Virtual Physical Coupling of Two Lower-Limb Exoskeletons

要約

個人間の物理的な相互作用は、共有タスク中の人間の運動学習とパフォーマンスに重要な役割を果たします。
研究者らは、ロボットデバイスを使用して、主に上肢に焦点を当てた二項触覚相互作用の効果を研究してきました。
複数の個人の下肢間の物理的相互作用を可能にするインフラストラクチャを開発することにより、これまでの研究を拡張し、新しい二者関係の下肢リハビリテーション計画の調査を促進することができます。
私たちは、2 人のユーザーが多関節の下肢外骨格で歩行しているときに、そのユーザー間の触覚インタラクションをレンダリングするシステムを設計しました。
具体的には、ユーザーの運動学と仮想カップリングの特性に基づいて、望ましい相互作用トルクが個々の下肢外骨格に指令されるインフラストラクチャを開発しました。
このパイロット研究では、さまざまな触覚特性 (例: ソフトとハード)、さまざまな触覚接続タイプ (例: 双方向と一方向)、および関節空間とタスク空間で表現される接続をレンダリングするプラットフォームの能力を実証しました。
触覚接続により、ダイアドは同期した動きを生成し、仮想剛性が増加するにつれて関節角度の差が減少しました。
これは、下肢の外骨格間で多関節の二項触覚相互作用が生成される最初の研究です。
このプラットフォームは、歩行リハビリテーションのための複雑で有意義なタスクである歩行中の運動学習とタスクパフォ​​ーマンスに対する触覚インタラクションの影響を調査するために使用されます。

要約(オリジナル)

Physical interaction between individuals plays an important role in human motor learning and performance during shared tasks. Using robotic devices, researchers have studied the effects of dyadic haptic interaction mostly focusing on the upper-limb. Developing infrastructure that enables physical interactions between multiple individuals’ lower limbs can extend the previous work and facilitate investigation of new dyadic lower-limb rehabilitation schemes. We designed a system to render haptic interactions between two users while they walk in multi-joint lower-limb exoskeletons. Specifically, we developed an infrastructure where desired interaction torques are commanded to the individual lower-limb exoskeletons based on the users’ kinematics and the properties of the virtual coupling. In this pilot study, we demonstrated the capacity of the platform to render different haptic properties (e.g., soft and hard), different haptic connection types (e.g., bidirectional and unidirectional), and connections expressed in joint space and in task space. With haptic connection, dyads generated synchronized movement, and the difference between joint angles decreased as the virtual stiffness increased. This is the first study where multi-joint dyadic haptic interactions are created between lower-limb exoskeletons. This platform will be used to investigate effects of haptic interaction on motor learning and task performance during walking, a complex and meaningful task for gait rehabilitation.

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