Human-Robot Interaction Strategies for Walker-Assisted Locomotion - Cifuentes, Carlos A.; Frizera, Anselmo (Springer International Publishing, 2016)
Neurological and age-related diseases affect human mobility at different levels causing partial or total loss of such faculty. There is a significant need to improve safe and efficient ambulation of patients with gait impairments. In this context, walkers present important benefits for human mobility, improving balance and reducing the load on lower limbs. Most importantly, walkers induce the use of patient’s residual mobility capacities in different environments. In the field of robotic technologies for gait assistance, a new category of walkers has emerged, integrating robotic technology, electronics, and mechanics. Such devices are known as “robotic walkers,” “intelligent walker,” or “smart walkers.” One of the specific and important common aspects to the field of assistive technologies and rehabilitation robotics is the intrinsic interaction between the human and the robot. In this book, the concept of human-robot interaction (HRI) for human locomotion assistance is explored. This interaction is composed of two interdependent components. On the one hand, the key role of a robot in a physical HRI (pHRI) is the generation of supplementary forces to empower human locomotion. This involves a net flux of power between both actors. On the other hand, one of the crucial roles of a cognitive HRI (cHRI) is to make the human aware of the possibilities of the robot while allowing him to maintain control of the robot at all times. This book will also present a new multimodal human-robot interface for testing and validating control strategies applied to robotic walkers for assisting human mobility and gait rehabilitation. This interface extracts navigation intentions from a novel sensor fusion method that combines: (i) a laser range finder (LRF) sensor to estimate the users legs’ kinematics, (ii) wearable inertial measurement Units (IMUs) to capture human and robot orientations, and (iii) two triaxial force sensors measure the physical interaction between the human’s upper limbs and the robotic walker. Two close control loops were developed to naturally adapt the walker position and to perform body-weight support strategies. First, a force interaction controller generates velocity outputs to the walker based on the upper-limbs physical interaction. Second, a inverse kinematic controller keeps the walker within a desired position to the human improving such interaction. The proposed control strategies are suitable for natural human-robot interaction as shown during the experimental validation. Moreover, methods for sensor fusion for estimating control inputs were presented and validated. In the experimental studies, the parameters estimation was precise and unbiased. It also showed repeatability when speed changes and continuous turns were performed. At the end, this book will focus on describing the upcoming research in the field of assisted locomotion which leads to the development of hybrid solutions based on the combination of smart walkers and biomechatronic exoskeletons. Additionally, new technological breakthroughs regarding human-robot interaction taking into account the environment are also defined. In this manner, the aim is to achieve a closer interaction between the robotic solution and the individual empowering the rehabilitation potential of such devices in clinical applications.

Las enfermedades neurológicas y relacionadas con la edad afectan la movilidad humana en diferentes niveles. causando la pérdida parcial o total de dicha facultad. Existe una importante necesidad de mejorar deambulación segura y eficiente de pacientes con problemas de marcha. En este contexto, Los andadores presentan importantes beneficios para la movilidad humana, mejorando el equilibrio y reduciendo la carga en las extremidades inferiores. Lo más importante es que los andadores inducen el uso de Capacidades de movilidad residual del paciente en diferentes entornos. en el campo de tecnologías robóticas para ayudar a caminar, ha surgido una nueva categoría de andadores, integrando tecnología robótica, electrónica y mecánica. Estos dispositivos son conocidos como “caminantes robóticos”, “caminantes inteligentes” o “caminantes inteligentes”. Uno de los aspectos comunes específicos e importantes al campo de las ayudas tecnologías y robótica de rehabilitación es la interacción intrínseca entre el humano y el robot. En este libro, el concepto de interacción humano-robot (HRI) para Se explora la asistencia a la locomoción humana. Esta interacción se compone de dos componentes interdependientes. Por un lado, el papel clave de un robot en un entorno físico. HRI (pHRI) es la generación de fuerzas suplementarias para potenciar la locomoción humana. Esto implica un flujo neto de poder entre ambos actores. Por otro lado, Una de las funciones cruciales de un HRI cognitivo (cHRI) es hacer que el ser humano sea consciente. de las posibilidades del robot mientras le permite mantener el control del robot en todo momento. Este libro también presentará una nueva interfaz multimodal humano-robot para pruebas. y validar estrategias de control aplicadas a caminantes robóticos para ayudar a los humanos. Rehabilitación de la movilidad y la marcha. Esta interfaz extrae las intenciones de navegación de un novedoso método de fusión de sensores que combina: (i) un sensor de telémetro láser (LRF) para estimar la cinemática de las piernas de los usuarios, (ii) unidades de medida inercial portátiles (IMU) para capturar orientaciones humanas y robóticas, y (iii) dos sensores de fuerza triaxiales miden la interacción física entre las extremidades superiores del ser humano y el andador robótico. Se desarrollaron dos circuitos de control cercanos para adaptar naturalmente la posición del andador. y realizar estrategias de soporte del peso corporal. Primero, un controlador de interacción de fuerza. Genera salidas de velocidad al andador en función del estado físico de las extremidades superiores interacción. En segundo lugar, un controlador cinemático inverso mantiene al andador dentro del rango deseado. posición para que el ser humano mejore dicha interacción. Las estrategias de control propuestas son adecuadas para la interacción natural humano-robot. como se muestra durante la validación experimental. Además, los métodos para la fusión de sensores. para estimar los insumos de control fueron presentados y validados. en el experimento En los estudios, la estimación de los parámetros fue precisa e imparcial. También mostró repetibilidad cuando se realizaron cambios de velocidad y giros continuos. Al final, este libro se centrará en describir las próximas investigaciones en el campo. de locomoción asistida que conduce al desarrollo de soluciones híbridas basadas en la combinación de andadores inteligentes y exoesqueletos biomecatrónicos. Además, nuevos avances tecnológicos en relación con la interacción humano-robot teniendo en cuenta en cuenta el medio ambiente también están definidos. De esta manera, se pretende lograr una interacción más estrecha entre la solución robótica y el individuo, potenciando el potencial de rehabilitación de dichos dispositivos en aplicaciones clínicas.
Keywords: Locomoción humana; Human locomotion; Robótica médica; Robotics in medicine; Terapia del movimiento; Movement therapy; Rehabilitación médica; Medical rehabilitation; Caminadores (Aparatos ortopédicos); Walkers (Orthopedic apparatus); Interacción hombre-robot; Human-robot interaction