Exoskeleton-Mediated Physical Human-Human Interaction for a Sit-to-Stand Rehabilitation Task

Autoren: Lorenzo Vianello, Emek Barış Küçüktabak, Matthew Short, Clément Lhoste, Lorenzo Amato, Kevin Lynch, Jose Pons · ICRA 2024

Lizenzen

Open Access
Paper: CC BY 4.0

Alles Folgende stützt sich auf das vollständige Paper unter seiner Lizenz CC BY 4.0; die Abbildung wird mit Nennung der Autoren gezeigt.

Kurz gesagt

Koppelt zwei X2-Exoskelette für die unteren Extremitäten über einen virtuellen Feder-Dämpfer, sodass Therapeut und Patient eine Sit-to-Stand-Aufgabe teilen; eine QP-basierte Ganzkörperregelung ergänzt Unterstützung und Gleichgewichtsgrenzen.

Warum es wichtig ist

Der Aufbau ermöglicht es einem Therapeuten, einen Patienten über mehrere Gelenke gleichzeitig zu spüren und zu führen, während die Exoskelette Sicherheitsgrenzen durchsetzen und die Leistung über viele Wiederholungen aufzeichnen. Da die Kopplung virtuell ist, merken die Autoren an, dass dieselbe Infrastruktur auch Telerehabilitation mit Nutzern an verschiedenen Orten unterstützen könnte. Gleichgewichtsbedingungen sind hier wichtig, weil das Sprunggelenk des X2 nicht aktuiert ist.

Problem

Das Training des Aufstehens aus dem Sitzen ist ein Kernbestandteil der Schlaganfallrehabilitation, doch die manuelle Unterstützung von Patienten ist für Therapeuten körperlich anstrengend und kann zu arbeitsbedingten Verletzungen führen. Hilfsgeräte machen den Patienten oft passiv, was das motorische Lernen verringert, und nehmen dem Therapeuten die direkte physische Führung. Nach Kenntnis der Autoren hatte bisher kein Framework Exoskelette für die unteren Extremitäten zum freien Gehen (Overground) genutzt, um die physische Interaktion zwischen Therapeut und Patient bei dieser Aufgabe zu vermitteln.

Lösungsansatz

Jeder Nutzer trägt ein X2-Exoskelett, das im Doppelstand modelliert ist (Rucksack-, Hüft- und Kniewinkel), und ein Regler mit virtueller Masse folgt einem gewünschten Interaktionsdrehmoment. Die beiden Exoskelette sind über einen virtuellen Feder-Dämpfer verbunden, entweder Gelenk für Gelenk oder zwischen den vertikalen Positionen der beiden Massenschwerpunkte, und ein quadratisches Programm in Echtzeit (OSQP) bestimmt Motordrehmomente und Gelenkbeschleunigungen unter Drehmoment-, Leistungs-, Geschwindigkeits-, Gelenkgrenzen- und Gleichgewichtsbedingungen. Das Gleichgewicht wird gehalten, indem die divergente Bewegungskomponente innerhalb des Stützbereichs in der Sagittalebene beschränkt wird, und ein skalierbarer vertikaler Unterstützungsterm (in kg) verzögert die Ermüdung.

Wichtigste Erkenntnisse

Die Verknüpfung der beiden Nutzer über die vertikale Position des Massenschwerpunkts lässt Bewegungsfreiheit im Nullraum, während die Kopplung im Gelenkraum an jedem Gelenk Feedback überträgt.
Die Beschränkung der divergenten Bewegungskomponente sowie positionsabhängige Grenzen für CoM-Höhe und Rucksackwinkel gleichen das nicht aktuierte Sprunggelenk aus, indem sie den Nutzer bei Verletzung der vorderen Grenze in eine sichere Haltung lenken.
Die vertikale Unterstützung veränderte die Bewegungsweise der Nutzer: Sie beschleunigten Aufwärtsbewegungen und verzögerten Abwärtsbewegungen, weshalb die Autoren sie für Aufgaben mit diskreten Zielen als besser geeignet einschätzen.
Jede Führungsgröße hat einen Zielkonflikt: Ein einzelner Sinus ermüdet am wenigsten, ist aber zu vorhersehbar, um Lernen zu untersuchen; ein Multisinus bringt Variabilität, ist aber ermüdend; diskrete Ziele verringern beide Probleme, sind aber schwerer zu bewerten.

Hauptergebnisse

Bei einer Pilot-Dyade war der Folgefehler (RMS gegenüber dem visuellen Ziel) niedriger, wenn die beiden Nutzer im Gelenkraum gekoppelt waren, als wenn sich jeder allein bewegte, und die Verbesserung schien mit der Kopplungssteifigkeit zusammenzuhängen.
Die Kopplung im Gelenkraum wurde mit einer weichen Einstellung von 30 Nm/rad und 4 Nms/rad und einer steifen Einstellung von 70 Nm/rad und 10 Nms/rad je Gelenk getestet; die CoM-Kopplung nutzte 1000 N/m und 50 Ns/m.
Zwischen Kopplung im Aufgabenraum (CoM) und im Gelenkraum wurde kein deutlicher Unterschied beobachtet, was die Autoren auf die geringe Variabilität der Hüft- und Kniebewegung beim Aufstehen aus dem Sitzen zurückführen.
Jeder Versuch wechselte zwischen 30 s allein, 30 s gekoppelt und 30 s Pause, mit 8 Versuchen je Bedingung, unter Verwendung von Einzelsinus-, Multisinus- (Komponenten mit 0,50, 0,20 und 0,16 Hz) und diskreten Stufen-Führungsgrößen.
Die Nutzer berichteten, dass sie die vertikale Unterstützung kaum von der virtuellen Verbindung unterscheiden konnten.

Einschränkungen

Die Studie ist explorativ: Die Ergebnisse stammen von einer Pilot-Dyade, und die Autoren geben an, dass es nicht ihre Absicht ist, die Befunde für Exoskelette der unteren Extremitäten zu validieren.
Das Framework wurde noch nicht mit Therapeuten und Patienten getestet; die Autoren planen zunächst Tests mit gesunden Personen.
Nur ein begrenzter Steifigkeitsbereich wurde erprobt; höhere Steifigkeitswerte und Nutzer mit anderen Körpereigenschaften bleiben künftigen Experimenten überlassen.
Das Sprunggelenk ist nicht aktuiert, und alle Aktuierungs- und Gleichgewichtsbedingungen wirken nur in der Sagittalebene.

Wirkung auf das Fachgebiet

Das Paper erhielt den ICRA 2024 Best Paper Award in Medical Robotics und war Finalist für den ICRA 2024 Best Conference Paper Award und den Best Student Paper Award. Es hat 10 Zitierungen, und die lizenzierte Fassung nennt keine Veröffentlichung von Code oder Daten.

Zusammenfassung

Das Aufstehen aus dem Sitzen (Sit-to-Stand, StS) ist eine grundlegende Alltagsaktivität, die für Schlaganfallüberlebende aufgrund von Defiziten in Kraft, motorischer Kontrolle und Propriozeption in den unteren Extremitäten schwierig sein kann. Bestehende Therapien umfassen wiederholte StS-Übungen, die jedoch für Therapeuten körperlich anstrengend sein können, während Hilfsgeräte die Beteiligung des Patienten einschränken und das motorische Lernen behindern können. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, schlägt diese Arbeit den Einsatz von zwei Exoskeletten für die unteren Extremitäten vor, um die physische Interaktion zwischen Therapeuten und Patienten während einer rehabilitativen StS-Aufgabe zu vermitteln. Dieser Ansatz bietet mehrere Vorteile, darunter eine verbesserte Therapeut-Patient-Interaktion, die Durchsetzung von Sicherheit und die Quantifizierung der Leistung. Die Ganzkörperregelung der beiden Exoskelette überträgt Online-Feedback zwischen den beiden Nutzern, unterstützt aber gleichzeitig die Bewegung und gewährleistet das Gleichgewicht und hilft so Personen mit größeren Schwierigkeiten. In dieser Studie stellen wir die Architektur des Frameworks vor und präsentieren und diskutieren einige beim Entwurf getroffene technische Entscheidungen.

Open Source Robotics