Forskere udvikler ny tilgang til robotisk eksoskit-assistance

Forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har udviklet en ny tilgang til robotisk eksoskit-assistance. Den hjælper med at overvinde en større udfordring i design af bærbare robotter, der kan bruges til at assisterer gang i virkelige forhold.

I dag kræver de tilpassede bærbare robotiske assistance-platforme meget manuel eller automatisk finjustering for at assisterer enkeltpersoner, hvilket kan være svært for patienter.

Den nye tilgang bygger på, at den robotiske eksoskit-assistance er kalibreret til en enkelt person, og den tilpasser sig forskellige gangopgaver i virkelige forhold på få sekunder. Det bio-inspirerede system bruger ultralydsmålinger af muskeldynamik, hvilket gør det muligt at tilpasse det til brugerne og gøre det aktivitets-specifikt.

Robert D. Howe er en Abbott og James Lawrence Professor of Engineering og medforfatter til artiklen, der er offentliggjort i Science Robotics.

“Vores muskel-baserede tilgang muliggør relativt hurtig generering af individualiserede assistance-profiler, der giver reel fordel til personen, der går,” sagde Howe.

https://www.youtube.com/watch?v=4XFvoW3Z9l8&t=1s

Tidligere bio-inspirerede systemer vs. ny tilgang

Tidligere bio-inspirerede systemer har fokuseret på de dynamiske bevægelser af lemmerne og brugerne, men forskerne så udenfor dette.

Richard Nuckols er en postdoc-forsker ved SEAS og med-forfatter til artiklen.

“Vi brugte ultralyd til at se under huden og målte direkte, hvad brugerens muskler gjorde under flere gangopgaver,” sagde Nuckols. “Vores muskler og sener har compliance, hvilket betyder, at der ikke nødvendigvis er en direkte mapping mellem lemernes bevægelser og de underliggende musklers bevægelser.”

Forskingholdet monterede et bærbart ultralyd-system på deltagernes lægge før de billedtog deres muskler, mens de udførte forskellige gangopgaver.

Krithika Swaminathan er en ph.d.-studerende ved SEAS og Graduate School of Arts and Sciences (GSAS) og med-forfatter til studiet.

“Fra disse forudindspillede billeder estimerede vi den assistive kraft, der skulle anvendes i parallel med lægmusklerne for at kompensere for den ekstra arbejde, de skal udføre under push-off-fasen af gangcyklen,” sagde Swaminathan.

Indfanging af muskelens profil

Systemet kræver kun få sekunder af gang for at indfange muskelens profil, og for hver af profilerne målte forskerne, hvor meget metabolisk energi personen brugte under gang med og uden eksoskit.

Holdet fandt, at den metaboliske energi for gang over en række hastigheder og hældninger blev reduceret betydeligt med den muskel-baserede assistance. De fandt også, at en lavere assistive kraft var nødvendig for at opnå den samme eller forbedret metaboliske energi-fordele i forhold til tidligere studier.

Sangjun Lee er en ph.d.-studerende ved SEAS og GSAS og med-forfatter til studiet.

“Ved at måle musklen direkte kan vi arbejde mere intuitivt med personen, der bruger eksoskit,” sagde Lee. “Med denne tilgang er eksoskit ikke overvældende for brugeren, men arbejder samarbejdende med dem.”

I virkelige situationer demonstrerede eksoskit en evne til hurtigt at tilpasse sig ændringer i ganghastighed og hældning. Holdet vil nu se på at teste systemet med realtids-justeringer.

“Denne tilgang kan hjælpe med at støtte adoptionen af bærbare robotter i virkelige, dynamiske situationer ved at muliggøre komfortable, tilpassede og adaptive assistance,” sagde Walsh.