sobota, 19. april 2014

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Eksoskeleti – inteligentne bionske naprave

Maks Fabiani, funkcionalna električna stimulacija paraplegikov in eLegs

Marko Munih

Kaj je skupnega Maksu Fabianiju, funkcionalni električni stimulaciji paraplegikov in najnovejšemu eksoskeletu eLegs? Poglejmo.

Marko MunihMaks Fabiani, furlanec s Krasa je študiral na Dunaju in tam doktoriral s področja arhitekture 1. Poznamo ga predvsem po njegovi zasnovi starega mestnega jedra po potresu v Ljubljani leta 1895, po vzorčnih hišah po Ljubljani, po liceju Mladika, po palačah na Dunaju ter Trstu in po njegovem pečatu v Štanjelu na Krasu 2. Morda ga ne bi bilo pretirano imeti tudi za izumitelja, omeniti velja študijo o stroju za zmanjšanje napora pri vzponih na gore. Ko mu je po petdesetem letu postal vzpon na vrhove Alp in Dolomitov vse težji, je prišel do izvirnega in precej zapletenega patenta iz leta 1912 – do Stroja za hojo in vzpon. Sestavljen je iz teleskopskih cevi na motorni pogon, cevi so primerno prilagojene nosilčevi medenici (Slika 1). “Naprava, ki lahko olajša gorsko hojo … pritrjena palica z enim koncem na vrhu stegnenice, z drugim pa v višini petnice … mehanizem za uravnavanje palice … iz bencinskega motorja za pogon kolesca … drugi model sestoji iz valja, bata in posode na stisnjen zrak … varovalka blokira povezavo …”. Gre torej za eksoskelet namenjen avstrijski vojski.

Slika 1: Avstroogrski patent št. 55973: Pripomoček za lažji vzpon na gore, 1912, po (2), avtor dr. Maks Fabiani

Pomemben dosežek ljubljanskih raziskovalcev na področju funkcionalne električne stimulacije predstavlja minimalni vzorec recipročne hoje pri paraplegičnih bolnikih. Že 1973 sta sprva Kralj in Grobeljnik demonstrirala izvedljivost vstajanja, stoje in sedanja paraplegikov. Sinteza hoje je bila ob pomoči hodulje ali bergel dosežena čez nekaj let s samo štirimi kanali električne stimulacije (Kralj, Bajd) 3. Dva kanala povzročata kontrakcijo ekstenzorjev kolena v fazi dvojne opore in tako omogočata stojo ohromeli osebi. Zamah povsem paralizirane spodnje okončine pa je rezultat stimulacije peronealnega živca, ki povzroči fleksijski odziv, to je sočasno fleksijo v kolku in kolenu ter dvig gležnja. Bolnik preklaplja med fazo dvojne opore in fazo zamaha s tipko vgrajeno v ročaj hodulje ali bergle 4 (Slika 2). Počasnost hoje in energijska neučinkovitost take hoje pri bolnikih s popolno poškodbo hrbtenjče sta kmalu pokazala, da funkcionalna električna stimulacija v nobenem primeru ne more nadomestiti invalidskega vozička. O teh raziskavah je Kralj poročal pred ameriškim kongresom, Kralj in Bajd sta pri CRC press objavila prvo monografijo na svetu s tega področja 5, metodo uporabljajo danes rutinsko v terapevstske in deloma funkcionalne namene v številnih rehabilitacijskih centrih po svetu.

Slika 2: Štirikanalna hoja s hoduljo, kompletni paraplegik na URI Soča, 1985 (Kralj in Bajd)

V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je nastal prvi eksoskelet Hardiman 6, ki naj bi človeku omogočil dvigovanje več kot poltonskih bremen. Ta projekt je bil neuspešen. Dosedanji eksoskeleti niso bili uspešni zaradi šibkih in težkih pogonov, zaradi pomanjkanja energije, predvsem pa zaradi dilem pri njihovem vodenju. Preprosti model stoje človeka predstavlja namreč enojno invertirano nihalo, predstavljajmo si nihalo ure postavljeno pokonci, bolj popoln model pa je večkratno invertirano nihalo. Samo po sebi ni stabilno niti enojno invertirano nihalo, ključno je pravilno vodenje v sklepu. Smiselno je poudariti princip delovanja človeškega mišičnega sistema. Sklepi imajo večinoma po dve ali več mišic, te delujejo antagonistično, ena proti drugi. Ena mišica vrti sklep v eno smer, druga pa v nasprotno. Pri istočasni aktivnosti obeh mišic je skupen navor v sklepu manjši, sočasno krčenje obeh mišic povzroči povečano togost kot del impedance sklepa, torej večjo odpornost na motnje iz okolja.

Človeški sklepi imajo spremenljivo impedance 7, to poskušajo posnemati tudi pri konstrukciji eksoskeletov; rezultat so VIJ (angl: variable impedance joints). Kot primer takšnega skeleta lahko omenimo HAL (angl: Hybrid Assistive Limb) japonskega proizvajalca Cyberdyne 8.

HAL za vodenje primarno uporablja elektromiografijo (EMG)9. Takšen pristop pa ima tudi slabosti; ta električna aktivnost mišic je namreč različna od človeka do človeka, prav tako pa se spreminja tudi s časom, sam kontakt je odvisen od pritrditve elektrod. Regulator na podlagi EMG signalov ob upoštevanju kalibracijskih parametrov poda oceno uporabnikovega navora in impedance, posledično ustrezno prilagodi aktuatorje. Regulacijski algoritem z EMG se je izkazal za uporabniško neprijaznega, zato je kasneje dodano vodenje na podlagi kotov, hitrosti, pospeškov in navorov 10. Uporabljena je bila metoda »PhaseSequence« - zaporedje faz; vsaka naloga (vstajanje, začetek hoje, hoja in konec hoje) je razdeljena na zaporedje preprostih faz, prehodi med fazami pa se zgodijo, kadar so izpolnjeni določeni pogoji. HAL je namenjen pomoči ljudem pri hoji in raznih težkih opravilih.

Eksoskelet BLEEX (angl: Berkeley Lower Extremity EXoskeleton) 11 so razvili na ameriški univerzi Berkeley in ga med drugim licencirali tudi podjetju Lockheed Martin, ki razvija vojaško verzijo HULC (angl: Human Universal Load Carrier). V BLEEX-u je uporabljeno vodenje, poimenovano kot ”ojačenje občutljivosti” (angl: sensitivity amplification) 12. To omogoča stabilno hojo brez direktnega merjenja spremenljivk kotov v sklepih, EMG aktivnosti mišic in posledično navora operaterja.

Pri zaprtozančnih sistemih vodenja vedno želimo stabilen odziv, torej s časom približanje neki vrednosti ali sledenje tej referenčni vrednosti. Pri BLEEX pa ravno obratno, sistem je sam po sebi nestabilen in šele človek s svojo aktivnostjo ga stabilizira. Algoritem je v bistvu pozitivna povratna zanka, katere vhodne spremenljivke so le informacije iz merilnikov naklona in kotnih hitrosti na segmentih eksoskeleta. Regulator ojači vsak človeški gib, kar načeloma vodi v nestabilnost; slednjo preprečuje operater, ki dejansko stabilizira sistem. V zadnji izvedbi je opisani ojačevalec občutljivosti uporabljen le še za fazo zamaha, z nogo v zraku (angl: swing leg), za fazo opore, torej nogo na tleh (angl: stance leg) pa je uporabljeno sledenje referenčni poziciji 13. Takšno vodenje zagotavlja bolj naravne odzive, vendar na račun dodatnih merilnikov naklona na stopalih, golenih in stegnih.

HULC ima sedaj nekaj let, kljub izredni miniaturizaciji, siceršnji visoki tehnologiji in izpopolnjenem vodenju je težava še vedno z energijo. Ne glede na to omogoča prenašanje izredno težkih bremen do 50 ali celo 100 kg na večje razdalje. Dolgi časi vzponov na vrhove hribov so se zmanjšali, s čimer se je realizirala vizija Maksa Fabianija izpred 100 let.

Uporaba takega eksoskeleta za namen opore pri paraplegiku zahteva razrešitev številnih specifičnih vprašanj. Funkcija zagotavljanja stabilnosti mora biti spremenjena, vodenje mora biti torej drugačno. Prej pri BLEEX pomembne dolge razdalje hoje so sedaj lahko krajše, vendar mora biti lastna teža sistema minimalna, vodenje pa robustno.

Slika 3: Hoja z eLegs - opazujte par desna bergla, leva noga ter leva bergla, desna noga. September 2010 - http://www.flickr.com/photos/berkeleybionics

Nov sistem, eLEGS je tako sestavljen iz robotskih segmentov eksoskeleta BLEEX in bergel 14 (Slika 3). Namen, funkcija, stabilnost in s tem hoja je podobna tisti pri funkcionalni električni stimulaciji. Bergle vsebujejo senzorje naklona, hoten premik desne bergle posledično povzroči premik leve noge v smeri naprej in obratno. Pri stabilnosti trupa pomaga aktivnost rok preko bergel.

Hoja s štirimi opornimi točkami z električno stimulacijo ali eLegs je vedno statično stabilna hoja, kar pomeni, da je vektor podporne sile vedno znotraj poligona dveh do štirih podpornih točk, dveh nog in dveh bergel. Torej je hoja počasna in okorna. Ljudje uporabljamo pri hoji dinamično stabilnost, kar pomeni, da vektor podpornih sil pade za krajši čas tudi izven podporne ploskve poligona podpor(e), nakar se zopet ujamemo. Zato je običajna dinamična hoja hitrejša in energijsko mnogo učinkovitejša.

Ni samo Maks Fabiani v preteklosti razmišljal o napravi, eksoskeletu za pomoč pri hoji. Prav humani nameni, kot je obnovitev sposobnosti hoje pri paraplegikih so spodbudili številne raziskovalce. Žal pa število paraplegikov ni upravičevalo znatnih vlaganj, zato velike raziskovalne agencije v preteklosti niso imele posluha za tovrstne raziskave, tudi razvoj tehnike še ni bil dozorel. Na srečo dosežki vojaške tehnologije večkrat pomenijo korak naprej v civilnih aplikacijah. Tudi z eLegs je tako. Ob tem vseeno velja biti zmerno optimističen. Funkcionalna električna stimulacije je namreč v preteklosti obetala mnogo, vendar zaradi omejitev pri vsaki takšni tehnologiji in človeškega napora, ki ga mora uporabnik vložiti, je danes dobra terapevtska ali športna metoda in ne v funkcionalni uporabi.

    ___
  1. http://sl.wikipedia.org/wiki/Maks_Fabiani 

  2. Maks Fabiani, Nove meje v arhitekturi, ur. Marko Pozzetto, Cataloghi Marsilio, Venezia, 1988, ISBN 88-7693-038-8. 

  3. http://robo.fe.uni-lj.si/references.html 

  4. http://www.ifess.org 

  5. A. Kralj, T. Bajd, Functional electrical stimulation: standing and walking after spinal cord injury, CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, 1989. 

  6. http://www.theophane.co.uk/hardiman-a-ge-exoskeleton-prototype1966 

  7. E. Burdet, R. Osu, D. Franklin, T. Milner, & M. Kawato, The central nervous system stabilizes unstable dynamics by learning optimal impedance. Nature, 446-449, 2001. 

  8. http://www.cyberdyne.jp/english/robotsuithal/index.html 

  9. T. Nakai, S. Lee, H. Kawamoto, & Y. Sankai, Development of Power Assistive Leg for Walking Aid using EMG and Linux. Proc. of The 2nd Asian Conference on Industrial Automation and Robotics. Bangkok, Thailand, 2001. 

  10. H. Kawamoto, S. Lee, S. Kanbe, & Y. Sankai, Power Assist Method for HAL-3 using EMG-based Feedback Controller. IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 1648-1653, 2003. 

  11. http://bleex.me.berkeley.edu/research/exoskeleton/bleex/ 

  12. H. Kazerooni, H., Racine, J.-L., Huang, L., & R. Steger, On the Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) . IEEE International Conference on Robotics and Automation, 4353-4360, Barcelona, Spain: IEEE, 2005. 

  13. L. Huang, J. Steger, & H. Kazerooni, Hybrid control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) . ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 1-8, Orlando, Florida, ZDA, 2005. 

  14. http://www.berkeleyside.com/2010/10/07/berkeley-bionics-to-launch-elegs/ 

prof. dr. Marko Munih (marko.munih@robo.fe.uni-lj.si)
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko