A Shank Angle-Based Control System Enables Soft Exoskeleton to Assist Human Non-Steady Locomotion

Resumen Técnico: Un Sistema de Control Basado en el Ángulo de la Espinilla para Exoesqueletos Blandos en Locomoción No Estable

Planteamiento del Problema
Si bien los exoesqueletos robóticos han demostrado eficacia en la asistencia de la locomoción en estado estacionario, su rendimiento durante la locomoción no estable —caracterizada por una progresión de la marcha no lineal e irregular (p. ej., aceleración, deceleración, negociación de terreno)— sigue siendo insuficientemente explorado. Los sistemas de control tradicionales suelen depender del tiempo o del porcentaje del ciclo de la marcha como variables independientes para la progresión del perfil. Sin embargo, estas variables cambian de forma lineal e independiente de los estados de la marcha humana, lo que provoca desajustes de movimiento y efectos contraproducentes cuando la progresión de la marcha se ve perturbada. Además, las arquitecturas de control existentes a menudo requieren la clasificación previa de los tipos de actividad o dependen de datos históricos para el aprendizaje iterativo, lo cual falla en condiciones no estables donde la ritmicidad está ausente. Existe una necesidad crítica de una estrategia de control unificada y robusta que se adapte a diversas actividades sin necesidad de un cambio de modo explícito y que mantenga la sincronización con la progresión de la marcha humana bajo perturbaciones.

Metodología
Los autores proponen un sistema de control versátil e independiente del tiempo para un exoesqueleto de tobillo blando y ligero. El sistema se basa en tres componentes técnicos principales:

1. Variable Independiente Basada en el Ángulo de la Espinilla: En lugar del tiempo, el sistema utiliza el ángulo de la espinilla humana (ángulo espinilla-vertical) como la variable independiente para parametrizar la progresión de los perfiles de asistencia. Esto asegura que el punto de la fuerza asistiva se mueva en coordinación directa con el estado de la marcha del usuario, incluso durante una progresión no lineal o perturbaciones de fase.
2. Perfil de Asistencia de Doble Gauss con Actualización en Línea: El perfil de asistencia se modela mediante una función de doble Gauss para imitar las fases ascendente y descendente de los torques biológicos de la flexión plantar (PF) del tobillo. Los parámetros del modelo (amplitud, media y desviaciones estándar) se actualizan paso a paso utilizando únicamente datos de la Unidad de Medición Inercial (IMU). Características clave, como el ángulo máximo de dorsiflexión del tobillo (que coincide con el pico de torque de PF) y los eventos de contacto/despegue del pie, se detectan en línea para ajustar el perfil, asegurando la alineación con la biomecánica del usuario en la marcha, carrera y negociación de escaleras sin clasificar previamente los tipos de actividad.
3. Control de Alimentación hacia Adelante (Feedforward) Basado en Modelo: Para abordar la baja banda ancha mecánica de los exoesqueletos blandos y la falta de periodicidad en la locomoción no estable, el sistema emplea una estrategia de control de alimentación hacia adelante basada en modelos. Este método utiliza un modelo de cinemática y rigidez acoplados entre el humano y el exoesqueleto para calcular los comandos de velocidad del cable requeridos. Al incorporar términos de alimentación hacia adelante derivados del modelo de tendón artificial, el sistema reduce la dependencia de datos de control históricos y mecanismos de solo retroalimentación, permitiendo un seguimiento preciso del perfil en tiempo real.

La plataforma de hardware consiste en un exoesqueleto blando hecho de cuero de becerro tipo "box calf" con un sistema de lazada BOA, impulsado por motores de engranajes externos mediante cables Bowden. Está equipado con IMUs en la espinilla y el pie, y una celda de carga en el talón para medir fuerzas.

Contribuciones Clave

• Arquitectura de Control Unificada: El artículo presenta un sistema de control que elimina la necesidad de una clasificación de actividad explícita, adaptándose automáticamente a diversas tareas de locomoción (marcha nivelada, carrera, ascenso/descenso de rampas) mediante la estimación de parámetros en línea.
• Robustez ante Perturbaciones: Al desacoplar la progresión del perfil del tiempo y vincularla al ángulo de la espinilla, el sistema mantiene la sincronización con la marcha humana incluso bajo perturbaciones significativas de velocidad (hacia adelante y hacia atrás).
• Generación de Perfil Biomimético: El estudio demuestra que un modelo simple de doble Gauss, actualizado mediante datos de la IMU, puede replicar con precisión los patrones de torque del tobillo biológico en diversas actividades y terrenos.
• Control de Alimentación hacia Adelante para Sistemas Blandos: La integración de un modelo de cinemática-rigidez acoplado en el bucle de alimentación hacia adelante permite un seguimiento de perfil efectivo en exoesqueletos blandos sin la necesidad de un control de aprendizaje iterativo, el cual es inadecuado para la marcha no estable.

Resultos Experimentales
Se realizaron tres sesiones experimentales para validar el sistema:

• Sesión 1 (Funcionalidad): Un solo sujeto realizó marcha nivelada, carrera y negociación de rampas. El sistema logró converger los parámetros del modelo dentro de 9–11 ciclos de marcha. Los errores de seguimiento fueron bajos (p. ej., ~2.8% RMSE para marcha nivelada), demostrando la capacidad del sistema para generar y seguir perfiles a través de diferentes actividades.
• Sesión 2 (Adaptación No Estable): Bajo perturbaciones de velocidad hacia adelante y hacia atrás, los perfiles basados en el ángulo de la espinilla mantuvieron una alta correlación (promedio $r = 0.92$) con los torques del tobillo biológico. En contraste, los perfiles tradicionales basados en el tiempo mostraron un rendimiento significativamente degradado durante las perturbaciones hacia atrás (promedio $r = 0.57$), confirmando la superioridad de la variable del ángulo de la espinilla en condiciones no estables.
• Sesión 3 (Respuesta Humana): Ocho sujetos participaron en un estudio de múltiples condiciones (Activo, Pasivo, Sin Exoesqueleto). La asistencia activa resultó en reducciones estadísticamente significativas en el momento máximo de flexión plantar total del tobillo y en la tasa de trabajo en todas las actividades. La activación muscular (específicamente el gastrocnemio lateral) se redujo en un promedio de 7.5% a 13.6% dependiendo de la actividad. Las tasas metabólicas netas disminuyeron significativamente durante la asistencia activa, con reducciones del 11.86% para la marcha nivelada y del 8.11% para el descenso de rampas en comparación con la condición sin exoesqueleto. Por el contrario, las condiciones pasivas (usar el dispositivo sin asistencia) generalmente aumentaron el costo metabólico debido al peso y las restricciones del dispositivo.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo hace avanzar la aplicación práctica de los dispositivos de asistencia al abordar el desafío crítico de la locomoción no estable. El estudio demuestra que un sistema de control basado en el ángulo de la espinilla puede generar perfiles de asistencia que están consistentemente sincronizados con los estados de la marcha y la biomecánica humana, independientemente del tipo de actividad o las perturbaciones externas. Los resultados validan que tal sistema puede mejorar la fisiología y la biomecánica humana al reducir el esfuerzo muscular y el costo metabólico. Los autores sugieren que el uso de los estados de movimiento humano como variables independientes para la regulación de la trayectoria del robot ofrece una dirección prometedora para desarrollar sistemas de control de extremo a extremo y adaptables al modo, que mejoren la coordinación entre humanos y robots en entornos complejos del mundo real. El trabajo permanece modesto respecto a la adaptación de la magnitud, señalando que la magnitud de la fuerza es actualmente fija en relación con el peso corporal, y reconoce las limitaciones de que el sistema de actuación externo impide las pruebas en escenarios de la vida real.