Физиологические методики в изучении «пассивных» промышленных экзоскелетов спины и нижних конечностей
https://doi.org/10.31089/1026-9428-2020-60-5-318-328
Аннотация
В выборке из 566 работ, связанных с применением пассивных индустриальных экзоскелетов спины и нижних конечностей, используется ограниченное число физиологических методов. Наиболее часто (~56%) применяется электромиография. В большинстве случаев смысл применения физиологических методов концептуально связан с оценкой снижения нагрузки на мышцы, изучением параметров двигательной активности у человека в экзоскелете. Малоиспользуемым направлением остается изучение центральных влияний, обусловленных применением данного типа устройств.
Ключевые слова
экзоскелет,
функциональное состояние,
электромиография,
профилактика рисков,
методика оценки,
влияние
Об авторах
Н. Д. Бабанов
ФГБНУ Научно-исследовательский институт нормальной физиологии им. П.К. Анохина
Россия
Россия
Ул. Балтийская, 8, Москва, 125315
О. В. Кубряк
ФГБНУ Научно-исследовательский институт нормальной физиологии им. П.К. Анохина
Россия
Россия
Кубряк Олег Витальевич - заведующий лаборатории физиологии функциональных состояний человека, доктор биологических наук.
Ул. Балтийская, 8, Москва, 125315Список литературы
1. Schmalz, T., Schandlinger, J., Schuler, M., Bornmann, J., Schirrmeister, B., Kannenberg, A., & Ernst, M. Biomechanical and Metabolic Effectiveness of an Industrial Exoskeleton for Overhead Work. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2019; 16(23): 4792. DOI: 10.3390/ijerph16234792.
2. Письменная Е.В., Петрушанская К.А., Котов С.В., Аведиков Г.Е., Митрофанов И.Е., Толстов К.М., Ефаров В.А. Клинико-биомеханическое обоснование применения экзоскелета «Экзоатлет» при ходьбе больных с последствиями ишемического инсульта. Russian Journal of Biomechanics/Ros-sijski Zurnal Biomehaniki. 2019; 23(2). DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2019.2.04.
3. Masood J., Dacal-Nieto A., Alonso-Ramos V., Fontano M.I., Voilque A., Bou J. Industrial Wearable Exoskeletons and Exosuits Assessment Process. Wearable Robotics: Challenges and Trends. 2018; 234-8. DOI: 10.1007/978-3-030-01887-0_45.
4. Kim S., Moore A., Srinivasan D., Akanmu A., Barr A., Har-ris-Adamson C., Nussbaum M. A. Potential of Exoskeleton Technologies to Enhance Safety, Health, and Performance in Construction: Industry Perspectives and Future Research Directions. IISE Transactions on Occupational Ergonomics and Human Factors. 2019; 1-10. DOI: 10.1080/24725838.2018.1561557.
5. Dudley D.R., Knarr B.A., Siu K.-C., Peck J., Ricks B., & Zuniga J.M. Testing of a 3D printed hand exoskeleton for an individual with stroke: a case study. Disability and Rehabilitation: Assistive Technology. 2019: 1-5. DOI: 10.1080/17483107.2019.1646823.
6. Ao, D., Song, R., & Gao, J. Movement Performance of Human — Robot Cooperation Control Based on EMG-Driven Hill-Type and Proportional Models for an Ankle Power-Assist Exoskeleton Robot. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2017; 25(8): 1125-34. DOI: 10.1109/tnsre.2016.2583464.
7. Ma Z., Ben-Tzvi P., Danoff J. Hand Rehabilitation Learning System With an Exoskeleton Robotic Glove. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2016; 24(12): 1323-32. DOI: 10.1109/tnsre.2015.2501748.
8. Vega Ramirez A., Kurita Y. A Soft Exoskeleton Jacket with Pneumatic Gel Muscles for Human Motion Interaction. Universal Access in Human-Computer Interaction. Multimodality and Assistive Environments. HCII 2019. Lecture Notes in Computer Science, vol 11573. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-23563-5_46.
9. Koopman A.S., Kingma I., Faber G.S., de Looze M.P., van Dieёn J.H. Effects of a passive exoskeleton on the mechanical loading of the low back in static holding tasks. Journal of biomechanics. 2019; 83: 97-103. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2018.11.033.
10. Masood J., Ortiz J., Fernandez J., Mateos L.A., Caldwell D.G. Mechanical design and analysis of light weight hip joint Parallel Elastic Actuator for industrial exoskeleton. Proceedings of the 2016 6th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). 2016; 6: 631-6.
11. Yu H., Choi I.S., Han K.-L., Choi J.Y., Chung G., Suh J. Development of a Stand-alone Powered Exoskeleton Robot Suit in Steel Manufacturing. ISIJInternational, 2015; 55(12), 2609-17. DOI: 10.2355/isijinternational.isijint-2015-272
12. von Glinski A., Yilmaz E., Mrotzek S., Marek E., Jettkant B. , Brinkemper A., Fisahn C.., Schildhauer T.A., Gefimann J. Effectiveness of an on-body lifting aid (HAL® for care support) to reduce lower back muscle activity during repetitive lifting tasks. J Clin Neurosci. 2019; 63: 249-55. DOI: 10.1016/j.jocn.2019.01.038
13. Воробьев А.А., Петрухин А.В., Засыпкина О.А., Кривоножкина П.С., Поздняков А.М. Экзоскелет как новое средство в абилитации и реабилитации инвалидов (обзор). Современные технологии в медицине. 2015; 7 (2); 185-97.
14. Bos R.A., Haarman C.J., Stortelder T., Nizamis K., Herder J.L., Stienen A.H., Plettenburg D.H. A structured overview of trends and technologies used in dynamic hand orthoses. J Neuroeng Reha-bil. 2016; 13(1): 62. DOI: 10.1186/s12984-016-0168-z.
15. Jayaraman A., O’Brien M.K., Madhavan S., Mummidisetty C. K., Roth H.R., Hohl K., Tapp A., Brennan K., Kocherginsky M., Williams K.J., Takahashi H., Rymer W.Z. Stride management assist exoskeleton vs functional gait training in stroke: A randomized trial. Neurology. 2019Jan 15; 92(3): e263-e273. DOI: 10.1212/WNL.0000000000006782.
16. Husain S.R., Ramanujam A., Momeni K., Forrest G.F. Effects of Exoskeleton Training Intervention on Net Loading Force in Chronic Spinal Cord Injury. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2018; 7: 2793-2796. DOI: 10.1109/EMBC.2018.8512768.
17. Goh S.K., Abbass H.A., Tan K.C., Al-Mamun A., Thakor N., Bezerianos A., Li J. Spatio-Spectral Representation Learning for Electroencephalographic Gait-Pattern Classification. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2018; 26(9): 1858-67. DOI: 10.1109/TNSRE.2018.2864119.
18. Luu T.P., He Y., Brown S., Nakagame S., Contreras-Vi-dal J.L. Gait adaptation to visual kinematic perturbations using a real-time closed-loop brain-computer interface to a virtual reality avatar. J Neural Eng. 2016; 13(3): 036006. DOI: 10.1088/1741-2560/13/3/036006.
19. Ho Chit Siu, Julie A. Shah, Leia A. Stirling. Classification of Anticipatory Signals for Grasp and Release from Surface Electromyography. Sensors (Basel). 2016; 16(11): 1782. DOI: 10.3390/s16111782.
20. Воробьев А.А., Андрющенко Ф.А., Засыпкина О.А., Соловьева И.О., Кривоножкина П.С., Поздняков А.М. Терминология и классификация экзоскелетов. Вестник Волгоградского государственного медицинского университета. 2015; 7 (2): 185-97.
21. ExoskeletonReport.Industrial .https://exoskeletonreport.com/product-category/exoskeleton-catalog/industrial/
22. D.A. Winter. Stiffness control of balance in quiet standing. J Neurophysiol. 1998; 80(3): 1211-21.
23. Song H., H. Park, S. Park A. springy pendulum could describe the swing leg kinetics of human walking. J Biomech. 2016; 49 (9): 1504-1509. DOI: 10.1016/j.jbiomech. 2016.03.018.
24. Profeta VLS, Turvey MT. Bernstein’s levels of movement construction: A contemporary perspective. Hum Mov Sci. 2018 Feb; 57: 111-33. DOI: 10.1016/j.humov.2017.11.013.
25. Бернштейн Н.А . О построении движений. М.: Медицина; 1947.
26. Sudakov K.V. Theory of Functional Systems: A Keystone of Integrative Biology. In: Nadin M. (eds) Anticipation: learning from the past. The Russian/Soviet Contributions to the Science of Anticipation. Springer, Cham Switzerland. 2015. ISBN: 978-3319-19446-2. DOI: 10.1007/978-3-319-19446-2.
27. Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. М.: Медицина, 1975.
28. Сбербанк помог создать экзоскелет для хирургов. http://sk.ru/news/b/press/archive/2019/03/12/sberbank-po-mog-sozdat-ekzoskelet-dlya-hirurgov.aspx.
29. Воркутауголь протестировала опытный образец экзоскелета https://neftegaz.ru/news/auto/484219-vorkutaugol-protestirovala-opytnyy-obrazets-ekzoskeleta/.
30. Wearable posture assisting device Patent South Korea № KR20160048885A.
31. de Souza N.S., Martins A.C., Alexandra D.J., Orsini M., Bas-tos V.H., Laite M.A., Teixeira S., Velasques B., Ribeiro P., Bittencourt J., Matta A.P., Filho P.M. The influence of fear of falling on orthostatic postural control: a systematic review. Neurol Int. 2015; 7: 62-5.
32. Lim S.B., Cleworth T.W., Horslen B.C., Blouin J.S., Inglis J.T., Carpenter M.G. Postural threat influences vestibular-evoked muscular responses. J Neurophysiol. 2017 Feb 1; 117(2): 604-11. DOI: 10.1152/jn.00712.2016.
33. Chang S. R., Kobetic R., Triolo R. J. Effect of exoskeletal joint constraint and passive resistance on metabolic energy expenditure: Implications for walking in paraplegia. PLOS ONE, 2017; 12(8): e0183125. DOI: 10.1371/journal.pone. 0183125.
34. Bosch T., van Eck J., Knitel K., de Looze M. The effects of a passive exoskeleton on muscle activity, discomfort and endurance time in forward bending work. Applied Ergonomics. 2016; 54: 212-7. DOI: 10.1016/j.apergo.2015.12.003.
35. Vernooij C. A., Reynolds R. F., Lakie M. Physiological tremor reveals how thixotropy adapts skeletal muscle for posture and movement. Royal Society Open Science. 2016; 3(5). DOI: 10.1098/rsos.160065.
36. Altman D., Minozzo F.C., Rassier D.E. Thixotropy and Rheopexy of Muscle Fibers Probed Using Sinusoidal Oscillations. PLOS ONE. 2015; 10(4), e0121726. DOI: 10.1371/journal.pone.0121726.
37. DeBusk H., Babski-Reeves K., Chander H. Preliminary Analysis of StrongArm® Ergoskeleton on Knee and Hip Kinematics and User Comfort. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting. 2017; 61(1): 1346-50. DOI: 10.1177/1541931213601820.
38. Shiozawa S., Hirata R.P., Graven-Nielsen T. Center of Pressure Displacement of Standing Posture during Rapid Movements Is Reorganised Due to Experimental Lower Extremity Muscle Pain. PLoS One. 2015; 10(12): e0144933. DOI: 10.1371/journal.pone.0144933.
39. Huysamen K., Bosch T., de Looze M., Stadler K. S., Graf E., O’Sullivan L. W. Evaluation of a passive exoskeleton for static upper limb activities. Applied Ergonomics. 2018; 70: 148-55. DOI: 10.1016/j.apergo.2018.02.009.
40. Kim S., Nussbaum M.A., Mokhlespour Esfahani M.I., Alemi M.M., Alabdulkarim S., Rashedi E. Assessing the influence of a passive, upper extremity exoskeletal vest for tasks requiring arm elevation: Part I — “Expected” effects on discomfort, shoulder muscle activity, and work task performance. Applied Ergonomics. 2018; 70: 315-22. DOI: 10.1016/j.apergo.2018.02.025.
41. Renner T. Exoskeleton with Lightweight Plastic Components Finds Applications in Medicine, Manufacturing, and Agriculture. Plastics Engineering. 2018; 74(3): 30-5. DOI: 10.1002/j.1941-9635.2018.tb01855.x.
42. Kim S., Nussbaum M.A., Mokhlespour Esfahani M.I., Ale-mi M.M., Jia B., Rashedi E. Assessing the influence of a passive, upper extremity exoskeletal vest for tasks requiring arm elevation: Part II — “Unexpected” effects on shoulder motion, balance, and spine loading. Applied Ergonomics. 2018; 70: 323-30. DOI: 10.1016/j.apergo.2018.02.024.
43. Кубряк О.В., Багдасарьян Н.Г., Глазачев О.С. и др. Инструменты исследователя и врача: границы достижимых результатов и влияние на выводы исследований. По материалам круглого стола на Вейновских чтениях, 10 февраля 2018 года. К 120-летию П.К. Анохина. Мониторинг общественного мнения: экономические и социальные перемены. 2018; 6: 365-85. DOI: 10.14515/monitoring.2018.6.17.
Рецензия
Для цитирования:
Бабанов Н.Д., Кубряк О.В. Физиологические методики в изучении «пассивных» промышленных экзоскелетов спины и нижних конечностей. Медицина труда и промышленная экология. 2020;(5):318-328. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2020-60-5-318-328
For citation:
Babanov N.D., Kubryak O.V. Physiological methods in the study of “passive” industrial exoskeletons of the back and lower extremities. Russian Journal of Occupational Health and Industrial Ecology. 2020;(5):318-328. (In Russ.) https://doi.org/10.31089/1026-9428-2020-60-5-318-328
Просмотров:
884
Послать статью по эл. почте 
