米娜:感觉运动机械矫正法对流动性援助

文摘

虽然大多数移动选项用于截瘫的人或下肢轻瘫采用轮式解决方案,重大的不良健康,心理和社会后果造成轮椅监禁。现代机器人外骨骼和康复设备步态援助,然而,可以支持腿运动系统对于下肢无力或瘫痪。佛罗里达理工学院对人类和机器认知(IHMC)已经开发了米娜,原型感觉运动机械矫正法流动性援助,为截瘫和paraparetic用户提供流动性的能力。介绍了初始概念、设计目标和方法的可穿戴的地面机器人移动设备,它使用兼容的驱动力量的髋关节和膝关节关节。瘫痪的用户可以使用的平衡和行走装置在水平地形的协助下前臂拐杖使用四肢行走的步伐。我们已经开始感觉替换反馈机制来增强用户感知他或她的下肢。使用这种感觉反馈,我们假设用户将与更自然走动,正直的步态和能够直接控制步态参数扰动并作出反应。这可能允许两足动物(以最小的支持)步态在未来的原型。

1。介绍

有限的流动性援助的选择对于那些患有截瘫或下肢轻瘫通常使用轮式装置,需要基础设施(坡道、道路、光滑的表面等),和69.8%的脊髓损伤(SCI)截瘫患者使用手动轮椅的运动作为他们的主要联系方式,限制和地形选择范围(1]。轮式交通工具允许访问,只有一小部分的位置的行人。轮椅很难限制,楼梯,不规则地形如健行步道和狭窄的走廊。即使有电动轮椅的进步,如伊沃特(http://www.ibotnow.com/),流动性仍限于相对平坦的地形,从而排除户外的自然。此外,轮椅具有显著的生理和心理健康、生活质量和社会互动。健康问题包括压疮、血液循环不良,肌肉骨骼密度,和身体脂肪分布的变化2- - - - - -4]。机器人下肢矫正法设计可以提供新的移动性选项对于那些目前限于轮椅,让这些人重新访问的地区需要有腿的运动和恢复健康的好处与直立的姿势有关。除了提高生活质量作为矫正的设备,外骨骼也可以缩小差距为这个群体未来再生医学的方法。例如,机械矫正法的截瘫的用户可以维持健康的骨骼和肌肉和关节运动范围,可以减少恢复时间后干细胞疗法。

1.1。机器人矫形器

目前机器人辅助设备如穿在身上“重新行走”从医疗技术(http://www.argomedtec.com/)和eLegs毕业仿生学(http://berkeleybionics.com/)汽车在腿部和臀部和膝盖移动提供的步态。用户提供平衡的帮助下前臂拐杖并使用躯干动作,手臂动作,和/或一个按钮接口。这两个设备可以跨几个小时一次充电。用户与“重新行走”展示了爬楼梯;然而,无论是设备演示操作在粗糙和不规则的地形。这两个设备不能启动任何运动目标截瘫的用户他们的腿,因此必须在严格的位置控制模式。使用paraparetics,然而,需要一个更加兼容的操作方式。设备正在进行临床试验,目前可用的设备是供个人使用。

商用混合辅助义肢)设备,它具有显著的运营经验与健全的用户(5),增加用户发起的运动通过检测肌(EMG)信号在用户的下肢肌肉。这个设备的新版本,HAL-5磅(C型),专门针对截瘫的用户(6),但只有证明从坐着,站着,不为社会所接受的流动性。然而,这种设计并包括一个执行机构的脚踝,“重新行走”的特性缺乏和电子假肢。可穿戴的力量帮助腿(WPAL) [7,8),另一个半身不遂步态协助设备,依靠的是沃克而不是拐杖所需的平衡稳定。沃克提供了重要的支持为用户多边形和需要不同,那么自然的步态。同样的,病人和旧的外骨骼西江大学(博览会)9),设计作为老年人的行走辅助设备和肌肉或神经损伤患者在下半身,使用wheeled-caster沃克的致动器和计算机系统。它将执行机构力量转移到外骨骼关节通过电缆和使用外骨骼关节的位置控制,但它缺乏力传感执行器。护腿的力传感器用于检测用户的意图,但积分施法者沃克限制这个设备的操作和效用光滑的地板。萨巴莱塔等。10)也提出跟踪肌电图和利用兼容驱动机器人外骨骼康复。

许多机器人矫形器开发treadmill-based操作面临一些相同的挑战,共享相同的一些技术,并严格限制康复活动。动力步态矫正法(PGO) (11)和外骨骼动力下肢辅助机(洛佩斯)[12)利用力传感器在每个执行器,它允许关节转矩控制。的利用和研究treadmill-based机器人矫正的设备,Lokomat [13,14),展示了兼容的控制策略的优势(15,16]。

佛罗里达理工学院的人类和机器认知(IHMC),我们已经设计并建造了一个机械矫正法叫做米娜(图1)为截瘫和paraparetic用户提供公开的流动性。米娜利用兼容的控制执行机构,可以提供刚性为截瘫的用户位置控制和辅助paraparetic用户力的控制。在其当前状态的发展,原型米娜提供经营类似的“重新行走”和eLegs截瘫的流动性与髋关节和膝关节驱动动力执行记录的步态。这三个设备移动腿通过预定的关节轨迹严格的外骨骼关节位置控制。兼容的控制执行机构,米娜在高低不平的路面上使用方便操作。

此外,米娜为用户提供感官的反馈外骨骼。感觉反馈提供了运动控制的关键要素缺少其他截瘫的移动性辅助装置。SCI用户缺乏身体意识水平以下的伤害,这让用户控制矫正的设备的麻烦。恢复感觉反馈应该促进矫正法的集成到用户的姿势和移动策略,可能恢复双足步态的人口。

1.2。感官替代范式

因为感觉发生在大脑而不是在感官器官(17),感觉替换接口可以提供感官知觉的另一个途径。感觉替换系统由三部分组成:传感器、一个耦合系统,刺激器。感官替代可能发生跨感官系统如touch-to-sight或在一个touch-to-touch等感觉系统。事实上,人类的大脑可以重新解释来自特定的神经信号(例如,从触觉受体)合适的,诚实的和及时的感官反馈。这形成了感官替代的基础接口,可以使用替代动物和不显眼,完整的感官途径。这种可塑性固有的大脑和神经系统同时支持长期和短期的解剖和功能重新映射的感官数据(18,19),将协助大脑重组尽管肌肉损失,骨头,反射和将协助用户完成日常生活活动能力(20.]。触觉和本体感受的反馈感官替代技术已经发展为下肢假肢(21- - - - - -24提供脚底压力信息,关节角和其他部队。因为瘫痪的人缺乏proprio exteroception从下肢,他们必须使用视觉监控“怎么回事”下面的伤害。补偿的损失从鞋底触觉信息,以及本体感受的信息(即。,muscle stretch and joint position) visually requires significant cognitive effort that could be redistributed through other sensory modalities. Mina provides similar input for users with intact but paralyzed legs by providing ground reaction forces and proprioceptive signal analogs from the insensate feet. The fundamental challenges for sensory augmentation in an exoskeleton relate to identification of the optimal information for the user when walking and intuitive presentation of that information without increasing cognitive workload or competing with vision or hearing.

1.3。人机界面(HMI)考虑

人类的运动控制系统依赖于感官信息(反馈)为了应对扰动和稳定的错误。感觉反馈,例如,使大脑保持身体的姿势,帮助它来确定四肢的位置在空间和执行运动所需的力。一些感官系统(即。,the vestibular, visual, and somatosensory systems) contribute to the control of balance and offer an important channel of information that help to coordinate human interaction with the world. The vestibular system gives the sense of whole body orientation and motion in collaboration with the visual system. For both posture and gait, motor control mechanisms seek to hold the body’s center of gravity (CG) over the polygon of support (defined by the position of the individual’s feet). While determining position of the center of mass under dynamic conditions is hard to compute, the central nervous system can infer its position by using the information provided by the muscle-tendon stretch receptors and the cutaneous pressure receptors of the foot sole. Paraplegia deprives the user of both the motor and sensory functions; restoring mobility requires reinstatement of movement and sensation. The IHMC Mina system displays ground reaction forces and center of pressure, as well as joint positions and torque estimations, using noninvasive tactile interfaces, specifically a BrainPort intra-oral display (Wicab, Inc., Middleton, WI) and a VideoTact abdominal display (ForeThought Development, LLC, Blue Mounds, WI). These displays (Figure2)接口相对未得到充分利用,对听觉和视觉,触觉通道,并提供足够的分辨率的数据由米娜。

BrainPort电触觉传感器阵列的嘴和连接到电池供电的电子设备,产生高度控制电脉冲产生触觉的模式时,电极接触舌头的顶面。舌头的敏感度,良好的空间分辨率,移动性和距离脑干使它理想的网站一个实际的电触觉人机界面。一个电解溶液(唾液)保证良好的电接触。知觉与电刺激的舌头似乎比电触觉刺激,指尖和舌头只需要大约3% (5 - 15 V)的电压,和更少的电流(0.4 - -2.0 mA)比电触觉刺激的指尖25]。当前BrainPort阵列可以提供一个通过intraoral 100到600像素的分辨率显示(IOD)舌头数组。

VideoTact也是一个电触觉界面;然而,它被放在腹部。它可以利用腹部的更大的表面积来提高空间分离。虽然身体感官受体的密度不是高达舌头,将高分辨率的显示器(例如,)在腹部允许快速运动知觉的对象(26),可以穿下离散用户服装。表皮的角质化层死皮细胞躯干需要VideoTact使用高电压(15 - 40伏直流电)和电流(8-32 mA)比BrainPort;然而,电池驱动的和进一步的电隔离刺激电荷存储在一个数组的电容器刺激交付之前断开电源。

集成这两个显示器提供感官替代本体感受和somatosensation米娜用户应导致更短的培训要求,改进的平衡感和感觉运动重组整合感知和控制外骨骼。两个设备都通过软件与用户覆盖强度控制强度和关闭。IHMC已经使用这些通用的感官替代显示之前平衡失调患者的增加,以及视觉和听觉替换系统。IHMC目前正在调查各种感官替代象征学的有效性,为用户提供一个有效、直观的了解低认知需求的外骨骼的状态。

2。外骨骼设计

米娜是第二代27)下肢机器人步态矫正法和两个驱动自由度每腿,臀部弯曲/扩展,和膝盖弯曲/扩展,总共四个致动器。米娜不提供臀部ab - /内收或腿的内侧/外侧旋转,采用刚性踝关节的碳纤维踏板。米娜用户连接到一个刚性板,具有人类脊柱的曲率匹配,通过肩膀和骨盆带。系统可以满足一系列的身体大小通过使用嵌套铝管作为结构链接连接到用户的大腿,腿和脚。范围提供电脑和汽车的原型与权力,以及以太网通信;以后的版本将集成电池和无线通信技术的操作。跌倒预防拴绳连接到一个高架电车系统支持用户和米娜事件,用户只有在失去平衡或失误。

2.1。致动器

米娜使用扶轮致动器(图4相同3)位置和转矩控制的能力。每个执行机构由直流无刷电机(Moog BN34-25EU-02)和160:1谐波传动(SHD-20从高清系统)齿轮减速。致动器是检测两个增量编码器。一个编码器测量电机轴之间的相对位置和致动器的基础。这个编码器(hedl - 5640 # A13,安华高科技,Inc .圣何塞,CA)的分辨率2000计数每革命,解决rad /计数输出。第二编码器(RGH-24,英国,PLC,格洛斯特郡,英格兰)措施和执行机构的输出之间的相对位置的基础读取头的致动器使用一个线性编码器安装在致动器的输出和线性编码带缠绕在表面的谐波传动的输入(这是安全地固定在底座上的致动器)。这个编码器的分辨率1毫米的半径0.45米,这解决了rad /计数。

编码器的输出匹配的运动的运动电机编码器,减去任何谐波传动的弹性变形由于扭矩应用于输出轴。通过应用一个已知的扭矩和测量挠度使用两个编码器之间的区别,我们每个执行机构的弹性特征。最大转矩约60 Nm,弹性挠曲约0.0025 rad,表明刚度约24 kNm / rad。在操作中,一个经验决定查表用于指示执行机构的扭矩基于谐波传动偏转。

Mina所处的位置,或高阻抗,控制只使用电机轴编码器(Avago hedl - 5640 # A13)而不是输出编码器(英国RGH-24)由于偶尔的损失项编码器的输出。因为谐波传动的偏差被认为是可以忽略不计的公差要求的输出位置,只需要简单的比例加微分反馈控制算法输出的位置来控制电机输入电流。

一系列弹性装置(海)是为了实现转矩控制使用。在设计,主要设计元素选择弹簧刚度,依赖于许多因素,包括弹簧挠度传感器的分辨率,电动机的最大速度,影响隔离的数量允许齿轮火车,可接受的反映输出惯性,带宽要求的位置和转矩控制,设计的复杂性。我们的应用程序可以容忍一个硬弹簧由于保护的内在影响到用户的连接,需要一个硬弹簧由于紧定位要求。利用高分辨率的编码器(约弧度/数)设计能够函数与一系列非常僵硬的春天。我们确定固有的合规谐波传动是足够的对于这个应用程序,会导致一个紧凑,低计数部分设计。转矩控制,米娜使用一个简单的比例微分控制器(见图4)的误差信号等于所需的扭矩-应用扭矩和用于确定电机的输入电流。反馈增益调优经验。的值2.0,值吗是0.0002。

2.2。计算机和电子产品

嵌入式pc - 104计算机系统安装在背板,运行一个实时Java在Solaris (Oracle Corp .)红木海岸,CA)和控制软件,实时Java编写提供了通过Accelnet数字伺服驱动器的闭环控制模块(acm - 180 - 20,科普利控制,皮博迪,MA)和与桌面主机通过以太网电缆相连。嵌入式计算机控制代码运行,存储用于截瘫的轨迹walking-mode和传送相关的状态变量的主机实时显示和监控(50赫兹)。

米娜使用F-Scan (Tekscan公司,波士顿,MA)鞋垫放在踏板和鞋之间960压力传感器来检测地面反应部队并确定压力中心每个脚上(小鞋垫是减少形成标准尺寸,从而减少总传感器)。图5显示了归一化压力鞋垫的地图(黑=零压力,白=规范化校准期间最高记录)。这张地图是重新取样,以匹配的600像素阵列BrainPort IOD和作为强度(刺痛)在舌头上。经过几分钟的训练,一个用户可以学习来解释这个信号作为他或她的脚的压力。

同样,联合执行机构的位置编码器和转矩估计执行器电流消耗可以用来估计的位置Mina-user CG系统在稳定多边形定义的当前姿态以及相对“努力”对米娜维持当前的姿势或执行一个步骤。当在VideoTact移动的CG图标和一个动态稳定的多边形,我们相信,用户将能够有效地保持意识的极限稳定在移动。

3所示。步态生成和操作

米娜是一个动作捕捉系统,记录轨迹从一个健全的个体,然后可以“回放”截瘫的援助模式。这种方法允许生成自然步态的快速开发周期。

3.1。生成行走轨迹

行走轨迹生成从关节位置录音时一个身体健全的人穿着米娜走过去在实验室水平地形。这个方法的步态轨迹生成被选中,因为它允许相对自然步态和能力在短时间内开发新的步态。在这个过程中,执行器被设置为转矩控制模式。髋关节,所需的扭矩设置为0,米娜会跟随用户的动作,而不影响他们。遵循用户的肉和米娜的括号之间的偏移会导致几度用户的关节和设备的关节。例如,完整的膝盖扩展可能发生膝关节前米娜充分扩展。然而,在截瘫的援助模式,稳定的立场要求米娜膝关节充分扩展。为了协助膝关节完全伸展位置记录步态时,所需的扭矩设置为10 Nm的扩展。这个扭矩,生成的执行机构,确保了膝盖完全扩展立场阶段同时允许健全用户克服它在摇摆。

自然步态[脚趾头提供了一个重要的组成部分28],人们减少地面间隙脚的肌肉节能战略的一部分。然而,对于一个机械矫正法、电气节能不等于肌肉能量守恒。因为米娜缺乏脚踝执行机构,健全的用户走夸张地摆动阶段在步态记录保证脚趾不存根在地上。由此产生的步态模仿走在光滑的表面上(即。反应,以最小的地面剪切力)。因为米娜没有相同的驱动自由度作为一个健康的人,结果步态不能匹配的健康人。在人类行走,有复杂的地形之间的反馈回路的感应,关节的位置,和身体的位置。复制这个复杂的循环,特别是地形遥感,将在未来的研究工作。

录音阶段后,轨迹回放在截瘫的援助模式与一个健全的用户轻松下肢肌肉。从这个回放,最好的单一步态周期(立场和swing阶段)被选中作为最后一个走的基础。末尾的关节角的步态周期调整关节角开始,允许步骤回放平滑,无尽的循环。关节角被复制到另一条腿半周期相移。这确保了左腿和右腿执行相同的步骤与适当的相移。

三个不同的行走记录,一步大小范围从0(介入)将称为大一步。精确的步长值对于一个给定的走路的腿的长度取决于用户。最快的时间步我们使用每一步与米娜日期是1.4秒。由此产生的步行速度展示在表1。注意,步态记录由一序列所需的关节角。产生的步行速度是多快的函数所需的关节角的序列和腿的长度的用户。用户腿的长度越长越大的实际步骤,从而产生的步行速度越快。走路速度最快的记录是0.2米/秒(见表1),由致动器性能而不是用户有限的能力。

关节角的最好记录步态周期(立场和摆动阶段)调整关节角开始,允许步骤回放平滑,无限循环,然后复制到另一条腿关节角和半周期相移。

3.2。操作

米娜目前需要一个外部控制运营商截瘫的援助模式激活/停用系统,触发一个单步或连续的步骤,停止行走,改变步态速度50%至130%的速度记录。此外,操作员可以调整时间控制器暂停左派和右派之间的步骤和响应来自用户的言语和手势暗示。有效真实的流动性援助,外骨骼的用户必须具有完全控制,这需要矫正法动力学的感官知觉。感觉替换更新米娜设备接口提供此功能。

4所示。从最初的评估结果

IHMC机构审查委员会(IRB)批准后,两个评估测试初始米娜原型。我们要求评价者有美国脊髓损伤学会(亚洲)障碍量表(29日]。(完成)和脊髓损伤的步行指数(WISCI)水平9(走动沃克,括号和物质援助,10米)或更高版本(30.]。虽然评价者能够走在SCI,走在米娜完全不同于健全的散步。如前所述,完全截瘫患者缺乏反馈的地面反作用力和压力中心。此外,他们不使用剩下的本体感觉反馈回路平衡身体健全的人一样经常因为他们大部分醒着的时间坐着。最后,当走在米娜,双臂成为不可分割的一部分,平衡和步行走动,有四足的爬组成的后足,身体的同侧的拐杖,侧后肢,侧前拐杖序列。由于缺乏综合感官反馈在最初的原型,我们把一个视频监控评估者在最初的训练前,提供实时的侧面,但强迫用户选择观看监控和直接看他或她的腿。用户必须学习如何定位他或她的身体的时候脚跟罢工。如果用户落后的太远,那么即将到来的摆动腿仍将加载的时候摇摆,导致落后的下降。如果用户太靠前,脚会接触地面摆动完成之前,导致显著减少步长。大步骤大小与此原型通常导致评估者的质心期间保持两脚之间的双重支持,离开了拖着腿加载启动下一个swing阶段和引发了秋天。 Using smaller steps mitigates this problem; however, this accentuates the need to provide appropriate sensory feedback for a more dynamic gait that could control a passively (spring loaded) or actively actuated ankle for toe-off. While both evaluators could easily walk with forearm crutches (Figure6认知努力(较低的)作为四足动物31日),我们认为下一个迭代感觉增加将导致更多的直立行走的步态。

5。讨论

我们评估米娜有两个半身不遂评价者和证明米娜目前提供流动性的截瘫的用户在平地上行走速度慢。尽管米娜目前在高阻抗轨迹跟踪模式,健全的用户倾向于积极尝试走路和平衡使用感官反馈,如地面反应部队。的感官替代Mina接口允许截瘫的用户会收到类似的信息,应该允许类似的控制行为。在评估米娜,我们观察到所有用户需要一定的训练和练习,更多的培训和练习比健全人截瘫的用户所需的用户。对于任何新活动,需要协调动作,熟练程度需要实践。的本体感受类似物的下肢截瘫的用户应该减少认知时间和精力去学习的任务协调手臂与腿部运动运动。

6。未来的工作

反馈系统集成米娜将寻求感官信息传达与这些特征的人类在立场和动态步态平衡。IHMC正在评估各种触觉显示象征学的对平衡的影响决定的用户控制的稳定性(维护他或她的平衡和他/她的质心偏移)以及用户的感知精度要求他或她估算他/她偏离所需的身体姿势。有趣也会测量参与者的精度估计身体偏差时使用触觉反馈。这些主观的估计将指导设计的感官反馈系统和用户控制所需的符号学米娜硬件。我们正在把一个视频游戏界面使用WiiFit平衡板(任天堂,日本京都)作为静态姿势的稳定性测量装置有或没有感觉替换反馈和前臂拐杖。游戏元素改善参与者参与,因为他们学会控制其资产(32]。数据分析指导改进,最终会导致直接、动态控制米娜的用户。最后,我们结合功能性电刺激(FES)管理脚趾头和toe-lift允许米娜少用夸张的步态轨迹。

7所示。结论

在本文中,我们介绍了米娜外骨骼概念,可以播放预先录制的关节轨迹使用兼容的控制而非刚性关节轨迹跟踪允许未建模的地形变化和扰动鲁棒性。两个设备评估与脊髓损伤截瘫与前臂保持平衡拐杖用四肢行走的步伐行走。这证明了需要整合感官反馈系统驱动执行机构流动性援助机器人甚至走在平地上以相对较低的速度在实验室设置。我们目前正在开发各种改进给用户提供的设备使用手势操作控制上肢的运动。我们还将调查跟踪用户的目光控制机制当导航复杂的环境,例如,调整植物高度和一步一步在粗糙的地面上行走。进一步发展将继续重建感觉运动回路通过恢复感觉反馈和改善用户/矫正法耦合,形成一个完整的社会技术团队。这应该使增加的速度行走,行走在崎岖的地形,在健行步道,和在城市环境下楼梯和狭窄的通道以及更自然直立,辅助双足步态。

利益冲突

作者没有财务利益冲突对工作描述。任何意见、发现和结论或建议在这种材料中表达作者的,不一定反映美国海军研究办公室的观点。

确认

作者要感谢他们两个评价者的宝贵反馈测试米娜。他们还要感谢团队的医疗专业人士自愿牺牲他们的时间监控评估会议。佛罗里达理工学院对人类和机器认知是一个非盈利的佛罗里达州大学的研究所系统。这种材料是基于研究由美国海军研究办公室根据协议数字n00014 - 07 - 1 - 0790, n00014 - 09 - 1 - 0800和n00014 - 10 - 1 - 0847。

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