Development of a non-wearable support robot capable of reproducing natural standing-up movements

要約

自然なスタンディングアップの動きを再現するために、最近の研究は、支援ロボットと人間の間の調整の重要性を強調しています。
ただし、多くの耐えられない補助装置は、自然の動きの軌跡を複製するのに苦労しています。
ウェアラブルデバイスは人体とのより良い調整を提供しますが、機械的および電気的危険性を完全に分離する際の課題を提示します。
これに対処するために、ウェアラブルシステムと耐えられないシステムの両方の機能を統合する新しいスタンディングアシストロボットを開発し、安全性を維持しながら高い調整を実現することを目指しています。
このデバイスは、自然な立っている動き中に股関節のS字型の軌跡と膝のアーク軌道を再現するように設計された、ヒトの関節構造と整列した4リンクメカニズムを採用しています。
主題固有の軌道データはジャイロスコープを使用して取得され、リンクの長さは最適な経路に沿って座席を駆動するために決定されました。
ステッピングモーターを使用したフィードフォワード速度制御が実装され、軌道の再現性がメカニズムの幾何学的制約に基づいて評価されました。
さまざまな条件下で軌道精度を評価するために、シートに固定された重量を使用した負荷をかける実験が行われました。
結果は、股関節と膝の軌道の繁殖誤差が座席の総変位の約4％内に残り、ターゲットパスに対する高い忠実度を示していることを示しました。
さらに、耐久性テスト、熱安全評価、リスク評価により、屋内での使用のためのシステムの信頼性と安全性が確認されました。
これらの調査結果は、提案された設計が、高齢者のケアとリハビリテーションの潜在的なアプリケーションを備えた個々の身体的特性に適応する支援技術を開発するための有望なアプローチを提供することを示唆しています。

要約(オリジナル)

To reproduce natural standing-up motion, recent studies have emphasized the importance of coordination between the assisting robot and the human. However, many non-wearable assistive devices have struggled to replicate natural motion trajectories. While wearable devices offer better coordination with the human body, they present challenges in completely isolating mechanical and electrical hazards. To address this, we developed a novel standing-assist robot that integrates features of both wearable and non-wearable systems, aiming to achieve high coordination while maintaining safety. The device employs a four-link mechanism aligned with the human joint structure, designed to reproduce the S-shaped trajectory of the hip and the arc trajectory of the knee during natural standing-up motion. Subject-specific trajectory data were obtained using a gyroscope, and the link lengths were determined to drive the seat along the optimal path. A feedforward speed control using a stepping motor was implemented, and the reproducibility of the trajectory was evaluated based on the geometric constraints of the mechanism. A load-bearing experiment with weights fixed to the seat was conducted to assess the trajectory accuracy under different conditions. Results showed that the reproduction errors for the hip and knee trajectories remained within approximately 4 percent of the seat’s total displacement, demonstrating high fidelity to the target paths. In addition, durability testing, thermal safety evaluation, and risk assessment confirmed the reliability and safety of the system for indoor use. These findings suggest that the proposed design offers a promising approach for developing assistive technologies that adapt to individual physical characteristics, with potential applications in elderly care and rehabilitation.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google