Speech-Based Human-Exoskeleton Interaction for Lower Limb Motion Planning

📄 arXiv: 2310.03137v1 📥 PDF

作者: Eddie Guo, Christopher Perlette, Mojtaba Sharifi, Lukas Grasse, Matthew Tata, Vivian K. Mushahwar, Mahdi Tavakoli

分类: cs.RO, cs.HC

发布日期: 2023-10-04

备注: 13 pages, 8 figures, 2 tables

💡 一句话要点

提出基于语音的人机交互策略以优化下肢外骨骼运动规划

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 语音识别 下肢外骨骼 人机交互 运动规划 康复医疗 智能机器人

📋 核心要点

  1. 现有的下肢外骨骼控制方法往往依赖于物理接口，限制了用户的自由度和交互体验。
  2. 论文提出了一种基于语音的运动规划策略，利用语音指令实现对外骨骼的实时控制，提升了人机交互的自然性和安全性。
  3. 实验结果显示，使用语音命令的用户在行走时速度显著提升，且能够在双手自由的情况下保持稳定，表明该方法的有效性。

📝 摘要（中文）

本研究提出了一种基于语音的运动规划策略（SBMP），旨在为下肢外骨骼提供安全且符合人机交互的运动规划。该策略的构建基于语音处理系统、有限状态机和中央模式发生器，实现了外骨骼轨迹的在线规划。实验评估表明，该语音处理系统在词汇和意图识别方面的错误率较低。使用语音命令的用户在行走时的完成时间比使用移动应用界面快54%。通过SBMP，用户能够在双手自由的情况下保持姿势稳定，支持其在下肢功能障碍者的辅助和康复中的有效应用。

🔬 方法详解

问题定义：本研究旨在解决下肢外骨骼在运动规划中对用户交互方式的限制，现有方法多依赖物理接口，导致用户在使用时不够灵活和安全。

核心思路：提出的SBMP策略通过语音指令实现对外骨骼的控制，利用语音处理系统和有限状态机，增强了人机交互的自然性和实时性。

技术框架：该方法的整体架构包括语音处理系统、有限状态机和中央模式发生器，形成一个完整的在线运动规划流程。语音处理系统负责识别用户的指令，有限状态机管理不同的运动状态，而中央模式发生器则生成相应的运动轨迹。

关键创新：最重要的创新在于将语音识别与运动规划相结合，显著提升了用户的交互体验和运动效率，与传统依赖物理接口的方法相比，提供了更高的灵活性和安全性。

关键设计：在设计中，语音处理系统采用了先进的语音识别算法，确保低错误率；有限状态机的设计使得系统能够快速响应用户的指令，中央模式发生器则通过实时反馈调整运动轨迹，确保用户的姿势稳定。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，使用语音命令的用户在行走时的完成时间比使用移动应用界面快54%，且语音处理系统的词汇和意图错误率较低，表明该方法在提高运动效率和用户体验方面具有显著优势。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括康复医疗、助行设备和智能机器人等。通过实现语音控制的下肢外骨骼，能够为下肢功能障碍者提供更为便捷和安全的辅助，提升他们的生活质量。未来，该技术有望在更广泛的领域中推广应用，促进人机协作的发展。

📄 摘要（原文）

This study presents a speech-based motion planning strategy (SBMP) developed for lower limb exoskeletons to facilitate safe and compliant human-robot interaction. A speech processing system, finite state machine, and central pattern generator are the building blocks of the proposed strategy for online planning of the exoskeleton's trajectory. According to experimental evaluations, this speech-processing system achieved low levels of word and intent errors. Regarding locomotion, the completion time for users with voice commands was 54% faster than that using a mobile app interface. With the proposed SBMP, users are able to maintain their postural stability with both hands-free. This supports its use as an effective motion planning method for the assistance and rehabilitation of individuals with lower-limb impairments.