Ankle Exoskeletons in Walking and Load-Carrying Tasks: Insights into Biomechanics and Human-Robot Interaction

要約

背景：下肢の外骨格は生活の質を高めることができますが、適応型およびパーソナライズされた制御戦略を開発するために不可欠な生体力学的および人間とロボットの相互作用効果を評価するためのフレームワークの欠如により、広範な採用が制限されます。
運動学、筋肉の活動、およびHRIダイナミクスへの影響を理解することは、ウェアラブルロボットの使いやすさを改善するための鍵です。
目的：体系的な方法論を提案し、ジョイントキネマティクス、筋肉の活動、およびHRIトルク信号に焦点を当てた、歩行と荷重運動中の人間の動きに対する足首の外骨格の影響を評価します。
材料と方法：XSENS MVN（慣性モーションキャプチャ）、Delsys EMG、および一方的な外骨格を使用して、3つの実験を実施しました。
（2）歩行分析（2人の被験者、パッシブ/アクティブモード）;
（3）支援に基づく負荷荷電。
結果と結論：最初の実験では、HRIセンサーが自発的トルクと不随意の両方のトルクを捕獲し、方向性のトルクの洞察を提供したことが確認されました。
2番目の実験では、デバイスがわずかに足首の可動域（ROM）を制限しているが、すべての支援モードで通常の歩行パターンをサポートすることを示しました。
外骨格は、特にアクティブモードでの筋肉の活動を減少させました。
HRIトルクは歩行相によって異なり、同期の減少を強調し、サポートの改善の必要性を示唆しています。
3番目の実験では、荷重運搬がGMとTAの筋肉の活動を増加させることが明らかになりましたが、このデバイスは、アシストされていないウォーキングと比較して筋肉の活動を減らすことにより、ユーザーの努力を部分的に軽減しました。
HRIは荷重運搬中に増加し、ユーザーデバイスのダイナミクスに関する洞察を提供しました。
これらの結果は、外骨格のバイオメカニクスとHRIに関する将来の研究のフレームワークを提供しながら、特定のデバイスとユーザーに外骨格評価方法を調整することの重要性を示しています。

要約(オリジナル)

Background: Lower limb exoskeletons can enhance quality of life, but widespread adoption is limited by the lack of frameworks to assess their biomechanical and human-robot interaction effects, which are essential for developing adaptive and personalized control strategies. Understanding impacts on kinematics, muscle activity, and HRI dynamics is key to achieve improved usability of wearable robots. Objectives: We propose a systematic methodology evaluate an ankle exoskeleton’s effects on human movement during walking and load-carrying (10 kg front pack), focusing on joint kinematics, muscle activity, and HRI torque signals. Materials and Methods: Using Xsens MVN (inertial motion capture), Delsys EMG, and a unilateral exoskeleton, three experiments were conducted: (1) isolated dorsiflexion/plantarflexion; (2) gait analysis (two subjects, passive/active modes); and (3) load-carrying under assistance. Results and Conclusions: The first experiment confirmed that the HRI sensor captured both voluntary and involuntary torques, providing directional torque insights. The second experiment showed that the device slightly restricted ankle range of motion (RoM) but supported normal gait patterns across all assistance modes. The exoskeleton reduced muscle activity, particularly in active mode. HRI torque varied according to gait phases and highlighted reduced synchronization, suggesting a need for improved support. The third experiment revealed that load-carrying increased GM and TA muscle activity, but the device partially mitigated user effort by reducing muscle activity compared to unassisted walking. HRI increased during load-carrying, providing insights into user-device dynamics. These results demonstrate the importance of tailoring exoskeleton evaluation methods to specific devices and users, while offering a framework for future studies on exoskeleton biomechanics and HRI.

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