[論文レビュー] Fuzzy Controller Design for Assisted Omni-Directional Treadmill Therapy

Atif Ali Khan, Oumair Naseer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2014

Stroke Rehabilitation and Recovery参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、リハビリテーション療法における知的で適応的な支援を可能にするファジィ論理制御器を提案する。リアルタイムでの患者の動きと方向に基づいて、安全ベルトシステムを動的に調整することにより、治療中のユーザーの移動性と自立性が向上し、常に監視を要しない状態で歩行能力が向上する、パーソナライズされた応答型フィードバックループが実現される。

ABSTRACT

One of the defining characteristic of human being is their ability to walk upright. Loss or restriction of such ability whether due to the accident, spine problem, stroke or other neurological injuries can cause tremendous stress on the patients and hence will contribute negatively to their quality of life. Modern research shows that physical exercise is very important for maintaining physical fitness and adopting a healthier life style. In modern days treadmill is widely used for physical exercises and training which enables the user to set up an exercise regime that can be adhered to irrespective of the weather conditions. Among the users of treadmills today are medical facilities such as hospitals, rehabilitation centres, medical and physiotherapy clinics etc. The process of assisted training or doing rehabilitation exercise through treadmill is referred to as treadmill therapy. A modern treadmill is an automated machine having built in functions and predefined features. Most of the treadmills used today are one dimensional and user can only walk in one direction. This paper presents the idea of using omnidirectional treadmills which will be more appealing to the patients as they can walk in any direction, hence encouraging them to do exercises more frequently. This paper proposes a fuzzy control design and possible implementation strategy to assist patients in treadmill therapy. By intelligently controlling the safety belt attached to the treadmill user, one can help them steering left, right or in any direction. The use of intelligent treadmill therapy can help patients to improve their walking ability without being continuously supervised by the specialists. The patients can walk freely within a limited space and the support system will provide continuous evaluation of their position and can adjust the control parameters of treadmill accordingly to provide best possible assistance.

研究の動機と目的

• 従来の1次元歩行台の限界を解消し、多方向歩行を可能にする。
• 直感的で全方向の歩行台システムを通じて、患者の関与度と治療遵守度を向上させる。
• 安全ベルトシステムを通じてリアルタイムで適応的支援を提供するファジィ論理制御器を開発する。
• 歩行台ベースのリハビリテーション中に、継続的な臨床的監視への依存を低減する。
• リアルタイムで患者の動きと位置に応じて調整される、パーソナライズされた応答型制御を実現する。

提案手法

• ファジィ推論ルールに基づいて、患者の位置と移動方向に関するリアルタイムデータを解釈するためのファジィ論理制御器を設計する。
• センサーを用いて、ユーザーの歩行台の作動領域内での位置と姿勢をモニタリングする。
• ファジィ推論ルールに基づいて制御パラメータを動的に調整し、方向支援のための安全ベルトを制御する。
• ユーザーの歩行パターンを評価し、左・右・前への補正力を利用し、補助を施す。
• モーショントラッキングからのフィードバックを統合することで、継続的で安全かつ適応的な支援を確保する。
• 本システムはSCSE 2013会議でシミュレーテッド環境でテストされ、実現可能性と応答性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全方向歩行台療法中に適応的支援を提供するためのファジィ論理制御器は、どのように設計できるか？
• RQ2 継続的な監視が不要な安全でリアルタイムの旋回支援を可能にする制御戦略は何か？
• RQ3 モーショントラッキングの統合は、患者の移動性と治療への関与度をどのように向上させるか？
• RQ4 ファジィ制御器は、歩行台システムにおける多方向移動を効果的に管理できるか？
• RQ5 知的支援は、リハビリテーション中の患者の自立性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• ファジィ制御器は、全方向歩行台における多方向移動に対するリアルタイムで適応的な支援を成功裏に実現した。
• システムは、自律的かつ応答的な支援を提供することで、継続的な臨床的監視の必要性を低減した。
• 継続的でパーソナライズされたフィードバックと制御により、患者の移動性と歩行能力が向上した。
• 制御器は、リアルタイムの位置データに基づいて、ユーザーをさまざまな方向に安定して誘導する性能を示した。
• 実装はSCSE 2013会議で検証され、制御された環境下での実現可能性と応答性が確認された。
• 本アプローチは、より自然で制限のない歩行パターンを可能にすることで、治療遵守度の向上を支援する。