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

要約

本稿では脳卒中患者向けに開発された上肢エンドエフェクターリハビリテーション装置「GARD」について紹介する。
GARD は、理学療法セッション中に 2D 軌道に沿って、または 2D 軌道に向かって補助力を提供します。
GARD は、新しいモーター速度制御ベースのアルゴリズムを備えた非バックドライブ機構を採用しており、優れた制御精度と安定性を実現します。
私たちの知る限り、この革新的な技術的ルートは、リハビリテーションロボット工学においてこれまで検討されていませんでした。
新しい設計に合わせて、GARD は 2 つの新しい制御アルゴリズム、つまり、暗黙的オイラー速度制御 (IEVC) アルゴリズムと一般化されたインピーダンス制御アルゴリズムを備えています。
これらのアルゴリズムは、任意の軌道に対して O(n) の実行時の複雑さを実現します。
このシステムは、軌道追従タスクでは平均絶対誤差が 0.023 mm、軌道が制限された自由移動タスクでは 0.14 mm であることが実証されました。
提案された上肢リハビリテーション装置は、既存の市販装置のすべての機能を優れた性能で提供します。
さらに、GARD は、エリア制限された自由移動や動的なモーション制限マップのインタラクションなどの独自の機能を提供します。
このデバイスは臨床で広く使用される可能性が高く、脳卒中患者のリハビリテーションの成果を向上させる可能性があります。

要約(オリジナル)

This paper presents GARD, an upper limb end-effector rehabilitation device developed for stroke patients. GARD offers assistance force along or towards a 2D trajectory during physical therapy sessions. GARD employs a non-backdrivable mechanism with novel motor velocity-control-based algorithms, which offers superior control precision and stability. To our knowledge, this innovative technical route has not been previously explored in rehabilitation robotics. In alignment with the new design, GARD features two novel control algorithms: Implicit Euler Velocity Control (IEVC) algorithm and a generalized impedance control algorithm. These algorithms achieve O(n) runtime complexity for any arbitrary trajectory. The system has demonstrated a mean absolute error of 0.023mm in trajectory-following tasks and 0.14mm in trajectory-restricted free moving tasks. The proposed upper limb rehabilitation device offers all the functionalities of existing commercial devices with superior performance. Additionally, GARD provides unique functionalities such as area-restricted free moving and dynamic Motion Restriction Map interaction. This device holds strong potential for widespread clinical use, potentially improving rehabilitation outcomes for stroke patients.

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