Sviluppo di un controllore in tempo reale per stimare le prestazioni di deambulazione utilizzando un esoscheletro bilaterale della caviglia

Sperimentale: Studio a Braccio Singolo di un Controllore Personalizzato per esoscheletro robotico della caviglia

Questo braccio utilizza un disegno within-subject con due metodi di stima del costo metabolico rispetto alla misura gold standard del costo metabolico, in cui un singolo partecipante è sottoposto a due misurazioni distinte. Questo disegno consente un confronto diretto degli effetti di ciascun metodo (cioè, stima versus gold standard) all'interno dello stesso individuo, minimizzando la variabilità intersoggettiva e migliorando la potenza statistica dell'analisi.

Dispositivo: Sistema di Controllo della Coppia Adattivo per Esoscheletro della Caviglia

Questo intervento utilizza un esoscheletro robotico per la caviglia equipaggiato con un controllore adattivo in tempo reale che regola la coppia di flessione plantare in base alla meccanica del cammino di ciascun partecipante.
A differenza dei controllori standard per esoscheletri che utilizzano livelli di assistenza fissi o pre-programmati, questo sistema impiega l'ottimizzazione con l'uomo nel ciclo per aggiornare continuamente l'entità e la tempistica della coppia durante la deambulazione su tapis roulant.
Il controllore integra stime metaboliche, dati cinematici e modellazione muscolo-scheletrica per identificare schemi di assistenza personalizzati che riducono lo sforzo del cammino e migliorano l'efficienza di attivazione muscolare.
I partecipanti completano più prove di deambulazione mentre il controllore modifica automaticamente l'assistenza per determinare le impostazioni personalizzate ottimali.

Operazione in tempo reale di successo del controllore dell'esoscheletro robotico per la caviglia

La fattibilità del dispositivo sarà valutata mediante il funzionamento in tempo reale riuscito dell'esoscheletro robotico della caviglia e del controller adattivo durante la camminata sul tapis roulant. La fattibilità è definita come la capacità del controller di generare, aggiornare e applicare continuamente la coppia assistenziale in tempo reale sulla base dei dati biomeccanici e fisiologici in arrivo senza guasti del sistema, interruzioni o terminazioni relative alla sicurezza. Il funzionamento riuscito sarà confermato dalla funzione continua del controller e dall'acquisizione sincronizzata dei dati attraverso le prove di camminata.

Tasso Metabolico Netto Durante la Camminata Assistita da esoscheletro Misurato Mediante Calorimetria Indiretta

Il consumo netto di ossigeno (VO₂) e la produzione di anidride carbonica (VCO₂) saranno misurati durante la camminata sul tapis roulant mediante calorimetria indiretta (Cosmed K5, Cosmed USA Inc., Chicago, IL).
Il tasso metabolico sarà calcolato utilizzando equazioni standard durante condizioni di camminata a regime stazionario.
Le misurazioni saranno raccolte a intervalli regolari per caratterizzare la domanda metabolica sotto diverse configurazioni di assistenza dell'esoscheletro.

Tasso Metabolico Stimato Derivato dalla Modellazione Muscolo-Scheletrica dello Spazio Articolare

La velocità metabolica stimata sarà derivata da modelli muscoloscheletrici dello spazio articolare utilizzando dati cinematici e cinetici raccolti durante la camminata su tapis roulant. Le stime basate sul modello saranno calcolate su base passo-passo per fornire una stima indiretta della domanda metabolica che può essere confrontata con misurazioni dirette della calorimetria indiretta.

Attivazione Muscolare dell'Arto Inferiore Stimata Derivata dalla Modellizzazione Muscolo-Scheletrica dello Spazio Articolare

I pattern di attivazione muscolare degli arti inferiori saranno stimati utilizzando modelli muscolo-scheletrici nello spazio articolare, basati su dati di motion capture e di forza di reazione al suolo raccolti durante la camminata su tapis roulant. I valori stimati di attivazione muscolare saranno calcolati su base passo-passo per caratterizzare l'impegno neuromuscolare durante la deambulazione assistita da esoscheletro.

Attivazione Muscolare dell'Arto Inferiore Misurata Tramite Elettromiografia di Superficie Durante la Camminata

L'attivazione muscolare dei muscoli degli arti inferiori (ad esempio, tibiale anteriore, gastrocnemio mediale, gastrocnemio laterale, soleo) verrà misurata durante la camminata sul tapis roulant utilizzando l'elettromiografia di superficie (Delsys). I segnali EMG verranno raccolti in modo continuo ed elaborati per quantificare i pattern di attivazione muscolare durante la deambulazione assistita dall'esoscheletro.

Durante le prove di camminata sul tapis roulant condotte in una singola visita di studio

La convergenza dei parametri del controller sarà valutata durante le prove di ottimizzazione con l'uomo nel ciclo, analizzando le variazioni dei parametri di guadagno e temporizzazione del controller attraverso successive sessioni di deambulazione. La convergenza è definita come la stabilizzazione dei parametri del controller entro un intervallo predefinito durante il processo di ottimizzazione.