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

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

라이선스

• 오픈 액세스
• 논문: CC BY 4.0

아래 내용은 모두 논문의 라이선스(CC BY 4.0)에 따라 논문 전문을 바탕으로 하며, 그림에는 저자를 표기했습니다.

요약

두 대의 X2 하지 외골격을 가상 스프링-댐퍼로 연결하여 치료사와 환자가 앉았다 일어서기 과제를 공유하도록 하며, QP 기반 전신 제어가 보조와 균형 한계를 더한다.

중요한 이유

이 구성은 치료사가 여러 관절에 걸쳐 동시에 환자를 느끼고 이끌 수 있게 하며, 외골격은 많은 반복에 걸쳐 안전 한계를 강제하고 수행을 기록한다. 결합이 가상이므로, 저자들은 같은 인프라가 서로 다른 장소에 있는 사용자 간의 원격 재활도 지원할 수 있다고 언급한다. X2의 발목은 구동되지 않으므로 여기서는 균형 구속 조건이 중요하다.

문제

앉았다 일어서기 훈련은 뇌졸중 재활의 핵심이지만, 환자를 손으로 보조하는 일은 치료사에게 신체적으로 부담이 크고 업무 관련 부상으로 이어질 수 있다. 보조 기기는 흔히 환자를 수동적으로 만들어 운동 학습을 줄이고, 치료사의 직접적인 물리적 안내를 없앤다. 저자들이 아는 한, 이 과제에서 지면 보행용 하지 외골격을 사용해 치료사와 환자 사이의 물리적 상호작용을 매개한 기존 프레임워크는 없었다.

제안 방법

각 사용자는 양발 지지 상태(백팩, 고관절 및 무릎 각도)로 모델링된 X2 외골격을 착용하며, 가상 질량 제어기가 원하는 상호작용 토크를 추종한다. 두 외골격은 관절별로 또는 두 질량 중심의 수직 위치 사이에서 가상 스프링-댐퍼로 연결되며, 실시간 이차 계획법(OSQP)이 토크, 파워, 속도, 관절 한계 및 균형 구속 조건하에서 모터 토크와 관절 가속도를 구한다. 균형은 발산 운동 성분을 시상면 지지 영역 안으로 구속하여 유지하며, 크기를 조절할 수 있는 수직 보조 항(kg 단위)이 피로를 늦춘다.

핵심 통찰

• 두 사용자를 질량 중심의 수직 위치로 연결하면 영공간에서 움직임의 자유가 남는 반면, 관절 공간 결합은 모든 관절에서 피드백을 전달한다.
• 발산 운동 성분을 구속하고 CoM 높이와 백팩 각도에 위치 의존적 한계를 더하면, 전방 한계를 넘었을 때 사용자를 안전한 자세로 유도함으로써 구동되지 않는 발목을 보완한다.
• 수직 보조는 사용자의 움직임 방식을 바꾸었다. 사용자는 위로 향하는 움직임을 빠르게 하고 아래로 향하는 움직임을 늦추었으므로, 저자들은 이 보조가 이산 목표 과제에 더 적합하다고 판단한다.
• 각 추종 기준 신호에는 트레이드오프가 있다. 단일 사인파는 가장 덜 피로하지만 학습을 연구하기에는 너무 예측 가능하고, 다중 사인파는 변동성을 더하지만 피로하며, 이산 목표는 두 문제를 모두 줄이지만 점수화하기가 더 어렵다.

주요 결과

• 한 파일럿 쌍에서 추종 오차(시각 목표 대비 RMS)는 각자 혼자 움직일 때보다 두 사용자가 관절 공간에서 결합되었을 때 더 낮았으며, 개선 정도는 결합 강성과 관련된 것으로 보였다.
• 관절 공간 결합은 관절당 30 Nm/rad 및 4 Nms/rad의 부드러운 설정과 70 Nm/rad 및 10 Nms/rad의 강한 설정에서 시험되었다. CoM 결합에는 1000 N/m 및 50 Ns/m을 사용했다.
• 작업 공간(CoM) 결합과 관절 공간 결합 사이에 뚜렷한 차이는 관찰되지 않았으며, 저자들은 이를 앉았다 일어서기에서 고관절과 무릎 움직임의 변동성이 작기 때문으로 본다.
• 각 시행은 혼자 30 s, 결합 30 s, 휴식 30 s를 번갈아 진행했고, 조건당 8회 시행했으며, 단일 사인파, 다중 사인파(0.50, 0.20, 0.16 Hz 성분) 및 이산 단계 기준 신호를 사용했다.
• 사용자들은 수직 보조와 가상 연결을 구별하기 어렵다고 보고했다.

한계

• 이 연구는 탐색적이다. 결과는 한 파일럿 쌍에서 나온 것이며, 저자들은 하지 외골격에 대한 결과를 검증하는 것이 의도가 아니라고 밝힌다.
• 프레임워크는 아직 치료사와 환자를 대상으로 시험되지 않았다. 저자들은 먼저 건강한 집단을 대상으로 시험할 계획이다.
• 제한된 강성 범위만 시도되었다. 더 높은 강성 값과 신체 특성이 다른 사용자는 향후 실험으로 남겨진다.
• 발목 관절은 구동되지 않으며, 모든 구동 및 균형 구속 조건은 시상면에서만 작용한다.

분야에 미친 영향

이 논문은 ICRA 2024 Best Paper Award in Medical Robotics를 수상했으며 ICRA 2024 Best Conference Paper 및 Best Student Paper Award의 최종 후보였다. 인용 수는 10회이며, 라이선스된 사본에는 코드나 데이터 공개가 명시되어 있지 않다.

초록

앉았다 일어서기(Sit-to-Stand, StS)는 기본적인 일상 활동이지만, 뇌졸중 생존자에게는 하지의 근력, 운동 제어, 고유수용감각 결손 때문에 어려울 수 있다. 기존 치료는 반복적인 StS 운동을 포함하지만, 이는 치료사에게 신체적으로 부담이 클 수 있으며, 보조 기기는 환자의 참여를 제한하고 운동 학습을 저해할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구는 StS 재활 과제 중 치료사와 환자 사이의 물리적 상호작용을 매개하는 데 두 대의 하지 외골격을 사용하는 방법을 제안한다. 이 접근법은 치료사-환자 상호작용 개선, 안전 보장, 수행 정량화 등 여러 장점을 제공한다. 두 외골격의 전신 제어는 두 사용자 사이에 온라인 피드백을 전달하는 동시에 움직임을 보조하고 균형을 보장하며, 이를 통해 어려움이 더 큰 대상자를 돕는다. 본 연구에서는 프레임워크의 아키텍처를 제시하고, 설계에서 내린 몇 가지 기술적 선택을 제시하고 논의한다.

링크

• 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