This paper presents a gait phase detection algorithm for providing feedback in walking with a robotic prosthesis. The algorithm utilizes the output signals of a wearable wireless sensory system incorporating sensorized shoe insoles and inertial measurement units attached to body segments. The principle of detecting transitions between gait phases is based on heuristic threshold rules, dividing a steady-state walking stride into four phases. For the evaluation of the algorithm, experiments with three amputees, walking with the robotic prosthesis and wearable sensors, were performed. Results show a high rate of successful detection for all four phases (the average success rate across all subjects >90%). A comparison of the proposed method to an off-line trained algorithm using hidden Markov models reveals a similar performance achieved without the need for learning dataset acquisition and previous model training.

In this paper a robotic assistive device is presented, aimed at assisting physically impaired individuals when rising from a sitting to a standing position. The robotic device is designed as a three degrees of freedom (3-DOF) mechanism supporting the subject under the buttocks. The device is driven by an electrohydraulic servosystem capable of operating in multiple control modes. It is instrumented with a sensory system providing information about the standing-up parameters. Evaluation of the standing up assistive device was accomplished in robot-supported rising trials of a paraplegic subject. The experiments demonstrated that stable risings in different standing - up manoeuvres were achieved. The measurement results revealed the role of the arm support and the support of the artificially evoked moments in the paralysed lower extremities during rising. The results show that the device can be used efficiently for training and evaluation of standing up manoeuvres.

The aim of this study was to analyse the asymmetry of sit-to-stand (STS) movement in a group of subjects following unilateral transtibial amputation (STTA) and a group of healthy subjects (HSs). Experimental measurements investigated standing-up pattern from two seat heights and at three different speeds. Body motion was measured using an optical measuring system with active markers. Floor and seat reaction forces and moments were measured by two force plates and an integrated force–moment sensor. Analysis of ankle, knee, hip and trunk inclination angles shows that STTA perform STS movement with different initial foot placement than HS, resulting in different lower extremity loadings and larger trunk inclination. Asymmetry was defined as the difference between left and right extremity parameters averaged throughout STS movement. A root-mean-square error was used to assess the asymmetry in ground reaction forces and in ankle, knee and hip angles and moments. The influence of different seat heights and velocities on asymmetry was tested using one-way ANOVA. The asymmetry of STTA and HS was affected neither in kinematic nor in kinetic parameters. Performing STS at higher speeds was found to result in decreased trunk flexion. The asymmetry assessment, as determined in this study, can be used in rehabilitation for improving STS strategies or as an evaluation tool for estimating the progress of the rehabilitation process. Das Ziel der vorliegenden Studie war die Analyse der Asymmetrie beim Bewegungsübergang vom Sitz in den Stand in einer Gruppe mit Teilnehmern nach unilateraler Oberschenkelamputation und einer Gruppe mit gesunden Probanden. Bei experimentellen Messungen wurde das Aufsteh-Muster bei zwei verschiedenen Sitzhöhen und drei verschiedenen Geschwindigkeiten untersucht. Die Körperbewegung wurde unter Zuhilfenahme eines optischen Messsystems mit aktiven Markern gemessen. Die Boden- und Sitzreaktionskräfte und -momente wurden mit zwei Kraftmessplatten und einem integrierten Kraftmomentsensor gemessen. Die Analyse der Neigungswinkel von Knöchel, Knie, Hüfte und Rumpf zeigt, dass unilateral Oberschenkelamputierte beim Bewegungsübergang vom Sitz in den Stand eine andere initiale Fußstellung einnehmen als gesunde Probanden, was zu einer unterschiedlichen Belastung der unteren Extremitäten und einem größeren Neigungswinkel des Rumpfes führt. Asymmetrie wird definiert als die Differenz zwischen den Parametern der linken und rechten Extremität, ausgeglichen durch den Bewegungsübergang vom Sitz in den Stand. Anhand einer Standardabweichung wurde die Asymmetrie der Bodenreaktionskräfte sowie der Neigungswinkel und Drehmomente von Knöchel, Knie und Hüfte evaluiert. Der Einfluss der unterschiedlichen Sitzhöhen und Geschwindigkeiten bei der Asymmetrie wurde anhand des einfaktoriellen ANOVA-Modells getestet. Die Asymmetrie von unilateral Oberschenkelamputierten und gesunden Probanden wurde weder durch kinematische noch kinetische Parameter beeinflusst. Der Bewegungsübergang vom Sitz in den Stand bei höherer Geschwindigkeit resultierte in einer verminderten Rumpfbeugung. Die Bewertung der Asymmetrie im Rahmen dieser Studie kann bei der Rehabilitation zur Verbesserung der Strategien beim Bewegungsübergang vom Sitz in den Stand oder als Evaluierungs-Tool für die Einschätzung der Fortschritte bei der Rehabilitation eingesetzt werden. El objetivo de este estudio fue analizar la asimetría del movimiento de levantarse desde la posición sentada en un grupo de participantes tras someterse a una amputación transtibial unilateral (SATT) y en un grupo de sujetos sanos (SS). Se llevaron a cabo varias mediciones experimentales con el fin de evaluar el modelo de dicho movimiento desde dos alturas distintas y a tres velocidades diferentes. El movimiento corporal se midió utilizando un sistema de medición óptica con marcadores activos. Las fuerzas de reacción y los momentos del suelo y en posición sentada se midieron mediante dos plataformas de fuerza y un sensor integrado de fuerza-momento. El análisis de los ángulos de inclinación del tobillo, la rodilla, la cadera y el tronco muestra que la posición inicial del pie del grupo SATT en el movimiento de levantamiento es distinta a la del grupo SS, lo que da como resultado la presencia de cargas diferentes en las extremidades inferiores y una mayor inclinación del tronco. La asimetría se definió como la diferencia entre la media de los parámetros de la extremidad izquierda y derecha durante el movimiento de levantarse desde la posición sentada. Se utilizó un error cuadrático medio con el fin de evaluar la asimetría de las fuerzas de reacción del suelo, así como de los ángulos y momentos del tobillo, la rodilla y la cadera. El efecto que las distintas alturas y velocidades ejercían sobre la asimetría fue evaluado mediante ANOVA de un factor. La asimetría de los grupos SATT y SS no se vio afectada en sus parámetros cinemáticos ni cinéticos. Se observó que el movimiento de levantarse desde la posición sentada realizado a altas velocidades tenía como resultado la disminución de la flexión del tronco. De acuerdo con este estudio, la evaluación de la asimetría puede utilizarse como parte de la rehabilitación, con el objetivo de mejorar la técnica para levantarse desde posición sentada, o como una herramienta de evaluación para valorar el desarrollo de la rehabilitación. Cette étude avait pour objet d'analyser l'asymétrie du mouvement assis-debout (sit-to-stand, STS) chez un groupe de participants après amputation transtibiale unilatérale (STTA) et un groupe de sujets sains (HS). Des mesures expérimentales ont étudié les mouvements pour se lever debout depuis deux hauteurs d’assise et à trois vitesses différentes. Le mouvement du corps a été mesuré en utilisant un système de mesure optique avec des marqueurs actifs. Les forces et les moments de réaction du sol et du siège ont été mesurés par deux plaques de force et un capteur intégré de force-moment. L’analyse des angles d'inclinaison de la cheville, du genou, de la hanche et du tronc montre que les STTA effectuent un mouvement STS avec un positionnement initial des pieds différent des HS, ce qui entraîne différentes charges des membres inférieurs et une plus grande inclinaison du tronc. L'asymétrie est définie comme la différence entre la moyenne des paramètres des extrémités gauches et droites durant l’ensemble du mouvement STS. Une erreur de moyenne quadratique a été utilisée pour évaluer l'asymétrie des forces de réaction du sol et dans les angles et les moments de la cheville, du genou et de la hanche. L'influence de la hauteur du siège et des différentes vitesses sur l'asymétrie a été testée à l'aide d'une analyse de variance à un facteur. L'asymétrie des STTA et des HS n'était pas affectée dans les paramètres cinématiques ni cinétiques. Il a été constaté que l’exécution de STS à des vitesses plus élevées résultait dans une diminution de la flexion du tronc. L'évaluation de l'asymétrie, telle que déterminée dans cette étude, peut être utilisée en rééducation pour améliorer les stratégies de STS ou comme outil d'évaluation pour estimer l'état d'avancement du processus de rééducation.

The paper presents a novel control approach for the robot-assisted motion augmentation of disabled subjects during the standing-up manoeuvre. The main goal of the proposal is to integrate the voluntary activity of a person in the control scheme of the rehabilitation robot. The algorithm determines the supportive force to be tracked by a robot force controller. The basic idea behind the calculation of supportive force is to quantify the deficit in the dynamic equilibrium of the trunk. The proposed algorithm was implemented as a Kalman filter procedure and evaluated in a simulation environment. The simulation results proved the adequate and robust performance of "patient-driven" robot-assisted standing-up training. In addition, the possibility of varying the training conditions with different degrees of the subject's initiative is demonstrated.

The paper presents a robot cell for multimodal standing-up motion augmentation. The robot cell is aimed at augmenting the standing-up capabilities of impaired or paraplegic subjects. The setup incorporates the rehabilitation robot device, functional electrical stimulation system, measurement instrumentation and cognitive feedback system. For controlling the standing-up process a novel approach was developed integrating the voluntary activity of a person in the control scheme of the rehabilitation robot. The simulation results demonstrate the possibility of “patient-driven” robot-assisted standing-up training. Moreover, to extend the system capabilities, the audio cognitive feedback is aimed to guide the subject throughout rising. For the feedback generation a granular synthesis method is utilized displaying high-dimensional, dynamic data. The principle of operation and example sonification in standing-up are presented. In this manner, by integrating the cognitive feedback and “patient-driven” actuation systems, an effective motion augmentation system is proposed in which the motion coordination is under the voluntary control of the user.