IEEE trans:下肢外骨骼辅助步行时的接触行为监测

2021-07-08 MedSci原创 MedSci原创

近几十年来,下肢外骨骼的发展促使了对其安全性的重要研究。根据个人护理机器人的新ISO安全标准(ISO 13482:2014),用于个人护理的机器人和机器人设备,包括外骨骼,需要人-机器人密切互动和协作

近几十年来,下肢外骨骼的发展促使了对其安全性的重要研究。根据个人护理机器人的新ISO安全标准(ISO 13482:2014),用于个人护理的机器人和机器人设备,包括外骨骼,需要人-机器人密切互动和协作。目前,外骨骼控制器和硬件设计需要重大的进步,以实现最高水平的安全;否则,这些外骨骼会在辅助行走过程中对步态产生不利影响,甚至造成严重伤害。“ReWalk”外骨骼的安全性和耐受性最近已针对脊髓损伤患者进行了评估,并讨论了设计外骨骼生命周期时的安全性和风险管理。下肢外骨骼致动器产生的能量通常通过刚性接口传输给使用者。使用者的外骨骼和组织之间的刚度差异会导致袖带皮肤滑动,并由于软组织压缩和安全带顺应性而产生较大的相互作用力。摩擦对皮肤的影响以前已经被研究过,皮肤损伤,如水疱和溃疡,与摩擦和剪切高度相关。剪切力是由皮肤表面的摩擦和压力共同产生的,并减少皮肤血流量。必须进一步研究辅助行走过程中的接触行为,包括滑移和相互作用力。

在进行彻底的风险评估时,数据收集和评估是必不可少的,而人-机器人相互作用的测量对于评估外骨骼的安全性和舒适性水平是有用的。提出了一个压力传感器阵列来测量相互作用压力。为了监测辅助坐立运动期间的接触行为,设计了一个带有嵌入式光学滑动和力传感器的传感袖带单元。通过两个力传感器直接测量施加在袖带上的所有力,并通过滑动传感器确定皮肤与传感袖带之间的相对滑动位移。为了评估交互剪切力,开发了一种新的安全验证方法,应用于下肢外骨骼的坐立运动。

传感袖带单元旨在测量在辅助步行过程中作用在袖带表面的相互作用力以及其在皮肤表面的滑动。袖带单元由两个边缘组件和一个中间组件组成。2个激光传感器(ADNS-9800,Avago Technologies,Singapore)和两个三轴力传感器(USL06-H5-50N,Tech Gihan Co.,Japan)安装在中间组件的中央底座上。在进行步行实验之前,研究了传感袖带的性能,包括其检测接触行为的准确性和能力。使用机器人机械手(MH5F,Yaskawa,Japan)在 x-z 平面上在一块假皮肤上移动袖带单元。运动捕捉系统(MAC 3-D 系统,Motion Analysis Co., CA USA)。将传感袖带单元连接到机械手的末端执行器上,并将厚度为 15 mm 的假人皮肤上覆盖一些紧身衣的一块织物(厚度:0.35 毫米)。 在进行功能测试之前,将每个标记的初始位置记录为相应的初始状态,然后获取每个标记在运动过程中与初始状态的相对位移。由于 M3 连接到袖带上,因此可以获得袖带的相对位移。

Fig. 1. - Assembled and exploded views of the sensing cuff unit.

传感单元设计

本实验中使用了带有四个电机的定制下肢外骨骼。假设辅助步行是稳定的,步幅时间变化最小。确定控制算法以代表下肢外骨骼的典型辅助策略。压力传感器安装在鞋子上,用于检测脚后跟撞击的瞬间。然后获得跨步时间,并使用前一个步态周期的值来确定后续步态阶段的辅助时间间隔。关节扭矩由髋关节和膝关节周围的电机提供。。在每条腿的站立阶段,髋关节处的电机在步态的 15-45% 的髋关节伸展方向上提供扭矩周期,而膝关节处的扭矩在步态周期的 30-60% 内提供了膝关节屈曲方向的扭矩。八名健康男性受试者(年龄:24.4±1.2 岁,身高:174.6±2.6 厘米,体重:66.9±4.0 公斤)参加了实验。传感袖带单元被选择放置在外骨骼右大腿的后侧。

Fig. 6. - Experimental setup showing a subject walking on a treadmill with the lower limb exoskeleton.

佩戴外骨骼的实验设计

沿z轴的合成剪切力分别在步态周期的开始和40–50%内达到最大值和最小值。因为在这些时刻,皮肤和袖口之间几乎没有滑动,剪切力的增加提示皮肤和软组织变形的发生,这将在组织中引起显著的剪切应变并增加皮肤损伤的风险。实验结果表明,运动方向上的剪切力的大小在步态周期的开始附近和 40-50% 内达到峰值。接近开始时,剪切力集中在传感袖带的下边缘和中部,而后期则集中在上边缘和中部。在步态周期的 40-50% 以上,观察到可忽略不计的滑移。外骨骼执行器产生的动力总是通过机器人袖口和鞋子上的相互作用力传递到支撑肢体。如果在辅助行走过程中外骨骼和下肢的运动完全匹配,则只能观察到袖带和皮肤之间的力进行能量传递。加载响应阶段(步态周期的 0-20%)的力大小大于站立阶段的其余部分。在加载响应阶段,一个很大的地面反作用力直接施加到外骨骼上,这也通过机器人袖口和鞋子影响了支撑肢体。感应袖带压在大腿上,在负荷响应阶段法向力增加。此外,在脚趾离地后摆动阶段的法向力的大小增加,尽管增量的速率和大小在受试者之间有所不同。此外,当在摆动阶段抬起腿时,动力也可能在外骨骼和下肢之间转移。

总之,本研究所设计的传感袖带可以评估在辅助行走中的接触行为和接触安全。为下一步假肢设计提供了参考。

X. Wan, Y. Liu, Y. Akiyama and Y. Yamada, "Monitoring Contact Behavior During Assisted Walking With a Lower Limb Exoskeleton," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering

 

 

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