Optimizing Design and Control Methods for Using Collaborative Robots in Upper-Limb Rehabilitation

要約

この論文では、協調的なエンドエフェクター ソリューションに基づいた上肢用のロボット リハビリテーション システムの開発について取り上げます。
商用協働ロボットを使用すると、エンジニアリングの観点から最適化され、人間との安全な物理的相互作用が確保されるため、この作業に大きな利点がもたらされます。
ただし、市場で入手可能なサイズの範囲が限られていることや、主に産業用またはサービス アプリケーション向けの標準制御モードなど、顕著な欠点もあります。
これらの制限に対処するために、リハビリテーションタスクを実行する際に協働ロボットの能力を最大限に活用する最適化ベースの設計方法を提案します。
さらに、ロボットの動きを所定の経路に沿って制約するアドミタンス型仮想フィクスチャ法に基づく新しい制御アーキテクチャを導入します。
このアプローチにより、デモンストレーションによるプログラミングを通じて実行されるタスクの直感的な定義が可能になり、システムが受動的と能動的の両方で動作できるようになります。
パッシブモードでは、システムは追加の力でタスクの実行中に患者をサポートしますが、アクティブモードでは、制動力で動きに対抗します。
実験結果は、提案された方法の有効性を示しています。

要約(オリジナル)

In this paper, we address the development of a robotic rehabilitation system for the upper limbs based on collaborative end-effector solutions. The use of commercial collaborative robots offers significant advantages for this task, as they are optimized from an engineering perspective and ensure safe physical interaction with humans. However, they also come with noticeable drawbacks, such as the limited range of sizes available on the market and the standard control modes, which are primarily oriented towards industrial or service applications. To address these limitations, we propose an optimization-based design method to fully exploit the capability of the cobot in performing rehabilitation tasks. Additionally, we introduce a novel control architecture based on an admittance-type Virtual Fixture method, which constrains the motion of the robot along a prescribed path. This approach allows for an intuitive definition of the task to be performed via Programming by Demonstration and enables the system to operate both passively and actively. In passive mode, the system supports the patient during task execution with additional force, while in active mode, it opposes the motion with a braking force. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed method.

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