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A versatile knee exoskeleton mitigates quadriceps fatigue in lifting, lowering, and carrying tasks

外骨骼 任务(项目管理) 动力外骨骼 控制器(灌溉) 计算机科学 物理医学与康复 肌肉疲劳 蹲下 蹲位 模拟 工程类 肌电图 物理疗法 医学 系统工程 生物 农学
作者
Nikhil Divekar,Gray C. Thomas,Avani R. Yerva,Hannah B. Frame,Robert D. Gregg
出处
期刊:Science robotics [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:9 (94): eadr8282-eadr8282 被引量:61
标识
DOI:10.1126/scirobotics.adr8282
摘要

The quadriceps are particularly susceptible to fatigue during repetitive lifting, lowering, and carrying (LLC), affecting worker performance, posture, and ultimately lower-back injury risk. Although robotic exoskeletons have been developed and optimized for specific use cases like lifting-lowering, their controllers lack the versatility or customizability to target critical muscles across many fatiguing tasks. Here, we present a task-adaptive knee exoskeleton controller that automatically modulates virtual springs, dampers, and gravity and inertia compensation to assist squatting, level walking, and ramp and stairs ascent/descent. Unlike end-to-end neural networks, the controller is composed of predictable, bounded components with interpretable parameters that are amenable to data-driven optimization for biomimetic assistance and subsequent application-specific tuning, for example, maximizing quadriceps assistance over multiterrain LLC. When deployed on a backdrivable knee exoskeleton, the assistance torques holistically reduced quadriceps effort across multiterrain LLC tasks (significantly except for level walking) in 10 human users without user-specific calibration. The exoskeleton also significantly improved fatigue-induced deficits in time-based performance and posture during repetitive lifting-lowering. Last, the system facilitated seamless task transitions and garnered a high effectiveness rating postfatigue over a multiterrain circuit. These findings indicate that this versatile control framework can target critical muscles across multiple tasks, specifically mitigating quadriceps fatigue and its deleterious effects.
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