文摘

代谢消耗在散步是积极与运动强度有关。步行辅助设备,的一个主要目标应该穿的代谢效益的最大化为不同情况下行走。朝着这个目标,本文通过实验评估的影响作者的软机器人西装,协助开发的髋关节屈曲节能行走的老年人在日常生活活动,在长途代谢降低成本水平和倾斜散步。实验结果表明,对于一个79岁的健康男性,机器人西装显著降低代谢成本条件下机器人西装穿和动力与磨损的条件,但动力。

1。介绍

老年人口的比例不断增加,数量估计在2050年达到近22%的全球人口(1- - - - - -3]。许多老年人遭受行走困难,因为下肢骨骼肌减少由老化引起的。结果,他们执行更短和更少的步行活动,这是老年人的生活质量正相关,与年轻人相比(4]。这样减少步行活动可能会导致很多心理问题,例如,社会孤立,不快乐或抑郁。另一方面,进一步减少步行活动,反过来,导致下肢骨骼肌下降。最后,他们可能会经历一个恶性循环的体力活动减少和骨骼肌下降。

为了防止上述恶性循环,下肢外骨骼研究了。例如,外骨骼恢复行走功能已经由赛博达因公司。5,6]。另外一个例子,一个semiexoskeleton提高步行能力提出了本田汽车有限公司(7- - - - - -9]。除了这些,各种下肢外骨骼的设计,例如,(10- - - - - -16]。下肢外骨骼的一个主要优点是,他们有能力提供足够大的辅助力量,可以达到几倍,由人工关节(17,18]。此外,他们可以支持全额或使用者的体重很大一部分通过刚性框架(19,20.]。

然而,一些挑战性的问题必须克服在设计和实现外骨骼。(1)不舒服的阻力可能生成的外骨骼和佩戴者之间的轴向联合偏差(21),从而导致代谢成本增加。(2)下肢的运动范围受到严格限制外骨骼的帧,同时进行日常生活活动需要一个大运动范围(18]。(3)大规模供电系统需要生产大量的辅助力量。此外,质量高度额外负载佩戴者。(4)安装和删除外骨骼的过程是复杂的。这些问题不容忽视的使用外骨骼在日常生活活动。

为了避免外骨骼的缺点,一些研究人员已经研究了软行走辅助设备(22- - - - - -32]。柔软的机器人套装的主要优势之一是精确匹配的设备的关节的佩戴者不是必需的。除此之外,由于软材料的使用,他们几乎是免费的从运动学约束。此外,提供辅助力量的强度通常低于外骨骼,供电系统,因此,可以用更小的尺寸和更轻的重量。此外,他们可以实现兼容和安全与人的互动33]。

具体来说,作者的组织开发了一种软机器人适合节能走了老年人在日常生活活动(29日- - - - - -32),如图1。机器人西装为髋关节屈曲提供了一个小而有效的辅助力量通过绕组包含弹性腰带元素。此外,它是轻量级的,它几乎不限制下肢的运动范围。据报道(29日),步行6分钟水平的情况下,机器人的使用穿西装和动力(其)条件显著降低代谢成本,显著提高步态特征与磨损的条件,但断电(POFF)。

我们的最终目标之一是开发一个柔软的机器人套装,减少代谢成本尽可能步行中老年人在日常生活中,这样他们就可以开展更多的体育活动,例如,购物,散步,和拜访朋友的生活,预防卫生保健。朝着这个目标,本文通过实验评估软机器人西装对代谢的影响成本的走在一个演示的潜在使用机器人的环境适合在现实生活中的情况下。

本文的其余部分组织如下。部分2概述作者的软机器人西装。部分3实验评估的影响软机器人套装在长距离水平和斜走代谢消耗。部分4讨论了实验结果。部分5结论和未来的工作。

2。概述软可穿戴的机器人套装

作者的组织提供了一个柔软的可穿戴机器人适合节能走了老年人在日常生活活动。图1说明了机器人的整体结构。对于每条腿,它是由一个致动器,一个控制单元,一个膝盖支撑,一个僵硬的上,和一个弹性低带附加到致动器单元和膝盖支撑,分别连接两带一个负载细胞,一个陀螺仪。这里,应该提到的执行机构和控制单元,含有最系统的质量,是安装在前面和后面的腰支撑,分别。这是由于这样的事实:越来越多的4公斤质量腰部不显著增加代谢成本,同时增加一个4公斤质量大腿,柄,或者脚消耗更多代谢成本与腰部的情况下(34]。机器人设备的总重量,不包括电源系统,是2.7公斤(设备外部的力量提供的直流电源通过电缆)。

的机器人套装,不受欢迎的部队所产生的扰动或重大控制错误可以被弹性吸收元素。此外,机器人西装几乎不限制下肢的运动范围,因此使用者可以执行风险规避突发事件的情况下采取行动。此外,由于其简单的结构,使用者可以轻松地把机器人西装了。

柔软的机器人套装提供了一个小的但有效的辅助力量髋关节屈曲的矢状面散步。具体来说,如图2,在挥拍阶段,致动器单元风僵硬,弹性腰带,和皮带张力产生的相应传播给佩戴者的协助髋关节屈曲关节。另一方面,在站阶段,张力保持在一个小,但足够的值(0.6 N),允许带“爬”沿着大腿没有影响髋关节的延伸。

图3显示控制系统的框图的柔软的机器人套装。臀部在行走是由陀螺仪测量角速度。然后,它通过应用数值积分转化为髋关节角。众所周知,数值积分陀螺仪的角度介绍了漂移速度信号。对这个问题,一个0度角偏移量进行补偿。最低髋关节角的时间、最大髋关节角度和鞋跟接触,和平均步态周期估计平均步态周期计算器,并概要文件用于生成所需的辅助力量。一个基于代理的滑模控制器(35),实现平稳和安全的响应(36,37),实现跟踪所需的采样间隔的 。图4显示了典型的数据测量髋关节的角速度,髋关节角,和生成的辅助力量。

3所示。实验

本节实验评估的影响机器人套装在长距离水平和斜走代谢消耗。实验是实验教师的伦理委员会批准的工程,九州大学。

3.1。主题

一个健康男性老年主题(= 79岁,体重= 61。6公斤,身高= 157厘米)参加了实验。

3.2。协议

执行之前的主要实验,初步锻炼的话题。首先,主题是要求熟悉跑步机上行走。然后,他更喜欢走路速度(2。2 km / h)是由应用程序的评估报告(38]。之后,这个话题练习跑步机上走在其条件与最大辅助力(加)25。3 N,他感到舒适的首选步行速度适应机器人西装。

实验在两天内完成。图5展示了主要的实验协议。30分钟的跑步机上行走试验速度的首选的POFF条件在其与条件构成了一组对比实验。在每个实验,一组进行比较。对于每一个试验,首先这个话题进行了水平步行15分钟。之后,跑步机被实验者倾向于2%的坡度,和主题表现的斜走15分钟。具体来说,在其条件的情况下,相同的辅助力,如图4,应用水平和倾向于步行。十分钟休息执行测试来确定静息代谢成本。此外,60分钟后休息期间提供试验1恢复代谢活动和分离的两个试验。排除代谢和生物力学变化的影响和测量错误,撤销了订单POFF条件,其条件是使用在不同的日子。这里,应该提到,因为实验协议的目的是验证走援助战略的有效性,也就是说,通过绕组带援助髋关节屈曲,在长距离水平和斜走,和自致动器单元没有优化的重量,只有POFF条件之间的比较和被认为是在其条件,排除机器的状况适合不穿。

过期的气体不断收集气体分析仪(- 1100,生命、有限公司、日本)为整个30分钟的步行。

3.3。数据分析

每一天,静息代谢成本的平均值(毫升/分钟)在最后5分钟的间隔休息测试计算确定休息代谢水平。此外,所有试验,行走代谢消耗总值的平均值(毫升/分钟)步行15分钟的水平和斜走15分钟计算。此外,平均的值在整个30分钟间隔计算。除此之外,对于每一个试验,以检查代谢的转换成本,平均的值每5分钟间隔计算。然后,平均值的净代谢成本(毫升/分钟)被减去相应的获得从上述每个 。在那之后,规范化的体重(公斤)。所有试验的平均在每个测量被用于分析。

3.4。统计分析

配对测试进行识别POFF条件之间的显著差异,其在平均条件15分钟的步行15分钟级别,斜走,和整个30分钟的步行。此外,标准差为每个平均计算 。

4所示。结果

图6显示了其代谢成本实现POFF条件和条件为每一个5分钟的间隔。代谢成本降低的彩球条件11 12间隔与POFF条件相比,最大限度减少16.1%。

图7比较了为期两天的平均值之间的代谢消耗两个条件的水平步行和倾向于走。可以观察到,这两种情况下,两个条件之间的显著差异被发现,其平均削减9.1%和6.5%的条件。

为期两天的平均值的代谢消耗整个30分钟的步行比较图8。结果表明,使用机器人西装显著降低代谢成本平均为7.7%。

5。讨论

的一个机器人西装的最终目的是减少代谢成本尽可能的老年人在日常生活活动。说明的结果,其代谢的水平步行减少成本条件相比POFF条件几乎每5分钟的间隔,最大降低16.1%,平均减少9.1%。这个结果与我们之前的结果是一致的(29日)显示,使用机器人西装代谢成本平均降低5.9%在6分钟步行。然而,众所周知,代谢压力走随着行走时间增加而增加的39- - - - - -42]。相比,因此,它应该强调,与以前的结果可能是太短的6分钟步行施加显著的代谢压力,减少代谢消耗条件下实现在15分钟的步行时间连续积累代谢压力。减少的主要根本原因可能是由于连续的能量注入机器人适合协助髋关节屈曲,即代谢降低成本获得的机械能注入。

在倾斜的情况下走路,代谢成本高于水平的情况下走了两个条件。这主要是由于这一事实,对于斜走,必须提高对人体重力通过增加髋关节屈曲随着坡度的增加(43- - - - - -45]。因此,额外的机械功率可能会消耗增加髋关节的身体的重力势能的质心(COM)与水平走(43,46,47]。除此之外,代谢压力积累在前15分钟级别走也可能增加代谢有关的成本倾向于走。然而,通过比较两种情况的结果,可以发现在其代谢的成本条件低于POFF条件下,最大降低13.7%,平均减少6.5%。向这样的减少,我们假设提供了髋关节屈曲援助导致髋关节屈曲强度的补偿代谢负担髋关节在斜走,因此导致了其成本的降低代谢状况。

有趣的是,它应该观察到斜走不到的代谢还原速度的水平行走。从这个结果,我们认为,在相同注入力量,也就是说,配置文件参数相同的辅助力量,注入的力量在斜走不足以补偿所需的机械功率的增加加速COM向上,实现一个类似的代谢降低的情况下水平行走。这一发现表明,为了最大化机器人西装的有效性,优化辅助力量配置文件参数,例如,形状,加,开始计时,加,和结束,应该探索更好地理解复杂的人机交互。

作为一个整体,因为代谢成本是正相关的运动强度(48),我们认为这个话题可能走在其更容易和舒适条件与代谢消耗越少30分钟级别和倾向于走。因此,可以得出结论,短途的机器人套装不仅是有效的水平走在前面的报道工作(29日),而且在长距离水平和斜走。

6。结论和未来的工作

本文通过实验评估的影响作者的软机器人西装在30分钟的代谢消耗水平和倾斜散步。实验结果表明,代谢成本降低最高减少16.1%相比,其条件与POFF条件11的12 5分钟的间隔。此外,重要的代谢降低成本9.1%和6.5%被发现在其条件水平步行和斜走,分别。此外,整个30分钟的步行机器人西装显著降低代谢成本平均为7.7%。

本研究的一个限制是,通过考虑的2.7公斤质量机器人西装另外强加给使用者,机器人西装的有效性只有相比POFF条件和其之间的条件。未来研究包括机械结构的优化(包括减肥),辅助力量配置文件参数(包括形状、加和计时开始,加,和结束),和设计为特定的人群和步行环境的自适应控制方案,目的是实现更大的代谢降低成本和兼容的人机交互。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由下列补助:补助金的适应性与无缝技术转让项目通过目标驱动的研发(批准号AS2415010K)从日本科学技术振兴机构(JST),吉林省科技发展基金会(批准号20180520019 jh)、科技研究基金会的教育部门吉林省(批准号JJKH20180883KJ),和深圳孔雀技术创新资助(批准号KQJSCX20170726103546683)。