Enhancing Prosthetic Safety and Environmental Adaptability: A Visual-Inertial Prosthesis Motion Estimation Approach on Uneven Terrains

要約

電動義足を装着した切断患者が階段や障害物などの平らでない地形を越える際の歩行の安全性と安定性を高めるには、環境への意識が非常に重要です。
しかし、義足用の既存の環境認識システムは、地形の種類と対応するパラメータのみを提供するため、平坦でない地形を横断する際の潜在的な衝突を防ぐことができず、転倒やその他の重大な結果につながる可能性があります。
この論文では、義足がその動きと、義足と平坦でない地形を横断する際の空間関係の変化を認識するための視覚慣性運動推定アプローチを提案します。
これを実現するために、深度カメラを利用して環境を認識し、階段や障害物から抽出した特徴点を位置合わせすることで膝の動きを推定します。
その後、エラー状態カルマン フィルターが組み込まれて慣性データを視覚的な推定に融合し、特徴抽出エラーを削減し、よりロバストな推定を取得します。
義足の関節と足の指の動きは、義足のモデル パラメーターを使用して導出されます。
収集したデータセットと電動義足を使った階段歩行試験で実施した実験では、提案された方法が足指軌道の平均二乗平均平方根誤差が 5 cm 未満で人間の脚と義足の動きを正確に追跡できることが示されました。
提案された手法により、義足の環境適応制御が可能となり、不整地における切断者の安全性と移動性が向上すると期待されています。

要約(オリジナル)

Environment awareness is crucial for enhancing walking safety and stability of amputee wearing powered prosthesis when crossing uneven terrains such as stairs and obstacles. However, existing environmental perception systems for prosthesis only provide terrain types and corresponding parameters, which fails to prevent potential collisions when crossing uneven terrains and may lead to falls and other severe consequences. In this paper, a visual-inertial motion estimation approach is proposed for prosthesis to perceive its movement and the changes of spatial relationship between the prosthesis and uneven terrain when traversing them. To achieve this, we estimate the knee motion by utilizing a depth camera to perceive the environment and align feature points extracted from stairs and obstacles. Subsequently, an error-state Kalman filter is incorporated to fuse the inertial data into visual estimations to reduce the feature extraction error and obtain a more robust estimation. The motion of prosthetic joint and toe are derived using the prosthesis model parameters. Experiment conducted on our collected dataset and stair walking trials with a powered prosthesis shows that the proposed method can accurately tracking the motion of the human leg and prosthesis with an average root-mean-square error of toe trajectory less than 5 cm. The proposed method is expected to enable the environmental adaptive control for prosthesis, thereby enhancing amputee’s safety and mobility in uneven terrains.

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