[論文レビュー] Spine-Inspired Continuum Soft Exoskeleton for Stoop Lifting Assistance

Xiaolong Yang, Tzu-Hao Huang+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2019

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、人体の脊椎にインspiredされた連続的ソフト外骨格を提示しており、体幹に密着して支持することで、かがみ上げやスクワット上げの際の腰椎間板圧縮力、せん断力、筋肉力の低減を実現する、目立たない多動作用の補助を提供する。ボーデンケーブル駆動のソフトアクチュエータと仮想インピーダンス制御を用いることで、正確な力追従性（RMS誤差6.63 N）と可変剛性を達成し、多様な姿勢において脊椎への負荷低減の可能性を示した。

ABSTRACT

Back injuries are the most prevalent work-related musculoskeletal disorders and represent a major cause of disability. Although innovations in wearable robots aim to alleviate this hazard, the majority of existing exoskeletons are obtrusive because the rigid linkage design limits natural movement, thus causing ergonomic risk. Moreover, these existing systems are typically only suitable for one type of movement assistance, not ubiquitous for a wide variety of activities. To fill in this gap, this paper presents a new wearable robot design approach continuum soft exoskeleton. This spine-inspired wearable robot is unobtrusive and assists both squat and stoops while not impeding walking motion. To tackle the challenge of the unique anatomy of spine that is inappropriate to be simplified as a single degree of freedom joint, our robot is conformal to human anatomy and it can reduce multiple types of forces along the human spine such as the spinae muscle force, shear, and compression force of the lumbar vertebrae. We derived kinematics and kinetics models of this mechanism and established an analytical biomechanics model of human-robot interaction. Quantitative analysis of disc compression force, disc shear force and muscle force was performed in simulation. We further developed a virtual impedance control strategy to deliver force control and compensate hysteresis of Bowden cable transmission. The feasibility of the prototype was experimentally tested on three healthy subjects. The root mean square error of force tracking is 6.63 N (3.3 % of the 200N peak force) and it demonstrated that it can actively control the stiffness to the desired value. This continuum soft exoskeleton represents a feasible solution with the potential to reduce back pain for multiple activities and multiple forces along the human spine.

研究の動機と目的

• 反復的 lifted 作業に起因する職業関連の腰痛の高発症率に対処すること。
• 自然な運動を制限し、単一の運動補助に限定される剛性外骨格の限界を克服すること。
• 複数の脊椎力（圧縮、せん断、筋肉力）を同時に低減する、ソフトで密着性のあるウェアラブルロボットを設計すること。
• 歩行運動を妨げないよう、かがみ上げとスクワット上げの両方の補助を可能にすること。
• ケーブルのヒステリシスを補償し、正確で可変剛性の制御戦略を開発すること。

提案手法

• 人体の脊椎の解剖学的構造にインスパイアされた連続的ソフト外骨格を設計し、密着接触と力分布を確保する。
• ソフト外骨格の運動学的・力学的特性をモデル化し、人間-ロボット相互作用力の分析を行う。
• 腰椎間板圧縮力、せん断力、筋肉力の低減を定量化するための解析的バイオメカニクスモデルを開発する。
• 力出力を制御し、ボーデンケーブルのヒステリシスを補償するための仮想インピーダンス制御戦略を実装する。
• リアルタイムでの剛性調整が可能なケーブル駆動のソフトアクチュエーターシステムを用い、所望の機械的インピーダンスに一致させる。
• 3名の健康な被験者を対象に、制御された上げ下ろし条件下でプロトタイプの実験的検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフト外骨格は、かがみ上げの際の腰椎間板圧縮力に対して、実際に効果的に低減できるか？
• RQ2 連続的ソフト外骨格は、動的上げ下ろし作業の際、腰椎におけるせん断力および筋肉力の低減にどの程度効果を示すか？
• RQ3 仮想インピーダンス制御は、ボーデンケーブル伝達のヒステリシスをどの程度補償でき、正確な力供給を可能にするか？
• RQ4 外骨格は、かがみ上げとスクワット上げの両方の運動を補助しつつ、目立たない動作を維持できるか？
• RQ5 非挙上活動時において、ソフト外骨格は自然な歩行力学を保持できるか？

主な発見

• 力追従性のルート・マン・スクエア（RMS）誤差は6.63 Nであり、200 Nのピーク力の3.3％に相当し、高い制御精度を示した。
• プロトタイプは、模擬挙上作業において、間接的圧縮力、せん断力、腰椎筋肉力の両方を効果的に低減した。
• 仮想インピーダンス制御戦略は、ケーブルのヒステリシスを効果的に補償し、安定的かつ正確な力供給を可能にした。
• システムは能動的剛性制御を示し、異なる挙上姿勢およびユーザーのニーズに適応可能であった。
• 3名の健康な被験者を用いた実験的検証により、実世界における挙上補助に向けた設計の妥当性が確認された。
• ソフト外骨格は歩行運動を妨げず、非挙上活動時においても自然な歩行を維持した。