Stroke-induced decoupling of neural control and biomechanics impairs walking. The mechanism by which exoskeleton modulates neuro-biomechanical coupling through mechanical support and assistance remains unclear. This study aims to reveal the coupling relationship between neural control and biomechanics in exoskeleton assisted walking for stroke patients through multimodal analysis. Sixteen stroke and sixteen healthy subjects participated, with kinematic, surface electromyography, and cerebral hemodynamic data collected in 4 exoskeleton assisted walking conditions. We analyzed spatiotemporal parameters, movement coordination, muscle synergy, cortical activation and functional connectivity, as well as lateralization and neural network parameters using hierarchical generalized additive mixed-effects model regression and distance correlation to explore the dynamic nonlinear effects of neuro-biomechanics and symmetry associations. Subjects after stroke showed disturbed movement coordination, simplified muscle synergy, and suppressed cortical activation. The exoskeleton activated ankle anti-phase coordination and partially restores muscle synergy, but led to reduced multi-joint coordination and increased gait speed asymmetry. Cortical activation and functional connectivity decreased for stroke subjects, and cognitively oriented lateralization as well as neural network integration efficiency were increased with exoskeleton intervention. Neuro-biomechanical coupling results indicated that subjects after stroke relied on centralized modulation of supplementary motor area activation to integrate motor planning and execution, and dynamic laterality fluctuation of premotor cortex reflected motor control rhythms by regulating movement variability. The exoskeleton reconfigured neuro-biomechanical coupling, prompting a shift from pathological compensatory discoordination toward motor planning-orientated adaptive control strategy, and providing a rationale for rehabilitation assistance targeting the adaptive reorganization of motor function.
Egzoszkielety to innowacyjne urządzenia, które wspierają pracowników budowlanych, zmniejszając obciążenia mięśniowo-szkieletowe oraz ryzyko urazów. Artykuł przedstawia przegląd dostępnych rozwiązań, badań nad ich skutecznością oraz przyszłych kierunków rozwoju tej technologii. Badania wykazały, że egzoszkielety mogą poprawiać ergonomię pracy, redukując wysiłek fizyczny i zmniejszając dolegliwości bólowe, zwłaszcza w dolnej części pleców oraz ramionach. Eksperymenty przeprowadzone zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i na terenach budowy potwierdzają ich pozytywny wpływ na zdrowie i wydajność pracowników. Jednocześnie zauważono pewne ograniczenia – niektóre egzoszkielety mogą powodować dyskomfort w klatce piersiowej lub zwiększać obciążenie poznawcze, co może wpływać na koncentrację i świadomość sytuacyjną.
EN
Exoskeletons are innovative devices that support construction workers by reducing musculoskeletal strain and the risk of injuries. This article provides an overview of available solutions, research on their effectiveness, and future directions for the development of this technology. Studies have shown that exoskeletons can improve workplace ergonomics by reducing physical effort and alleviating pain, particularly in the lower back and shoulders. Experiments conducted in both laboratory settings and construction sites confirm their positive impact on workers’ health and productivity. However, some limitations have been noted – certain exoskeletons may cause chest discomfort or increase cognitive load, potentially affecting concentration and situational awareness.
Hand therapy using a novel robotic exoskeleton can reduce motor deficits and improve functional recovery in patients. Robotic therapy can therefore effectively complement standard rehabilitation by providing therapeutic support to patients. The group of hand exoskeletons is at the beginning of its development and requires further research, and supplementing it with Internet of Things technologies will further increase its capabilities. The aim of this article is to determine the current state of research and development opportunities in this area.
PL
Terapia ręki z wykorzystaniem nowatorskiego exoskeleton robotycznego może zmniejszyć deficyty motoryczne i poprawić odzyskiwanie funkcji u pacjentów. Terapia robotyczna może zatem skutecznie uzupełniać standardową rehabilitację zapewniając wsparcie terapeutyczne pacjentom. Grupa hand exoskeletons znajduje się na początku swojego rozwoju i wymaga dalszych badań, a uzupełnienie jej o technologie Internetu Rzeczy dodatkowo zwiększy jej możliwości. Celem artykułu jest określenie obecnego stanu badań i mozliwości rozwojowych w tym zakresie.
Badanie ruchów ręki odgrywa kluczową rolę w rozwoju interfejsów człowiek-komputer i konstrukcji ramion robotycznych, co jest szczególnie istotne w kontekście Przemysłu 4.0 oraz egzoszkieletów wspomagających ruch człowieka. Mimo postępów istnieją luki badawcze dotyczące osób z niepełnosprawnościami oraz dzieci. Główne wyzwania obejmują trudności z utrzymaniem ręki w ustalonej pozycji, jakość obrazu w technikach analizy obrazu oraz ochronę urządzeń przed nagłymi ruchami. W celu akwizycji danych ruchu ręki, wykorzystuje się technologie oparte na sensorach, przy czym język Python i biblioteka OpenCV są powszechnie stosowane w analizie obrazu. Aktualne badania koncentrują się na integracji technologii XR (VR, AR, MR) z akwizycją danych otoczenia, co umożliwi analizę manipulacji ręki w kontekście obiektów z otoczenia.
EN
The study of hand movement properties is crucial in developing human-computer interfaces and robotic arms, especially within the context of Industry 4.0 and exoskeletons that support human movement. Despite advancements, there are research gaps regarding people with disabilities and children. Key challenges include maintaining hand and upper limb position, image quality in image analysis techniques, and protecting equipment from sudden movements in individuals with disabilities. To acquire hand motion data, sensor-based technologies are utilized, with Python and the OpenCV library commonly used for image analysis. Current research focuses on integrating XR technologies (VR, AR, MR) with environmental data acquisition, enabling the analysis of hand manipulation in interaction with surrounding objects.
6
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Osobom po udarze, wypadkach lub z chorobami nerwowo-mięśniowymi egzoszkielet rehabilitacyjny ręki wydrukowany w 3D pomoże ćwiczyć ruchy stawów barkowego i łokciowego. Do automatycznej analizy błędów pacjenta inżynierowie, programiści i fizjoterapeuci wykorzystają sztuczną inteligencję.
Exoskeletons of lower extremities are used mainly for gait treatment in physical rehabilitation. However, they are also capable of being involved in other types of exercises. Nevertheless, their structure needs to be adequately adjusted for such applications. To analyse approaches to that, this review paper investigates the mechanical designs of rehabilitation exoskeletons for lower extremities. The study seeks to identify best practices in designing and implementing these devices by analysing fifty-two articles. It covers aspects such as kinematic structures, materials used, types of drives, and the range of exercises. Standard design features include multiple degrees of freedom, primarily at the hip, knee, and ankle joints, and using lightweight materials to enhance mobility and reduce power consumption. The review also discusses the advantages of different driving systems. The findings provide valuable insights for developing effective and safe rehabilitation exoskeletons, contributing to improved patient outcomes in physiotherapy and rehabilitation settings.
In recent years, a slow change towards prefabrication has been observed in the construction sector. An increasing amount of construction work is done off site. The benefits of such arrangements are noted, as it results in the construction of better-quality buildings and can lead to lowering a project’s overall carbon footprint. These changes concern every stage of construction and nearly every material solution, including external walls made from concrete panels. The objective of this study was to develop and present a classification of concrete prefabricated elements in terms of their structural properties and to determine which of these elements are most often used in the design of housing. The study found that structural sandwich elements and cladding panels were among the most popular technologies.
W artykule przedstawiono koncepcję doboru deskowań w celu zagwarantowania wysokiej wydajności procesów związanych z montażem deskowań, montażem zbrojenia, betonowaniem, pielęgnacją i rozdeskowaniem (i ewentualnym demontażem deskowań). W proponowanej metodzie 3F (Flexible Formwork Flow) wykorzystano podstawowe założenia Industry 5.0, Lean i Agile. Oznacza to przyjęcie takich podstawowych strategii, jak: wparcie pracowników przez roboty (industry 5.0 kładzie nacisk na współpracę między ludźmi a robotami - na budowie oznacza to możliwość zastosowania egzoszkieletu do wsparcia pracownika), elastyczność i adaptacja (elastyczność i szybka adaptacja do zmieniających się warunków - w ciągu dnia pracy czy podczas pielęgnacji i dojrzewania betonu mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia rytmicznej produkcji - np. modyfikacja mieszanki betonowej w celu zapewnienia możliwości rotacji deskowań pomimo zmiany warunków - np. temperatura otoczenia), cyfryzacja i analiza danych (wykorzystanie technologii cyfrowych zapewnia możliwość monitorowania procesów w toku i otoczenia oraz zarządzania w czasie rzeczywistym), szkolenia i rozwój pracowników (kluczowe znaczenie ma doskonalenie umiejętności pracowników dzięki szkoleniom, doskonaleniu procedur, co stanowi podstawę wzrostu wydajności i ograniczenia konieczności wykonania robót poprawkowych), zrównoważony rozwój (w przypadku budowy może to oznaczać wykorzystanie materiałów w obiegu zamkniętym lub biodegradowalnych - minimalizując wpływ na środowisko), minimalizacja marnotrawstwa (typowe dla lean działanie ma na celu ograniczenie strat wynikających np. z nieuzasadnionego magazynowania, transportu czy oczekiwania). Zaproponowana metoda 3F dzięki zapewnieniu wspomnianych strategii daje możliwość osiągnięcia większej zgodności planowania i realizacji procesów na budowie oraz stabilnej wydajności procesów pomimo konieczności działania w turbulentnie zmiennym otoczeniu. Zastosowanie opisanej metody 3F jest korzystne zarówno dla dostawcy deskowań (niezawodność w funkcjonowaniu magazynu deskowań), jak i wykonawcy na budowie (większa zgodność planowania i realizacji procesów na budowie).
EN
The article presents the concept of formwork selection to guarantee high efficiency of processes related to formwork assembly, reinforcement installation, concreting, maintenance and stripping (and possible dismantling of formwork). The proposed 3F (Flexible Formwork Flow) method uses the basic assumptions of Industry 5.0, Lean and Agile. This means adopting such basic strategies as: employee support by robots (industry 5.0 emphasizes cooperation between people and robots - on construction sites, this means the possibility of using an exoskeleton to support the employee), flexibility and adaptation (flexibility and quick adaptation to changing conditions - during the working day or during the curing and maturation of concrete are crucial to ensuring rhythmic production - e.g. modification of the concrete mix to ensure the possibility of formwork rotation despite changing conditions - e.g. ambient temperature), digitization and data analysis (the use of digital technologies ensures the possibility of monitoring processes in progress and the environment and management in real time), training and development of employees (improving employee skills through training and improving procedures is of key importance, which is the basis for increasing efficiency and reducing the need to perform rework), sustainable development (in the case of construction, this may mean the use of closed-Ioop or biodegradable materials - minimizing the impact on the environment), minimizing waste (an action typical of lean is aimed at limiting losses resulting from, for example, unjustified storage, transport or waiting). The proposed 3F method, thanks to the above-mentioned strategies, makes it possible to achieve greater compliance of planning and implementation of processes on the construction site and stable process performance despite the need to operate in a turbulent environment. The use of the described 3F method is beneficial for both the formwork supplier (reliability in the operation of the formwork warehouse) and the contractor on the construction site (greater consistency of planning and implementation of processes on the construction site).
Instytut Informatyki oraz Wydział Mechatroniki Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego wraz z firmą Edurewolucje Sp. z o. o. z/s w Bydgoszczy w ramach konkursu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju "Rzeczy są dla ludzi" otrzymali dofinansowanie na realizację przedsięwzięcia pn. „Opracowanie funkcjonalnego egzoszkieletu ręki do aktywnego treningu i rehabilitacji”. Celem projektu jest realizacja prac badawczo-rozwojowych prowadzących do opracowania innowacyjnej technologii pozwalającej na samodzielną rehabilitację osób ze szczególnymi potrzebami (przy udziale rehabilitantów i fizjoterapeutów). Projekt przewiduje skonstruowanie prototypu mechanicznego robota rehabilitacyjnego tzw. egzoszkieletu ręki, który wspomoże proces rehabilitacji osób z jej niedowładem oraz innymi szczególnymi potrzebami dotyczącymi braku mobilności w obszarze ręki. W ramach projektu powstanie specjalistyczne, dedykowane oprogramowanie, które będzie dostosowywało siłę i rodzaj pracy egzoszkieletu na rękę do aktualnych potrzeb i celów programu rehabilitacyjnego pacjenta. Celem niniejszej pracy jest przybliżenie powstania i rozwoju ww. koncepcji w ramach zespołu projektowego podczas dotychczasowych prac projektowych.
EN
The Institute of Computer Science and the Faculty of Mechatronics at Kazimierz Wielki University, together with Edurewolucje Sp. z o. o. z/s in Bydgoszcz, received funding under the 'Things are for people' competition of the National Centre for Research and Development for the project entitled 'Development of a functional arm exoskeleton for active training and rehabilitation'. The aim of the project is to carry out research and development work leading to the development of an innovative technology allowing for the independent rehabilitation of people with special needs (with the participation of rehabilitators and physiotherapists). The project envisages the construction of a prototype of a mechanical rehabilitation robot, the so-called hand exoskeleton, which will support the process of rehabilitation of people with paresis and other specific needs regarding lack of mobility in the hand area. The project will develop specialised, dedicated software that will adapt the strength and type of work of the hand exoskeleton to the current needs and goals of the patient's rehabilitation programme. The aim of this paper is to provide an insight into the origins and development of the above concept within the project team during the project work to date.
The paper presents a concept of detecting dangerous situations for the patient during exoskeleton-aided home remote rehabilitation. For this purpure, a literature review was conducted to define potential traumas with corresponding causes, measuring approaches and the method of modelling based on these two to assess the risk during treatment. The original concept is based on a numerically modelled digital twin of a patient and an exoskeleton. It consists of a multibody model of a skeletal system and the mechatronic device combined with the soft tissue advanced models. Moreover, the implementation of neural networks and biosignals tracking is suggested in order to predict hazards instead of just monitoring them in real-time. The presented solution can be created within the OpenSim environment. The advantages and challenges of this approach are also discussed.
12
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Recently, Convolutional Neural Networks (CNNs) have been used for the classification of hand activities from surface Electromyography (sEMG) signals. However, sEMG signal has spatial sparsity due to position of electrodes on hand muscle and temporal dependency due to performance of activity over a period of time. The CNN has the ability to extract spatial features and is limited in extracting temporal dependencies. Whereas, the Long Short-Term Memory (LSTM) aims to encode the temporal relations from sequential data. Hence, in this paper, we propose a hybrid CNN and Bidirectional LSTM (Bi-LSTM) based EMG-HandNet architecture to encode the inter-channel and temporal dependencies of sEMG signals for hand activity classification. First, the CNN layers are used to extract deep features from sEMG signals, then these feature maps are processed by the Bi-LSTM to extract the sequential information in both the forward and backward directions. Thus, the proposed model learns both inter-channel and bidirectional temporal information in an end-to-end manner. The proposed model is trained and tested on five benchmark datasets, including the NinaPro DB1, NinaPro DB2, NinaPro DB4, BioPatRec DB2 and UCI Gesture. The average classification accuracies for the NinaPro DB1, NinaPro DB2, NinaPro DB4 and UCI Gesture are 95.77%, 95.9%, 91.65%, and 98.33% respectively. They correspond to an improvement of 4.42%, 12.2%, 18.65% and 1.33% over the respective state-of-the-art models. Moreover, for the BioPatRec DB2 dataset, a comparable performance (91.29%) is observed. The experimental results and comparisons confirm the superiority of the proposed model for hand activity classification from the sEMG signals.
Postępująca automatyzacja i robotyzacja procesów produkcji przemysłowej idzie w parze z wykorzystaniem podobnych rozwiązań technologicznych, takich jak roboty noszone, do wspomagania pracowników w środowisku pracy. Najbardziej zaawansowany technologicznie przykład robota noszonego w formie egzoszkieletu aktywnego dla całego ciała nie jest jedynym kierunkiem zastosowań różnych typów egzoszkieletów. Można je również wykorzystać do wspomagania szkolenia pracowników, zdalnego sterowania robotami oraz wspomagania procesu fizjoterapii i rehabilitacji.
EN
The automation and robotization of industrial production processes goes hand in hand with the use of similar technological solutions, such as wearable robots, to support workers. The most technologically advanced example of a wearable robot, i.e. a full-body active exoskeleton, is only one of many possible application of various types of exoskeletons. They can also be used to support workers training, remote control of robots and support the process of physiotherapy and rehabilitation.
Purpose: Exoskeleton robots generally have multi-functions and one such function is doing rehabilitation therapy in upper limb and lower limb in stroke-affected patients. A novel hybrid (serial-parallel) robot manipulator was proposed in this paper for rehabilitation of upper limb and its kinematics are studied systematically. This robot manipulator intends to perform wrist flexion, wrist extension, wrist radial deviation, wrist ulnar deviation, elbow flexion, elbow extension, elbow pronation and elbow supination motions. The contemporary mechanical designs especially the kinematic structure of upper limb exoskeleton robots have a unique feature that is, almost all of them use serial manipulators, and few others used parallel manipulators. The kinematic structure of the proposed robot is that of a hybrid manipulator (two parallel manipulators connected in series) which has 4-degrees-of-freedom. It is composed of an upper 3SPS-type parallel manipulator and 2SPR-type parallel manipulator connected in series. Methods: The Jacobian and Hessian Matrix method was used to derive the manipulator kinematic formula for solving the displacement, velocity and acceleration. Results: A 3D model of the robotic arm was constructed and analyzed by simulation. The positioning workspace of manipulator was constructed and analyzed. Conclusions: The 3SPS-type parallel manipulator has good kinematic characteristics while performing wrist motions. The 2SPR-type parallel manipulator produced singular configuration, while performing the desired rehabilitation elbow motions, it was found to not be suitable for usage in performing rehabilitation therapy in stroke-affected patients.
The article discusses the manufacturing a limb prosthesis and exoskeleton using 3D printing technology. Hand prostheses available on the market and the direction of development in the construction of exoskeletons have been characterized. An example of a prosthesis made using incremental technology by the FFF/FDM method using a Zortrax M200 printer is presented. The mechanism of prosthesis work and elements of exoskeleton construction as well as the general characteristics of materials used are described. Attention was paid to the low cost of printing the components of the prototype structures.
Możliwość chwytu oraz manipulacje różnymi obiektami stanowią podstawowe umiejętności funkcjonalne umożliwiające dalsze przejście do korzystania z narzędzi, pisania i innych czynności codziennego życia. W niniejszym artykule skupiono się na koncepcji egzoszkieletu na rękę dorosłego człowieka oraz wstępnych wynikach w obszarze poprawy parametrów ręki dysfunkcyjnej w porównaniu z ręką zdrową. Pozwala to nie tylko na natychmiastową poprawę funkcji, ale również na kształtowanie jej w dłuższym okresie czasu podczas dalszych faz rehabilitacji.
EN
Possibility of grasping and manipulation of various object constitute basic finctional abilities allowing for further development toward use of tools, hand writing, and other acitivies od daily living. This paper focuses onthe concept of the hand exoskeleton for adult patients as far as preliminary findings in th area of improvement of the parameters fo hand with deficit comapred to parameters in healthy hand. It causes not only immediate functional recovery but also shapes this recovery during next phases of the rehabilitation.
The paper presents the research methodology and the analysis of the results of the comparison test of two methods of controlling the exoskeleton of the upper limb using signals of muscle activity and manual control devices. The results show the advantage of the joystick method over EMG in terms of usability, task execution time, ease of use and comfort.
PL
W pracy przedstawiono metodykę badawczą oraz analizę wyników testu porównania dwóch metod sterowania egzoszkieletem kończyny górnej wykorzystującą sygnały o aktywności mięśni i manualne urządzenia sterownicze. Wyniki pokazują przewagę metody wykorzystującej joystick nad EMG w aspekcie użyteczności, czasu wykonywania zadania, łatwości użytkowania oraz komfortu.
Wydaje się, że zagadnieniu wykorzystania egzoszkieletów w logistyce i produkcji poświęca się coraz więcej uwagi. Bliższe rozpoznanie tematu prowadzi jednak do wniosku, że refleksja nad różnymi aspektami funkcjonowania tych urządzeń w praktyce, ustępuje miejsca dyskusjom skupiającym się na wdrażaniu rozwiązań związanych z automatyzacją i robotyzacją niemal wszystkiego i za niemal każdą cenę.
19
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
The lower extremity exoskeletons (LEE) are used as an assistive device for disabled people, rehabilitation for paraplegic, and power augmentation for military or industrial workers. In all the applications of LEE, the dynamic and static balance, prevention of falling, ensuring controller stability and smooth human-exoskeleton interaction are of critical importance for the safety of LEE users. Although numerous studies have been conducted on the balance and stability issues in LEEs, there is yet to be a systematic review that provides a holistic viewpoint and highlights the current research challenges. This paper reviews the advances in the inclusion of falling recognition, balance recovery and stability assurance strategies in the design and application of LEEs. The current status of research on LEEs is presented. It has been found that Zero Moment Point (ZMP), Centre of Mass (CoM) and Extrapolated Center of mass (XCoM) ideas are mostly used for balancing and prevention of falling. In addition, Lyapunov stability criteria are the dominant methods for controller stability confirmation and smooth human-exoskeleton interaction. The challenges and future trend of this domain of research are discussed. Researchers can use this review as a basis to further develop methods for ensuring the safety of LEE's users.
Egzoszkielety stają się coraz bardziej interesujące dla przemysłu motoryzacyjnego, aby wspierać w sposób ergonomiczny pracowników i dodatkowo zwiększać możliwości w systemie produkcyjnym. Dziś najtrudniejszym wyzwaniem jest wykrywać, konstruować i oceniać wszystkie efekty zastosowania egzoszkieltu. Zwłaszcza ocena ergonomiczna jest jednym z głównych priorytetów związanych z integracją zewnętrznych szkieletów w przemyśle w celu oceny wszystkich istotnych wpływów. Celem niniejszego raportu jest prezentacja obecnie dostępnych egzoszkieletów oferowanych dla branży motoryzacyjnej. W artykule ukazano, z jakimi problemami i wyzwaniami mają do czynienia ich konstruktorzy, użytkownicy oraz w jakim kierunku zmierza rozwój tych produktów.
EN
Exoskeletons are becoming more and more interesting for the industry to support workers in an ergonomic way and further to increase the possibilities in the production system. Today, the most difficult challenge is to constantly detect, construct and evaluate all the effects of an exoskeleton. Ergonomic assessment is in particular one of the main challenges associated with the integration of external skeletons in industry to assess all relevant impacts. The purpose of this report is to present currently available exoskeletons offered for the automotive industry. The article shows what problems and challenges constructors and users have to face and in which direction the development of these products is heading.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.