מחקר חדש מראה כי השלדים החיצוניים מסתגלים אליך כעת, לא להיפך

טבלת קישורים

תקציר ומבוא 1

2 תוצאות

2.1 נתונים מעובדים ראשוניים עבור משתתף מייצג

2.2 ניתוח ביצועים כולל

2.3 ניתוח דיוקן אינטראקציה

2.4 אסטרטגיית הסתגלות אישית

3 דיון

3.1 הסתגלות אנושית

3.2 חשיבות ניתוח IP

4 מסקנה

5 שיטות

5.1 אסטרטגיות שליטה בהזנה קדימה

5.2 הגדרה נסיונית

5.3 פרוטוקול ניסוי

5.4 ניתוח נתונים

הצהרות

נספח א' נתונים משלימים לדוגמה

נספח ב' השוואה להליכה טבעית

הפניות

תַקצִיר

אינטראקציה פיזית בין אדם לרובוט מכילה מידע חיוני למיטוב חווית המשתמש, שיפור ביצועי הרובוט והערכה אובייקטיבית של הסתגלות המשתמש. מחקר זה מציג שיטה חדשה להערכת התאמה משותפת של אדם-רובוט בשלדים חיצוניים של הגפיים התחתונות על ידי ניתוח פעילות השרירים ומומנט האינטראקציה כמשתנה אקראי דו-ממדי. אנו מציגים את דיוקן האינטראקציה (IP), הממחיש את התפלגות המשתנה הזה בקואורדינטות קוטביות. יישמנו את המדד הזה כדי להשוות בקר מומנט עדכני (HTC) המבוסס על משוב מצב קינמטי ובקר הזנה-פורוורד חדש (AMTC) עם למידה מקוונת, המוצעת כאן, מול בקר מבוסס-זמן (TBC) במהלך הליכה בהליכון במהירויות שונות. בהשוואה ל-TBC, הן HTC והן AMTC מורידות משמעותית את ספיגת החמצן המנורמלת של המשתמשים, דבר המצביע על תיאום משופר של המשתמש ושלד החיצוני. ניתוח IP מגלה ששיפור זה נובע משתי אסטרטגיות התאמה נפרדות, שאינן ניתנות לזיהוי על ידי פעילות שרירים מסורתית או ניתוח מומנט אינטראקציה בלבד. HTC מעודדת את המשתמשים לתת שליטה לשלד החיצוני, תוך הפחתת מאמץ שרירי אך מגדילה את מומנט האינטראקציה, מכיוון שהשלד החיצוני מפצה על הדינמיקה של המשתמש. לעומת זאת, AMTC מקדמת מעורבות משתמשים באמצעות מאמץ שרירי מוגבר ומומנטי אינטראקציה מופחתים, תוך התאמה הדוק יותר עם יישומי שיקום ואימון הליכה. התפתחות שלב ה-IP מספקת תובנה לגבי פיתוח אסטרטגיית האינטראקציה של כל משתמש, ומציגה את הפוטנציאל של ניתוח IP בהשוואה ועיצוב בקרים חדשים כדי לייעל את האינטראקציה בין אדם לרובוט ברובוטים לבישים.

מילות מפתח : שלד חיצוני, אינטראקציה פיזית, בקרה

1 הקדמה

רובוטיקה מסייעת ושיקומית זוכה לתשומת לב הולכת וגוברת כאשר היא מספקת מנה משמעותית יותר של פעילות גופנית למשתמשים, משפרת את הפונקציונליות ואיכות חייהם תוך הפחתת עומס העבודה של פיזיותרפיסטים [1, 2]. למרות ההתקדמות האחרונה, כולל אופטימיזציה של אדם בתוך הלולאה לשיפור סיוע בשלד חיצוני [3-6], מערכות רובוטיות אלו עדיין חסרות את התחכום לכוונון אוטומטי של רמת התמיכה הנדרשת עבור כל משתמש אינדיבידואלי ביעילות [7, 8] . מגע אישי זה, האינסטינקטיבי עבור פיזיותרפיסטים במפגשי טיפול מסורתיים, נותר אתגר עבור רובוטים. האתגר מתעורר מכיוון שלמרות שמשמשים מדדי ביצוע נפרדים כמו עלות מטבולית [9, 10], הפעלת שרירים [11], כוחות אינטראקציה [12], נוחות [13], עומס קוגניטיבי [14], והעדפות משתמש [15], היעדר מדד מאוחד שמכיל במלואו את הניואנסים של אינטראקציות פיזיות בין אדם לרובוט חוסם את ההתאמה המדויקת וההתאמה האישית של תמיכת השלד החיצוני של הגפה התחתונה [16]. לכן, משימה זו מואצלת לעתים קרובות לבקרים אדפטיביים עם שיקולים מרומזים לשליטה באינטראקציה הפיזית בין אדם לשלד. השליטה באינטראקציה בין אדם לשלד חיצוני ממלאת תפקיד מפתח באופטימיזציה של חווית המשתמש והביצועים של שלדים חיצוניים של גפיים תחתונות לשיקום, כמו גם ליישומי הגדלת כוח [17]. בתרחישי הגדלת כוח, המשתמש שומר על אוטונומיה מלאה, והשלד החיצוני עוקב אחר פקודות המשתמש באופן ישיר או עקיף על ידי פירוש התנועה המיועדת שלו. במקרה של אי הסכמה בין המשתמש לשלד החיצוני, על השלד החיצוני לוותר על השליטה לטובת המשתמש [18, 19]. עם זאת, בהקשר של שיקום ושלדים חיצוניים מסייעים, בקרת האינטראקציה בין אדם לשלד מאתגרת יותר בשל שני גורמים עיקריים. ראשית, התנועה המבוצעת על ידי המשתמש אינה תמיד אמינה עקב ליקויי שרירים ושלד או מוטוריים [20] אשר עלולים לערער את איכות הכוונה המפוענחת אך ורק על סמך אינטראקציה פיזית של משתמש רובוט. שנית, השלד החיצוני צריך לעודד את המשתמש למקסם את המעורבות שלו בתנועה במידת האפשר ולסייע או לתקן כאשר המשתמש אינו מסוגל לבצע את התנועה בצורה נכונה [21, 22]. כתוצאה מכך, השלד החיצוני חייב לעבור בצורה חלקה בין תפקידי המנהיג והעוקבים [23].

כדי לקבוע את אסטרטגיית הבקרה המתאימה ליישומי הגדלה ושיקום אנושיים, חיוני להבין את הסתגלות האדם-שלד חיצוני כאינדיקטור לאופן שבו אנשים מגיבים לאסטרטגיות בקרה ספציפיות של שלד חיצוני הנוגעות לבקרת תנועה משותפת [24]. בהגדלת הכוח, התרחיש האידיאלי כרוך בהסתגלות המשתמשים לאסטרטגיה שבה הם תורמים בעיקר על ידי הנחיית התנועה, ללא מאמץ פיזי [5]. השלד החיצוני לוקח על עצמו את האחריות להזיז את גוף האדם על ידי הפעלת מומנטים או כוחות אינטראקציה על גוף האדם, כפי שהוכח על ידי הפחתת פעילות השרירים או קצב חילוף החומרים [4]. לעומת זאת, בשיקום, לעתים קרובות יש להדריך את המשתמשים להגביר את פעילות השרירים שלהם ולעסוק באופן פעיל בשליטה בתנועה [25]. מומנטי האינטראקציה בין אדם לשלד חיצוני מפגינים התנהגות כפולה בהקשר זה. כאשר המשתמש מבצע את התנועה בצורה נכונה, השלד החיצוני חייב לעקוב בשקיפות אחר המשתמש, וכתוצאה מכך לאפס מומנטי אינטראקציה [12]. עם זאת, כאשר נדרש תיקון תנועה, בקר השלד החיצוני צריך להתערב. התערבות זו יוצרת קונפליקט המחייב הגדלת מומנט האינטראקציה כדי לתקן את התנועה. לא מאמץ שרירי ולא מומנטי אינטראקציה לבדם יכולים להבחין בתנאים שהוזכרו לעיל. לדוגמה, עלייה במאמץ השרירי עשויה לנבוע

מחוסר הסכמה בין אדם לשלד חיצוני [20], בעוד שזה יכול גם להצביע על כך שהמשתמש האנושי עוסק בהליכה ומסתמך על היכולת המוטורית שלו ולא על סיוע בשלד חיצוני. לכן, כדי להשוות בין בקרים שונים במקרים כאלה, יש לשקול מומנט אינטראקציה לצד מאמץ שרירי. רמה נמוכה של מומנט אינטראקציה יחד עם מאמץ שרירי גבוה יותר מעיד על אי הסכמה פיזית, מה שמצביע על כך שהשלד החיצוני עוקב אחר המשתמש והמשתמש הולך בסיוע מינימלי. אחרת, רמה גבוהה יותר של מומנט אינטראקציה יחד עם מאמץ שרירי גבוה מעידה על כך שהמשתמש והשלד החיצוני אינם חולקים את אותם דפוסי תנועה רצויים, והם נלחמים על שליטה [23]. לכן, קביעת התאמתו של בקר ליישומי הגברת כוח או שיקום מחייבת ניתוח משותף של מאמץ שרירי ומומנט אינטראקציה.