Yeni Çalışma, Dış İskeletlerin Artık Size Uyum Sağladığını, Tam Tersinin Olmadığını Gösteriyor

Bağlantılar Tablosu

Özet ve 1 Giriş

2 Sonuç

2.1 Temsili Katılımcı için İlk İşlenmiş Veriler

2.2 Genel Performans Analizi

2.3 Etkileşim Portresi Analizi

2.4 Bireysel Uyum Stratejisi

3 Tartışma

3.1 İnsan Uyumunun Sağlanması

3.2 IP Analizinin Önemi

4 Sonuç

5 Yöntem

5.1 İleri Beslemeli Kontrol Stratejileri

5.2 Deneysel Kurulum

5.3 Deneysel Protokol

5.4 Veri Analizi

Beyanlar

Ek A Tamamlayıcı Örnek Veriler

Ek B Doğal Yürüyüşle Karşılaştırma

Referanslar

Soyut

İnsan-robot fiziksel etkileşimi, kullanıcı deneyimini optimize etmek, robot performansını artırmak ve kullanıcı adaptasyonunu nesnel olarak değerlendirmek için önemli bilgiler içerir. Bu çalışma, kas aktivitesini ve etkileşim torkunu iki boyutlu bir rastgele değişken olarak analiz ederek alt ekstremite dış iskeletlerinde insan-robot ortak adaptasyonunu değerlendirmek için yeni bir yöntem sunmaktadır. Bu değişkenin kutupsal koordinatlardaki dağılımını görselleştiren Etkileşim Portresi'ni (IP) tanıtıyoruz. Bu metriği, burada önerilen kinematik durum geri bildirimine dayalı yeni bir tork denetleyicisini (HTC) ve çevrimiçi öğrenmeye sahip yeni bir ileri beslemeli denetleyiciyi (AMTC), farklı hızlarda koşu bandında yürüme sırasında zaman tabanlı bir denetleyiciyle (TBC) karşılaştırmak için uyguladık. TBC ile karşılaştırıldığında, hem HTC hem de AMTC kullanıcıların normalize oksijen alımını önemli ölçüde düşürerek gelişmiş kullanıcı-dış iskelet koordinasyonunu önermektedir. IP analizi, bu iyileştirmenin yalnızca geleneksel kas aktivitesi veya etkileşim torku analizleriyle tanımlanamayan iki farklı ortak adaptasyon stratejisinden kaynaklandığını ortaya koymaktadır. HTC, kullanıcıları kas eforunu azaltarak ancak etkileşim torkunu artırarak kontrolü dış iskelete devretmeye teşvik eder, çünkü dış iskelet kullanıcı dinamiklerini telafi eder. Buna karşılık, AMTC artan kas eforu ve azalan etkileşim torkları aracılığıyla kullanıcı katılımını teşvik eder ve bunu rehabilitasyon ve yürüyüş eğitimi uygulamalarıyla daha yakın bir şekilde hizalar. IP faz evrimi, her kullanıcının etkileşim stratejisi gelişimine ilişkin içgörü sağlar ve giyilebilir robotlarda insan-robot etkileşimini optimize etmek için yeni denetleyicileri karşılaştırma ve tasarlamada IP analizinin potansiyelini sergiler.

Anahtar Kelimeler : Dış iskelet, Fiziksel etkileşim, Kontrol

1 Giriş

Destekleyici ve rehabilitasyon robotları, kullanıcılara daha önemli bir egzersiz dozu sunarak işlevselliklerini ve yaşam kalitelerini artırırken fizyoterapistlerin iş yükünü azalttıkları için giderek daha fazla ilgi görüyor [1, 2]. Dış iskelet yardımını iyileştirmek için insanın döngüde olduğu optimizasyon [3–6] dahil olmak üzere son gelişmelere rağmen, bu robotik sistemler hala her bir kullanıcı için gereken destek seviyesini etkili bir şekilde otomatik olarak ince ayar yapmak için gereken karmaşıklıktan yoksundur [7, 8]. Geleneksel terapi seanslarında fizyoterapistler için içgüdüsel olan bu kişiselleştirilmiş dokunuş, robotlar için bir zorluk olmaya devam etmektedir. Zorluk, metabolik maliyet [9, 10], kas aktivasyonu [11], etkileşim kuvvetleri [12], konfor [13], bilişsel yük [14] ve kullanıcı tercihi [15] gibi ayrı performans göstergeleri kullanılmasına rağmen, insan-robot fiziksel etkileşimlerinin nüanslarını tam olarak kapsayan birleşik bir metriğin olmamasının alt ekstremite dış iskelet desteğinin hassas bir şekilde ayarlanmasını ve özelleştirilmesini engellemesinden kaynaklanmaktadır [16]. Bu nedenle, bu görev genellikle insan-dış iskelet fiziksel etkileşimini kontrol etmek için örtük hususlarla uyarlanabilir denetleyicilere devredilir. İnsan-dış iskelet etkileşiminin kontrolü, rehabilitasyon ve güç artırma uygulamaları için alt ekstremite dış iskeletlerinin kullanıcı deneyimini ve performansını optimize etmede önemli bir rol oynar [17]. Güç artırma senaryolarında, kullanıcı tam özerkliğini korur ve dış iskelet, amaçlanan hareketi yorumlayarak doğrudan veya dolaylı olarak kullanıcı komutlarını takip eder. Kullanıcı ile dış iskelet arasında bir anlaşmazlık olması durumunda, dış iskelet kullanıcı lehine kontrolü bırakmalıdır [18, 19]. Ancak, rehabilitasyon ve yardımcı dış iskeletler bağlamında, insan-dış iskelet etkileşim kontrolü iki temel faktör nedeniyle daha zordur. Birincisi, kullanıcı tarafından gerçekleştirilen hareket, yalnızca kullanıcı-robot fiziksel etkileşimine dayalı olarak kodlanmış niyetin kalitesini düşürebilecek kas-iskelet veya motor bozuklukları nedeniyle her zaman güvenilir değildir [20]. İkinci olarak, dış iskelet, kullanıcının mümkün olduğunda hareketle etkileşimini en üst düzeye çıkarmasını teşvik etmeli ve kullanıcı hareketi doğru şekilde gerçekleştiremediğinde yardımcı olmalı veya düzeltmelidir [21, 22]. Sonuç olarak, dış iskelet lider ve takipçi rolleri arasında sorunsuz bir şekilde geçiş yapmalıdır [23].

İnsan artırma ve rehabilitasyon uygulamaları için uygun kontrol stratejisini belirlemek için, bireylerin paylaşılan hareket kontrolü ile ilgili belirli dış iskelet kontrol stratejilerine nasıl yanıt verdiğinin bir göstergesi olarak insan-dış iskelet adaptasyonunu anlamak çok önemlidir [24]. Güç artırmada, ideal senaryo kullanıcıların fiziksel efor sarf etmeden öncelikle hareketi yönlendirerek katkıda bulundukları bir stratejiye adapte olmasını içerir [5]. Dış iskelet, azaltılmış kas aktivitesi veya metabolik hızlarla gösterildiği gibi, insan vücuduna etkileşim torkları veya kuvvetleri uygulayarak insan vücudunu hareket ettirme sorumluluğunu alır [4]. Tersine, rehabilitasyonda, kullanıcılar genellikle kas aktivitelerini artırmaları ve hareket kontrolüne aktif olarak katılmaları için yönlendirilmelidir [25]. İnsan-dış iskelet etkileşim torkları bu bağlamda ikili bir davranış sergiler. Kullanıcı hareketi doğru bir şekilde gerçekleştirdiğinde, dış iskelet kullanıcıyı şeffaf bir şekilde takip etmeli ve sıfır etkileşim torkuyla sonuçlanmalıdır [12]. Ancak, hareket düzeltmesi gerektiğinde, dış iskelet denetleyicisi müdahale etmelidir. Bu müdahale, hareketi düzeltmek için etkileşim torkunda bir artış gerektiren bir çatışma yaratır. Ne kas çabası ne de etkileşim torkları tek başına yukarıda belirtilen koşulları ayırt edemez. Örneğin, kas çabasında bir artış,

insan-dış iskelet uyuşmazlığından [20], aynı zamanda insan kullanıcının yürüyüşe katıldığını ve dış iskelet yardımından ziyade motor kapasitesine güvendiğini de gösterebilir. Bu nedenle, bu gibi durumlarda farklı denetleyicileri karşılaştırmak için, kas çabasıyla birlikte etkileşim torku da dikkate alınmalıdır. Daha yüksek kas çabasıyla birleşen düşük seviyedeki etkileşim torku, fiziksel bir uyuşmazlığın olmadığını, dış iskeletin kullanıcıyı takip ettiğini ve kullanıcının minimum yardımla yürüdüğünü gösterir. Aksi takdirde, yüksek kas çabasıyla birlikte daha yüksek seviyedeki etkileşim torku, kullanıcının ve dış iskeletin aynı istenen hareket kalıplarını paylaşmadığını ve kontrol için mücadele ettiklerini gösterir [23]. Bu nedenle, bir denetleyicinin güç artırma veya rehabilitasyon uygulamaları için uygunluğunu belirlemek, kas çabasının ve etkileşim torkunun birlikte analizini gerektirir.