Пропорциональное миоэлектрическое управление может использоваться (среди прочих целей) для активации экзоскелетов роботизированных нижних конечностей . Система пропорционального миоэлектрического управления использует микроконтроллер или компьютер, который вводит сигналы электромиографии (ЭМГ) от датчиков на мышцах ног, а затем активирует соответствующий привод сустава (приводов) пропорционально сигналу ЭМГ.
Роботизированный экзоскелет — это тип ортеза , который использует приводы для помощи или сопротивления движению сустава неповрежденной конечности; его не следует путать с приводным протезом , который заменяет отсутствующую конечность. Существует четыре цели, которые могут выполнять роботизированные экзоскелеты нижних конечностей: [1]
Роботизированными экзоскелетами нижних конечностей можно управлять несколькими способами, включая ножной переключатель (датчик давления, прикрепленный к нижней части стопы), оценку фазы походки (использование углов суставов для определения текущей фазы ходьбы) и миоэлектрический контроль (с использованием электромиографии ). [1] [2] В этой статье основное внимание уделяется миоэлектрическому контролю.
Датчики на коже обнаруживают сигналы электромиографии (ЭМГ) от мышц ног(и) пользователя. Сигналы ЭМГ могут быть измерены только от одной мышцы или от нескольких, в зависимости от типа экзоскелета и количества задействованных суставов. Каждый измеренный сигнал затем отправляется на контроллер, который является либо встроенным микроконтроллером (установленным на экзоскелете), либо на ближайший компьютер. Встроенные микроконтроллеры используются для долгосрочных вспомогательных устройств, поскольку пользователь должен иметь возможность ходить в разных местах, пока носит экзоскелет, тогда как компьютеры, не переносимые экзоскелетом, могут использоваться в терапевтических или исследовательских целях, поскольку пользователю не нужно ходить очень далеко в клинической или лабораторной среде.
Контроллер отфильтровывает шум из сигналов ЭМГ, а затем нормализует их, чтобы лучше проанализировать паттерн активации мышц. Нормализованное значение ЭМГ мышцы представляет собой процент ее активации, поскольку сигнал ЭМГ нормализуется путем деления его на максимально возможное показание ЭМГ для мышцы, от которой он поступил. Максимальное показание ЭМГ генерируется, когда мышца полностью сокращена. Альтернативным методом нормализации является пропорциональное соответствие мощности привода сигналу ЭМГ между минимальным порогом активации и верхним уровнем насыщения .
С пропорциональным миоэлектрическим контроллером мощность, посылаемая на привод, пропорциональна амплитуде нормализованного сигнала ЭМГ от мышцы. [3] Когда мышца неактивна, привод не получает мощности от контроллера, а когда мышца полностью сокращена, привод создает максимальный крутящий момент вокруг сустава, которым он управляет. Например, ортез голеностопного сустава с электроприводом ( AFO ) может использовать пневматическую искусственную мышцу для обеспечения крутящего момента сгибания подошвы , пропорционального уровню активации камбаловидной мышцы (одной из икроножных мышц). Этот метод управления позволяет управлять экзоскелетом теми же нервными путями, что и биологические мышцы пользователя, и, как было показано, позволяет людям ходить с более нормальной походкой, чем другие методы управления, такие как использование ножного переключателя. [4] Пропорциональное миоэлектрическое управление роботизированными экзоскелетами нижних конечностей имеет преимущества по сравнению с другими методами управления, такими как:
Однако пропорциональное миоэлектрическое управление также имеет недостатки по сравнению с другими методами управления, в том числе:
Прямое пропорциональное управление хорошо работает, когда каждый сустав экзоскелета приводится в действие в одном направлении (однонаправленное приведение в действие), например, пневматический поршень, сгибающий только колено, но менее эффективно, когда два привода суставов работают в противофазе (двунаправленное приведение в действие). Примером этого может служить экзоскелет голеностопного сустава, использующий одну пневматическую искусственную мышцу для тыльного сгибания на основе ЭМГ передней большеберцовой мышцы (мышцы голени) и другую пневматическую искусственную мышцу для подошвенного сгибания на основе ЭМГ камбаловидной мышцы (мышцы голени). Это может привести к значительной степени совместной активации двух приводов и затруднить ходьбу. [10] Чтобы исправить эту нежелательную совместную активацию, в схему управления можно добавить правило, чтобы искусственная активация тыльного сгибателя подавлялась, когда ЭМГ камбаловидной мышцы превышает установленный порог. Пропорциональное управление с подавлением сгибателей обеспечивает более естественную походку, чем при прямом пропорциональном управлении; Торможение сгибателей также позволяет субъектам ходить гораздо легче с комбинированными экзоскелетами колена и лодыжки с двунаправленными приводами в каждом суставе. [6]
Повышение производительности связано с увеличением типичных человеческих возможностей, таких как сила или выносливость. Многие полноразмерные роботизированные экзоскелеты, которые в настоящее время находятся в разработке, используют контроллеры, основанные на крутящих моментах и углах суставов вместо электромиографии. См. Powered exoskeletons .
Одним из применений экзоскелета нижних конечностей робота является помощь в перемещении инвалида для ходьбы. Люди с травмой спинного мозга, ослабленными мышцами ног, плохим нервно-мышечным контролем или перенесшие инсульт могут извлечь пользу из ношения такого устройства. Экзоскелет обеспечивает крутящий момент вокруг сустава в том же направлении, в котором данные ЭМГ указывают на вращение сустава. Например, высокие сигналы ЭМГ в широкой медиальной мышце бедра (четырехглавая мышца) и низкие сигналы ЭМГ в двуглавой мышце бедра (подколенное сухожилие) будут указывать на то, что пользователь вытягивает ногу, поэтому экзоскелет будет обеспечивать крутящий момент на колене, чтобы помочь выпрямить ногу.
Пропорциональное миоэлектрическое управление и роботизированные экзоскелеты использовались в устройствах для верхних конечностей в течение десятилетий, но инженеры только недавно начали использовать их для устройств для нижних конечностей, чтобы лучше понять биомеханику человека и нейронный контроль локомоции. [11] [12] Используя экзоскелет с пропорциональным миоэлектрическим контроллером, ученые могут использовать неинвазивные средства изучения нейронной пластичности , связанной с изменением силы мышц (биологическая +/- искусственная сила), а также того, как формируются двигательные воспоминания для локомоторного контроля. [10]
Роботизированные экзоскелеты нижних конечностей могут помочь человеку восстановиться после травмы, такой как инсульт, повреждение спинного мозга или другие неврологические нарушения. Неврологические двигательные расстройства часто приводят к снижению амплитуды произвольной активации мышц, нарушению проприоцепции и нарушению координации мышц; роботизированный экзоскелет с пропорциональным миоэлектрическим контролем может улучшить все три из них, усиливая связь между активацией мышц и проприоцептивной обратной связью. Увеличивая последствия активации мышц, экзоскелет может улучшить сенсорную обратную связь физиологическим способом, что, в свою очередь, может улучшить двигательный контроль [1] Люди с повреждением спинного мозга или перенесшие инсульт могут улучшить свои двигательные возможности с помощью интенсивной реабилитации походки, [13] для которой может потребоваться до трех физиотерапевтов, чтобы частично поддерживать вес тела человека. [14] Роботизированные экзоскелеты нижних конечностей могут помочь в обеих этих областях.
Нервно-мышечная система имеет целевые вращающие моменты суставов , которые она пытается генерировать во время ходьбы. Вспомогательные экзоскелеты производят часть вращающего момента, необходимого для перемещения одного или нескольких суставов ног во время ходьбы, что позволяет здоровому человеку генерировать меньший вращающий момент мышц в этих суставах и использовать меньше метаболической энергии. Мышечный вращающий момент достаточно уменьшен, чтобы поддерживать чистый вращающий момент вокруг каждого сустава примерно таким же, как при ходьбе без экзоскелета. [15] Чистый вращающий момент вокруг каждого сустава — это мышечный вращающий момент плюс вращающий момент привода. Инвалиды не видят большого уменьшения, если вообще видят, мышечного вращающего момента во время ходьбы с экзоскелетом, потому что их мышцы недостаточно сильны, чтобы ходить нормальной походкой, или вообще не видят; экзоскелет обеспечивает оставшийся вращающий момент, необходимый для ходьбы.