title: From Exoskeletons to Exonerves: Adaptive Support of Movements through Wearable Assistive Robotics
title: Von Exoskeletten zu Exonerven: adaptive Bewegungsunterstützung durch anziehbare assistive Robotik
Creators: name: Sierotowicz, Marek
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Assistive Robotics
subject: Functional Electrical Stimulation
subject: Exosuit
subject: Exoskeleton
subject: Human Kinematic Tracking

description: In human-machine interfaces, the neuromuscular system can be monitored through a variety of sensor modalities in order to infer and transmit the intended movement and force output from a user to a machine. Likewise, the neuromuscular system can be stimulated through many mechanisms to relay somatosensory feedback from a sensing system to the user or to provide support. Over the last decades, wearable robotics has focused on aiding human users in executing arduous tasks and in enhancing their force output by encasing them in fully rigid robotic exoskeletons. More recently, there was a transition towards lighter structures, finally converging on continuum-based soft exosuits which rely on the user's own skeleton as a load-bearing structure. Currently, a new paradigm is being investigated, which relies increasingly on the user's own musculature. Through functional electrical stimulation, it is possible to implement movement and force control by injecting electrical currents directly into the user's motoneurons, effectively acting in parallel to the peripheral nervous system. The possible applications have not yet been fully investigated. This work presents the sensor modalities, the control architectures, and the hardware necessary to drive human limb movements through functional electrical stimulation. Firstly, a self-developed upper body tracker based on inertial measurement units is introduced. Secondly, the focus shifts onto theoretical and experimental assessments of various approaches to measure and estimate human force output, as well as to provide assistance through exosuits and lightweight exoskeletons. Finally, a self-produced, wearable functional electrical stimulation system is introduced, which can enforce impedance control of human limbs. This system is shown to be capable of producing multi-joint movements, and of driving the user's limb to arbitrary poses in the peri-personal space. The combination of external muscles and nerves opens many possible research venues in the field of human-machine interfaces, blurring the boundary of the human's and machine's agency and capabilities.
description: Bei Mensch-Maschine-Schnittstellen kann das neuromuskuläre System durch eine Vielzahl von Sensormodalitäten überwacht werden, um die beabsichtigte Bewegung und Kraftabgabe eines Nutzers an eine Maschine zu ermitteln und zu übertragen. Ebenso kann das neuromuskuläre System durch viele Mechanismen stimuliert werden, um somatosensorisches Feedback von einem Sensorsystem an den Nutzer weiterzugeben oder externe Unterstützung zu bieten. In den letzten Jahrzehnten konzentrierte sich die Forschung im Bereich der tragbaren Robotik auf die Unterstützung menschlicher Nutzer bei der Ausführung körperlich fordernder Aufgaben und bei der Ausübung einer erhöhten Kraft, indem sie in vollständig starre robotische Exoskelette gehüllt wurden. In jüngerer Zeit ging man zu leichteren Strukturen über und kam schließlich zu kontinuumsbasierten weichen Exosuits, die sich auf das eigene Skelett des Nutzers als tragende Struktur stützen. Derzeit wird ein neues Paradigma erforscht, das sich zunehmend auf die Muskulatur des Nutzers selbst stützt. Durch funktionelle elektrische Stimulation ist es möglich, Bewegungs- und Kraftsteuerung zu implementieren, indem elektrische Ströme, parallel zum peripheren Nervensystem, direkt in die Motoneuronen des Nutzers eingespeist werden. Die möglichen Anwendungen in der rehabilitativen und assistiven Robotik wurden noch nicht vollständig untersucht. Diese Arbeit stellt die Sensormodalitäten, die Steuerungsarchitekturen und Hardware vor, die erforderlich sind, um die Bewegungen der menschlichen Gliedmaßen durch funktionelle elektrische Stimulation zu steuern. Zunächst wird ein selbst entwickeltes Oberkörpertracker vorgestellt, das ausschließlich aus Inertialmessgeräten besteht. Zweitens fokussiert man sich auf der theoretischen und experimentellen Bewertung verschiedener Ansätze zur Messung und Schätzung der menschlichen Kraftleistung sowie zur Unterstützung durch Exosuits und leichte Exoskelette. Schließlich wird ein eigens für diesen Zweck konstruiertes, tragbares funktionelles elektrisches Stimulationssystem vorgestellt, das eine Impedanzsteuerung der menschlichen Gliedmaßen ermöglicht. Es wird gezeigt, dass dieses System in der Lage ist, mehrgelenkige Bewegungen zu erzeugen und die Gliedmaßen des Nutzers in beliebige Posen im peri-personalen Raum zu bringen. Die Kombination von externen Muskeln und Nerven eröffnet viele Möglichkeiten für die Forschung auf dem Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstellen und verwischt die Grenze zwischen den Handlungsmöglichkeiten und Fähigkeiten von Mensch und Maschine.