Multimodal Human–Robot Interaction for Walker-Assisted Gait

Abstract

Human mobility is affected by different types of pathologies and also decreases gradually with age. In this context, Smart Walkers may offer important benefits for human assisted-gait in rehabilitation and functional compensation scenarios. This paper proposes a new interaction strategy for human-walker cooperation. The presented strategy is based on the acquisition of human gait parameters by means of data fusion from inertial measurement units and a laser range finder. This paper includes the mathematical formulation of the controller, simulations, and practical experimentation of the interaction strategy, in order to show the performance of the control system, including the parameter detection methodology. In the experimental study, despite the continuous oscillation during the walking, the parameter estimation was suitable for assisted ambulation, showing an appropriate adaptive behavior with changes in human linear velocity. Finally, the controller keeps the walker continuously following in front of the human gait, and it is shown how the walker orientation follows the human orientation during the real experiments.

La movilidad humana se ve afectada por diferentes tipos de patologías y también disminuye paulatinamente con la edad. En este contexto, los Smart Walkers pueden ofrecer importantes beneficios para la marcha asistida por humanos en escenarios de rehabilitación y compensación funcional. Este artículo propone una nueva estrategia de interacción para la cooperación entre humanos y caminantes. La estrategia presentada se basa en la adquisición de parámetros de la marcha humana mediante la fusión de datos de unidades de medición inerciales y un telémetro láser. Este trabajo incluye la formulación matemática del controlador, simulaciones y experimentación práctica de la estrategia de interacción, con el fin de mostrar el desempeño del sistema de control, incluyendo la metodología de detección de parámetros. En el estudio experimental, a pesar de la continua oscilación durante la marcha, la estimación del parámetro fue adecuada para la deambulación asistida, mostrando un comportamiento adaptativo apropiado con cambios en la velocidad lineal humana. Finalmente, el controlador mantiene al caminante siguiendo continuamente el paso del ser humano, y se muestra cómo la orientación del caminante sigue la orientación humana durante los experimentos reales.