Human body motions optimization for able-bodied individuals and prosthesis users during activities of daily living using a personalized robot-human model
Authors: Μενύχτας Δημήτριος 
Published: January 2024

Η τρέχουσα κλινική πρακτική όσον αφορά τη συνταγογράφηση και την εκπαίδευση για την πρόθεση του άνω μέρους του σώματος είναι ελλιπής μια τυποποιημένη, ποσοτική μέθοδος για την αξιολόγηση της επίδρασης της προσθετικής συσκευής. Ο ακρωτηριασμένος ομάδα φροντίδας χρησιμοποιεί συνήθως προηγούμενες εμπειρίες για να παρέχει συνταγογράφηση και εκπαίδευση προσαρμοσμένη για κάθε άτομο. Ως αποτέλεσμα, είναι αρκετά δύσκολο να προσδιοριστεί ο σωστός τύπος και η εφαρμογή μιας πρόθεσης και η παροχή της κατάλληλης εκπαίδευσης για τη σωστή χρήση του σε πρώιμο στάδιο της διαδικασίας. Είναι επίσης πολύ δύσκολο να προβλεφθούν οι αναμενόμενες και ανεπιθύμητες αντισταθμιστικές κινήσεις λόγω των μειωμένων βαθμών ελευθερίας του ενός χρήστη πρόθεσης. Σε μια προσπάθεια να αντιμετωπιστεί αυτό, αναπτύχθηκε ένα εργαλείο για την πρόβλεψη και την οπτικοποίηση των αναμενόμενες κινήσεις των άνω άκρων από μια συνταγογραφούμενη πρόθεση και την καταλληλότητά της για τις ανάγκες του ακρωτηριασμένου. Αναμένεται να βοηθήσει τους κλινικούς γιατρούς να λαμβάνουν αποφάσεις, όπως η επιλογή μεταξύ ενός σωματικού ή μιας μυοηλεκτρικής πρόθεσης και αν θα συμπεριλάβουν άρθρωση καρπού. Για τη δημιουργία των κινήσεων, δημιουργήθηκε ένα ρομποτικό μοντέλο των άνω άκρων και του κορμού. και χρησιμοποιήθηκε ένας αλγόριθμος αντίστροφης κινηματικής σταθμισμένης ελάχιστης κανονικότητας (WLN). Ο WLN αποδίδει ένα ποινή (δηλ. το βάρος) σε κάθε άρθρωση για τη δημιουργία μιας προτεραιότητας μεταξύ περιττών αρθρώσεων. Ως αποτέλεσμα, ορισμένες αρθρώσεις θα συνεισφέρουν περισσότερο στη συνολική κίνηση. Δύο βασικά κριτήρια θεωρήθηκαν ως εξής υπαγορεύουν την ανθρώπινη κίνηση. Το πρώτο ήταν ένα κριτήριο ιεράρχησης των αρθρώσεων που χρησιμοποιεί μια στατική στάθμιση matrix. Δεδομένου ότι διαφορετικές αρθρώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κίνηση του χεριού προς την ίδια κατεύθυνση, η προτεραιότητα των αρθρώσεων θα επιλέγει μεταξύ ισοδύναμων αρθρώσεων. Το δεύτερο κριτήριο ήταν η επιλογή ενός εύρους κίνησης (ROM) για κάθε άρθρωση ειδικά για μια εργασία. Η υπόθεση ήταν ότι εάν το ROM των αρθρώσεων είναι περιορισμένο, τότε όλες οι αφύσικες στάσεις που εξακολουθούν να ικανοποιούν την εργασία θα αποκλειστούν από τις διαθέσιμες λύσεις. Διερευνήθηκαν τρία σύνολα στατικών βαρών ιεράρχησης των αρθρώσεων: ένα σύνολο βελτιστοποιημένων βαρών ειδικά για κάθε εργασία, ένα γενικό σύνολο στατικών βαρών βελτιστοποιημένο για όλες τις εργασίες και ένα σύνολο βαρών με βάση την απόλυτη μέση ταχύτητα των αρθρώσεων. Επιπλέον, τα όρια των αρθρώσεων της εργασίας εφαρμόστηκαν τόσο ανεξάρτητα όσο και σε συνδυασμό με τα στατικά βάρη για την αξιολόγηση των προσομοιωμένων κινήσεων που μπορούν να παράγουν. Χρησιμοποιώντας ένα γενικευμένο σύστημα σταθμισμένου αντίστροφου ελέγχου για την επίλυση του πλεονασμού, ένα δημιουργήθηκε μια ανθρώπινη στάση για κάθε συγκεκριμένο άτομο. Τα δεδομένα καταγραφής κίνησης (MoCap) χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία των πινάκων στάθμισης που απαιτούνται για την επίλυση του κινηματικού πλεονασμού των άνω άκρων. Δεκατέσσερα υγιή άτομα και οκτώ χρήστες προθέσεων με διακρατικό ακρωτηριασμό στην αριστερή πλευρά συμμετείχαν σε συνεδρίες MoCap. Εκτέλεσαν εργασίες ROM και δραστηριότητες καθημερινής διαβίωσης (ADL). Οι μέθοδοι που προτείνονται εδώ ενσωματώνουν τα ανθρωπομετρικά στοιχεία του ασθενούς, όπως το ύψος, τα μήκη των άκρων και ο βαθμός ακρωτηριασμού, για τη δημιουργία ενός κινηματικού μοντέλου του άνω μέρους του σώματος. Το μοντέλο διαθέτει 23 βαθμούς ελευθερίας (DoF) για να αντικατοπτρίζει ένα ανθρώπινο άνω σώμα και μπορεί να προσαρμοστεί ώστε να αντικατοπτρίζει τα επίπεδα ακρωτηριασμού. Οι συντελεστές στάθμισης που προέκυψαν από αυτή τη διαδικασία έδειξαν πώς οι αρθρώσεις ιεραρχούνται κατά τη διάρκεια σε κάθε εργασία. Το φυσικό νόημα των συντελεστών στάθμισης είναι να καταδείξουν ποιες αρθρώσεις συμβάλλουν περισσότερο στην εργασία. Δεδομένου ότι η κίνηση κατανέμεται διαφορετικά μεταξύ των αρτιμελών ατόμων και των χρήστες πρόθεσης, οι συντελεστές στάθμισης θα μετατοπιστούν ανάλογα. Αυτή η μετατόπιση αναδεικνύει την αντισταθμιστική κίνηση που υπάρχει στους χρήστες προσθετικών μελών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η χρήση ενός συνόλου βελτιστοποιημένων κοινών βαρών ιεράρχησης για κάθε συγκεκριμένο εργασία έδωσε το μικρότερο σφάλμα RMS σε σύγκριση με τα κοινά βελτιστοποιημένα βάρη. Η βασισμένη στην ταχύτητα βάρη είχαν ελαφρώς υψηλότερο σφάλμα RMS από τα βελτιστοποιημένα βάρη για εργασίες, αλλά δεν ήταν στατιστικά. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτού του συνόλου βαρών είναι η απλότητα της εφαρμογής τους σε σύγκριση μετα βελτιστοποιημένα βάρη. Ένα άλλο πλεονέκτημα των βαρών με βάση την ταχύτητα είναι ότι μπορούν ρητά να δείχνουν πόσο κινητική είναι κάθε άρθρωση κατά τη διάρκεια μιας εργασίας και μπορούν να χρησιμοποιηθούν παράλληλα με τη ROM για τον εντοπισμό αντισταθμιστική κίνηση. Η συμπερίληψη των ορίων των αρθρώσεων της εργασίας έδωσε χαμηλότερο σφάλμα RMS όταν η άρθρωση κινήσεις ήταν παρόμοιες σε όλα τα υποκείμενα και επομένως η ROM κάθε άρθρωσης για την εργασία θα μπορούσε νανα καθοριστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια. Όταν οι κινήσεις των αρθρώσεων ήταν πολύ διαφορετικές μεταξύ των συμμετεχόντων, η συμπερίληψη των ορίων της εργασίας ήταν επιζήμια για την προσομοίωση. Ως εκ τούτου, το στατικό σύνολο των εργασιών συγκεκριμένων βελτιστοποιημένων βαρών διαπιστώθηκε ότι ήταν η πιο ακριβής και στιβαρή μέθοδος. Ωστόσο, ημέθοδος βαρών με βάση την ταχύτητα ήταν απλούστερη με παρόμοια ακρίβεια. Οι μέθοδοι που παρουσιάζονται εδώ ενσωματώθηκαν σε μια προηγουμένως αναπτυχθείσα γραφική διεπαφή χρήστη(GUI) για να επιτρέπει στον κλινικό ιατρό να εισάγει τα δεδομένα των μελλοντικών χρηστών της πρόθεσης. Η προσομοίωση κινήσεις μπορούν να παρουσιαστούν ως κινούμενη εικόνα που εκτελεί τη ζητούμενη εργασία. Τελικά, η τελική κινούμενη εικόνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προτεινόμενη κινηματική στρατηγική που ο χρήστης της πρόθεσης και ο κλινικός ιατρός μπορούν να ανατρέχουν σε αυτά, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αποκατάστασης, ως κατευθυντήριες γραμμές. Η εργασία αυτή έχει τη δυνατότητα να επηρεάσει την τρέχουσα συνταγογράφηση και εκπαίδευση των προσθετικών, παρέχοντας εξατομικευμένες προτεινόμενες κινήσεις για μια εργασία.