Обзор стратегий управления экзоскелетами нижних конечностей для помощи при ходьбе

Введение: Разработано множество экзоскелетов нижних конечностей для помощи при ходьбе, использующих широкий спектр методов управления. Цель настоящей работы — провести обзор и классификацию стратегий управления, определяющих взаимодействие этих устройств с пользователем.

Методы: Помимо анализа современных публикаций, посвящённых управлению экзоскелетами нижних конечностей при оказании помощи во время ходьбы, авторы стремились рассмотреть системы управления независимо от особенностей аппаратной реализации. Сначала использовали распространённую трёхуровневую структуру управления (верхний, средний и нижний уровни), чтобы отделить формирование непрерывного поведения устройства (средний уровень) от реализации управления положением и крутящим моментом (нижний уровень), а также от распознавания типа поверхности или намерения пользователя (верхний уровень). На каждом уровне были выделены различные подходы (функциональные блоки), которые затем комбинировали для описания каждой рассмотренной системы управления.

Результаты: В предлагаемую классификацию включена 291 публикация. На верхнем уровне выявлены ручной ввод пользователя, интерфейсы мозг—компьютер и автоматическое распознавание режима на основе типа поверхности или движений пользователя. На среднем уровне синхронизация чаще всего основывается на ручных сигналах пользователя, дискретных событиях (с последующим применением конечных автоматов или переходом по времени) либо непрерывной оценке с использованием переменных состояния. Требуемое воздействие определяется на основе профилей положения или крутящего момента, расчётов по модели либо других специально разработанных функций сенсорных сигналов. На нижнем уровне для реализации требуемых воздействий используют регуляторы положения или крутящего момента. Помимо подробного описания этих методов, в статье сопоставлены и обсуждены варианты их реализации.

Выводы: Систематизация и сравнение характеристик рассмотренных систем управления помогают понять многочисленные методы, представленные в литературе. Основные выявленные тенденции — применение заранее заданных траекторий при полной мобилизации и профилей крутящего момента, запускаемых событиями или синхронизированных осциллятором с адаптивной частотой, при частичной помощи. В последнее время всё чаще применяются методы онлайн-адаптации профилей положения и крутящего момента, а также автоматического распознавания типа поверхности или режима локомоции, однако их использование по-прежнему в значительной степени ограничено лабораторными условиями. В работе также проанализированы возможные причины выявленных тенденций и обсуждены направления дальнейших исследований.