Human sit-to-stand transfer modeling towards intuitive and biologically-inspired robot assistance

© 2016, Springer Science+Business Media New York. Sit-to-stand (STS) transfers are a common human task which involves complex sensorimotor processes to control the highly nonlinear musculoskeletal system. In this paper, typical unassisted and assisted human STS transfers are formulated as optimal feedback control problem that finds a compromise between task end-point accuracy, human balance, energy consumption, smoothness of motion and control and takes further human biomechanical control constraints into account. Differential dynamic programming is employed, which allows taking the full, nonlinear human dynamics into consideration. The biomechanical dynamics of the human is modeled by a six link rigid body including leg, trunk and arm segments. Accuracy of the proposed modelling approach is evaluated for different human healthy and patient/elderly subjects by comparing simulations and experimentally collected data. Acceptable model accuracy is achieved with a generic set of constant weights that prioritize the different criteria. Finally, the proposed STS model is used to determine optimal assistive strategies suitable for either a person with specific body segment weakness or a more general weakness. These strategies are implemented on a robotic mobility assistant and are intensively evaluated by 33 elderlies, mostly not able to perform unassisted STS transfers. The validation results show a promising STS transfer success rate and overall user satisfaction

Comfort-Centered Design of a Lightweight and Backdrivable Knee Exoskeleton

This paper presents design principles for comfort-centered wearable robots and their application in a lightweight and backdrivable knee exoskeleton. The mitigation of discomfort is treated as mechanical design and control issues and three solutions are proposed in this paper: 1) a new wearable structure optimizes the strap attachment configuration and suit layout to ameliorate excessive shear forces of conventional wearable structure design; 2) rolling knee joint and double-hinge mechanisms reduce the misalignment in the sagittal and frontal plane, without increasing the mechanical complexity and inertia, respectively; 3) a low impedance mechanical transmission reduces the reflected inertia and damping of the actuator to human, thus the exoskeleton is highly-backdrivable. Kinematic simulations demonstrate that misalignment between the robot joint and knee joint can be reduced by 74% at maximum knee flexion. In experiments, the exoskeleton in the unpowered mode exhibits 1.03 Nm root mean square (RMS) low resistive torque. The torque control experiments demonstrate 0.31 Nm RMS torque tracking error in three human subjects.Comment: 8 pages, 16figures, Journa

Tele-impedance based assistive control for a compliant knee exoskeleton

This paper presents a tele-impedance based assistive control scheme for a knee exoskeleton device. The proposed controller captures the user’s intent to generate task-related assistive torques by means of the exoskeleton in different phases of the subject’s normal activity. To do so, a detailed musculoskeletal model of the human knee is developed and experimentally calibrated to best match the user’s kinematic and dynamic behavior. Three dominant antagonistic muscle pairs are used in our model, in which electromyography (EMG) signals are acquired, processed and used for the estimation of the knee joint torque, trajectory and the stiffness trend, in real time. The estimated stiffness trend is then scaled and mapped to a task-related stiffness interval to agree with the desired degree of assistance. The desired stiffness and equilibrium trajectories are then tracked by the exoskeleton’s impedance controller. As a consequence, while minimum muscular activity corresponds to low stiffness, i.e. highly transparent motion, higher co-contractions result in a stiffer joint and a greater level of assistance. To evaluate the robustness of the proposed technique, a study of the dynamics of the human–exoskeleton system is conducted, while the stability in the steady state and transient condition is investigated. In addition, experimental results of standing-up and sitting-down tasks are demonstrated to further investigate the capabilities of the controller. The results indicate that the compliant knee exoskeleton, incorporating the proposed tele-impedance controller, can effectively generate assistive actions that are volitionally and intuitively controlled by the user’s muscle activity

Personal Mobility With Synchronous Trunk-Knee Passive Exoskeleton: Optimizing Human-Robot Energy Transfer

We present a personal mobility device for lower-body impaired users through a light-weighted exoskeleton on wheels. On its core, a novel passive exoskeleton provides postural transition leveraging natural body postures with support to the trunk on sit-to-stand and stand-to-sit (STS) transitions by a single gas spring as an energy storage unit. We propose a direction-dependent coupling of knees and hip joints through a double-pulley wire system, transferring energy from the torso motion towards balancing the moment load at the knee joint actuator. Herewith, the exoskeleton maximizes energy transfer and the naturalness of the user's movement. We introduce an embodied user interface for hands-free navigation through a torso pressure sensing with minimal trunk rotations, resulting on average $19^{\circ} \pm 13^{\circ}$ on six unimpaired users. We evaluated the design for STS assistance on 11 unimpaired users observing motions and muscle activity during the transitions. Results comparing assisted and unassisted STS transitions validated a significant reduction (up to $68\%$ $p<0.01$) at the involved muscle groups. Moreover, we showed it feasible through natural torso leaning movements of $+12^{\circ}\pm 6.5^{\circ}$ and $- 13.7^{\circ} \pm 6.1^{\circ}$ for standing and sitting, respectively. Passive postural transition assistance warrants further work on increasing its applicability and broadening the user population.Comment: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2022. 11 pages. doi: 10.1109/TMECH.2021.313545

Human-robot interaction for assistive robotics

This dissertation presents an in-depth study of human-robot interaction (HRI) withapplication to assistive robotics. In various studies, dexterous in-hand manipulation is included, assistive robots for Sit-To-stand (STS) assistance along with the human intention estimation. In Chapter 1, the background and issues of HRI are explicitly discussed. In Chapter 2, the literature review introduces the recent state-of-the-art research on HRI, such as physical Human-Robot Interaction (HRI), robot STS assistance, dexterous in hand manipulation and human intention estimation. In Chapter 3, various models and control algorithms are described in detail. Chapter 4 introduces the research equipment. Chapter 5 presents innovative theories and implementations of HRI in assistive robotics, including a general methodology of robotic assistance from the human perspective, novel hardware design, robotic sit-to-stand (STS) assistance, human intention estimation, and control

A systematic review of study results reported for the evaluation of robotic rollators from the perspective of users

© 2017 Informa UK Limited, trading as Taylor & Francis Group. Purpose: To evaluate the effectiveness and perception of robotic rollators (RRs) from the perspective of users. Methods: Studies identified in a previous systematic review published on 2016 on the methodology of studies evaluating RRs by the user perspective were re-screened for eligibility based on the following inclusion criteria: evaluation of the human–robot interaction from the user perspective, use of standardized outcome measurements, and quantitative presentation of study results. Results: Seventeen studies were eligible for inclusion. Due to the clinical and methodological heterogeneity across studies, a narrative synthesis of study results was conducted. We found conflicting results concerning the effectiveness of the robotic functionalities of the RRs. Only a few studies reported superior user performance or reduced physical demands with the RRs compared to unassisted conditions or conventional assistive mobility devices; however, without providing statistical evidence. The user perception of the RRs was found to be generally positive. Conclusions: There is still no sufficient evidence on the effectiveness of RRs from the user perspective. More well-designed, high-quality studies with adequate study populations, larger sample sizes, appropriate assessment strategies with outcomes specifically tailored to the robotic functionalities, and statistical analyses of results are required to evaluate RRs at a higher level of evidence.Implications for Rehabilitation RRs cover intelligent functionalities that focus on gait assistance, obstacle avoidance, navigation assistance, sit-to-stand transfer, body weight support or fall prevention. The evaluation from the user perspective is essential to ensure that RRs effectively address users’ needs, requirements and preferences. The evidence on the effectiveness of RRs is severely hampered by the low methodological quality of most of the available studies. RRs seem generally to be perceived as positive by the users. There is very limited evidence on the effectiveness and benefits of RRs compared to conventional assistive mobility devices. Further research with high methodological quality needs to be conducted to reach more robust conclusions about the effectiveness of RRs

Nutzerorientierte Evaluation zweier altersgerechter Assistenzroboter zur Unterstützung von Alltagsaktivitäten („Ambient Assisted Living-Roboter“) bei älteren Menschen mit funktionellen Einschränkungen: MOBOT-Rollator und I-SUPPORT-Duschroboter

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die nutzerorientierte Evaluation zweier Prototypen für altersgerechte Assistenzroboter zur Unterstützung von Alltagsaktivitäten („Ambient Assisted Living“ [AAL]-Roboter) bei älteren Menschen mit funktionellen Einschränkungen. Bei den Prototypen handelt es sich dabei um (1) einen robotergestützten Rollator zur Unterstützung der Mobilität (MOBOT) und (2) einen Assistenzroboter zur Unterstützung von Duschaktivitäten (I-SUPPORT). Manuskript I dokumentiert eine systematische Literaturanalyse des methodischen Vorgehens bisheriger Studien zur Evaluation robotergestützter Rollatoren aus der Nutzerperspektive. Die meisten Studien zeigen erhebliche methodische Mängel, wie unzureichende Stichprobengrößen/-beschreibungen; Teilnehmer nicht repräsentativ für die Nutzergruppe der robotergestützten Rollatoren; keine geeigneten, standardisierten und validierten Assessmentmethoden und/oder keine Inferenzstatistik. Ein generisches methodisches Vorgehen für die Evaluation robotergestützter Rollatoren konnte nicht identifiziert werden. Für die Konzeption und Durchführung zukünftiger Studien zur Evaluation robotergestützter Rollatoren, aber auch anderer AAL-Systeme werden in Manuskript I abschließend Handlungsempfehlungen formuliert. Manuskript II analysiert die Untersuchungsergebnisse der in Manuskript I identifizierten Studien. Es zeigen sich sehr heterogene Ergebnisse hinsichtlich des Mehrwerts der innovativen Assistenzfunktionen von robotergestützten Rollatoren. Im Allgemeinen werden sie jedoch als positiv von den Nutzern wahrgenommen. Die große Heterogenität und methodischen Mängel der Studien schränken die Interpretierbarkeit ihre Untersuchungsergebnisse stark ein. Insgesamt verdeutlicht Manuskript II, dass die Evidenz zur Effektivität und positiven Wahrnehmung robotergestützter Rollatoren aus der Nutzerperspektive noch unzureichend ist. Basierend auf den Erkenntnissen und Handlungsempfehlungen der systematischen Literaturanalysen aus Manuskript I und II wurden die nutzerorientierten Evaluationsstudien des MOBOT-Rollators konzipiert und durchgeführt (Manuskript III-VI). Manuskript III überprüft die Effektivität des in den MOBOT-Rollator integrierten Navigationssystems bei potentiellen Nutzern (= ältere Personen mit Gangstörungen bzw. Rollator als Gehhilfe im Alltag). Es liefert erstmals einen statistischen Nachweis dafür, dass eine solche Assistenzfunktion effektiv ist, um die Navigationsleistung der Nutzer (z. B. geringer Stoppzeit, kürzere Wegstrecke) – insbesondere derjenigen mit kognitiven Einschränkungen – in einem realitätsnahen Anwendungsszenario zu verbessern. Manuskript IV untersucht die konkurrente Validität des MOBOT-integrierten Ganganalysesystems bei potentiellen Nutzern. Im Vergleich zu einem etablierten Referenzstandard (GAITRite®-System) zeigt es eine hohe konkurrente Validität für die Erfassung zeitlicher, nicht jedoch raumbezogener Gangparameter. Diese können zwar ebenfalls mit hoher Konsistenz gemessen werden, aber lediglich mit einer begrenzten absoluten Genauigkeit. Manuskript V umfasst die nutzerorientierte Evaluation der im MOBOT-Rollator integrierten Assistenzfunktion zur Hindernisvermeidung und belegt erstmals die Effektivität einer solchen Funktionen bei potentiellen Nutzern. Unter Verwendung des für den MOBOT-Rollator neu entwickelten technischen Ansatzes für die Hindernisvermeidung zeigten die Teilnehmer signifikante Verbesserungen bei der Bewältigung eines Hindernisparcours (weniger Kollisionen und geringere Annäherungsgeschwindigkeit an die Hindernisse). Manuskript VI dokumentiert die Effektivität und Zufriedenheit mit der Aufstehhilfe des MOBOT-Rollators von potentiellen Nutzern. Es wird gezeigt, dass die Erfolgsrate für den Sitzen-Stehen-Transfer älterer Personen mit motorischen Einschränkungen durch die Aufstehhilfe signifikant verbessert werden kann. Die Ergebnisse belegen zudem eine hohe Nutzerzufriedenheit mit dieser Assistenzfunktion, insbesondere bei Personen mit höherem Body-Mass-Index. Manuskript VII untersucht die Mensch-Roboter-Interaktion zwischen dem I-SUPPORT-Duschroboter und seiner potentiellen Nutzer (= ältere Personen mit Problemen bei Baden/Duschen) und überprüft deren Effektivität sowie Zufriedenheit mit drei unterschiedlich autonomen Betriebsmodi. Die Studienergebnisse dokumentieren, dass sich mit zunehmender Kontrolle des Nutzers (= abnehmende Autonomie des Duschroboters) nicht nur die Effektivität für das Abduschen eines definierten Körperbereichs verringert, sondern auch die Nutzerzufriedenheit sinkt. Manuskript VIII umfasst die Evaluation eines spezifischen Nutzertrainings auf die gestenbasierte Mensch-Roboter-Interaktion mit dem I-SUPPORT-Duschroboter. Es wird gezeigt, dass ein solches Training die Ausführung der Gesten potentieller Nutzer und sowie die Gestenerkennungsrate des Duschroboters signifikant verbessern, was insgesamt auf eine optimierte Mensch-Roboter-Interaktion in Folge des Trainings schließen lässt. Teilnehmer mit der schlechtesten Ausgangsleistung in der Ausführung der Gesten und mit der größten Angst vor Technologien profitierten am meisten vom Nutzertraining. Insgesamt belegen die Studienergebnisse zur nutzerorientierten Evaluation des MOBOT-Rollators die Effektivität und Gültigkeit seiner innovativen Teilfunktionen. Sie weisen auf ein hohes Potential der Assistenzfunktionen (Navigationssystem, Hindernisvermeidung, Aufstehhilfe) zur Verbesserung der Mobilität älterer Menschen mit motorischen Einschränkungen hin. Vor dem Hintergrund der methodischen Mängel und unzureichenden evidenzbasierten Datenlage hierzu, liefert diese Dissertationsschrift erstmals statistische Belege für den Mehrwert solcher Teilfunktionen bei potentiellen Nutzern und leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Schließung der bisherigen Forschungslücke hinsichtlich des nutzerorientierten Wirksamkeits- und Gültigkeitsnachweises robotergestützter Rollatoren und ihrer innovativen Teilfunktionen. Die Ergebnisse der Studien des I-SUPPORT-Duschroboters liefern wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Mensch-Roboter-Interaktion im höheren Alter. Sie zeigen, dass bei älteren Nutzern für eine effektive Interaktion Betriebsmodi mit einem hohen Maß an Autonomie des Duschroboters notwendig sind. Trotz ihrer eingeschränkten Kontrolle über den Roboter, waren die Nutzer mit dem autonomsten Betriebsmodus sogar am zufriedensten. Darüber hinaus unterstreichen die Ergebnisse hinsichtlich der gestenbasierten Interaktion mit dem I-SUPPORT-Duschroboter, dass zukünftige Entwicklungen von altersgerechten Assistenzrobotern mit gestenbasierter Interaktion nicht nur die Verbesserungen technischer Aspekte, sondern auch die Sicherstellung und Verbesserungen der Qualität der Nutzergesten für die Mensch-Roboter-Interaktion durch geeignete Trainings- oder Schulungsmaßnahmen berücksichtigen sollten. Das vorgestellte Nutzertraining könnte hierfür ein mögliches Modell darstellen