Design and Control of a Low-cost Non-backdrivable End-effector Upper Limb Rehabilitation Device

要約

この論文では、理学療法中の任意の 2 次元軌道に沿って補助または抵抗を提供する、脳卒中患者のための上肢エンドエフェクター ベースのリハビリテーション デバイスの開発について説明します。
バックドライブ不可のボールねじ駆動機構を採用し、制御精度を高めています。
この制御システムには 3 つの新しいアルゴリズムが搭載されています。まず、暗黙的オイラー速度制御アルゴリズム (IEVC) は、動作制限制御における最先端の精度、安定性、効率性、汎用性が特徴です。
2 つ目は、バックドライブ不可能なエンドエフェクターとのスムーズで自然な人間のインタラクションを実現する Admittance Virtual Dynamics シミュレーション アルゴリズムです。
3 番目に、一般化されたインピーダンス力計算アルゴリズムにより、あらゆる軌道または領域境界での効率的なインピーダンス制御が可能になります。
実験による検証により、さまざまな軌道や構成にわたる正確なエンドエフェクター位置制御におけるシステムの有効性が実証されました。
提案された上肢エンドエフェクターベースのリハビリテーション装置は、その高い性能と適応性を備えており、広範な臨床応用に大きな期待があり、脳卒中患者のリハビリテーション結果を改善する可能性があります。

要約(オリジナル)

This paper presents the development of an upper limb end-effector based rehabilitation device for stroke patients, offering assistance or resistance along any 2-dimensional trajectory during physical therapy. It employs a non-backdrivable ball-screw-driven mechanism for enhanced control accuracy. The control system features three novel algorithms: First, the Implicit Euler velocity control algorithm (IEVC) highlighted for its state-of-the-art accuracy, stability, efficiency and generalizability in motion restriction control. Second, an Admittance Virtual Dynamics simulation algorithm that achieves a smooth and natural human interaction with the non-backdrivable end-effector. Third, a generalized impedance force calculation algorithm allowing efficient impedance control on any trajectory or area boundary. Experimental validation demonstrated the system’s effectiveness in accurate end-effector position control across various trajectories and configurations. The proposed upper limb end-effector-based rehabilitation device, with its high performance and adaptability, holds significant promise for extensive clinical application, potentially improving rehabilitation outcomes for stroke patients.

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