로봇 보형물 제어

Robotic prosthesis control

로봇 보형물 조절은 조절된 로봇 보형물이 팔다리를 잃은 사람에게 생물학적으로 정확한 걸음걸이를 회복하는 방식으로 보형물을 조절하는 방식이다.[1]이것은 인간과 로봇 공학 사이의 상호작용을 강조하는 특별한 통제 분야다.

배경

시스템의 컨트롤러 설계에 사용되는 기본 제어 블록 다이어그램.

1970년대에 몇몇 연구자들이 테더로 연결된 전기 유압 수혈 보형물을 개발했다.[2][3][4][5][6][7]그것은 에코 컨트롤이라고 불리는 제어의 유형을 사용하는 오프보드 전자장치가 제어하는 유압 작동식 무릎 관절만 포함했다.[4]에코 조절은 소리 나는 다리에서 운동신경을 떼어내고 보철 다리를 조절하여 걸음걸이 주기의 그 부분에 도달하면 온전한 다리와 일치시키려 한다.[3]1988년 DC 모터에 의해 구동되고 강력한 위치 추적 제어 알고리즘에 의해 제어되는 배터리로 구동되는 능동 무릎 관절이 포포비치와 슈위틀리치에 의해 만들어졌다.[8][9]추적 제어는 위치, 속도 또는 토크와 같은 특정 상태를 특정 궤적을 추적하도록 강제하는 데 사용되는 일반적인 제어 방법이다.이것들은 이 분야에서 행해진 이전 작품들의 두 가지 예에 불과하다.

하퇴부조절기

임피던스 제어

이러한 형태의 제어는 환경과 조작자 사이의 동적 상호작용을 제어하기 위해 사용되는 접근방식이다.[10]이것은 환경을 출입구로, 조작자를 임피던스로 처리함으로써 작동한다.[11]이것이 로봇 보형물에 부과하는 관계는 환경에 의해 부과되는 움직임에 대응하여 힘 생산 사이의 관계를 나타낸다.이것은 각 관절에 필요한 토크로 해석되며, 일련의 수동 임피던스 기능으로 표현되며, 걸음걸이 사이클에 걸쳐 연결되어 있다.[10]임피던스 제어는 힘이나 위치를 독립적으로 조절하지 않고 대신 힘과 위치 및 속도 사이의 관계를 조절한다.임피던스 컨트롤러를 설계하기 위해, 걸음걸이 데이터의 회귀 분석을 사용하여 임피던스 함수를 파라미터화한다.하반신 보형물의 경우 임피던스 함수는 다음 방정식과 유사하게 보인다.[12]

휴 허(Hugh Her)는 2014년 TED에서 로봇 의족을 시연했다. "그것은 신경계통 아래 달리는 걸음걸이의 첫 번째 시연이었다.근육을 발사하면 할수록 토크가 많이 나온다고 말했다.

k(스프링 강성), θ0(평형각), b(감쇠계수)라는 용어는 모두 회귀 분석을 통해 발견되며, 걸음걸이 주기의 다른 부분과 특정 속도에 대해 조정된다.그런 다음 이 관계를 마이크로 컨트롤러에 프로그래밍하여 보행 단계의 다른 부분에서 필요한 토크를 결정한다.

묘전기제어

전자기술(EMG)은 골격근육에서 발생하는 전기적 활동을 평가하고 기록하기 위해 사용되는 기법이다.[13]고급 패턴 인식 알고리즘은 이러한 기록을 가지고 특정 동작 중에 근육에 의해 생성되는 고유한 EMG 신호 패턴을 해독할 수 있다.이 패턴들은 사용자의 의도를 결정하고 의족을 통제하는 데 사용될 수 있다.[14]하반신 로봇 보형물의 경우 사용자가 평평한 지면을 걷고 싶은지, 경사면을 걷고 싶은지 또는 계단을 오르고 싶은지 결정할 수 있는 것이 중요하다.현재 이곳은 근전기 조절이 도입부가 되는 곳이다.이러한 서로 다른 작동 모드 간 전환 중에 EMG 신호는 매우 가변적이 되며 의도된 작동 모드를 결정하기 위해 기계 센서의 정보를 보완하는 데 사용될 수 있다.[14]이러한 유형의 제어를 위해 조정된 로봇 보형물을 사용하는 각 환자들은 그들의 시스템을 특별히 훈련시켜야 한다.이것은 그들이 다른 작동 모드를 거치게 하고 패턴 인식 알고리즘을 훈련시키기 위해 그 데이터를 사용함으로써 이루어진다.[14]

속도 적응 메커니즘

속도 부착 메커니즘은 다른 이동 속도에서 조인트로부터 필요한 토크를 결정하는 데 사용되는 메커니즘이다.[1]자세 단계 동안 각도에 대한 토크 각도 관계의 파생 모델인 퀘이시시시프성은 보행 속도의 함수로서 끊임없이 변화하는 것으로 보아 왔다.[1]즉, 자세 단계에서는 피사체가 움직이는 속도에 따라 하퇴부 보형물을 제어하는 데 사용할 수 있는 유도 토크 각도 관계가 존재한다는 것을 의미한다.스윙 페이즈 동안 조인트 토크는 보행 속도에 비례하여 증가하고 스윙 페이즈 지속시간은 스트라이드 시간에 비례하여 감소한다.[1]이러한 특성은 스윙 단계의 각도 궤적을 정확하게 설명하는 주변에서 제어할 수 있는 궤적을 유도할 수 있도록 한다.이 두 가지 메커니즘은 사람마다 일정하게 유지되기 때문에 이 방법은 대부분의 하부 사지 보철물 제어기에 필요한 속도와 환자 특정 튜닝을 제거한다.[1]

모델 독립형 2차 프로그램(MIQP)+임피던스 제어

걷는 걸음걸이는 하이브리드 시스템으로 분류되는데, 이는 분열 역학을 가지고 있다는 것을 의미한다.이 독특한 문제와 함께, 영향을 받는 하이브리드 시스템에 대한 일련의 해결책들이 RED-CLF(Rapid Equivalization Control Lyapunov Functions)라고 불렸다.[15]제어 Lyapunov 함수는 비선형 시스템을 원하는 상태 집합으로 안정화하기 위해 사용된다.RES-CLF는 여러 불평등 제약을 받아들이고 최적의 출력을 반환하는 2차 프로그램을 사용하여 실현할 수 있다.[15]이것들의 한 가지 문제는 RES-CLF를 개발하기 위해 시스템 모델이 필요하다는 것이다.특정 개인에 대한 조정의 필요성을 없애기 위해 CLF를 도출하기 위해 MIQP(Model Independent 2차 프로그램)를 사용했다.이러한 CLF는 원하는 토크가 무엇이어야 하는지를 전혀 알지 못한 채 원하는 출력에서 오류를 줄이는 데만 초점을 맞추고 있다.이 정보를 제공하기 위해 임피던스 제어는 MIQP가 시스템의 전체 모델을 보유하지 않고도 제어하고 있는 시스템에 대한 정보를 수집할 수 있는 피드 포워드 항을 제공하기 위해 추가된다.[15]

상지조절

상업용 솔루션은 피상적인 EMG 신호를 이용하여 보형물을 제어한다.게다가, 연구원들은 다른 생물학적 근원을 이용하는 대안적인 해결책을 연구하고 있다.

  • 신경 또는 근육 활동을 기록하기 위해 삽입된 전극(전극, 근육 내 및 표피 전극)
  • 근육 수축 중 힘의 변화를 감지하는 압력 센서 행렬
  • 근육 변형을 측정하기 위한 근동맥 접근법

근동조절

근동학 제어는 표준 근전기 제어에 대한 대안을 나타낸다.근육의 전기적 활동 대신 수축 중 근육의 변형을 측정하는 것이 목적이다.잔류 근육에 직접 착상된 영구 자석의 자기장을 감지하는 새로운 접근법이 2017년에 최근 등장했다.[16][17]자석의 위치를 국소화하는 것은 자석이 자석과 함께 움직일 때 착상되는 근육의 수축/긴장을 측정하는 것과 같다.이 정보는 피험자의 자발적인 움직임을 해석하여 결과적으로 보형물을 제어하는 데 사용할 수 있다.자석에 의해 생성되는 자기 신호는 잔존 사지 주위에 배치된 외부 센서에 의해 감지된다.그런 다음 자기 역문제(예: Levenberg-Marquardt 알고리즘)를 해결하여 추적을 수행하는 최적화 방법에 의해 국산화(localization)가 구현된다.[16]

참조

  1. ^ a b c d e Lenzi, Tommaso; Hargrove, L.; Sensinger, J. (2014). "Speed-adaptation mechanism: Robotic prostheses can actively regulate joint torque". IEEE Robotics & Automation Magazine. 21 (4): 94–107. doi:10.1109/mra.2014.2360305.
  2. ^ Stein, J. L.; Flowers, W. C. (1988). "Stance phase control of above-knee prostheses: knee control versus SACH foot design". Journal of Biomechanics. 20 (1): 19–28. doi:10.1016/0021-9290(87)90263-6. hdl:2027.42/26850. PMID 3558425.
  3. ^ a b 그라임스, D. L. (1979)무릎 보형물 컨트롤러 위의 활성 다중 모드.캠브리지, MA, MIT, 기계공학부 박사 논문.
  4. ^ a b Grimes, D. L.; Flowers, W. C.; Donath, M. (1977). "Feasibility of an active control scheme for above knee prostheses". Journal of Biomechanical Engineering. 99 (4): 215–221. doi:10.1115/1.3426293.
  5. ^ Flowers, W. C.; Mann, R. W. (1977). "Electrohydraulic knee-torque controller for a prosthesis simulator". Journal of Biomechanical Engineering. 99 (4): 3–8. doi:10.1115/1.3426266. PMID 23720163.
  6. ^ 도나스, M. (1974년)knee 이상의 보형물에 대한 비례적 EMG 제어.석사논문 케임브리지, MA, MIT, 기계공학부
  7. ^ 꽃, W. C. (1973)knee 이상의 인공 보철 연구를 위한 인간 상호작용 시뮬레이터 시스템.캠브리지, MA, MIT, 기계공학부 박사 논문.
  8. ^ Popovic, D.와 Schwirtlich, L. (1988).활성 A/K 보형물을 베오그라드하십시오.전기생리학 키네시학(국제회의 시리즈 제804호), 드 브리스, J. (편집)암스테르담, 발췌타 메디카, 페이지 337–343
  9. ^ Au, S, Bonato, P. and Her, H. (2005)활성 발목 발 보형물을 위한 EMG 위치 제어 시스템: 초기 실험 연구IEEE 국제 재활로봇 회의, 페이지 375–379
  10. ^ a b 아그하사데기, 나비드 등"하한 림프 보형물에 대한 임피던스 컨트롤러 매개 변수 학습."지능형 로봇 및 시스템(IROS), 2013 IEEE/RSJ 국제 컨퍼런스:IEEE, 2013.
  11. ^ 호건, 네빌."임피던스 제어:조작에 대한 접근."1984년 미국 통제 회의IEEE, 1984.
  12. ^ Sup, Frank; Bohara, Amit; Goldfarb, Michael (2008). "Design and control of a powered transfemoral prosthesis". The International Journal of Robotics Research. 27 (2): 263–273. doi:10.1177/0278364907084588. PMC 2773553. PMID 19898683.
  13. ^ 케이먼, 게리전자기학 키네시학.Robertson, DGE 등.생물역학 연구 방법Champaign, IL: Human Kinetics Public, 2004.
  14. ^ a b c Hargrove LJ; Young AJ; Simon AM; et al. (2015-06-09). "Intuitive control of a powered prosthetic leg during ambulation: A randomized clinical trial". JAMA. 313 (22): 2244–2252. doi:10.1001/jama.2015.4527. ISSN 0098-7484. PMID 26057285.
  15. ^ a b c Zhao, Huihua; Reher, Jake; Horn, Jonathan; Paredes, Victor; Ames, Aaron D. (2015-01-01). Realization of Nonlinear Real-time Optimization Based Controllers on Self-contained Transfemoral Prosthesis. Proceedings of the ACM/IEEE Sixth International Conference on Cyber-Physical Systems. ICCPS '15. New York, NY, USA: ACM. pp. 130–138. doi:10.1145/2735960.2735964. ISBN 9781450334556.
  16. ^ a b Tarantino, S.; Clemente, F.; Barone, D.; Controzzi, M.; Cipriani, C. (2017). "The myokinetic control interface: tracking implanted magnets as a means for prosthetic control". Scientific Reports. 7 (1): 17149. Bibcode:2017NatSR...717149T. doi:10.1038/s41598-017-17464-1. ISSN 2045-2322. PMC 5719448. PMID 29215082.
  17. ^ Visconti, P.; Gaetani, F.; Zappatore, G.A.; Primiceri, P. (2018). "Technical Features and Functionalities of Myo Armband: An Overview on Related Literature and Advanced Applications of Myoelectric Armbands Mainly Focused on Arm Prostheses". International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems. 11 (1): 1–25. doi:10.21307/ijssis-2018-005. ISSN 1178-5608.