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

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

授權條款

• 開放取用
• 論文: CC BY 4.0

以下內容皆依據論文全文，依其 CC BY 4.0 授權條款使用；圖表已標示作者。

一句話摘要

以虛擬彈簧阻尼器耦合兩具 X2 下肢外骨骼，讓治療師與病人共同進行從坐到站的任務，並以基於 QP 的全身控制加入輔助與平衡限制。

為何重要

這套設置讓治療師能同時在多個關節上感受並引導病人，而外骨骼則強制執行安全限制，並記錄多次重複中的表現。由於耦合是虛擬的，作者指出同一套基礎架構可支援使用者身處不同地點的遠距復健。平衡約束在此很重要，因為 X2 的踝關節沒有致動。

問題

從坐到站訓練是中風復健的核心部分，但以徒手協助病人對治療師的體力負擔很大，並可能導致職業傷害。輔助裝置常使病人處於被動，降低動作學習，也取消了治療師直接的肢體引導。就作者所知，先前沒有任何框架使用地面行走式下肢外骨骼，在此任務中作為治療師與病人之間物理互動的媒介。

提出的方法

每位使用者穿戴一具 X2 外骨骼，以雙腳支撐狀態建模（背包、髖關節與膝關節角度），並由虛擬質量控制器追蹤期望的互動扭矩。兩具外骨骼以虛擬彈簧阻尼器相連，可以逐一關節連結，或連結在兩個質心的垂直位置之間；一個即時二次規劃（OSQP）在扭矩、功率、速度、關節極限與平衡約束下，求解馬達扭矩與關節加速度。平衡是藉由把發散運動分量約束在矢狀面的支撐區域內來維持，另有一個可調整的垂直輔助項（以 kg 為單位）用來延緩疲勞。

關鍵見解

• 以質心的垂直位置連結兩位使用者，可在零空間中保留動作自由度，而關節空間耦合則會在每個關節上傳遞回饋。
• 約束發散運動分量，再加上對 CoM 高度與背包角度隨位置而變的限制，可彌補踝關節未致動的問題：當超出前向限制時，引導使用者回到安全姿勢。
• 垂直輔助改變了使用者的動作方式：他們加快向上的動作、延後向下的動作，因此作者認為它較適合離散目標的任務。
• 每種追蹤參考都有取捨：單一正弦波最不易疲勞，但太容易預測而無法用於研究學習；多重正弦波增加了變化，但容易疲勞；離散目標減輕了這兩個問題，但較難評分。

主要結果

• 對於一組先導雙人組，兩位使用者在關節空間中耦合時的追蹤誤差（相對於視覺目標的 RMS）低於各自單獨動作時，而且改善程度似乎與耦合剛性有關。
• 關節空間耦合在每個關節上測試了 30 Nm/rad 與 4 Nms/rad 的柔軟設定，以及 70 Nm/rad 與 10 Nms/rad 的剛硬設定；CoM 耦合使用 1000 N/m 與 50 Ns/m。
• 任務空間（CoM）耦合與關節空間耦合之間沒有觀察到明顯差異，作者將此歸因於從坐到站動作中髖關節與膝關節運動的變異很小。
• 每次試驗輪流進行 30 s 單獨、30 s 耦合與 30 s 休息，每種條件 8 次試驗，使用單一正弦波、多重正弦波（0.50、0.20 與 0.16 Hz 分量）與離散步階參考。
• 使用者表示很難分辨垂直輔助與虛擬連結。

限制

• 本研究屬探索性質：結果來自一組先導雙人組，作者表明其目的並非為下肢外骨骼驗證這些發現。
• 此框架尚未在治療師與病人身上測試；作者計畫先在健康族群中測試。
• 只嘗試了有限的剛性範圍；更高的剛性值與身體特性不同的使用者留待未來的實驗。
• 踝關節未致動，且所有致動與平衡約束都只作用於矢狀面。

對領域的影響

這篇論文獲得 ICRA 2024 醫療機器人最佳論文獎，並入圍 ICRA 2024 最佳會議論文獎與最佳學生論文獎決選。它被引用 10 次，而經授權的論文副本並未提到釋出程式碼或資料。

摘要

從坐到站（Sit-to-Stand，StS）是一項基本的日常活動，但由於下肢在肌力、動作控制與本體感覺上的缺損，對中風倖存者而言可能相當困難。現有療法包含反覆的 StS 練習，但這對治療師的體力負擔很大，而輔助裝置則可能限制病人的參與並妨礙動作學習。為因應這些挑戰，本研究提出使用兩具下肢外骨骼，在 StS 復健任務中作為治療師與病人之間物理互動的媒介。此方法具有多項優點，包括改善治療師與病人的互動、強制確保安全，以及量化表現。兩具外骨骼的全身控制會在兩位使用者之間傳遞即時回饋，同時協助動作並確保平衡，從而幫助困難較大的受試者。在本研究中，我們介紹此框架的架構，並說明與討論設計中所做的一些技術選擇。

連結

• 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