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
许可协议
- 开放获取
- 论文: CC BY 4.0
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一句话总结
通过虚拟弹簧-阻尼器耦合两台 X2 下肢外骨骼，使治疗师和患者共同完成坐站转换任务，并由基于 QP 的全身控制加入助力和平衡限制。
为何重要
这一装置使治疗师能够同时在多个关节上感受并引导患者，而外骨骼负责强制执行安全限制，并记录多次重复中的表现。由于耦合是虚拟的，作者指出同一套基础设施可以支持使用者身处不同地点的远程康复。平衡约束在这里很重要，因为 X2 的踝关节没有驱动。
问题
坐站转换训练是卒中康复的核心部分，但徒手辅助患者对治疗师的体力要求很高，并可能导致职业伤害。辅助设备往往使患者处于被动状态，从而减少运动学习，并且取消了治疗师直接的身体引导。据作者所知，此前没有框架使用地面行走式下肢外骨骼，在这项任务中介导治疗师与患者之间的物理交互。
提出的方法
每名使用者穿戴一台 X2 外骨骼，按双支撑状态建模（背包、髋关节和膝关节角度），并由虚拟质量控制器跟踪期望的交互力矩。两台外骨骼通过虚拟弹簧-阻尼器相连，可以逐关节连接，也可以在两个质心的竖直位置之间连接；一个实时二次规划（OSQP）在力矩、功率、速度、关节限位和平衡约束下求解电机力矩和关节加速度。平衡通过将发散运动分量约束在矢状面支撑区域内来保持，一个可调节的竖直助力项（以 kg 计）用于延缓疲劳。
关键见解
- 通过质心的竖直位置连接两名使用者，会在零空间中保留运动自由度，而关节空间耦合则在每个关节上传递反馈。
- 约束发散运动分量，再加上对 CoM 高度和背包角度的位置相关限制，可以弥补踝关节无驱动的问题：当超出前向限制时，引导使用者回到安全姿态。
- 竖直助力改变了使用者的运动方式：他们加快了向上的运动、推迟了向下的运动，因此作者认为它更适合离散目标任务。
- 每种跟踪参考都有取舍：单一正弦最不易疲劳，但可预测性太强，无法用于研究学习；多正弦增加了变化，但容易疲劳；离散目标减轻了这两个问题，但更难评分。
主要结果
- 对于一组试点二人组，两名使用者在关节空间中耦合时的跟踪误差（相对视觉目标的 RMS）低于各自单独运动时，且这一改善似乎与耦合刚度有关。
- 关节空间耦合在每个关节上测试了 30 Nm/rad 和 4 Nms/rad 的柔性设置，以及 70 Nm/rad 和 10 Nms/rad 的刚性设置；CoM 耦合使用 1000 N/m 和 50 Ns/m。
- 任务空间（CoM）耦合与关节空间耦合之间未观察到明显差异，作者将其归因于坐站转换中髋关节和膝关节运动的变化较小。
- 每次试验依次为 30 s 单独、30 s 耦合和 30 s 休息，每种条件 8 次试验，使用单一正弦、多正弦（0.50、0.20 和 0.16 Hz 分量）和离散阶跃参考。
- 使用者表示难以区分竖直助力与虚拟连接。
局限
- 该研究是探索性的：结果来自一组试点二人组，作者表示其意图并不是为下肢外骨骼验证这些发现。
- 该框架尚未在治疗师和患者身上测试；作者计划先在健康人群中测试。
- 只尝试了有限的刚度范围；更高的刚度值以及身体特征不同的使用者留待未来实验。
- 踝关节没有驱动，所有驱动和平衡约束仅作用于矢状面。
对领域的影响
该论文获得 ICRA 2024 医疗机器人最佳论文奖，并入围 ICRA 2024 最佳会议论文奖和最佳学生论文奖决选。它被引用 10 次，获许可的论文副本中未提及发布代码或数据。
摘要
坐站转换（Sit-to-Stand，StS）是一项基本的日常活动，但由于下肢在力量、运动控制和本体感觉方面的缺陷，它对卒中幸存者来说可能颇具挑战。现有疗法包括重复的 StS 练习，但这些练习对治疗师的体力要求很高，而辅助设备则可能限制患者的参与并妨碍运动学习。为应对这些挑战，本工作提出使用两台下肢外骨骼，在 StS 康复任务中介导治疗师与患者之间的物理交互。这种方法具有多项优势，包括改善治疗师与患者的交互、强制保障安全以及量化表现。两台外骨骼的全身控制在两名使用者之间传递在线反馈，同时辅助运动并确保平衡，从而帮助困难更大的受试者。在本研究中，我们介绍该框架的架构，并阐述和讨论设计中所做的一些技术选择。
链接
- 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