常见的路面对Interjoint协调有或没有机器人外骨骼行走

文摘

背景。协调控制的分析和理解人体步态的共同点机器人外骨骼运动恢复的发展中获益。客观的。本研究调查的共识效应interjoint协调是否健康的参与者有/没有外骨骼行走。方法。knee-ankle协调和hip-knee协调8健康的参与者在矢状平面测量五种人行道(瓷砖、地毯、木、混凝土和铺)有/没有外骨骼,使用连续的相对相位(CRP)。c反应蛋白(CRP的均方根_RMS在步态周期的每个阶段用于分析关节之间的移相的大小,和c反应蛋白(CRP的标准差_SD)在整个步态周期是用来评估关节之间的协调模式的可变性。结果。c反应蛋白的_{Hip-Knee / RMS}外骨骼的地毯上不同于其他人行道(除了平铺的路面)姿势阶段。c反应蛋白的_{Hip-Knee / RMS}卵石路面上没有外骨骼小于在所有阶段的人行道。c反应蛋白的_{Hip-Knee / SD}没有外骨骼的卵石路面小于其他人行道。c反应蛋白的_{Knee-Ankle / SD}在所有人行道有/没有外骨骼是相似的。结论。的抗压能力路面和人行道上的不均匀影响interjoint协调是很重要的因素,这可以作为关键控制元素步态的适应不同的路面机械外骨骼。新奇的事物。我们提供一个参数变化的运动学基础在不同的常见理由机器人外骨骼的设计和优化汽车复苏。

1。介绍

机器人外骨骼及时提供帮助,在某种程度上复制人类行走。人类行走的interjoint协调模式应用于外骨骼机器人的步态控制。然而,外骨骼机器人的步态康复通常是固定的,和机器人外骨骼康复不能感知地面变化。虽然知道是在跑步机上行走的节间的协调或凹凸不平的地面1],共识的影响如瓷砖地面上interjoint协调没有得到系统的研究。

行走的信息模式,比如关节之间的协调模式,提供基本的数据分类和步态控制算法(2为机器人外骨骼。机器人外骨骼减少肌肉工作相比,自由行走(3,4]。增加人类的行走效率,它需要减少对自然的影响行走步态运动学(通过最小化变化5]。此外,适当的辅助策略构成机器人运动,运动辅助各向同性的好处,提高辅助力量的效率(6]。匹配的外骨骼的援助模式,个人也需要设备的优势,最大限度地减少人类行走期间的能源费用(7]。

interjoint协调在矢状面分析了连续相对相位(CRP) (8),时空相关参数(9在关节和被用来评估段间协调(1,10- - - - - -12)以及interjoint协调(8,13,14]。人类走在不同的理由似乎采取不同的行走模式通过调整关节运动。不过,协调模式的人体外骨骼通常模仿人体的协调模式没有外骨骼。越相似interjoint协调机器人外骨骼的模式是一个正常人,偏瘫的患者运动恢复越好。它将不利于偏瘫的患者的康复,如果人体的关节角的趋势有/没有外骨骼是如此不同。下肢外骨骼机器人步态援助和康复潜力显著(15]。然而,我们在一定程度上了解人与机器人行走设备适应日常生活的环境。研究个体如何适应或响应不同的理由仍然是一个开放的挑战[走16,17]。

更重要的是,很难找到研究关注共同点在关节运动学的影响当人类走在在日常生活中各种各样的理由与外骨骼。因此,在当前的研究中,五种人行道(平铺的人行道上,地毯上,木路面,混凝土路面,和卵石路面)铺真实材料在实验环境中找出共同的人类将调整适应不同路面和是否调整关节运动学的模式去适应不同的理由。基于c反应蛋白,proximal-to-distal协调一致,如hip-knee协调和knee-ankle协调,在五种测量有/没有外骨骼人行道在8个健康的参与者在这个研究。我们也希望proximal-to-distal协调一致提供支持的研究期间外骨骼机器人的运动规划走在不同的理由。本研究的假设如下:

假设1:与外骨骼行走时五种人行道,interjoint协调的模式和变化不同的人行道之间是相似的

假设2:走路时没有外骨骼五种人行道上,会有一个显著区别不同的模式和可变性的人行道interjoint协调

2。方法

八个年轻和健康的参与者(年龄: 年,性别:男,腿的长度: ,质量: ,和高度: )被招募参加实验与实验前应书面知情同意。所有程序都是经四川省康复医院审查委员会批准。

运动学VICON捕获的数据系统(V5,牛津,VICON,英国)8红外摄像机在100赫兹。human-exoskeleton系统标记集(图1(一))是一个修改的一套标记VICON系统。人类和外骨骼被视为一个整体系统的修改标记集,所以标记放在人类的骨盆,腿,脚踝,搬到外骨骼的骨盆和高跟鞋,腿,脚踝,和高跟鞋。39反光标记放在human-exoskeleton系统,包括第七颈椎,胸骨,肩,肘,髂前上棘,外骨骼大腿,外骨骼膝盖,外骨骼小腿,外骨骼脚踝,2^nd跖,外骨骼的高跟鞋。此外,四个标记被困在头巾和两个标记被困在腕带。

下肢外骨骼称为教唆者(图1(一))是由我们实验室开发的,它可以帮助走T7-T12 SCI患者的高度160 - 185厘米。主控制器和电池背面设置。两个电机,分别固定在单侧髋关节和膝关节提供积极的驱动器,和一个弹簧固定在踝关节提供被动的驱动器。两个可调节的拐杖,两个键与主控制器无线互动协助human-exoskeleton系统的平衡。教唆者之间的接口和参与者的身体是两个脚绑定两个乐队与前面保护垫约束小腿,两个后面系带保护板约束大腿,和两个扣腰腰带限制了上半身。教唆者(8自由度,26公斤)允许病人行走的速度0.03 m / s, 0.9 m / s。

五个典型的人行道(图1 (c)真正的材料制成的)。所有模拟表面的大小有不同的摩擦系数(表13 m×1米。人行道是平铺的人行道上,地毯上,木路面,混凝土路面,卵石路面。参与者排名第一外骨骼走人行道2米4次为正常速度,然后,他们走在人行道与外骨骼在正常速度为2米4倍后至少1小时的培训。为了确保参与者的安全,研究了参与者的行走与外骨骼在整个实验。

步态周期从脚跟罢工到脚跟罢工是由脚跟的轨迹标记。所有的变量都是归一化从0到1,而跨周期。各关节的角度在矢状面内插在一个步态周期相同的数量。各关节的角速度是源自角度位移的分化。相位角等于角速度的比值参数的反正切值规范化标准化的角位移,和CRP的相位角等于近端关节的相角-远端关节(9,11,14]。c反应蛋白(CRP的均方根_RMS)被选中来分析关节之间的移相的大小在一个特定阶段的步态周期,和c反应蛋白(CRP的标准差_SD)被选中来评估关节之间的协调模式的变化在整个步态周期(9]。峰踝关节背屈姿势,峰踝关节跖屈立场,踝关节背屈峰值,峰值在swing膝盖弯曲,臀部峰值立场,后期扩展和峰值髋关节屈曲swing中被选为六个关键参数的运动学分析。所有数据都是由MATLAB处理(美国马MathWorks,纳蒂克)。检查运动学的变化在一个步态周期的脚踝,膝盖和髋关节,配对 - - - - - -测试是用于分析步态参数的统计学意义之间的人行道上通过SPSS(25节,IBM公司,阿蒙克,美国)。显著性水平的值被设定为0.05的alpha值。

3所示。结果

3.1。关节运动学

在一个步态周期中,时尚的趋势,膝盖和踝关节角度的人类系统并不完全和正常人一样。的整体角度臀部、膝盖和脚踝关节人机系统的比正常人的要小得多。峰值与外骨骼踝关节背屈姿势相比,没有大外骨骼在五种人行道(表2)。外骨骼,有显著差异峰踝关节背屈的姿势之间的地毯路面和卵石路面(配对 - - - - - -测试中, )。没有外骨骼,峰值踝关节跖屈(配对 - - - - - -测试中, )末立场阶段有很大区别地毯卵石路面和人行道上。同样,没有外骨骼,峰值踝关节跖屈(配对 - - - - - -测试中, )立场阶段末卵石路面之间的显著差异和木制人行道上。ungiven配对的结果 - - - - - -测试值和峰值/没有外骨骼人行道表明之间没有显著差异。

在五种人行道,趋势(见图2)的关节角human-exoskeleton系统显著不同的趋势没有外骨骼关节角。踝关节角度与外骨骼在步态周期(除了立场早期阶段)中卵石路面上是最小的五种人行道,但脚踝角没有外骨骼在卵石路面上的步态周期五种人行道中是最大的。有/没有外骨骼,膝盖角度立场相五种人行道上往往是一致的。相反,膝关节角度立场阶段有/没有外骨骼往往是在五种不同的人行道上。虽然髋关节角与外骨骼卵石路面上的立场阶段几乎是比人行道,上半年外骨骼的髋关节角卵石路面上的摆动阶段的髋关节角小于外骨骼人行道。这一趋势类似于髋关节角没有外骨骼。

3.2。测量Interjoint协调

本研究探讨了不同的人行道上协调模式的影响,使用c反应蛋白的均方根。RMS值表明移相的大小之间的两个相邻关节但不是联合之前(12]。然而,c反应蛋白曲线(图3)提供特定的路面有/没有外骨骼联合之前:膝盖之前脚踝在人行道的步态周期的所有阶段(除了卵石路面在swing阶段)外骨骼,膝盖和臀部先于立场阶段所有人行道与外骨骼。膝盖之前脚踝姿势阶段在人行道上没有外骨骼,膝盖和脚踝之前立场早期阶段在人行道上没有外骨骼(地毯路面除外)。膝盖之前早期髋关节立场阶段和姿势阶段所有人行道上没有外骨骼,而臀部先于膝盖立场阶段末对所有人行道没有外骨骼。

c反应蛋白的_{Hip-Knee / RMS}在卵石路面外骨骼大于另一方面人行道立场早期阶段和姿势的阶段。相反,CRP_{Hip-Knee / RMS}铺人行道上没有外骨骼小于人行道在所有阶段,而c反应蛋白_{Hip-Knee / RMS}在瓷砖路面没有外骨骼小于其他人行道在所有阶段(见表3)。外骨骼,CRP_{Hip-Knee / RMS}姿势阶段有很大区别地毯路面和木制人行道(配对 - - - - - -测试中, ),地毯路面和混凝土路面(配对 - - - - - -测试中, ),和地毯之间的人行道,卵石路面(配对 - - - - - -测试中, )。此外,c反应蛋白_{Hip-Knee / RMS}与外骨骼立场阶段末有一个木制人行道和卵石路面之间的显著差异(配对 - - - - - -测试中, )地毯之间的摇摆阶段路面和木制人行道(配对 - - - - - -测试中, )。没有外骨骼,CRP_{Hip-Knee / RMS}立场早期阶段有很大区别平铺的路面和混凝土路面(配对 - - - - - -测试中, )和木制人行道和卵石路面之间的配对 - - - - - -测试中, )。此外,CRP_{Hip-Knee / RMS}没有立场阶段末的外骨骼地毯路面之间的显著差异和卵石路面(配对 - - - - - -测试中, )和混凝土路面和卵石路面(配对 - - - - - -测试中, )。

c反应蛋白的_{Knee-Ankle / RMS}在瓷砖与外骨骼大于路面,另一方面人行道立场阶段和早期在姿势阶段,而c反应蛋白_{Knee-Ankle / RMS}在瓷砖铺的外骨骼的不到其他人行道上摇摆的姿态阶段和后期阶段。相反,CRP_{Knee-Ankle / RMS}卵石路面上与外骨骼是低于其他路面早期的立场阶段和姿势的阶段,而c反应蛋白_{Knee-Ankle / RMS}在瓷砖与外骨骼大于路面,另一方面人行道立场阶段和后期阶段。c反应蛋白的_{Knee-Ankle / RMS}卵石路面上没有外骨骼小于另一方面人行道立场阶段和早期在摇摆不定的阶段,而c反应蛋白_{Knee-Ankle / RMS}在瓷砖路面没有外骨骼大于另一方面人行道的姿势阶段和后期的立场阶段。c反应蛋白的_{Knee-Ankle / RMS}在地毯上路面没有外骨骼大于另一方面人行道立场早期阶段和姿势阶段(见表3)。与外骨骼,c反应蛋白的显著差异_{Knee-Ankle / RMS}地毯路面和卵石路面之间的立场后期阶段(配对 - - - - - -测试中, )和摆动阶段(配对 - - - - - -测试中, )。没有外骨骼,c反应蛋白的显著差异_{Knee-Ankle / RMS}在姿势阶段地毯平铺的路面和路面(配对 - - - - - -测试中, )和立场后期阶段混凝土路面和卵石路面(配对 - - - - - -测试中, )。

与外骨骼,c反应蛋白的显著差异_{Hip-Knee / SD}地毯路面和木制人行道(配对 - - - - - -测试中, )在整个步态周期。没有外骨骼,c反应蛋白的显著差异_{Hip-Knee / SD}在整个步态周期平铺的路面和混凝土路面(配对 - - - - - -测试中, ),平铺的路面和卵石路面(配对 - - - - - -测试中, ),地毯路面和卵石路面(配对 - - - - - -测试中, ),和木制人行道和卵石路面之间的配对 - - - - - -测试中, )。CRP与外骨骼更频繁地摆动的趋势比CRP的趋势没有外骨骼在步态周期在人行道上。

4所示。讨论

我们的研究结果表明,普通路面造成显著差异interjoint配合/没有外骨骼只有在步态周期的某些阶段,因此,假设1和假设2只是部分证实。地毯路面的抗压能力明显低于其他人行道,这可能会导致c反应蛋白的差异_{Hip-Knee / RMS}与其他外骨骼地毯路面和人行道姿势(平铺的路面除外)。此外,地毯路面的抗压能力可能会导致c反应蛋白的差异_{Knee-Ankle / RMS}与外骨骼地毯路面和卵石路面之间的立场阶段和后期阶段。然而,卵石路面不均匀的另一个影响因素不应被忽略。因为不均匀的卵石路面增加体力消耗18],c反应蛋白_{Hip-Knee / RMS}的卵石路面没有外骨骼是低于其他人行道和地毯统计不同路面和混凝土路面。卵石路面的不均匀可能诱发谨慎动态神经肌肉控制(13参与者和增强他们的腿的刚度(1,10],c反应蛋白_{Hip-Knee / SD}没有外骨骼的卵石路面小于其他人行道和统计上不同于其他人行道(混凝土路面除外)。当走在人行道与外骨骼,参与者需要调整重心保持human-exoskeleton系统平衡的帮助下拐杖,准备下一步的立场,这可能会导致interjoint协调模式的差异与路面之间的外骨骼。

外骨骼是设定在一个固定的步态和关节时刻,人行道之间所以高峰值应该是类似的。然而,踝关节背屈峰值在地毯上行走路面的姿势明显不同于卵石路面上行走,这可能由于参与者积极干预的脚踝。当参与者没有外骨骼走在人行道上,只有发现峰踝关节跖屈立场阶段末卵石路面上的显著不同,在地毯上人行道,木制的人行道上。这一结果表明,路面的摩擦系数不能对步态运动学参数,但不均匀的人行道上明显影响步态参数运动学(1,10]。从高峰值没有人行道外骨骼,人类主要调整踝关节背屈在摆动相适应常见的人行道上。由于固定的步态和联合外骨骼的时刻,膝盖之前脚踝没有外骨骼的条件在所有人行道立场和摆动阶段早期正好相反。类似地,臀部的条件之前膝盖没有外骨骼在所有人行道立场阶段末也逆转(图3)。

5。结论和局限性

总之,我们的工作揭示了影响共同人行道的interjoint配合/没有外骨骼。的抗压能力路面和人行道上的不均匀影响interjoint协调是很重要的因素。的抗压能力之间的人行道上可以修改移相的大小与外骨骼髋关节和膝关节姿势阶段和摆动阶段。路面可以改变大小不均匀的臀部和膝盖之间的零相位化没有外骨骼立场阶段早期和晚期的立场阶段和增加稳定性的臀部和膝盖之间的协调模式没有外骨骼。抗压能力的发现表明,识别和不均匀的共同点应该用于外骨骼的控制策略提高协调和运动康复治疗中获益。

有三个需要考虑的限制。首先,生理特征的影响,如年龄、性别、体重不同路面的步态参数运动学没有被包括在内。其次,不仅是随机位移与人体外骨骼也人体之间的个体差异,使human-exoskeleton模型很难衡量human-exoskeleton的确切步态参数。因此,在外骨骼的实验中,有不确定的错误human-exoskeleton的步态参数。第三,本研究没有探讨肌肉适应和关节动力学的人可以适应不同的摩擦系数。未来的工作将集中在不同摩擦系数的影响肌肉适应和关节动力学人行道,这可以进一步解释人们如何适应路面摩擦系数不同。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以在请求从相应的作者,静秋。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了中央大学的基础研究基金(没有。ZYGX2015J148)。此外,我们感谢所有的实验参与者。

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