Стратегии управления активными протезами и ортезами нижних конечностей: обзор

Технологический прогресс привёл к созданию многочисленных носимых роботизированных устройств для физической поддержки и восстановления локомоции человека. Хотя при разработке механической конструкции таких устройств сохраняется множество нерешённых задач, не менее сложной и важной проблемой является создание стратегий управления, обеспечивающих согласованную работу устройства с намерениями пользователя.

В настоящем обзоре рассмотрены современные методы управления переносными активными протезами и ортезами нижних конечностей при выполнении повседневных двигательных задач, а также способы их сопряжения с сенсомоторной системой управления пользователя. Обзор подчёркивает практические трудности и перспективы, связанные с управлением протезами и ортезами, что может ускорить дальнейшее развитие этого направления. Кроме того, предложена классификация для сопоставления различных стратегий управления.

В качестве нового результата разработана общая концептуальная модель управления переносными устройствами для облегчения ходьбы. Эта модель учитывает физические и информационные взаимодействия между системой управления, пользователем, окружающей средой и самим механическим устройством. Рассмотрение протезов и ортезов не как независимых устройств, а как участников экосистемы, по-видимому, необходимо для структурирования контроллеров следующего поколения — интеллектуальных и многофункциональных. Каждый элемент предложенной модели рассматривается с точки зрения его роли в облегчении локомоции и способов регистрации его состояний для передачи в систему управления.

Показано, что рассмотренные контроллеры соответствуют различным уровням иерархической схемы, в общих чертах напоминающей структуру и функции нормальной центральной нервной системы человека. Активные и пассивные механизмы безопасности являются ключевыми аспектами разработки и управления всеми протезами и ортезами и имеют критическое значение для допуска таких устройств к применению в реальной практике.

Рассмотренные работы свидетельствуют о том, что, несмотря на значительный прогресс, сохраняются серьёзные трудности в разработке контроллеров для переносных силовых протезов и ортезов, которые могли бы бесшовно интегрироваться с нервно-мышечно-скелетной системой пользователя и быть пригодными для повседневной двигательной активности.