Exoskeleton-Mediated Physical Human-Human Interaction for a Sit-to-Stand Rehabilitation Task
著者: Lorenzo Vianello, Emek Barış Küçüktabak, Matthew Short, Clément Lhoste, Lorenzo Amato, Kevin Lynch, Jose Pons · ICRA 2024
ライセンス
- オープンアクセス
- 論文: CC BY 4.0
以下の内容はすべて、論文のライセンス（CC BY 4.0）に従い論文全文に基づいています。図は著者のクレジットを付けて掲載しています。
要約
2 台の X2 下肢外骨格を仮想ばね・ダンパで結合してセラピストと患者が起立動作課題を共有できるようにし、QP ベースの全身制御でアシストとバランス制限を加える。
重要な理由
この構成により、セラピストは複数の関節にわたって同時に患者を感じ取り誘導でき、外骨格は安全制限を課すとともに多数の反復にわたるパフォーマンスを記録する。結合は仮想的であるため、著者らは同じ基盤で、ユーザが別々の場所にいる遠隔リハビリテーションも支援できると指摘している。X2 の足首は駆動されていないため、ここではバランス拘束が重要である。
課題
起立動作の訓練は脳卒中リハビリテーションの中核であるが、患者を手で介助することはセラピストにとって身体的負担が大きく、業務上の負傷につながりうる。支援機器は患者を受け身にしがちで、運動学習を減らし、セラピストによる直接の身体的誘導をなくしてしまう。著者らの知る限り、この課題においてセラピストと患者の物理的インタラクションを仲介するために地上歩行型の下肢外骨格を用いたフレームワークはこれまでなかった。
提案手法
各ユーザは両脚支持状態（バックパック、股関節、膝関節の角度）としてモデル化された X2 外骨格を装着し、仮想質量コントローラが目標とするインタラクショントルクに追従する。2 台の外骨格は、関節ごとに、または 2 つの重心の鉛直位置の間で、仮想ばね・ダンパによって結び付けられ、リアルタイムの二次計画法（OSQP）がトルク、パワー、速度、関節可動域、バランスの各拘束のもとでモータトルクと関節加速度を解く。バランスは発散運動成分を矢状面の支持領域内に拘束することで保たれ、調整可能な鉛直アシスト項（kg 単位）が疲労を遅らせる。
主な知見
- 重心の鉛直位置を介して 2 人のユーザを結び付けるとヌル空間に運動の自由が残り、関節空間での結合ではすべての関節でフィードバックが伝わる。
- 発散運動成分を拘束し、さらに CoM の高さとバックパック角度に位置依存の制限を加えることで、駆動されていない足首を補い、前方の制限を超えたときにユーザを安全な姿勢へ導く。
- 鉛直方向のアシストはユーザの動き方を変えた。上方向の動きを速め、下方向の動きを遅らせたため、著者らはこれが離散的な目標を用いる課題に向いていると判断している。
- 各追従参照にはトレードオフがある。単一正弦波は最も疲れにくいが予測しやすすぎて学習の研究には向かず、多重正弦波はばらつきを加えるが疲れやすく、離散目標は両方の問題を軽減するが採点が難しい。
主な結果
- 1 組のパイロットペアでは、2 人のユーザが関節空間で結合されたときの追従誤差（視覚目標に対する RMS）は、それぞれが単独で動いたときより小さく、その改善は結合剛性に関係しているように見えた。
- 関節空間の結合は、関節ごとに 30 Nm/rad と 4 Nms/rad の柔らかい設定、および 70 Nm/rad と 10 Nms/rad の硬い設定で試験された。CoM の結合には 1000 N/m と 50 Ns/m を用いた。
- タスク空間（CoM）の結合と関節空間の結合の間に明確な差は見られず、著者らはこれを起立動作における股関節と膝関節の運動のばらつきが小さいためとしている。
- 各試行は単独 30 s、結合 30 s、休憩 30 s を交互に繰り返し、条件ごとに 8 試行とし、単一正弦波、多重正弦波（0.50、0.20、0.16 Hz の成分）、離散ステップの参照を用いた。
- ユーザは鉛直アシストと仮想的な結合を区別するのが難しいと報告した。
制限事項
- この研究は探索的なものである。結果は 1 組のパイロットペアから得られたものであり、著者らは下肢外骨格についてこれらの知見を検証することは意図していないと述べている。
- このフレームワークはまだセラピストと患者では試験されていない。著者らはまず健常者での試験を計画している。
- 試した剛性の範囲は限られている。より高い剛性値や身体特性の異なるユーザは今後の実験に残されている。
- 足首関節は駆動されておらず、すべての駆動とバランス拘束は矢状面内でのみ作用する。
分野への影響
本論文は ICRA 2024 Best Paper Award in Medical Robotics を受賞し、ICRA 2024 Best Conference Paper Award と Best Student Paper Award のファイナリストにもなった。被引用数は 10 であり、ライセンスされた版にはコードやデータの公開についての記載はない。
概要
起立動作（Sit-to-Stand、StS）は基本的な日常動作であるが、下肢の筋力、運動制御、固有感覚の障害のため、脳卒中経験者にとっては困難な場合がある。既存の療法では StS の反復練習が行われるが、これはセラピストにとって身体的負担が大きく、一方で支援機器は患者の参加を制限し運動学習を妨げる可能性がある。これらの課題に対処するため、本研究では、StS のリハビリテーション課題においてセラピストと患者の物理的インタラクションを仲介するために 2 台の下肢外骨格を用いることを提案する。このアプローチには、セラピストと患者のインタラクションの改善、安全性の確保、パフォーマンスの定量化など、いくつかの利点がある。2 台の外骨格の全身制御は 2 人のユーザ間でオンラインのフィードバックを伝えると同時に、動作をアシストしバランスを確保するため、より困難を抱える被験者を助ける。本研究では、このフレームワークのアーキテクチャを示し、設計で行った技術的選択のいくつかを提示し議論する。
リンク
- 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