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

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

Licenze

• Open access
• Articolo: CC BY 4.0

Tutto ciò che segue si basa sull'articolo completo secondo la sua licenza CC BY 4.0; la figura è riportata citando gli autori.

In breve

Accoppia due esoscheletri per gli arti inferiori X2 tramite una molla-smorzatore virtuale, così un terapista e un paziente condividono un compito da seduto a in piedi, con un controllo del corpo intero basato su QP che aggiunge assistenza e limiti di equilibrio.

Perché è importante

La configurazione consente a un terapista di sentire e guidare un paziente su più articolazioni contemporaneamente, mentre gli esoscheletri impongono limiti di sicurezza e registrano le prestazioni su molte ripetizioni. Poiché l'accoppiamento è virtuale, gli autori osservano che la stessa infrastruttura potrebbe supportare la teleriabilitazione con utenti in luoghi diversi. I vincoli di equilibrio contano qui perché la caviglia dell'X2 non è attuata.

Problema

L'allenamento al passaggio da seduto a in piedi è una parte centrale della riabilitazione dopo l'ictus, ma assistere i pazienti a mano è fisicamente impegnativo per i terapisti e può causare infortuni sul lavoro. I dispositivi di assistenza spesso rendono il paziente passivo, il che riduce l'apprendimento motorio, ed eliminano la guida fisica diretta del terapista. Per quanto noto agli autori, nessun framework precedente aveva usato esoscheletri per gli arti inferiori per la deambulazione a terra per mediare l'interazione fisica tra terapista e paziente in questo compito.

Soluzione proposta

Ogni utente indossa un esoscheletro X2 modellato in doppio appoggio (angoli dello zaino, dell'anca e del ginocchio), e un controllore a massa virtuale insegue una coppia di interazione desiderata. I due esoscheletri sono collegati da una molla-smorzatore virtuale, giunto per giunto oppure tra le posizioni verticali dei due centri di massa, e un programma quadratico in tempo reale (OSQP) calcola le coppie dei motori e le accelerazioni dei giunti sotto vincoli di coppia, potenza, velocità, limiti dei giunti ed equilibrio. L'equilibrio viene mantenuto vincolando la componente divergente del moto all'interno della regione di appoggio nel piano sagittale, e un termine di assistenza verticale regolabile (in kg) ritarda l'affaticamento.

Idee chiave

• Collegare i due utenti tramite la posizione verticale del centro di massa lascia libertà di movimento nello spazio nullo, mentre l'accoppiamento nello spazio dei giunti trasmette il feedback a ogni giunto.
• Vincolare la componente divergente del moto, insieme a limiti dipendenti dalla posizione sull'altezza del CoM e sull'angolo dello zaino, compensa la caviglia non attuata guidando l'utente verso una postura sicura quando il limite in avanti viene superato.
• L'assistenza verticale ha cambiato il modo in cui gli utenti si muovevano: acceleravano i movimenti verso l'alto e ritardavano quelli verso il basso, per cui gli autori la ritengono più adatta a compiti con obiettivi discreti.
• Ogni riferimento di inseguimento ha un compromesso: una singola sinusoide è la meno faticosa ma troppo prevedibile per studiare l'apprendimento, una multisinusoide aggiunge variabilità ma è faticosa, e gli obiettivi discreti riducono entrambi i problemi ma sono più difficili da valutare.

Risultati principali

• Per una diade pilota, l'errore di inseguimento (RMS rispetto al bersaglio visivo) è stato minore quando i due utenti erano accoppiati nello spazio dei giunti rispetto a quando ciascuno si muoveva da solo, e il miglioramento è sembrato legato alla rigidezza dell'accoppiamento.
• L'accoppiamento nello spazio dei giunti è stato provato con un'impostazione morbida di 30 Nm/rad e 4 Nms/rad e un'impostazione rigida di 70 Nm/rad e 10 Nms/rad per giunto; l'accoppiamento del CoM ha usato 1000 N/m e 50 Ns/m.
• Non è stata osservata una differenza chiara tra l'accoppiamento nello spazio del compito (CoM) e quello nello spazio dei giunti, che gli autori attribuiscono alla scarsa variabilità del movimento di anca e ginocchio nel passaggio da seduto a in piedi.
• Ogni prova alternava 30 s da soli, 30 s accoppiati e 30 s di riposo, con 8 prove per condizione, usando riferimenti a sinusoide singola, multisinusoide (componenti a 0,50, 0,20 e 0,16 Hz) e a gradini discreti.
• Gli utenti hanno riferito di avere difficoltà a distinguere l'assistenza verticale dalla connessione virtuale.

Limiti

• Lo studio è esplorativo: i risultati provengono da una diade pilota, e gli autori dichiarano che non è loro intenzione validare i risultati per gli esoscheletri per gli arti inferiori.
• Il framework non è ancora stato provato con terapisti e pazienti; gli autori prevedono prima prove su popolazione sana.
• È stato provato solo un intervallo limitato di rigidezze; valori di rigidezza più alti e utenti con caratteristiche corporee diverse sono lasciati a esperimenti futuri.
• Il giunto della caviglia non è attuato e tutti i vincoli di attuazione e di equilibrio agiscono solo nel piano sagittale.

Impatto sul settore

L'articolo ha vinto l'ICRA 2024 Best Paper Award in Medical Robotics ed è stato finalista degli ICRA 2024 Best Conference Paper e Best Student Paper Awards. Ha 10 citazioni, e la copia con licenza non indica alcun rilascio di codice o dati.

Abstract

Il passaggio da seduto a in piedi (Sit-to-Stand, StS) è un'attività quotidiana fondamentale che può risultare difficile per i sopravvissuti all'ictus a causa di deficit di forza, controllo motorio e propriocezione negli arti inferiori. Le terapie esistenti prevedono esercizi ripetitivi di StS, ma questi possono essere fisicamente impegnativi per i terapisti, mentre i dispositivi di assistenza possono limitare la partecipazione del paziente e ostacolare l'apprendimento motorio. Per affrontare queste sfide, questo lavoro propone l'uso di due esoscheletri per gli arti inferiori per mediare l'interazione fisica tra terapisti e pazienti durante un compito riabilitativo di StS. Questo approccio offre diversi vantaggi, tra cui una migliore interazione terapista-paziente, l'imposizione della sicurezza e la quantificazione delle prestazioni. Il controllo del corpo intero dei due esoscheletri trasmette un feedback in tempo reale tra i due utenti, ma allo stesso tempo assiste il movimento e garantisce l'equilibrio, aiutando così i soggetti con maggiori difficoltà. In questo studio presentiamo l'architettura del framework, presentando e discutendo alcune scelte tecniche fatte nella progettazione.

Link

• 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