[논문 리뷰] Fuzzy Controller Design for Assisted Omni-Directional Treadmill Therapy

Atif Ali Khan, Oumair Naseer외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 24.

Stroke Rehabilitation and Recovery참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 재활 치료를 위한 전방위 터널에서 지능적이고 적응형 보조를 가능하게 하는 퍼지 논리 제어기를 제안한다. 실시간 환자 운동 및 이동 방향에 따라 안전 벨트 시스템을 동적으로 조정함으로써, 치료 중 환자의 이동성과 자율성을 향상시키고, 지속적인 감시에 의존하는 것을 줄이며, 개인화되고 반응적인 피드백 루프를 통해 보행 능력을 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 일차원 터널의 한계를 해결하기 위해 다차원 보행을 가능하게 하기 위해.
• 직관적인 전방위 터널 시스템을 통해 환자의 참여도와 치료 이행도를 향상시키기 위해.
• 안전 벨트 시스템을 통해 실시간으로 적응형 보조를 제공하는 퍼지 논리 제어기를 개발하기 위해.
• 터널 기반 재활 치료 중 지속적인 임상 감시에 의존하는 것을 줄이기 위해.
• 환자 운동 및 위치에 실시간으로 적응하는 개인화되고 반응적인 제어를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 환자 위치 및 이동 방향에 대한 실시간 데이터를 해석하기 위해 퍼지 추론 기반 제어기를 설계하였다.
• 사용자의 터널 운영 영역 내 위치 및 방향을 모니터링하기 위해 센서를 사용하였다.
• 퍼지 추론 규칙에 기반하여 제어 파라미터를 동적으로 조정하여 안전 벨트를 방향 지원을 위해 유도하였다.
• 환자의 보행 패턴을 평가하고 좌측, 우측 또는 전방으로의 조향을 보조하기 위한 교정력을 적용하였다.
• 운동 추적 피드백을 통합하여 지속적이고 안전하며 적응형 보조를 보장하였다.
• 시험 환경에서의 구현은 SCSE 2013 컨ference에서 이루어졌으며, 타당성과 반응성에 대한 결과를 제시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전방위 터널 치료 중 적응형 보조를 제공하기 위해 어떻게 퍼지 논리 제어기를 설계할 수 있는가?
• RQ2 지속적인 감시 없이도 안전하고 실시간으로 조향 보조를 가능하게 하는 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 운동 피드백 통합이 환자의 이동성 향상과 치료 참여도 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 퍼지 제어기가 터널 시스템에서 다차원 이동을 효과적으로 관리할 수 있는가?
• RQ5 지능적 보조가 재활 중 환자의 자율성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 퍼지 제어기는 전방위 터널에서 다차원 이동에 대해 실시간으로 적응형 보조를 성공적으로 제공하였다.
• 자율적이고 반응적인 지원을 통해 지속적인 임상 감시가 필요로 하는 정도를 줄였다.
• 지속적인 개인화된 피드백과 제어를 통해 환자의 이동성과 보행 능력이 향상되었다.
• 실시간 위치 데이터 기반으로 사용자를 다양한 방향으로 안정적으로 유도하는 데 성공하였다.
• 구현 결과는 SCSE 2013 컨퍼런스에서 검증되었으며, 통제된 환경에서의 타당성과 반응성 확인에 기여하였다.
• 자연스럽고 제한 없는 보행 패턴을 가능하게 하여 치료 이행도 향상에 기여하는 접근법을 제공하였다.