Недавние прорывы в области износостойкой робототехники позволили сократить энергозатраты на ходьбу человека с помощью пассивных и активных автономных или связанных устройств. В частности, усовершенствования устройств обеспечили гибкость в регулировании параметров управления, связанных со временем, магнитудой или потребляемой мощностью.
Исследования показали, что стратегии управления могут повлиять на производительность, что ставит вопрос о том, как надежно и эффективно проектировать оптимальные контроллеры. Стратегии оказания помощи обычно разрабатывались на основе моделирования и биомеханических измерений или корректировались вручную на основе средних ответов. В частности, растет интерес к разработке стратегий контроля с использованием моделирования опорно-двигательного аппарата. В последнее время этот подход доказал свою перспективность при разработке вспомогательных профилей для бега. Однако физиологические и неврологические различия между индивидуумами могут вызывать различные реакции на идентичный контроллер, т.е. оптимальная стратегия контроля одного участника может плохо работать на другом.
Разработка новой оптимизации.
Протоколы дискретных шагов и непрерывной развертки использовались:
- для исследования производительности участников,
- изучения ландшафта настройки параметров управления для носимых робототехнических устройств.
При таких подходах стоимость метаболизма измеряется путем дискретного или непрерывного изменения какого-либо контрольного параметра. Затем следует процесс подбора кривой для определения оптимального значения параметра, обеспечивающего максимальный метаболический эффект. К сожалению, как непрерывные, так и дискретные протоколы требуют длительного процесса оценки. Время, необходимое для этого, увеличивается в геометрической прогрессии с увеличением размеров контрольных параметров. Длительное время ходьбы в протоколах может повлиять на точность измерений метаболизма из-за высокой нагрузки или усталости. Это приводит к дрейфу сердца, особенно для клинических популяций, которые могут быть не в состоянии выдержать длительные пешие походы.
Разработка новой оптимизации направлена на решение вышеупомянутых проблем, связанных с длиной протокола, путем корректировки параметров управления на основе измерений физиологических сигналов человека в режиме реального времени, таких как процесс метаболизма. Эта оптимизация основана на наблюдении за людьми, которые постоянно корректируют свои координаты, чтобы минимизировать метаболические затраты на ходьбу, и расширяет понятие носимых устройств.
Некоторые многообещающие усилия в этой области недавно продемонстрировали способность оптимизировать как одиночные, так и множественные контрольные параметры с помощью экзоскелетов на лодыжках. В этих случаях были достигнуты существенные сокращения метаболизма при оптимальных параметрах, определенных:
- методом одномерного градиентного спуска с помощью пневматически управляемого экзоскелета лодыжки в течение фиксированных 50 мин (9 минут
- 4D стратегии ковариационной матричной адаптации с электромеханическим управлением экзоскелета лодыжки в течение ± 14 мин.
Хотя эти достижения впечатляют, остаются возможности для изучения различных износостойких вспомогательных аппаратных средств, параметров управления, приложений к другим соединениям и альтернативных методов оптимизации, которые могли бы повысить эффективность выборки.
Исследования в области оптимизации.
- Экспериментальный метод быстрого определения оптимальных параметров управления в 2D пространстве минимизирует метаболические затраты на ходьбу. Это было достигнуто за счет использования байесовской оптимизации - эффективной глобальной стратегии оптимизации, которая хорошо подходит для поиска минимума объективных функций, которые считаются шумными и дорогостоящими для оценки. Благодаря оптимизированному расширению тазобедренного сустава, полученному в результате оптимизации, среднее чистое снижение метаболизма составило 17,4% по сравнению с ходьбой без аппарата.
- Другое исследование с использованием пневматических приводов, проводимое с помощью экзоскелета тазобедренного сустава, показало среднее снижение метаболизма на 10,3 и 9,7% при удлинении таза или сгибании.
- И наконец, недавнее исследование, проведенное при одновременном удлинении и сгибании тазобедренного сустава и автономном электромеханическом экзоскелете, показало снижение метаболизма в среднем на 21,1% по сравнению с ходьбой без экзоскелета. Результаты этого исследования показывают, что снижение метаболизма может быть достигнуто только путем оказания оптимизированной помощи в расширении тазобедренного сустава, и указывают на потенциальное улучшение сгибания и расширения тазобедренного сустава с помощью вспомогательных устройств.
Оптимизация обещает повысить производительность носимых роботизированных устройств для решения широкого круга задач. Представленный метод демонстрирует снижение метаболизма и предлагает возможность оптимизации носимых устройств с помощью низкоразмерной параметризации управления. Короткое время сходимости позволило бы исследователям применять этот метод для индивидуализации параметров управления при выполнении тяжелых задач или для людей с ограниченными физическими возможностями или выносливостью.
Использование шумного дыхательного сигнала в качестве объективной функции оптимизации указывает на то, что этот метод может применяться к другим альтернативным физиологическим или биологическим сигналам:
- использование кинематической симметрии для оптимизации носимых аппаратов для пациентов после инсульта,
- использование измерений баланса для оптимизации протезирования.
Индивидуализированные стратегии контроля могут принести существенную пользу по сравнению с фиксированными стратегиями контроля. Результаты исследований также позволяют предположить, что этот метод может оказать практическое влияние на повышение производительности носимых робототехнических устройств.
