A Teleoperation System with Impedance Control and Disturbance Observer for Robot-Assisted Rehabilitation

要約

身体運動療法は、神経疾患や事故による運動機能障害に直面している患者の可動性を回復することを目的とした重要なリハビリテーション方法です。
このような治療法は通常、患者ごとに異なり、反復的で多大な労力を要するという特徴があります。
セラピストが患者と協力して反復的な身体トレーニングを行う従来の方法では、このような特徴があるため、大変な労力を要します。
ロボットシステムでセラピストを支援するロボット支援リハビリテーションの概念は、かなりの人気を得ています。
ただし、このようなシステムの構築には、多様なタスクの要求、動的モデルの不確実性、安全性の問題などの課題が伴います。
これらの懸念に対処するために、本論文ではリハビリテーションのための双方向遠隔操作システムを提案しました。
システムの制御スキームは、インピーダンス制御と外乱オブザーバーの統合フレームワークとして設計されており、前者は力センサーを必要とせずに準拠した人間とロボットの相互作用を保証でき、後者は大まかに特定された動的モデルのみが存在する場合でも動的不確実性を補償できます。
利用可能。
さらに、このスキームにより、追跡タスクと物理的な人間とロボットの相互作用 (pHRI) の間の自由な切り替えが可能になります。
提示されたシステムは、さまざまなニーズに適応できる、さまざまなパターンで事前に定義されたさまざまな軌道を実行できます。
さらに、システムはセラピストのデモンストレーションをキャプチャし、必要に応じて何度でも再生できます。
遠隔操作システムの有効性は実験的に評価され、実証されています。

要約(オリジナル)

Physical movement therapy is a crucial method of rehabilitation aimed at reinstating mobility among patients facing motor dysfunction due to neurological conditions or accidents. Such therapy is usually featured as patient-specific, repetitive, and labor-intensive. The conventional method, where therapists collaborate with patients to conduct repetitive physical training, proves strenuous due to these characteristics. The concept of robot-assisted rehabilitation, assisting therapists with robotic systems, has gained substantial popularity. However, building such systems presents challenges, such as diverse task demands, uncertainties in dynamic models, and safety issues. To address these concerns, in this paper, we proposed a bilateral teleoperation system for rehabilitation. The control scheme of the system is designed as an integrated framework of impedance control and disturbance observer where the former can ensure compliant human-robot interaction without the need for force sensors while the latter can compensate for dynamic uncertainties when only a roughly identified dynamic model is available. Furthermore, the scheme allows free switching between tracking tasks and physical human-robot interaction (pHRI). The presented system can execute a wide array of pre-defined trajectories with varying patterns, adaptable to diverse needs. Moreover, the system can capture therapists’ demonstrations, replaying them as many times as necessary. The effectiveness of the teleoperation system is experimentally evaluated and demonstrated.

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