Алгоритм повышает контроль над роботизированным протезированием ног

Робототехники впервые показали, что коммерческая роботизированная нога потенциально может принести пользу людям с ампутированными конечностями как с более высокой, так и с низкой подвижностью.

Нога обеспечила наибольшие результаты, когда команда применила собственную стратегию контроля, обеспечивающую более симметричную походку, меньший риск спотыкания и снижение нагрузки на здоровые ноги и бедра участников исследования.

Команда работала с аппаратом Össur’s Power Knee, предоставленным компанией, при первичном финансировании со стороны Национальных институтов здравоохранения.

Несколько роботизированных протезы ног находятся на рынке, но еще не получили широкого клинического применения. Для многих видов деятельности пользователи протезов предпочитают легкость и простоту пассивных ног. Однако при особенно тяжелых видах деятельности, таких как вставание со стула, подъем по лестнице и холмы, а также ходьба на большие расстояния, добавление мощности может помочь пользователям протезов быть более активными, а также предотвратить травмы, вызванные чрезмерным использованием.

“Пассивная нога имеет огромное преимущество в этом исследовании, потому что участники используют ее каждый день и очень привыкли к ее поведению. Наши участники исследования провели всего две тренировки с приводной ногой. Даже несмотря на этот недостаток, мы наблюдали преимущества активной ноги как с нашим контроллером, так и с Оссуром”, – говорит Роберт Грегг, профессор робототехники в Мичиганском университете и автор исследования в Журнал нейроинженерии и реабилитации.

“Наше исследование важно, поскольку ранее отсутствовали доказательства преимуществ роботизированных коленей по сравнению с усовершенствованными пассивными коленями, что является основной причиной, по которой страховые компании обычно не покрывают роботизированные колени. Наши результаты начинают предоставлять эти доказательства”.

В этом первоначальном исследовании исследователи сосредоточились на ключевых видах повседневной жизни, в которых механический протез может обеспечить значительные преимущества по сравнению с пассивными протезами коленного сустава. Участники исследования неоднократно сидели и стояли; быстро ходил по беговой дорожке; и неоднократно садился на стул, ходил и снова садился.

Пользователи протезов, которым требовалась дополнительная помощь при ходьбе, например, трость, обнаружили, что Power Knee существенно помогает во всех этих задачах. Те, кому легче передвигаться на собственных протезах, заметили наибольшее улучшение своей походки, когда команда Грегга внедрила собственный алгоритм управления на ноге Оссура. Один из недавних людей с ампутированной конечностью описал это как самое близкое к двуногой ходьбе на протезе.

“Наша цель в управлении протезом – заставить ногу вести себя как можно ближе к отсутствующей человеческой конечности, чтобы предотвратить компенсации, которые часто приводят к травмам от чрезмерного использования. Это также важно, потому что отклонения походки могут привлечь нежелательное внимание некоторых пользователей”, – говорит Кевин Бест, научный сотрудник в области робототехники, недавний аспирант в области робототехники и первый автор исследования.

Команда исследовала два принципиально разных подхода к управлению. Более традиционный контроллер Оссура основан на распознавании конкретных особенностей движений пользователя и указывает, что он собирается сделать. По словам Грегга, это делает систему очень безопасной и предсказуемой, но она не всегда может соответствовать намерениям пользователя. Чтобы сидеть, пользователям приходится ждать, пока колено распознает движение сидя, прежде чем оно согнется, то же самое происходит и в положении стоя.

Напротив, подход к управлению, разработанный командой Грегга, постоянно подстраивается под движения пользователя. Они построили математические модели того, как передвигаются люди, на основе больших наборов данных о здоровых людях. В каждый момент времени их алгоритм управления измеряет движение бедра пользователя, чтобы определить правильное поведение, создавая более естественные движения коленей, которые лучше синхронизируются с пользователем.

«С развитием роботизированных устройств становится ясно, что роботизированные протезы открывают большие перспективы для людей с ампутированными конечностями», — говорит Джефф Венсман, сертифицированный протезист/ортопед из Мичиганской медицины и соавтор исследования.

“Я рад видеть развитие стратегии по предоставлению пользователям механических протезов синхронизированного с пользователем управления. Я считаю, что это недостающее звено на пути к тому, чтобы сделать механическое протезирование реальностью для людей с ампутированными конечностями”.

Этот новый алгоритм управления труднее освоить после многолетнего использования обычного протеза, но повторные испытания в положении сидя и стоя показали, что участники учились. Вместо того, чтобы уставать с каждым испытанием все больше, они становились быстрее. Затем во время ходьбы более мобильная группа продемонстрировала два улучшения, которые могли бы стать значительными преимуществами.

Во-первых, они подняли носок протезной стопы выше, что снизило риск споткнуться о небольшие препятствия или пересеченную местность. Во-вторых, им не нужно было так сильно размахивать бедрами, чтобы переместить протезную ногу вперед, что намекает на то, что приводное колено и реалистичный алгоритм управления потенциально могут уменьшить боль в спине и позволить пользователям идти дальше, прежде чем устать, хотя команда не смогла измерить это с помощью короткого исследования.

Затем команда надеется продемонстрировать безопасность и эффективность своего алгоритма управления с помощью лестниц и пандусов, после чего проведут домашние испытания. Имея больше времени на практику, участники, возможно, смогут достичь еще большего. Если стратегия управления окажется успешной, Оссур сможет включить ее аспекты в свой собственный алгоритм.

На данный момент улучшений собственного алгоритма Оссура было достаточно, чтобы двое участников исследования переключились на Power Knee для своих повседневных протезов, продемонстрировав, что роботизированные протезы переходят от лабораторных исследований к реальной пользе.

Первичное финансирование Национальных институтов здравоохранения осуществлялось по гранту № R01HD094772 при дополнительной поддержке Национального научного фонда. Оссур предоставил первоначальную финансовую поддержку и может быть финансово заинтересован в результатах.

Команда подала заявку на патентную защиту своего контроллера при содействии UM Innovation Partnerships.

Источник: Мичиганский университет