개인화 하이브리드 보행 외골격의 모델링, 최적화 및 제어 방법

연구 활동에는 컴퓨터 제어 기능적 전기 자극(FES) 및 전기 모터 구동 보조기(동력 외골격)를 사용하여 기능적 하지 움직임을 생성하는 것이 포함됩니다. 즉, 서서 걷는다. 컴퓨터 제어 알고리즘은 보조기에 내장되어 있거나 내장될 광학 인코더, 로드 셀, 힘 감지 저항기 및 관성 측정 장치와 같은 센서로부터 피드백을 얻거나 이러한 피드백 알고리즘은 추정된 참가자의 근골격 모델. 다중 컴퓨터 알고리즘은 FES를 전기 모터 및 보행 장치의 기타 구성 요소와 조정하여 서거나 걷는 동작을 재현하거나 복원하도록 설계됩니다. 이 연구에는 걷기 및 앉기/서기 동작을 추정하고 제어하기 위한 컴퓨터 알고리즘의 검증이 포함됩니다. Rifton E-Pacer 전동 보행기, 목발, 평행봉 또는 기존 보행기는 외골격 시스템의 착용 및 탈의, 모든 피험자의 서기 및 보행을 지원하기 위해 실험 중 언제라도 가능한 오랫동안 사용할 수 있습니다. 실험 목표에 의해 필요하다고 간주됩니다. E-Pacer 또는 보행기를 사용하면 실험 안전성이 향상되고 피험자의 신체에 가해지는 부하가 줄어들기 때문에 피험자의 전반적인 신체 활동이 줄어듭니다. 앉기/서기 및/또는 걷기 동작은 동력 외골격과 FES 시스템을 결합한 하이브리드 보행 플랫폼에 의해 유도됩니다. 강화된 외골격은 참가자의 고관절과 무릎 관절에서 관절 작동을 제공할 수 있습니다. FES 시스템은 대퇴사두근, 햄스트링 근육, 둔근 및 발목 근육을 자극할 수 있습니다. 자극을 위한 전극은 최적의 팔다리 움직임을 제공하는 위치의 피부에 배치됩니다. 알고리즘은 걷기 및/또는 앉기/서기를 달성하기 위해 서로 다른 근육의 자극이 조정되도록 설계되었습니다. 그룹 A에서 테스트하기 전에 그룹 B 참가자에 대한 선례 실험이 수행됩니다. 하반신 마비 참가자(그룹 A)와 달리 장치가 실패하거나 예기치 않게 작동하는 경우 비장애인(그룹 B)이 개입할 수 있습니다. 따라서 먼저 장애가 없는 사람에게 장치를 테스트하면 장치에 개입할 수 없는 SCI를 가진 개인을 테스트하기 전에 위험을 추가로 평가하고 해결할 수 있습니다. 그룹 A 참가자의 모든 세션은 물리 치료사의 감독하에 수행됩니다. 치료사는 또한 그룹 A 참가자가 필요한 경우 휠체어에서 쿠션이 있는 테이블로 이동하거나 외골격으로 이동할 수 있도록 도와줍니다. 그룹 A 참가자는 서 있거나 걷는 동안 낙상을 방지하기 위해 체중 감량 시스템의 지원을 받습니다. 전기 자극과 관련된 각 실험 전에 참가자의 심박수와 혈압이 기록됩니다. 치료사는 또한 참가자가 휠체어에서 치료 테이블로 옮기는 것을 도울 것입니다. 장치를 작동하는 참가자 또는 개인이 걷기 및/또는 서기 동작을 시작합니다. 참가자는 자신이 불편하거나 안전하지 않다고 느끼는 경우 제공된 안전 정지 버튼을 사용하여 움직임을 멈출 수 있습니다. 이 세션 동안 참가자는 심박수 모니터를 착용하여 무리하지 않고 충분한 휴식 시간을 가질 수 있습니다. 참가자의 심박수는 실험을 수행하는 개인이 각 시도 전후에 확인합니다. 그룹 A의 노력 수준을 확인하기 위해 Borg 척도가 관리됩니다. 세션은 Borg 척도에 규정된 한도에 따라 중지됩니다(위험 섹션의 중지 기준 참조). 설명된 모든 실험에 대해 실험을 위한 방문 사이에 최소 1-2일이 필요합니다. 이러한 활동은 목표 1과 목표 2로 나뉩니다. 목표 1-2는 순차적이지 않습니다. 목표 1: 최적화된 동력 외골격 및 기능적 전기 자극(FES) 지원을 사용하여 앉기/서기 및 걷기 동작을 유도합니다. 이 목표의 목적은 참가자의 개인별 모델을 기반으로 FES 및 외골격 기여도를 할당하는 최적의 컨트롤러를 실험적으로 검증하는 것입니다. 컨트롤러는 장애가 없는 사람과 척수 손상이 있는 사람의 하지 움직임을 생성합니다. 그룹 A와 그룹 B는 약 20개의 세션에 참여합니다. 세션 수는 근사치이며 이 수를 초과할 수 있으며 추가 참여를 금지하는 컷오프 세션 수는 없습니다. 세션 시간은 최대 4시간입니다. 세션 시간은 근사치이며 지정된 시간보다 길거나 짧을 수 있습니다. 예상치 못한 기술 데이터 또는 잘못된 실험 데이터로 인해 일부 참가자의 경우 총 세션 수가 약간 초과될 수 있습니다. 이 실험은 NCRL(Neuromuscular Control and Robotics Laboratory) 또는 수석 연구원이 운영하는 Chapel-Hill의 외래 환자 재활 클리닉에서 수행됩니다. 이 실험은 2가지 작업으로 나뉩니다. 작업 1: 숙지, 교육 및 모델 식별을 위한 초기 방문. 친숙화 및 교육 방문을 통해 하이브리드 보행 외골격을 각 참여 개인에게 맞춤화하고 최적화할 수 있습니다. 이 작업을 위해 참가자는 약 3개의 세션 동안 NCRL을 방문합니다. 이 세션은 4시간 이상 걸리지 않습니다. 세션 시간은 근사치이며 지정된 시간보다 길거나 짧을 수 있습니다. 예상치 못한 기술 데이터 또는 잘못된 실험 데이터로 인해 일부 참가자의 경우 총 세션 수가 약간 초과될 수 있습니다. 첫 번째 방문에서 참가자에게 장치를 맞추기 위해 하이브리드 장치에 대한 조정이 이루어집니다. 이러한 방문에서 목표는 기립 이동을 위해 훈련하고 하이브리드 보행 장치로 보행 동작을 수행하는 것입니다. 컴퓨터 제어 알고리즘은 기립, 일어서기 및 걷기 동작을 수행하는 데 사용됩니다. 각 개인에 대한 모델 매개변수를 찾기 위한 모델 식별 실험은 초기 교육 및 친숙화 연구 중에 실행할 수 있습니다. 이러한 모델 식별 실험은 참가자가 하이브리드 보행 장치에서 앉거나 서거나 걷는 동안 수행할 수 있습니다. 주제별 매개변수가 식별되면 FES를 동력 외골격과 조정하는 걷기 및/또는 서 있는 알고리즘이 파생되거나 오프라인 동적 최적화를 사용하여 최적화됩니다. 작업 2: 앉기/서기 및/또는 걷기 알고리즘의 유효성 검사. 초기 방문(작업 1) 후 걷기 및/또는 서기 알고리즘이 테스트됩니다. 이 알고리즘은 하이브리드 보행 시스템에 내장된 광학 인코더, 관성 측정 장치, 뒤꿈치 접촉 센서와 같은 다양한 센서에서 감각 정보를 가져와 동력 외골격의 FES 및 전기 모터를 최적으로 조정하는 컴퓨터 프로그램입니다. 알고리즘은 약 7 세션의 각 참가자에 대해 실험적으로 검증됩니다. 각 세션은 서기, 걷기, 휴식 시간, 버팀대 조정에 필요한 시간, 필요한 경우 컴퓨터 코드를 업데이트하는 데 필요한 시간을 포함하여 4시간 이상 진행되지 않습니다. 세션 수와 기간은 추정치이며 실험 조건에 따라 변경될 수 있습니다. 관절 각도를 측정하기 위해 모션 캡처 시스템을 사용하여 시공간적 보행 특성을 건강한 대조군의 정상 보행과 비교할 수 있습니다. 기록된 걸음걸이 데이터는 또한 장치의 제어 시스템 성능을 평가하고 사용자가 장치 사용에 익숙해짐에 따라 시간이 지남에 따라 사용자의 걸음걸이가 어떻게 변하는지 보여주기 위해 사용됩니다. 이러한 세션은 장치의 적용 및 효능을 설명할 수 있도록 기록될 수 있습니다. 목표 2: 초음파 기반 피드백을 통합하여 하이브리드 외골격을 제어합니다. 이 목표의 목적은 초음파 이미징이 FES에 의해 유도된 근육 피로를 측정하는 도구로 사용될 수 있는지 조사하고 FES 및 외골격 지원을 최적화하기 위해 미국에서 파생된 신호를 추가로 사용하는 것입니다. 이 목표의 첫 번째 목표는 근육 피로의 시작을 나타내는 초음파 기반 피로 모델을 개발하는 것입니다. 두 번째 목표는 앉기, 걷기, 서기, 앉기 활동 중에 FES와 전기 모터의 제어를 조정하는 알고리즘에서 초음파 기반 피로 모델을 사용하는 것입니다. 그룹 A 및 그룹 B 개인이 이 목표에 참여합니다. 그들은 각각 4시간을 넘지 않는 약 10개의 세션에 참여하게 됩니다. 예상하지 못한 기술적 또는 잘못된 실험 데이터로 인해 또는 참가자가 연구를 떠나는 경우 총 세션 수는 10개보다 많거나 적을 수 있습니다. 이러한 실험은 NCRL 또는 Chapel-Hill의 외래 환자 재활 클리닉에서 수행됩니다. 과제 1: 다리 근육의 피로 및 회복 측정 기반 초음파 영상 개발. 근육 피로를 유발하는 자극 프로토콜을 따를 것입니다. 근육 피로는 대퇴사두근의 FES에 의해 생성된 아이소메트릭 토크의 일부 감소로 정의됩니다. 아이소메트릭 토크의 감소는 참가자마다 다를 수 있기 때문에 모든 참가자에 대해 공통 자극 프로토콜이 사용됩니다. 이것은 각 세션이 4시간을 넘지 않는 약 2개의 세션 동안 수행됩니다. 세션 시간은 근사치이며 지정된 시간보다 길거나 짧을 수 있습니다. 예상치 못한 기술 데이터 또는 잘못된 실험 데이터로 인해 일부 참가자의 총 세션 수는 일부 세션에서 초과될 수 있습니다. 초음파(전극 사이에 배치된 이미징 프로브 사용)와 토크 데이터(로드 센서에서)가 모두 수집됩니다. 상용 초음파 시스템(대만 S-Sharp Corporation)에 연결된 휴대용 상용 초음파 변환기(5-20MHz 임상 변환기)를 피부에 대고 배치했습니다.영상화를 돕기 위해 따뜻한 젤을 피부에 바릅니다. 강도 및 프레임 속도 등을 포함한 모든 초음파 영상 매개변수는 임상 초음파 영상에 대한 안전 지침 이하입니다(MI 값 1.9 미만). 이러한 실험 후에 처리된 초음파 데이터는 피로 및 회복 측정을 결정하기 위해 측정된 토크와 상관 관계가 있습니다. 작업 2: 컨트롤 할당 알고리즘에 초음파 기반 피로 모델 통합. 초음파 영상 기반 피로 및 회복 측정은 근육 피로의 시작을 예측하는 데 사용할 수 있습니다. 실험 연구는 (그룹 A)와 (그룹 B)에서 2회에 걸쳐 진행되며 각각 4시간을 넘지 않습니다. 세션 시간은 근사치이며 지정된 시간보다 길거나 짧을 수 있습니다. 예상치 못한 기술 데이터 또는 잘못된 실험 데이터로 인해 일부 참가자의 총 세션 수는 일부 세션에서 초과될 수 있습니다. 목표 1의 작업 2에 있는 알고리즘은 초음파 기반 피로 및 회복 측정을 통합하도록 수정됩니다. 앞서 언급한 목적에 사용되는 자극 매개변수에 대한 설명: 본 연구에서 사용되는 정상적인 자극 범위는 펄스 폭 100-400마이크로초입니다. 주파수: 20-100Hz; 전류 0-100mA. 일반적으로 실험 중에 전류는 0mA에서 시작하여 작업을 달성하는 데 필요한 값까지 자동으로(또는 경우에 따라 수동으로) 변조됩니다. 이것은 자극기와 통신하는 제어 시스템에 대한 피드백 신호에 의해 달성됩니다. 제어 시스템은 전류가 최대 한계를 초과하는 것을 허용하지 않습니다. 펄스폭과 주파수는 일반적으로 일정하게 유지됩니다. 각 참가자에게 사용된 자극 매개변수는 각 실험 세션에 대해 문서화되며 세션 중 자극 매개변수의 모든 변경 사항도 기록됩니다.