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

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

Licences

• Accès libre
• Article: CC BY 4.0

Tout ce qui suit s'appuie sur l'article complet sous sa licence CC BY 4.0 ; sa figure est montrée en citant les auteurs.

En bref

Couple deux exosquelettes des membres inférieurs X2 par un ressort-amortisseur virtuel afin qu'un thérapeute et un patient partagent une tâche de passage assis-debout, une commande du corps entier fondée sur QP ajoutant assistance et limites d'équilibre.

Pourquoi c'est important

Le dispositif permet à un thérapeute de sentir et de guider un patient sur plusieurs articulations à la fois, tandis que les exosquelettes imposent des limites de sécurité et enregistrent la performance sur de nombreuses répétitions. Le couplage étant virtuel, les auteurs notent que la même infrastructure pourrait prendre en charge la télérééducation avec des utilisateurs situés à des endroits différents. Les contraintes d'équilibre comptent ici car la cheville du X2 n'est pas actionnée.

Problème

L'entraînement au passage assis-debout est un élément central de la rééducation après un AVC, mais assister les patients à la main est physiquement exigeant pour les thérapeutes et peut entraîner des blessures liées au travail. Les dispositifs d'assistance rendent souvent le patient passif, ce qui réduit l'apprentissage moteur, et suppriment le guidage physique direct du thérapeute. À la connaissance des auteurs, aucun cadre antérieur n'avait utilisé d'exosquelettes des membres inférieurs pour la marche au sol afin de médiatiser l'interaction physique entre thérapeute et patient pour cette tâche.

Solution proposée

Chaque utilisateur porte un exosquelette X2 modélisé en double appui (angles du sac à dos, de la hanche et du genou), et un contrôleur à masse virtuelle suit un couple d'interaction désiré. Les deux exosquelettes sont reliés par un ressort-amortisseur virtuel, soit articulation par articulation, soit entre les positions verticales des deux centres de masse, et un programme quadratique temps réel (OSQP) calcule les couples moteurs et les accélérations articulaires sous contraintes de couple, de puissance, de vitesse, de butées articulaires et d'équilibre. L'équilibre est maintenu en contraignant la composante divergente du mouvement à l'intérieur de la région d'appui dans le plan sagittal, et un terme d'assistance verticale réglable (en kg) retarde la fatigue.

Idées clés

• Relier les deux utilisateurs par la position verticale du centre de masse laisse une liberté de mouvement dans l'espace nul, alors que le couplage dans l'espace articulaire transmet un retour à chaque articulation.
• Contraindre la composante divergente du mouvement, avec des limites dépendant de la position sur la hauteur du CoM et l'angle du sac à dos, compense la cheville non actionnée en ramenant l'utilisateur vers une posture sûre lorsque la limite avant est dépassée.
• L'assistance verticale a modifié la façon dont les utilisateurs bougeaient : ils accéléraient les mouvements vers le haut et retardaient ceux vers le bas, si bien que les auteurs la jugent plus adaptée aux tâches à cibles discrètes.
• Chaque référence de suivi implique un compromis : une sinusoïde unique est la moins fatigante mais trop prévisible pour étudier l'apprentissage, une multi-sinusoïde ajoute de la variabilité mais est fatigante, et les cibles discrètes réduisent ces deux problèmes mais sont plus difficiles à évaluer.

Principaux résultats

• Pour une dyade pilote, l'erreur de suivi (RMS par rapport à la cible visuelle) était plus faible lorsque les deux utilisateurs étaient couplés dans l'espace articulaire que lorsque chacun bougeait seul, et l'amélioration semblait liée à la raideur du couplage.
• Le couplage dans l'espace articulaire a été testé avec un réglage souple de 30 Nm/rad et 4 Nms/rad et un réglage raide de 70 Nm/rad et 10 Nms/rad par articulation ; le couplage par CoM utilisait 1000 N/m et 50 Ns/m.
• Aucune différence nette n'a été observée entre le couplage dans l'espace de la tâche (CoM) et dans l'espace articulaire, ce que les auteurs attribuent à la faible variabilité des mouvements de hanche et de genou lors du passage assis-debout.
• Chaque essai alternait 30 s en solo, 30 s en couplage et 30 s de repos, avec 8 essais par condition, en utilisant des références sinusoïdale simple, multi-sinusoïdale (composantes à 0,50, 0,20 et 0,16 Hz) et à échelons discrets.
• Les utilisateurs ont signalé avoir du mal à distinguer l'assistance verticale de la connexion virtuelle.

Limites

• L'étude est exploratoire : les résultats proviennent d'une seule dyade pilote, et les auteurs déclarent ne pas avoir pour intention de valider les résultats pour les exosquelettes des membres inférieurs.
• Le cadre n'a pas encore été testé avec des thérapeutes et des patients ; les auteurs prévoient d'abord des tests sur une population saine.
• Seule une plage limitée de raideurs a été essayée ; des valeurs de raideur plus élevées et des utilisateurs aux caractéristiques corporelles différentes sont laissés à de futures expériences.
• L'articulation de la cheville n'est pas actionnée, et toutes les contraintes d'actionnement et d'équilibre n'agissent que dans le plan sagittal.

Impact sur le domaine

L'article a reçu le ICRA 2024 Best Paper Award in Medical Robotics et a été finaliste des ICRA 2024 Best Conference Paper Award et Best Student Paper Award. Il compte 10 citations, et la copie sous licence n'indique aucune publication de code ni de données.

Résumé

Le passage assis-debout (Sit-to-Stand, StS) est une activité quotidienne fondamentale qui peut être difficile pour les survivants d'un AVC en raison de déficits de force, de contrôle moteur et de proprioception dans leurs membres inférieurs. Les thérapies existantes reposent sur des exercices de StS répétitifs, mais ceux-ci peuvent être physiquement exigeants pour les thérapeutes, tandis que les dispositifs d'assistance peuvent limiter la participation du patient et entraver l'apprentissage moteur. Pour répondre à ces défis, ce travail propose d'utiliser deux exosquelettes des membres inférieurs pour médiatiser l'interaction physique entre thérapeutes et patients lors d'une tâche de rééducation StS. Cette approche offre plusieurs avantages, notamment une meilleure interaction thérapeute-patient, la garantie de la sécurité et la quantification de la performance. La commande du corps entier des deux exosquelettes transmet un retour en ligne entre les deux utilisateurs, tout en assistant le mouvement et en assurant l'équilibre, aidant ainsi les sujets ayant le plus de difficultés. Dans cette étude, nous présentons l'architecture du cadre, en présentant et en discutant certains choix techniques faits lors de la conception.

Liens

• 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