы обеспечить термин прямой связи, который позволяет MIQP собирать информацию о системе, которую он контролирует, без наличия полной модели системы.
Коммерческие решения используют поверхностные сигналы ЭМГ для управления протезом. Кроме того, исследователи изучают альтернативные решения, использующие различные биологические источники:
миокинетический контроль представляет собой альтернативу стандартному миоэлектрическому контролю. Он направлен на измерение деформации мышц во время сокращения, а не на электрическую активность мышц. Недавно в 2017 году появился новый подход, основанный на ощущении магнитного поля постоянных магнитов, имплантированных непосредственно в остаточные мышцы. Определение положения магнита эквивалентно измерению сокращения / удлинения мышцы, в которую он имплантирован, когда магнит движется вместе с ним. Эта информация может использоваться для интерпретации произвольных движений пациента и, следовательно, для управления протезом. Магнитные сигналы, генерируемые магнитами, обнаруживаются внешними датчиками, размещенными вокруг остаточной конечности. Затем локализация реализуется с помощью метода оптимизации, который выполняет отслеживание путем решения обратной магнитной задачи (например, алгоритм Левенберга – Марквардта ).
Сквозное управление управляющие, необработанные сигналы электромиографии (ЭМГ) проходят через сверточную нейронную сеть для отображения в положение руки или сустава. Это положение может применяться в качестве входного сигнала привода привода протеза. сквозное управление должно исключить проектирование функций для достижения максимальной точности.
