Lower-Limb-Assisting机器人外骨骼减少能源消耗在健康年轻的人在爬楼梯

文摘

许多机器人外骨骼下肢援助援助步行通过减少能源成本。然而,调查研究踩步援助仍有限,通常评估相关肌肉的激活。本研究试图探讨攀爬机器人外骨骼的援助如何影响能源消耗。十个健康的年轻参与者穿着机器人外骨骼,助攻髋关节和膝关节的屈伸关节走九层楼梯在自我选择的两倍速度,没有踩步援助。代谢成本评估通过测量耗氧量,心率,时间爬楼梯。净氧气成本(NOC)和总心跳(有)作为代谢的措施成本,占不同的攀爬的速度。踩步援助NOC,有减少了9.3% ( )和6.9% ( ),分别在不影响攀爬的速度。尽管缺乏个体优化、辅助关节转矩应用于髋关节和膝关节关节代谢降低成本和爬楼梯的健康的年轻男性心血管负担。这些结果可用于提高楼梯的方法提升援助。

1。介绍

各种机器人外骨骼下肢援助开发援助走路,人类运动的最常见的方法。调查走力学提供了这样的机器人的发展的基础。运动学的下肢关节被用来确定运动的范围和机器人关节的自由度1),而动力学被用来确定所需的机器人关节力量(2]。在一起,运动学和动力学的发展提供了重要的见解适当走援助的方法。

机器人外骨骼行走提供援助的好处被证明是减少能源成本。例如,脚踝外骨骼利用气动肌肉协助踝关节跖屈被证实能够减少走路的代谢成本(3- - - - - -5]。然而,这些外骨骼并不完全移动,因为他们是由外部气压源,与观察到的能源成本优势只有在跑步机上以恒定的速度行走。

便携式的代谢成本效益自主开发的脚踝外骨骼穆尼et al。6,7)也在受控环境中验证。最近的研究表明,走援助被拴在multijoint软exosuit代谢成本显著降低(8,9]。此外,一个独立版本的软exosuit减少走一起携带负载的代谢成本(10,11]。地上走援助的案例研究有两个主题,自主软exosuit也减少加载的代谢成本在500米越野行走轨迹(12]。

虽然爬楼梯一样经常走路,两种类型的运动的生物力学特征截然不同。相对于走路,爬楼梯,以大关节力矩和功率,增加关节弯曲髋关节,膝关节和踝关节在矢状面。在爬楼梯,膝关节发电是占主导地位的相对于吸收功率,和总积极的关节比网络在走(13,14]。鉴于爬楼梯需要相当大的关节转矩,积极的力量,和积极的网络,提供的援助可穿戴机器人预计将减少能量消耗的提供辅助转矩提升佩戴者的关节。

先前的报道提出了攀登援助方法促进机器人外骨骼。尽管使用不同的外骨骼,致动器、传感器、和目标用户,几项研究已经证实,使用肌电图,踩步援助对象的影响能够执行自愿腿动作(15- - - - - -17]。然而,迄今为止,exoskeleton-mediated爬援助的影响能量成本没有考虑,与数量有限的研究分析协助其他相关的代谢影响的运动。例如,膝盖外骨骼所提供的援助在step-up-and-down [18和蹲19]运动已被证明会降低心率和任务的代谢当量(20.),分别。目前,我们试图调查踩步提供的援助的能耗影响机器人外骨骼。具体来说,我们测试了耗氧量和心率在nine-flight楼梯爬在没有或从一个自治(即存在的援助。,完全移动)机器人外骨骼与刚性框架和括号为髋关节和膝关节关节提供辅助转矩。

2。材料和方法

2.1。参与者

健康男性受试者( , 年, 公斤, 厘米)参与了这项研究。研究对象都没有被诊断出患有肌肉骨骼或神经系统疾病影响走路或爬楼梯。伦理批准颁发机构审查委员会和伦理委员会(4-2017-0578)。

2.2。机器人外骨骼

在这项研究中使用的机器人外骨骼(图1)由活动髋关节和膝关节关节和踝关节被动。活动关节是由电机驱动齿轮传动比为76:1,辅助转矩传递给佩戴者的关节在矢状面。活动关节采用一系列弹性驱动机制(21,22),使精确控制机器人和人类之间的相互作用扭矩关节。动态ankle-foot矫正法是作为被动踝关节支持外骨骼的重量,并提供一个足够的自由度在佩戴者的踝关节。脚的压力下跖骨的关节和鞋跟用硅管和空气压力传感器测量估计地面反作用力(23]。所有的算法要求操作外骨骼,如传感器信号处理和控制算法,实现了使用嵌入式控制委员会(美国国家仪器sbrio 9651年,TX)和软件(美国国家仪器,虚拟仪器2015年,TX)。嵌入式控制董事会和电池,封闭在一个背包,启用完全移动的外骨骼。机器人外骨骼的总重量是13公斤。

2.3。援助战略踩步运动

常见的机器人关节驱动电机和齿轮减速机放大输出扭矩所需的大小。然而,这样一个轮系与大电阻扭矩。消除阻力,让佩戴者自由行动没有不适,零阻抗控制使用的机器人外骨骼(珠海)算法(21,24- - - - - -26]。如图2,珠海应用减少关节机器人和人类之间的相互作用力矩,这样它在0.87海里。此外,它允许使用者将联合更快减少阻力。

ZIC-mediated切除电阻后,辅助转矩可以通过assist-as-needed提供策略27,28),这就需要应用程序的时机的确定的辅助转矩。先前的研究[5,29日,30.使用驱动开始计时,在发病时间与一个预定义的辅助力提供基于步态周期的比例决定。目前,我们采用类似的战略踩步援助。

对我的调查等人踩步生物力学和运动协调13]显示大量扩展的髋关节和膝关节的关节力矩的早期部分立场阶段。两关节弯曲力矩也观察到在最初的阶段。发达辅助关节扭矩概要的爬楼梯模拟关节力矩在立场和摆动阶段的早期部分。髋关节和膝关节关节的辅助转矩概要文件可以简化和参数化 在哪里 , ,和表明起始时间,辅助的峰值扭矩,和时间到达, ,分别。当 ,所需的交互作用转矩为零,表明零阻抗模式。积极的和消极的价值观分别表示扩展和弯曲力矩。提供辅助转矩早期部分的两个阶段,可以设置为每个阶段的时候发现通过分析地面反作用力(23]。发病时间的确定阶段检测,而不是通过步态周期评价的一部分,允许辅助的同步转矩与佩戴者的运动无论攀爬的速度变化。为了防止辅助转矩平地行走在爬楼梯,帮助算法评估当前的基态。踩步援助的工作流图所示3。

的和 ,为每个主题不优化,使用初步实验(表设置经验1)。时域中定义的辅助扭矩也同样适用于所有科目开始后的运动。然而,他们的应用程序不同科目的方式基于踩步速度和姿态周期(图4)。

2.4。试验协议

受试者被要求休息至少5分钟的坐姿。随后,耗氧量和心率测量2分钟的站立位置使用便携式代谢系统(cosm K4b2,意大利罗马)和心率监视器(TICKR X、卫矛、亚特兰大,美国),分别。成立后静息心率每分钟(±5次),受试者爬九层楼梯(共有195步;20步骤每级到7楼和25每级台阶从7楼10楼)一个自我选择的速度的两倍。进行了一个试验(即没有帮助。,zero-impedance mode), with stair-climbing assistance applied for the other trial, and the order of trials was randomized. Subjects rested for at least 10 min between trials. During climbing, oxygen consumption, heart rate, and time to climb each level were measured. A practice period was provided to help subjects adapt to the wearable robot, with a maximum of two practice periods allowed.

2.5。数据处理

一个自定义 - - - - - -文件(MATLAB、MathWorks纳蒂克,妈,美国)是用于数据处理。耗氧量和心率值是使用平滑平滑消除测量噪声和离群值。 ,与 ,和 ,跨在哪里移动窗口的长度比例的原始数据,与rloess方法应用二阶回归到原始数据的离群值是排除31日]。净氧气成本计算(NOC)之间的差异耗氧率和平均休息耗氧率除以踩步速度(32]。总心跳(有)(33]在攀登会话被心率的数值积分计算。平均上升速度计算步骤的数量除以攀登时间。NOC,有彩虹,平均上升速度的两个爬试验使用成对比较 - - - - - -测试,被认为具有统计显著性值< 0.05。的配对 - - - - - -测试是使用SPSS版本执行。24 (SPSS Inc .,芝加哥,美国)。

3所示。结果与讨论

3.1。结果

平均而言,踩步援助NOC,有减少了9.3% ( )和6.9% ( ),分别(图5)。所有科目,虽然平均速度每级变化在攀登,没有观察到显著between-trial差异(图6)。

4所示。讨论

4.1。踩步速度

与先前的研究利用跑步机,本实验使用九的身体楼梯。尽管缺乏严格监管的控制实验环境爬速度和运动分析,这些结果更紧密地反映真实的情况。有能力自由攀登速度,受试者展示了个人和within-climb提升速度的差异。然而,珠海和辅助条件并没有导致平均踩步速度存在显著差异。这些结果表明,条件下测试,踩步援助对攀爬的速度没有影响。

4.2。NOC减少

多项研究外骨骼援助(3- - - - - -11),利用跑步机环境调节行走速度,计算稳态的耗氧量和心率值作为代谢成本的指标。目前,我们也认为是自我选择的评估代谢消耗的速度攀升。Plasschaert等人之前定义的NOC是平均耗氧率之间的差异在散步和休息期间除以平均步行速度(32]。用平均上升速度(步骤/分钟)到方程,我们发现代谢消耗减少了9.3%的楼梯爬援助。

4.3。那有减少

在某种程度上类似于NOC,心率也应该分析攀爬的速度变化引起的非稳定状态。罩等人的比例有指数定义为有运动期间总旅行距离(33]。作为研究对象覆盖相同的攀登距离在目前的研究中,被认为是未经调整的有值。除了作为一个准确和方便的估计的能量消耗,心率也直接反映了一个人的心脏负担。目前,有机器人外骨骼援助后下降了6.9%,表明爬援助可以减少心血管负担。

4.4。方法论的问题和局限性

本研究使用trunk-hip-knee-ankle-foot——(THKAF)类型multijoint机器人外骨骼(34]。这种类型的外骨骼被用来提供全面援助截瘫的患者把他们的腿。健全使用者需要使用这种外骨骼在体外骨骼关节零阻抗,或零转矩35]。脚踝外骨骼行走援助提供了充满活力的成本优势将微不足道的设备重量和最小干涉关节功能。Multijoint软exosuits,利用特殊的驱动和电力传输机制,也大大减少代谢成本由于有限的重量和阻力最小化。在爬楼梯,膝关节的功能(即。,torque, power, and work) supersedes that of other joints [14),与大多数外骨骼为踩步援助以前开发的升降台设备。因此,踩步援助使用THKAF-type外骨骼为代谢降低成本将是有效的。

尽管其相当大的重量,THKAF-type外骨骼十分便携使用物理楼梯环境进行实验。然而,我们的实验是有限的能力来获得数据进行生物力学分析,包括测量肌肉活动和人类的运动在三维空间。缺乏运动和动力学信息,以及肌电图数据,代表了本研究的局限性,阻碍了与其他作品直接比较。尽管这个缺点,本研究证明,第一次使用THKAF-type外骨骼climbing-associated减少能源消耗。

目前,所有科目提供了辅助转矩相等,参数(表1)使用初步研究经验决定。然而,科目的辅助转矩参数可能援助的效果最大化个人主题。最近的研究表明,优化个人辅助力量配置文件可以进一步减少能源消耗(11,36]。因此,与优化的外骨骼所提供的辅助转矩测试可能导致改善爬援助效果。然而,尽管相同的辅助扭矩,目前的研究表明有效踩步帮助所有科目。

多个研究代谢之间的成本相比机器人援助和任何机器人或无动力的条件(5,8,9,36,37]。然而,健康受试者使用精通执行测试物理任务独立可以掩盖援助的影响。援助的效果只能出现在帮助克服负面影响能源消耗的因素,如外骨骼重量,robot-imposed限制在关节自由度,和电阻机器人关节的力量35]。丁和他的同事们(8,36]拴在驱动系统用于促进援助不增加重量对象上的负载。在电源的情况下无法与机器人的身体分离,无动力的条件被用作控制识别援助的效果(5,37]。然而,还需要保证合规的机器人关节使用特定的机制或控制算法。目前,驱动部分的不能分开的外骨骼机器人的身体,也是应用,确保合规的机器人关节的代谢消耗比条件下应用援助。因此,外骨骼的可能性增加代谢成本相对于任何机器人是本研究的另一个限制条件。这样的限制,在其他的研究报告(3,4),可以解决通过减少外骨骼重量,提高耐磨性,确保更大的腿关节的自由度。

5。结论

踩步外骨骼所提供的援助,帮助减少髋关节和膝关节的屈伸关节健康的年轻男性的代谢和心血管负担成本攀升9层楼高的楼梯。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究受到了基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由教育部(2016 r1d1a1b03934338和2019 r1i1a1a01064032)。

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