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

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

Licencias

• Acceso abierto
• Artículo: CC BY 4.0

Todo lo que sigue se basa en el artículo completo bajo su licencia CC BY 4.0; su figura se muestra con crédito a los autores.

En resumen

Acopla dos exoesqueletos de miembros inferiores X2 mediante un muelle-amortiguador virtual para que un terapeuta y un paciente compartan una tarea de sentado a de pie, con un control de cuerpo completo basado en QP que añade asistencia y límites de equilibrio.

Por qué importa

La configuración permite a un terapeuta sentir y guiar a un paciente en varias articulaciones a la vez mientras los exoesqueletos imponen límites de seguridad y registran el rendimiento a lo largo de muchas repeticiones. Como el acoplamiento es virtual, los autores señalan que la misma infraestructura podría servir para telerrehabilitación con usuarios en lugares distintos. Las restricciones de equilibrio importan aquí porque el tobillo del X2 no está actuado.

Problema

El entrenamiento de sentado a de pie es una parte central de la rehabilitación tras un ictus, pero asistir a los pacientes a mano es físicamente exigente para los terapeutas y puede provocar lesiones laborales. Los dispositivos de asistencia a menudo vuelven pasivo al paciente, lo que reduce el aprendizaje motor, y eliminan la guía física directa del terapeuta. Según el conocimiento de los autores, ningún marco anterior había utilizado exoesqueletos de miembros inferiores para marcha sobre el suelo con el fin de mediar la interacción física entre terapeuta y paciente en esta tarea.

Solución propuesta

Cada usuario lleva un exoesqueleto X2 modelado en doble apoyo (ángulos de la mochila, la cadera y la rodilla), y un controlador de masa virtual sigue un par de interacción deseado. Los dos exoesqueletos se vinculan mediante un muelle-amortiguador virtual, ya sea articulación por articulación o entre las posiciones verticales de los dos centros de masas, y un programa cuadrático en tiempo real (OSQP) calcula los pares de los motores y las aceleraciones articulares bajo restricciones de par, potencia, velocidad, límites articulares y equilibrio. El equilibrio se mantiene restringiendo el componente divergente del movimiento dentro de la región de apoyo en el plano sagital, y un término de asistencia vertical escalable (en kg) retrasa la fatiga.

Ideas clave

• Vincular a los dos usuarios a través de la posición vertical del centro de masas deja libertad de movimiento en el espacio nulo, mientras que el acoplamiento en el espacio articular transmite retroalimentación en cada articulación.
• Restringir el componente divergente del movimiento, junto con límites dependientes de la posición en la altura del CoM y el ángulo de la mochila, compensa el tobillo no actuado llevando al usuario a una postura segura cuando se supera el límite hacia delante.
• La asistencia vertical cambió la forma en que se movían los usuarios: aceleraban los movimientos hacia arriba y retrasaban los movimientos hacia abajo, por lo que los autores la consideran más adecuada para tareas con objetivos discretos.
• Cada referencia de seguimiento tiene un compromiso: una sola sinusoide es la que menos fatiga pero es demasiado predecible para estudiar el aprendizaje, una multisinusoide añade variabilidad pero fatiga, y los objetivos discretos reducen ambos problemas pero son más difíciles de puntuar.

Resultados principales

• Para una díada piloto, el error de seguimiento (RMS respecto al objetivo visual) fue menor cuando los dos usuarios estaban acoplados en el espacio articular que cuando cada uno se movía solo, y la mejora pareció estar relacionada con la rigidez del acoplamiento.
• El acoplamiento en el espacio articular se probó con un ajuste blando de 30 Nm/rad y 4 Nms/rad y un ajuste rígido de 70 Nm/rad y 10 Nms/rad por articulación; el acoplamiento del CoM usó 1000 N/m y 50 Ns/m.
• No se observó una diferencia clara entre el acoplamiento en el espacio de la tarea (CoM) y en el espacio articular, lo que los autores atribuyen a la escasa variabilidad del movimiento de cadera y rodilla al pasar de sentado a de pie.
• Cada ensayo alternaba 30 s en solitario, 30 s acoplados y 30 s de descanso, con 8 ensayos por condición, usando referencias de una sola sinusoide, multisinusoide (componentes de 0,50, 0,20 y 0,16 Hz) y escalones discretos.
• Los usuarios indicaron que les resultaba difícil distinguir la asistencia vertical de la conexión virtual.

Limitaciones

• El estudio es exploratorio: los resultados proceden de una díada piloto, y los autores afirman que no es su intención validar los hallazgos para exoesqueletos de miembros inferiores.
• El marco aún no se ha probado con terapeutas y pacientes; los autores planean primero pruebas con población sana.
• Solo se probó un rango limitado de rigidez; valores de rigidez más altos y usuarios con distintas propiedades corporales quedan para experimentos futuros.
• La articulación del tobillo no está actuada y todas las restricciones de actuación y de equilibrio actúan solo en el plano sagital.

Impacto en el campo

El artículo ganó el ICRA 2024 Best Paper Award in Medical Robotics y fue finalista de los ICRA 2024 Best Conference Paper y Best Student Paper Awards. Tiene 10 citas, y la copia con licencia no indica que se publiquen código ni datos.

Resumen

Pasar de sentado a de pie (Sit-to-Stand, StS) es una actividad diaria fundamental que puede resultar difícil para los supervivientes de un ictus debido a déficits de fuerza, control motor y propiocepción en sus miembros inferiores. Las terapias existentes implican ejercicios repetitivos de StS, pero estos pueden ser físicamente exigentes para los terapeutas, mientras que los dispositivos de asistencia pueden limitar la participación del paciente y dificultar el aprendizaje motor. Para abordar estos retos, este trabajo propone el uso de dos exoesqueletos de miembros inferiores para mediar la interacción física entre terapeutas y pacientes durante una tarea de rehabilitación de StS. Este enfoque ofrece varias ventajas, entre ellas una mejor interacción terapeuta-paciente, la garantía de la seguridad y la cuantificación del rendimiento. El control de cuerpo completo de los dos exoesqueletos transmite retroalimentación en línea entre los dos usuarios, pero al mismo tiempo asiste el movimiento y garantiza el equilibrio, ayudando así a los sujetos con mayores dificultades. En este estudio presentamos la arquitectura del marco, presentando y discutiendo algunas decisiones técnicas tomadas en el diseño.

Enlaces

• arXiv 2310.06084: https://arxiv.org/abs/2310.06084
• DOI 10.1109/ICRA57147.2024.10610796: https://doi.org/10.1109/ICRA57147.2024.10610796
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2310.06084v1