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

Licenças

Acesso aberto
Artigo: CC BY 4.0

Tudo o que segue se baseia no artigo completo sob a licença CC BY 4.0; sua figura é mostrada com crédito aos autores.

Em resumo

Acopla dois exoesqueletos de membros inferiores X2 por meio de uma mola-amortecedor virtual para que um terapeuta e um paciente compartilhem uma tarefa de sentado para em pé, com controle de corpo inteiro baseado em QP que adiciona assistência e limites de equilíbrio.

Por que importa

A configuração permite que um terapeuta sinta e guie um paciente em várias articulações ao mesmo tempo, enquanto os exoesqueletos impõem limites de segurança e registram o desempenho ao longo de muitas repetições. Como o acoplamento é virtual, os autores observam que a mesma infraestrutura poderia apoiar a telerreabilitação com usuários em lugares diferentes. As restrições de equilíbrio importam aqui porque o tornozelo do X2 não é atuado.

Problema

O treino de sentado para em pé é uma parte central da reabilitação pós-AVC, mas auxiliar os pacientes manualmente é fisicamente exigente para os terapeutas e pode causar lesões relacionadas ao trabalho. Dispositivos assistivos muitas vezes tornam o paciente passivo, o que reduz o aprendizado motor, e eliminam a orientação física direta do terapeuta. Até onde os autores sabem, nenhum framework anterior havia usado exoesqueletos de membros inferiores para marcha no solo para mediar a interação física entre terapeuta e paciente nessa tarefa.

Solução proposta

Cada usuário veste um exoesqueleto X2 modelado em duplo apoio (ângulos da mochila, do quadril e do joelho), e um controlador de massa virtual rastreia um torque de interação desejado. Os dois exoesqueletos são ligados por uma mola-amortecedor virtual, seja junta a junta ou entre as posições verticais dos dois centros de massa, e um programa quadrático em tempo real (OSQP) calcula os torques dos motores e as acelerações das juntas sob restrições de torque, potência, velocidade, limites de junta e equilíbrio. O equilíbrio é mantido restringindo o componente divergente do movimento dentro da região de apoio no plano sagital, e um termo de assistência vertical escalável (em kg) retarda a fadiga.

Principais ideias

Ligar os dois usuários pela posição vertical do centro de massa deixa liberdade de movimento no espaço nulo, enquanto o acoplamento no espaço das juntas transmite feedback em cada articulação.
Restringir o componente divergente do movimento, junto com limites dependentes da posição para a altura do CoM e o ângulo da mochila, compensa o tornozelo não atuado ao conduzir o usuário a uma postura segura quando o limite frontal é violado.
A assistência vertical mudou a forma como os usuários se moviam: eles aceleravam os movimentos para cima e retardavam os movimentos para baixo, por isso os autores a consideram mais adequada a tarefas com alvos discretos.
Cada referência de rastreamento tem um compromisso: uma única senoide é a que menos cansa, mas é previsível demais para estudar o aprendizado, uma multissenoide acrescenta variabilidade, mas cansa, e alvos discretos reduzem os dois problemas, mas são mais difíceis de pontuar.

Principais resultados

Para uma díade piloto, o erro de rastreamento (RMS em relação ao alvo visual) foi menor quando os dois usuários estavam acoplados no espaço das juntas do que quando cada um se movia sozinho, e a melhora pareceu relacionada à rigidez do acoplamento.
O acoplamento no espaço das juntas foi testado com um ajuste macio de 30 Nm/rad e 4 Nms/rad e um ajuste rígido de 70 Nm/rad e 10 Nms/rad por junta; o acoplamento do CoM usou 1000 N/m e 50 Ns/m.
Não se observou diferença clara entre o acoplamento no espaço da tarefa (CoM) e no espaço das juntas, o que os autores atribuem à pequena variabilidade do movimento do quadril e do joelho ao passar de sentado para em pé.
Cada ensaio alternava 30 s sozinho, 30 s acoplado e 30 s de descanso, com 8 ensaios por condição, usando referências de senoide única, multissenoide (componentes de 0,50, 0,20 e 0,16 Hz) e degraus discretos.
Os usuários relataram dificuldade em distinguir a assistência vertical da conexão virtual.

Limitações

O estudo é exploratório: os resultados vêm de uma díade piloto, e os autores afirmam que não é sua intenção validar os achados para exoesqueletos de membros inferiores.
O framework ainda não foi testado com terapeutas e pacientes; os autores planejam primeiro testes com a população saudável.
Só foi testada uma faixa limitada de rigidez; valores de rigidez mais altos e usuários com propriedades corporais diferentes ficam para experimentos futuros.
A articulação do tornozelo não é atuada e todas as restrições de atuação e de equilíbrio atuam apenas no plano sagital.

Impacto na área

O artigo ganhou o ICRA 2024 Best Paper Award in Medical Robotics e foi finalista dos ICRA 2024 Best Conference Paper e Best Student Paper Awards. Tem 10 citações, e a cópia licenciada não indica disponibilização de código nem de dados.

Resumo

Passar de sentado para em pé (Sit-to-Stand, StS) é uma atividade diária fundamental que pode ser difícil para sobreviventes de AVC devido a déficits de força, controle motor e propriocepção nos membros inferiores. As terapias existentes envolvem exercícios repetitivos de StS, mas eles podem ser fisicamente exigentes para os terapeutas, enquanto dispositivos assistivos podem limitar a participação do paciente e prejudicar o aprendizado motor. Para enfrentar esses desafios, este trabalho propõe o uso de dois exoesqueletos de membros inferiores para mediar a interação física entre terapeutas e pacientes durante uma tarefa de reabilitação de StS. Essa abordagem oferece várias vantagens, incluindo melhor interação terapeuta-paciente, garantia de segurança e quantificação do desempenho. O controle de corpo inteiro dos dois exoesqueletos transmite feedback online entre os dois usuários, mas ao mesmo tempo auxilia o movimento e garante o equilíbrio, ajudando assim os sujeitos com maior dificuldade. Neste estudo apresentamos a arquitetura do framework, apresentando e discutindo algumas escolhas técnicas feitas no projeto.

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