Walking efficiently with smart springs

Abstract

Flera exoskelett har utvecklats under de senaste åren för att hjälpa personer med och utan motoriska funktionsnedsättningar att gå. Ett standardmått för att utvärdera prestation hos ett exoskelett är förändringen i metabola energikostnad mellan oassisterad och assisterad gång. Flera experimentella metoder, t.ex. human-in-the-loop-optimering, har utvecklats för att identifiera den optimala exoskelettassistansen som minimerar den metabola energin. Sådan metoder är mycket kraftfulla men är också mycket tids- och resurskrävande. I detta avseende kan beräkningsmetoder komplettera de experimentella metoderna. Noggranna modeller av rörelsesystemet och dess motoriska kontroll kan påskynda exoskelettutvecklingen och ge viktig information om samspeket mellan en människa och ett exoskelett. Syftet med avhandlingen är att modellera och simulera muskelmekanik och energiförbrukning vid gång i olika hastigheter, både utan assistans och med ett exoskelett med idealisk assistans från motorer och från fjädrar. 

I de tre första studierna undersökte vi flera modellvariationer för att identifiera den kombination vars resultat bäst matchade experimentella fynd.  Specifikt undersökte vi: flera biomekaniska modeller, olika metoder för att kalibrera muskelarkitekturen, flera kriterier för att lösa det underbestämda muskelkraftsystemet, och flera ekvationer som uppskattar metabolisk energi. Vi jämförde våra resultat med uppmätta eller tillgängliga experimentella data, såsom muskelaktivering, muskelfiberlängd och metabolisk energikostnad. Den biomekaniska modellen av Rajagopal et al. med justeringar för passiva muskelkrafter och häl- och patellarsenstelhet uppskattade muskelaktiveringar och muskelfiberlängder som överensstämde med experiment eller befintlig data.  Bland metabolisk energimodeller, resultaten från modellen av Bhargava et al. stämde bäst med experimentella mätningar från spiroergometri. Med den modellkombinationen som bäst uppskattade muskeldynamiken kunde vi mäta att den relativa metabola kostnad för stödfasen ökar med gånghastighet, där vadmusklerna stod för den största energiförbrukningen. I den fjärde studien uppskattade vi optimal assistans vid varje nedre extremitetsled som minimerar muskelaktiveringar, både från simulerade motorer och fjädrar. De största minskningarna av muskelaktivering uppnåddes med höftböjarassistans från antigen en motor eller en fjäder vid höga gånghastigheter. Vadmuskelassistans med motorer minskade metabola kostnader mer när gånghastigheten ökade. Däremot minskade inte metabola kostnader med vadmuskelassistans från fjädrar när gånghastigheten ökade. Det är intressant att påpeka att exoskelett som minskade muskelaktiveringar inte alltid minskade den metabola kostnaden, t.ex. med höftböjare och höftabduktorassistans från fjädrar. I vissa gångfaser var metabola energin till och med högre med assistans än utan, eftersom muskelarbete var högre vid dessa ögonblick.

De beräkningsmetoder som presenterades i avhandlingen kan inspirera och påskynda framtida studier inom området. Källkoden för kalibrering och justering av muskelparametrar samt senor och muskelpassiva egenskaper är fritt tillgänglig online i ett datarepository, liksom källkoden för simulering av exoskelettassistans. Framtida studier med exoskelettprototyper syftar till att validera simuleringarna.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-342790