Un exoschelet inovator pentru genunchi facilitează mobilitatea vârstnicilor
Genunchiul reprezintă o articulație esențială pentru susținerea greutății și stabilizarea în timpul mersului, având un rol crucial în menținerea echilibrului și în efectuarea mișcărilor flexibile în timpul mersului pe teren plan, urcării și coborârii pe rampe, precum și în urcarea și coborârea scărilor.
Odată cu înaintarea în vârstă, mulți adulți vârstnici se confruntă cu o scădere a forței musculare și a rezistenței, ceea ce duce la o slăbire a forței genunchiului și la o susținere insuficientă a corpului, afectând astfel mobilitatea zilnică și calitatea vieții, în timp ce riscul de cădere crește. În contextul îmbătrânirii populației globale, dezvoltarea exoscheletelor asistive pentru genunchi care pot susține vârstnicii în scenarii de mers reale este deosebit de importantă.
Deși au fost create diverse exoschelete asistive pentru genunchi, mai multe provocări practice persistă. Sistemele convenționale cu motor sunt adesea grele și adaugă inerție la nivelul articulației genunchiului, crescând astfel povara asupra purtătorului; sistemele pneumatice sunt conforme, dar sunt limitate de sursa de alimentare, stabilitate și portabilitate; iar dispozitivele existente întâmpină dificultăți în recunoașterea modelelor de mers ciclic, cum ar fi mersul pe teren plan, pe rampe și pe scări, în medii exterioare reale.
În plus, multe strategii de asistență sunt concepute pentru moduri specifice de locomție și nu au flexibilitatea necesară pentru a se adapta condițiilor variate de mers zilnic. Prin urmare, există o nevoie clară de a dezvolta un exoschelet asistiv pentru genunchi care să fie ușor, confortabil, sigur și flexibil, capabil să recunoască cu precizie multiple modele de locomție zilnică și să ofere cuplu asistiv adecvat în timp real.
Acest studiu a creat un exoschelet asistiv flexibil pentru genunchi cu dublă acționare dintr-o singură sursă (FKAE), utilizând un singur motor, un mecanism de ambreiaj și cabluri Bowden pentru a oferi asistență temporizată genunchiului stâng și drept. Această construcție reduce numărul de motoare de mare putere și sarcina la articulațiile distale, în timp ce un actuator elastic de serie îmbunătățește conformitatea interacțiunii și siguranța. Sistemul este compus în principal dintr-un modul de control al acționării montat pe spate, exoschelete bilaterale pentru membrele inferioare și un sistem de percepție a locomției.
Patru IMU-uri sunt montate pe componentele coapsei și gambei pentru a calcula unghiurile genunchiului în timp real și a extrage caracteristici legate de mers. Pentru scenariile de locomție zilnică, inclusiv mers pe teren plan, urcare pe rampă, coborâre pe rampă, urcare și coborâre pe scări, cercetătorii au propus o metodă de recunoaștere a modelelor de locomție cu dublă detecție, combinând controlul fuzzy și o mașină cu stări finite. Controlul fuzzy a fost utilizat pentru a recunoaște modelele de mers în stare stabilă, în timp ce mașina cu stări finite a detectat tranzițiile între diferitele moduri de locomție pentru a reduce întârzierea trecerii.
Pe baza modelului de locomție recunoscut, a fost proiectată o strategie de control al cuplului asistiv temporizat cu stări finite, menită să genereze curbe de cuplu asistiv în funcție de unghiul genunchiului în timp real și să ofere asistență la flexarea genunchiului în timpul mersului pe teren plan, urcării pe rampă și urcării pe scări. În final, au fost recrutați 3 participanți tineri și 3 participanți vârstnici pentru teste de recunoaștere a locomției în aer liber pe teren plan, rampe și scări, precum și experimente interne utilizând măsurători metabolice și semnale EMG de suprafață pentru a evalua efectele asistenței exoscheletului asupra consumului de energie și a sarcinii musculare.
Rezultatele experimentale au arătat că exoscheletul asistiv flexibil cu acționare dublă dintr-o singură sursă a reușit să atingă o recunoaștere de înaltă precizie a modelelor de locomție în scenarii de mers reale, reducând totodată povara mișcării utilizatorilor. În primul rând, timpul de comutare între asistența pentru genunchiul stâng și drept a fost de 0,10 până la 0,12 s, îndeplinind cerințele ciclului de mers în cadrul diferitelor moduri de locomție și susținând fezabilitatea strategiei de acționare temporizată cu un singur motor. În experimentele de recunoaștere a locomției în aer liber, strategia de detecție dublă, combinând controlul fuzzy și mașina cu stări finite, a recunoscut cu acuratețe modurile de locomție zilnică, inclusiv mersul pe teren plan, urcarea pe scări, coborârea pe scări, urcarea pe rampă și coborârea pe rampă, cu o acuratețe medie generală de 98,89%; recunoașterea urcării pe scări a atins 100%. Pe durata tranzițiilor între moduri, mașina cu stări finite a redus semnificativ întârzierea detecției, iar în unele tranziții de la mersul pe teren plan la scări sau rampe, sistemul a putut anticipa schimbarea cu aproximativ o jumătate de ciclu de mers.
Experimentele de consum de energie au arătat că, comparativ cu condiția de zero cuplu, asistența exoscheletului a redus costul metabolic cu aproximativ 5,4% până la 12,8% în timpul mersului pe teren plan, 11,9% până la 28,2% în timpul urcării pe rampă și 10,9% până la 18,8% în timpul urcării pe scări. De asemenea, a redus semnalele EMG de suprafață în multiple mușchi ai membrelor inferioare, unele dintre reducerile activării musculare depășind 60%. Aceste rezultate preliminare sugerează că sistemul poate oferi asistență eficientă la nivelul genunchiului pentru diverse sarcini de locomție zilnică, având o bună acuratețe a recunoașterii, siguranță în interacțiune și potențial de reducere a sarcinii.
Importanța acestui studiu constă în propunerea unui exoschelet asistiv pentru genunchi, ușor și flexibil, destinat locomției zilnice a persoanelor vârstnice, integrând designul structural, recunoașterea modelelor de locomție și controlul cuplului asistiv pentru a se adapta la scenariile de viață reală, cum ar fi mersul pe teren plan, urcările și coborârile pe rampe și scări. Arhitectura cu dublă acționare dintr-o singură sursă utilizează un motor pentru a oferi asistență temporizată ambelor genunchi, reducând numărul de motoare de mare putere și greutatea totală a sistemului. Cablul Bowden și structura elastică de serie reduc sarcina la articulațiile distale, îmbunătățind în același timp conformitatea uman-robot și siguranța. Totodată, metoda de recunoaștere a locomției, combinând controlul fuzzy și mașina cu stări finite, a realizat o acuratețe ridicată și o întârziere scăzută în atât situațiile de mers stabil, cât și în cele de comutare între moduri, oferind un fundament pentru asistența exos
