Ontwikkeling van een real-time controller om loopprestaties te schatten met behulp van een bilateraal enkel-exoskelet

Experimenteel: Single-Arm Studie van een Gepersonaliseerde Controller voor een Robothulpmiddel aan de Enkel

Dit onderdeel maakt gebruik van een within-subject-ontwerp met twee methoden voor het schatten van het metabole kosten versus de gouden standaardmeting van metabole kosten, waarbij een enkele deelnemer wordt onderworpen aan twee verschillende metingen. Dit ontwerp maakt een directe vergelijking mogelijk van de effecten van elke methode (d.w.z. schatting versus gouden standaard) binnen hetzelfde individu, waardoor intersubjectvariabiliteit wordt geminimaliseerd en de statistische kracht van de analyse wordt vergroot.

Apparaat: Adaptief koppelregelsysteem voor enkel-exoskelet

Deze interventie maakt gebruik van een robotachtige enkel-exoskelet uitgerust met een real-time adaptieve controller die de plantairflexie-kracht aanpast op basis van de loopmechanica van elke deelnemer.
In tegenstelling tot standaard exoskelet-controllers die vaste of voorgeprogrammeerde ondersteuningsniveaus gebruiken, past dit systeem human-in-the-loop-optimalisatie toe om continu de krachtgrootte en timing bij te werken tijdens het lopen op een loopband.
De controller integreert metabole schattingen, kinematische gegevens en musculoskeletale modellering om geïndividualiseerde ondersteuningspatronen te identificeren die de loopinspanning verminderen en de efficiëntie van spieractivatie verbeteren.
Deelnemers voltooien meerdere looptesten terwijl de controller automatisch de ondersteuning aanpast om de optimale gepersonaliseerde instellingen te bepalen.

Succesvolle realtime bediening van de robotische enkel-exoskeletcontroller

De haalbaarheid van het apparaat zal worden geëvalueerd aan de hand van de succesvolle real-time werking van de robotische enkel-exoskelet en adaptieve controller tijdens loopbandlopen. Haalbaarheid wordt gedefinieerd als het vermogen van de controller om continu assistentiekracht te genereren, bij te werken en toe te passen in real time op basis van binnenkomende biomechanische en fysiologische gegevens zonder systeemfalen, onderbreking of veiligheidsgerelateerde beëindiging. Succesvolle werking zal worden bevestigd door continue controllerfunctie en gesynchroniseerde gegevensverwerving tijdens loopproeven.

Netto metabolisme tijdens exoskeletondersteund lopen gemeten door indirecte calorimetrie

Het netto zuurstofverbruik (VO₂) en de koolstofdioxideproductie (VCO₂) worden gemeten tijdens het lopen op de loopband met behulp van indirecte calorimetrie (Cosmed K5, Cosmed USA Inc., Chicago, IL). De stofwisselingssnelheid wordt berekend met standaardvergelijkingen tijdens stabiele loopomstandigheden. De metingen worden met regelmatige tussenpozen verzameld om de metabole vraag onder verschillende exoskeletondersteuningsconfiguraties te karakteriseren.

Geschat Metabool Tempo Afgeleid Van Musculoskeletale Modellering Van Het Gewrichtsgebied

De geschatte metabolische snelheid wordt afgeleid uit musculoskeletale modellen van het gewrichtsgebied met behulp van kinematische en kinetische gegevens die tijdens het lopen op de loopband zijn verzameld. Op modellen gebaseerde schattingen worden op basis van elke pas berekend om een indirecte schatting van de metabole vraag te geven die kan worden vergeleken met directe metingen van indirecte calorimetrie.

Geschatte Onderste-Ledemaat Spieractivatie Afgeleid Van Gewrichtsruimte Musculoskeletale Modellering

De spieractivatiepatronen van de onderste ledematen worden geschat met behulp van musculoskeletale modellen op basis van joint-space, gebaseerd op motion capture-gegevens en gegevens over grondreactiekrachten die worden verzameld tijdens het lopen op een loopband. De geschatte spieractivatiewaarden worden berekend op basis van stap-voor-stap om de neuromusculaire betrokkenheid tijdens het lopen met exoskeletondersteuning te karakteriseren.

Onderste-Ledemaat Spieractivatie Gemeten met Oppervlakte-Elektromyografie Tijdens het Lopen

De spieractivatie van de onderste ledematen spieren (bijv. musculus tibialis anterior, musculus gastrocnemius medialis, musculus gastrocnemius lateralis, musculus soleus) wordt gemeten tijdens het lopen op de loopband met behulp van oppervlakte-elektromyografie (Delsys). EMG-signalen worden continu verzameld en verwerkt om spieractivatiepatronen tijdens exoskelet-ondersteund lopen te kwantificeren.

Tijdens loopbandwandeltests uitgevoerd tijdens een enkele studiebezoek

De convergentie van controllerparameters wordt beoordeeld tijdens human-in-the-loop optimalisatieproeven door veranderingen in controllerversterking en timingparameters over opeenvolgende loopperiodes te evalueren.
Convergentie wordt gedefinieerd als de stabilisatie van controllerparameters binnen een vooraf gedefinieerd bereik tijdens het optimalisatieproces.