Como os humanos andam com exoesqueletos imperfeitos

Quando os exoesqueletos dos membros inferiores – estruturas mecânicas usadas na perna – não funcionam adequadamente, algumas pessoas ajustam-se rapidamente, enquanto outras compensam com o tornozelo ou quadril, gastando mais energia do que o necessário, de acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Michigan.

Esses resultados, publicados em Cartas de Robótica e Automação IEEEinformam o desenvolvimento de futuros algoritmos de exoesqueleto coadaptativo – o que significa que tanto a pessoa quanto o exoesqueleto aprendem e se ajustam um ao outro.

“Os exoesqueletos são uma tecnologia potencialmente muito interessante para apoiar a mobilidade, mas também podem criar novas exigências cognitivas e representações mentais que as pessoas precisam aprender a usar para que sejam eficazes”, disse Leia Stirling, professora associada de robótica e industrial e de operações. engenharia e coautor do artigo.

“É importante compreender que nem todos responderão à tecnologia da mesma forma”, acrescentou Stirling.

Os exoesqueletos dos membros inferiores devem estar alinhados com os objetivos humanos, como reduzir a energia necessária para caminhar. A interação de movimentos físicos, tomada de decisão cognitiva e tecnologia deve ser considerada para alcançar esta malha coordenada entre humano e robô, conhecida como fluência.

Para melhorar a fluência, os exoesqueletos estão sendo projetados para se ajustarem à marcha do usuário e ao ambiente, mas às vezes eles cometem erros. A variabilidade do ambiente, os objetivos da pessoa ou a percepção do dispositivo através de seus sensores podem influenciar as operações.

Para testar como as pessoas respondem aos erros do exoesqueleto, os participantes do estudo sem deficiência caminharam em uma esteira enquanto usavam um exoesqueleto de tornozelo Dephy ExoBoot em ambas as pernas. Este modelo foi projetado para reduzir a ativação muscular e o gasto energético para aplicações militares. Os pesquisadores introduziram um algoritmo de controle de exoesqueleto com cinco taxas de erro fixas diferentes de até 10% de erro, ou 90% de precisão, para investigar como a precisão influencia o comportamento de caminhar.

Usando um sistema de câmera de captura de movimento, os pesquisadores avaliaram como as pessoas andavam quando o exoesqueleto funcionava conforme planejado e quando não atuava adequadamente, ou não operava no momento correto, durante uma etapa.

“Depois de uma atuação perdida, vimos que algumas pessoas ainda estavam usando efetivamente o sistema nas etapas seguintes”, disse Man I (Maggie) Wu, primeiro autor do artigo e estudante de doutorado em robótica.

“No entanto, também observamos mecanismos compensatórios que limitariam a utilidade dos exoesqueletos. Por exemplo, alguns participantes começaram a flexionar mais os quadris depois de experimentarem uma atuação perdida, mesmo quando o exoesqueleto estava sendo ativado em um momento apropriado”, acrescentou Wu.

É melhor evitar casos em que os usuários compensam erros no quadril ou tornozelo, pois exigem ativação muscular e energia adicionais.

“Se o objetivo do sistema é aumentar a resistência de alguém, reduzindo o esforço necessário, mas o usuário está realmente usando mais esforço, esse sistema não estaria atingindo os objetivos”, disse Stirling.

Embora este design específico tenha sido desenvolvido para aumentar a resistência de pessoas sem deficiência, os exoesqueletos que suportam a caminhada têm o potencial de ajudar pessoas com limitações de mobilidade devido ao envelhecimento, lesões ou doenças.

Explorar a interação humano-exoesqueleto pode informar o desenvolvimento de algoritmos de exoesqueleto equipados para apoiar estratégias de caminhada intuitivas para futuros usuários.