I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n  ( I J RA)   Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 ,   p p .   5 0 3 ~ 5 1 8   I SS N:  2722 - 2 5 8 6 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /i jr a . v 1 5 i 3 . pp 5 0 3 - 518           503       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij r a . ia esco r e. co m   H uma n stat e digit a l t win arch itec tu re f o r p hy sio lo g y   co nstra ined ada p tive rob o tic  a u tono my       J a g a na t ha n Nir m a la dev i 1 ,   S.   Sa ra ny a 2 ,   Nidh i Mi s hra 3 ,   F a za l N o o rba s ha 4 ,   M a n o h a r a n   K a v ith a 5   1 D e p a r t me n t   o f   I n f o r mat i o n   Te c h n o l o g y ,   K G i S L   I n st i t u t e   o f   Te c h n o l o g y ,   C o i m b a t o r e ,   I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s a n d   C o m mu n i c a t i o n   En g i n e e r i n g ,   P a n i ma l a r   E n g i n e e r i n g   C o l l e g e ,   P o o n a ma l l e e ,   Ta mi l   N a d u ,   I n d i a   3 D e p a r t me n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   I T ,   K a l i n g a   U n i v e r si t y ,   C h h a t t i s g a r h ,   I n d i a   4 D e p a r t me n t   o f   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   En g i n e e r i n g ,   K o n e r u   La k s h ma i a h   E d u c a t i o n   F o u n d a t i o n ,   V a d d e sw a r a m,  G u n t u r   ( D i st r i c t ) ,   A n d h r a   P r a d e sh ,   I n d i a   5 D e p a r t me n t   o f   D e p a r t m e n t   o f   E l e c t r o n i c s a n d   C o mm u n i c a t i o n   E n g i n e e r i n g ,   S a v e e t h a   S c h o o l   o f   En g i n e e r i n g ,   S a v e e t h a   I n st i t u t e   o f   M e d i c a l   a n d   T e c h n i c a l   S c i e n c e s ,   S a v e e t h a   U n i v e r si t y ,   C h e n n a i ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   1 3 ,  2 0 2 6   R ev is ed   Ap r   2 8 ,  2 0 2 6   Acc ep ted   Ma y   2 2 ,  2 0 2 6       Ti m e - d e p e n d e n t  h u m a n   c o g n i ti v e   a n d   p h y sic a l  c o n d it i o n s  s h o u ld   b e   c o n sid e re d   i n   a d a p ti v e   a u to n o m y   in   c o ll a b o ra ti v e   ro b o ti c s  to   e n s u re   sa fe ty ,   p e rfo rm a n c e ,   a n d   o p e ra t o r  c o m f o rt.   B u t  m o st  o f   th e   c u rre n t   m e th o d s  d e p e n d   o n   h e u rist ic  lev e ls  o f   wo rk lo a d   o r   in d iv id u a l  p h y si o l o g ica l  m e a su re s  a n d   fa il   to   c o m b in e   h u m a n - sta te  e stim a ti o n   wi th   th e   c o n tr o l  str u c tu re .   T h is  p a p e r  su g g e sts  a   h u m a n   sta te  d i g it a l  t win   (HSDT)  fra m e wo rk   o f  p h y s io lo g ica l - c o n stra in e d   a d a p t iv e   r o b o ti c   a u to n o m y .   T h is  fra m e wo rk   is  a   c o m b in a ti o n   o f   mu lt imo d a l   p h y si o lo g ica l  m e a su r e s  o f  e lec tro c a rd i o g ra p h y - b a se d   h e a rt - ra te  v a riab il it y ,   e lec tro m y o g ra p h y ,   e l e c tro d e rm a l  a c ti v it y ,   a n d   tas k   c o n tex t  t o   p re d ict  late n t  h u m a n   sta tes   su c h   a s  c o g n it i v e   wo rk lo a d ,   fa ti g u e ,   a n d   stre ss .   Th e se   e stim a tes   a re   in c lu d e d   i n   a   twin - c o n stra in e d   a d a p ti v e   a u to n o m y   c o n tro ll e r,   w h ich   v a ries   t h e   c o n t ro l  a u th o rit y   o f  t h e   r o b o t  in   re a l  ti m e .   Th e   sim u late d   c o ll a b o ra ti v e   m a n ip u l a ti o n   sit u a ti o n   is  tes ted   in   th e   p ro p o se d   fra m e wo rk   in   d iffere n t  wo r k l o a d   a n d   fa ti g u e   c o n d it io n s.  It  h a s  d e m o n stra ted   b e tt e r  trac k in g   p e rf o rm a n c e ,   les s  to rq u e   r ip p le,  re d u c e d   o p e ra to r  stre ss   in d ica to rs  a n d   les s  to r q u e   ri p p le.  Th e   p a p e r  p re se n ts  a   c o n tr o ll e d   a n d   re c o n fig u ra b le p h y si o lo g y - a wa re   a d a p ti v e   a u t o n o m y   c o n tr o l  a rc h it e c tu re   a n d   a   ro b o ti c s - b a se d   d ig i tal  twin   c o n tro l  d e sig n   fra m e wo rk   o f  h u m a n - a wa re   c o n tro l  d e sig n .   K ey w o r d s :   C o llab o r ativ e  r o b o tics   Hu m an   d ig ital twin   Hu m an   r o b o t in ter ac tio n   I n tellig en t sy s tem s   Mu ltimo d al  s tate  esti m atio n   Ph y s io lo g ical  s en s in g   ad ap tiv e  au to n o m y   Sh ar ed   co n t r o l     T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   J ag an ath an   Nir m alad e v i     Dep ar tm en t o f   I n f o r m atio n   T e ch n o lo g y ,   KGiSL  I n s titu te  o f   T ec h n o lo g y   C o im b ato r e,   I n d ia   E m ail:  m k s ee e2 0 0 7 @ o u tlo o k . co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  n ew  n ee d s   o f   c o llab o r ati v e  r o b o tics   d em an d   co n t r o l  ar ch itectu r es,  wh ich   ar e   ab le  to   co p e  with   th e  ch an g in g   co g n itiv e,   p h y s ical  an d   p h y s io lo g ical  co n d itio n s   o f   th e  h u m an   o p er ato r   in   r ea l  tim e.   Fatig u e,   s tr ess ,   wo r k lo ad ,   an d   task   c o m p lex ity   h av e   a  m ajo r   im p ac t   o n   h u m an   p er f o r m an ce   in   in d u s tr ial,   ass is tiv e,   an d   s h ar ed - wo r k s p ac e   ap p licatio n s   th at  d ir ec tly   im p ac t  th e  s af e ty ,   ef f icien cy ,   an d   t h e  q u ality   o f   in ter ac tio n   o f   a   s y s tem .   C o n v en tio n al  ap p r o ac h es  to   h u m an - r o b o t  team in g   a r e  o f ten   b ased   o n   th e  class ic  ap p r o ac h es  o f   f ix ed   s af ety   m ar g in s ,   h e u r is tic  wo r k lo ad   lim its   o r   p r e - estab lis h ed   lev els  o f   ass is tan ce ,   wh ich   d o   n o t  wo r k   well  in   m an ag in g   n o n lin ea r   an d   tim e - v ar y in g   h u m an   f ac t o r s .   R ec en t  d ev elo p m e n ts   in   p h y s io lo g ical  s en s in g   h av e   s h o wn   th at  it  is   p o s s ib le  to   im p r o v e  th e  awa r en ess   b etwe en   o p er ato r s   an d   s tates  in   th eir   in ter ac tio n   [ 1 ] .   Als o ,   ex p lain ab le  an d   ad a p tiv e  ar tif icial  in tellig en ce   is   ad v an cin g   with   th e  f o c u s   o n   th e   n ee d   to   h av e  s tr u ctu r ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   5 0 3 - 5 1 8   504   s tate - awa r e  d ec is io n   s y s tem s ,   b u t little h as b ee n   d o n e  o n   h o w  to   d ir ec tly   in co r p o r ate  th em   in to   r o b o tic  co n tr o l   laws  [ 2 ] .   B esid es,  r ec en t  co n tr o l  o r ien ted   em b ed d e d   ar c h itectu r es  em p h asize  th e  im p o r tan ce   o f   h av in g   clo s ely   co u p led   esti m atio n   an d   co n tr o l  s y s tem s   as  o p p o s ed   to   v iewin g   th em   as  in d e p en d en t  p r o ce s s es  [ 3 ] .  T h e  p ap e r   p r o p o s es a   h u m an   s tate  d ig ital t win   ( HSDT )   im p lem en ted   in to   t h e  ad ap tiv e   r o b o tic  co n tr o l.   E ar lier   s tu d ies  h av e  d o n e  r e s ea r ch   o n   m u ltimo d al  s ig n al  p r o ce s s in g   an d   d ata - d r iv e n   m o d elin g   s y s tem s   wh ich   ar e  h u m an   ce n tr ic  s y s tem s   [ 4 ] .   Dis tr ib u ted   in tellig en ce   m eth o d s   h a v e  also   b ee n   ab le  to   d ea l   with   is s u es  in v o lv in g   d ea lin g   with   h eter o g e n eo u s   p h y s io lo g ical  d ata  [ 5 ] .  T h e  m u ltimo d al  s en s in g   tech n iq u es   u s ed   jo in tly   also   illu s tr ate  th e  ab ilit y   to   g ar n er   m ea n i n g f u l  in f o r m atio n   o u t  o f   th e  c o m p le x   s ig n als  [ 6 ] .   Hig h er   lev els o f   p h y s io lo g ical  m o d ellin g   h av e  also   b ee n   s u g g ested   in   en h an cin g   ac cu r ac y   o f   h u m a n - s tate  esti m atio n s   [ 7 ] .   B u t   th ese  ar e   m o r e   o f   an   a p p r o ac h   to   an aly ze   d ata  a n d   to   in f er   r ath er   th an   in teg r ate   r ea l - tim e  co n tr o l.  T h e  m o s t  im p o r tan t  asp ec t  in   r o b o tics   is   n o t  wh er e  m ea n in g f u l  f ea tu r es  ar e  ex tr ac ted   o u t  o f   p h y s io lo g ical  s ig n als   b u t  r ath er   h o w  th is   in f o r m atio n   ca n   b e  d ir ec tly   in c o r p o r at ed   in to   co n tr o l  ar c h itectu r es  wh ich   d ir ec tly   af f ec t   th e  b eh av io r   o f   th e  s y s tem .   R ec en tly ,   a  n ew  tech n o lo g y   h a s   b ee n   d ev elo p e d   th at  is   ca lled   d ig ital  twin   an d   co u ld   b ec o m e   th e   n ew   p r o m is in g   p ar ad i g m   o f   m o d elin g   d y n am ic   in ter ac tio n s   b etwe e n   p h y s ical  s y s tem s ,   h u m an   o p er ato r s   an d   en v ir o n m en ts .   Sp ec if ically ,   h u m an   d i g ital  twin s   o f f er   well - s tr u ctu r ed   co m p u tatio n ally   r ep r esen ted   o p er ato r   b eh a v io r   an d   p h y s io lo g ical   s tate,   wh ic h   ca n   b e   u s ed   to   en h a n ce   s af e ty   an d   er g o n o m ics  o f   co llab o r ativ e  s y s tem s   [ 8 ] .   Me an wh ile,   th e  tr en d   o f   s m ar t   s y s tem   d esig n   is   to war d   tr an s p ar en cy ,   r elia b ilit y ,   an d   in ter p r eta b ilit y   o f   th e  d e cisi o n - m ak in g   p r o ce s s   in   th e  co n tex t  o f   h u m an - r elate d   d ata  [ 9 ] .   I n tellig en t   h u m an - ce n ter ed   s y s tem s   h av e  also   em p h asized   th e  s ig n if ican ce   o f   d e v elo p in g   a  r o b u s t  an d   tr u s t - awa r e  s y s tem   d esig n   [ 1 0 ] .   T h e  a d ap tiv e  an d   co n tex t - awa r e  s y s tem s   o f   r o b o tics   ar e  d ev el o p in g   to war d s   au to n o m y   s y s tem s   th at  n o t o n ly   r ea ct  t o   t h e  task   d em an d s ,   b u t a ls o   r ea c t to   th e  co n d itio n   o f   th e  o p er at o r   [ 1 1 ] .   On e  o f   th e  b ig g est  s h o r tco m in g s   o f   cu r r en t  m eth o d s   is   th at  p h y s io lo g ical  s en s in g   i s   g en er ally   u tili ze d   as  a  m o n ito r in g   to o l  o r   to   co n d u ct  o f f lin e  an aly s is   in s tead   o f   b ein g   a  p ar t  o f   clo s ed - lo o p   co n tr o l   s y s tem s .   E v en   th o u g h   d e v elo p ed   lear n in g   s tr u ct u r es  h av e  p r o v e d   to   b e  v er y   r o b u s t  in   p atter n s   th at  ca n   b e  id en tifie d   in   th e  in tr icate   p h y s io lo g ical  d ata  [ 1 3 ] ,   s u ch   m o d els  ar e  h ar d ly   ev er   em p lo y ed   as  in p u ts   to   co n tr o l   laws.  A  f ew  s tu d ies  h av e  co n s id er ed   m u ltim o d al  p h y s io lo g i ca l  lear n in g   [ 1 4 ] ,   wh er ea s   o t h er s   co n s id er ed   d ata - b ased   h u m an - s tate  m o d ellin g   [ 1 5 ] .   B esid es,  p h y s io lo g ical  m o n ito r in g   s y s tem s   h av e  also   b ee n   cr ea ted   b ased   o n   r ea l - tim e  s ig n al  i n ter p r eta tio n   s y s tem s   [ 1 6 ] .   Ne v er th el ess ,   th ese  m eth o d s   d o   n o t  d ir ec tly   in co r p o r ate   p h y s io lo g ical  esti m ates  in   th e  ad ap tiv e   co n t r o l  p r o ce s s es,  wh ich   m ea n s   th at   th ey   ca n n o t  b e   co n v en ien tly   ap p lied   in   r ea l - tim e  r o b o ts .   R ec en t  ad v an ce s   in   h u m a n   d ig ital  twin   m o d els  ac ce n tu ate   co n tin u o u s   r ep r esen tatio n   o f   o p e r ato r   co n d itio n   a n d   co n tex tu al  in ter ac tio n   m o d el  [ 1 7 ] .   T h e  d esig n   o f   k n o wled g e - b ased   s y s tem s   also   em p h asizes th e  n ee d   to   m ak e   d ec is io n s   in   a n   o r g an ized   m an n e r   in   ad ap t iv e  s y s tem s   [ 1 8 ] .   R esp o n s iv e   an d   h u m a n - awa r e   co n tr o l  m ec h an is m s   h av e  als o   b ee n   s h o wn   to   b e  b e n ef ici al  in   ad ap tiv e  a u to m atio n   ap p r o ac h es  in   r o b o tics   [ 1 9 ] .   Seco n d l y ,   th e   s tu d ies  o n   s y s tem   co o r d in atio n   an d   d is tr ib u ted   in tellig e n ce   em p h asize  t h at  th er e  h as  to   b e  s tab le  an d   in ter p r etab le  d ec i s io n - m ak in g   s tr u ctu r es  [ 2 0 ] .   T r u s t  m o d elin g   tech n iq u es  also   h elp   g iv e  th e  co n ce p t  o f   r eliab ilit y   in   h u m an - ce n tr ic  s y s tem s   g r ea ter   we ig h t  [ 2 1 ] .   Su ch   ad a p tiv e  ar c h itectu r es  h av e  also   b ee n   p r o p o s ed   to   h a v e  b en ch m ar k in g   m eth o d o l o g ies  [ 2 2 ] .   T h e  r esear ch   o n   th e  s p atio tem p o r al  m o d elin g   an d   d y n am ic  b eh av io r   an aly s is   p o in ts   to   th e  s ig n if ica n ce   o f   tim e - v ar y i n g   h u m an   m o v e m en t,  as  well  as  p h y s io lo g ical  v ar ia b ilit y   [ 2 3 ] .   T h is   is   e s p ec ially   ap p licab le  in   co llab o r ativ e  r o b o tics   wh er e   f atig u e,   s tr ess   an d   m o to r   in te n t  d ir ec tly   im p ac t  t h e  q u ality   o f   in ter ac tio n s   an d   s y s tem   s af ety .   T h e   s tu d ies  o f   h u m a n - co n s cio u s   co n tr o l  a n d   s o f t  r o b o tic   in ter a ctio n   also   em p h asize  th e   n ec e s s ity   o f   th e  a d ap tiv e   co n tr o l  m ec h an is m s   tak in g   in to   co n s id er atio n   h u m an   co m f o r t  an d   p h y s ical  s tate  [ 2 4 ] .   A ls o ,   s y s tem s   b ased   o n   r o b o tics   with   h u m an   f o cu s   ar e  b ec o m i n g   m o r e  i n   n ee d   o f   m o d els  wh ic h   ca n   b e  a d ju s ted   to   th e   v ar iatio n s   o f   t h e  o p er ato r   p e r f o r m an ce   [ 2 5 ] .   T h e  f ac t  th at  s en s itiv it y - awa r e  an d   f air n ess - awa r e  m o d elin g   ap p r o ac h es  s u g g est  th e  r elev an ce   o f   r esp o n s iv en ess   to   th e   ch a n g es   in   h u m an - s tate  in f o r m atio n   al s o   s p ea k s   in   f av o r   o f   th e   im p o r tan ce   o f   th e   latter   [ 2 6 ] .   I n   ad d itio n ,   r ea l - tim e   p r o ce s s in g   o f   p h y s io lo g ic al  s ig n als  i s   m ad e  p o s s ib le  b y   lo w - laten cy   co m p u tatio n al  f r am ewo r k s   an d   th is   is   ess en tia l  in   ad ap tiv e  au to n o m y   to   d y n am ic  en v ir o n m en ts   [ 2 7 ] .   T h e   r ea l - tim e  p r o ce s s in g   ar ch itect u r es  ar e  also   ef f icien t  to   ad d   th e  co n ce p t  o f   p h y s io lo g ica l  s en s in g   in to   th e  co n tr o l  s y s tem s   [ 2 8 ] .   R ec en t  s tu d ies  in   h u m an - r o b o t  c o llab o r atio n   also   co n f ir m s   th at  wo r k lo ad ,   a u to n o m y ,   r o b o t   s p ee d ,   an d   co m p lex ity   o f   th e  e n v ir o n m en t   all  im p ac t   th e  q u ality ,   s af ety ,   an d   co m f o r t  o f   t h e  in ter ac tio n   [ 2 9 ] ,   [ 3 0 ] .   Hu m a n - ce n tr ic  d ig i tal  twin   s tu d ies  also   d em o n s tr ate  th at  d ig ital  twin s   o f   h u m a n s   ca n   en ab le  m o r e   co n tex t - awa r e  a n d   ad a p tiv e  h u m an - m ac h in e  co llab o r atio n   [ 3 1 ] .   Fu r t h er ,   r ei n f o r ce m en t  le ar n in g   a n d   task - lo a d   ad ju s tm en t  m eth o d s   h av e  b ee n   s h o wn   to   en h an ce   h u m an - r o b o t  co llab o r atio n   b y   ad a p tin g   r o b o t  ac tio n s   b ased   o n   p h y s io lo g ical   an d   p e r f o r m an ce   m ea s u r es   [ 3 2 ] .   T h e   m o s t  r ec e n t  r e v iew  o f   m en tal  wo r k l o ad   i n   co llab o r ativ e  task s   s tr ess es  th at  wo r k lo ad   ass ess m en t  is   a  cr itical  asp ec t  o f   co b o t  s y s tem s   [ 3 3 ] .   Ho wev er ,   r esear ch   o n   r o b o tic  teleo p e r a tio n   also   d em o n s tr ates  th at  p h y s io lo g ical  m ea s u r es  co u ld   b e  in s u f f icien t  an d   n ee d   to   b e  co m p lem en ted   b y   p er f o r m a n ce   m ea s u r es f o r   r elia b le  wo r k lo ad   p r ed ictio n   [ 3 4 ] .   Hu m an - in - t h e - lo o p   o p tim izatio n   also   u n d e r lin es  th e  n ee d   f o r   an   ad ap tiv e  r o b o tic  s y s tem   wh ich   lear n s   f r o m   th e  p a r ticu lar   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Hu ma n   s ta te  d ig ita l tw in   a r ch itectu r e  fo r   p h ysio lo g y  co n s tr a in ed   a d a p tive  … ( Ja g a n a th a n   N ir ma la d ev i )   505   r esp o n s es  o f   th e   h u m an   u s er   as  o p p o s ed   to   th e   f ix ed   co n tr o ller   tu n in g   [ 3 5 ] .   T h ese  r ec e n t  ad v an ce s   h i g h lig h t   th e  n ee d   f o r   th e  p r o p o s ed   HS DT - b ased   T C AA  ap p r o ac h ,   wh er e  p h y s io lo g ical  esti m atio n   an d   m o n ito r in g   is   n o t  co n s id er e d   as  a  s tan d - al o n e  o u t p u t  b u t  is   in teg r ated   with   au to n o m y   allo ca tio n   a n d   r o b o tic  co n tr o l.   Alth o u g h   t h ese  d ev elo p m en ts   ar e  m ad e,   th er e  ar e  s till   a  n u m b er   o f   r esear ch   g ap s .   T o   b e g in   with ,   th er e   ar e   f ew  f o r m al  p ar am et r ic  m o d el s   o f   h u m an   p h y s io lo g ical  s tate  th at  ar e  d ir ec tly   in co r p o r at ed   in to   th e  co n tr o l  laws  o f   r o b o ts .   Seco n d ,   in   c lo s ed - lo o p   s y s tem s   r ea l - tim e  esti m ates  o f   th e  p h y s io lo g ical  s tate  ar e  r ar ely   ap p lied   as  d y n am ic  c o n s tr ain ts   in   th e  allo ca tio n   o f   au t o n o m y .   T h ir d ,   u n ity   o f   ass ess m en t  s ch em es  o f   p h y s io lo g y - co n s tr ain e d   ad a p tiv e  au to n o m y   is   lack in g   esp ec ially   in   m ea s u r em e n t  o f   p er f o r m an ce   tr ac k in g ,   s ea m less   ch an g e  o f   au th o r ity   an d   s af ety   co n s cio u s   co n tr o l  b eh av io r .   T o   o v e r co m e  th e  d i f f icu lties ,   th is   p ap er   s u g g ests   a  h u m an   s tate  d ig ita l  twin   ( HSDT ) - in s p ir e d   twin - co n s tr ain ed   a d ap tiv e   au to n o m y   ( T C AA)   m o d el,   wh er e  m u ltimo d al  p h y s io lo g i ca l  cu es  ar e  d ir ec tly   in co r p o r ated   in to   th e  co n tr o l  o f   a  r o b o t.  T h e  p r o p o s ed   f r am ewo r k   m ak es  u s e  o f   elec tr o m y o g r ap h y   ( E MG ) ,   elec tr o d er m al  ac tiv ity   ( E DA)   an d   h e ar t - r ate  v ar iab ilit y   ( HR V)   to   p r ed ict  in   r ea l - tim e   laten t  h u m an   s tates  in clu d in g   co g n itiv e  wo r k lo a d ,   f atig u e ,   an d   s tr ess .   T h ese  esti m ates  ar e  in teg r ated   in to   an   au to n o m y   allo ca tio n   m ec h an is m   wh ich   is   a   clo s ed - lo o p   an d   d y n am ically   m o d u lates  th e  c o n tr o l  a u th o r ity   b etwe en   th e   h u m an   o p er ato r   an d   th e   r o b o t.  T h e  r esear ch   p r o b lem   th at   is   to   b e   d is cu s s ed   in   th is   wo r k   is   to   a s ce r tain   wh eth er   d ir ec t  ap p lic atio n   o f   th e   r ea l - tim e  esti m atio n   o f   laten t   h u m a n   p h y s io lo g ical  s tates  ca n   b e  d i r ec tly   in teg r ated   in to   t h e  co n t r o l  laws  o f   r o b o ts   with   th e  ai m   o f   en h a n cin g   th e   s af ety ,   tr ac k in g   p e r f o r m an ce   an d   s m o o th n ess   o f   th e   in ter ac tio n   in   co llab o r ativ e  s y s tem s .   T h e  m ain   co n tr ib u tio n s   o f   th is   p a p er   ar e  as f o llo ws:   -   A  co o r d in ate d   HSDT   s y s tem   o f   r ea l - tim e  m u ltimo d al  esti m atio n   o f   th e  c o g n itiv e  w o r k lo ad ,   f atig u e,   a n d   s tr ess .     -   A  p h y s io lo g y - co n s tr ain ed   ad a p tiv e  au to n o m y   co n tr o l  ar ch it ec tu r e  th at  p r o v id es  esti m ates  o f   h u m an - s tate  d ir ec tly   in to   co n tr o l a u th o r ity   allo ca tio n .     -   A  T C AA   m o d el  th at  allo ws ea s y   an d   in ter p r etab le  b ased   tr a n s itio n s   b etwe en   h u m an   a n d   r o b o t c o n tr o l.    -   A  v alid atio n   f r am ewo r k   b ased   o n   s im u latio n   s h o win g   en h a n ce m en t  o f   th e  ac c u r ac y   tr ac k i n g ,   s m o o th n ess   o f   th e  to r q u e  a n d   s tab ilit y   at  d i f f er en t w o r k lo ad   co n d itio n s .     T h e  p r o p o s ed   m et h o d   will  f u r th er   tak e  th e  f ield   o f   ad ap tiv e  au to n o m y   a  s tep   b e y o n d   m o n ito r in g - b ased   s y s tem s   b y   ad d in g   p h y s io lo g ical  s tate  e s tim atio n   to   clo s ed - lo o p   co n tr o l,  b r in g in g   th e  co n ce p t  o f   th e   n ex t - g en e r atio n   co llab o r ativ e  r o b o tics   to   a  co m p letely   u n if i ed   h u m an - awa r e  co n tr o l  p ar ad ig m .   T h e  s u g g ested   f r am ewo r k   is   s p ec if ically   a p p licab le  in   in d u s tr y   co lla b o r ativ e  r o b o ts ,   ass is tiv e,   an d   h u m an - f o cu s ed   au to m atio n   lan d s ca p es.       2.   P RO P O SE D  M E T H O D    2 . 1 .       O v er a ll  s y s t em   a rc hite ct ure   T h e  p r o p o s ed   d esig n   is   b ased   o n   T C AA   ar ch itectu r e,   ac c o r d in g   t o   wh ic h   HSDT   c o n s tan t ly   ad ju s ts   th e  r o b o t c o n tr o l a u th o r ity   ass ig n m en t.  T h e  g e n er al  s y s tem   a r ch itectu r e  is   s h o wn   in   Fig u r e  1 .             Fig u r e  1 .   Ov e r all  ar ch itectu r e  o f   th e  twin - c o n s tr ain ed   a d ap ti v e  au to n o m y   f r am ewo r k       T h e  f r am ewo r k   co n s is ts   o f   f iv e  b asic  m o d u les,  n am ely :   i)   m u ltimo d al   p h y s io lo g ical   s en s in g ,     ii)  h u m a n   s tate  esti m atio n ,   iii)  au to n o m y   b le n d in g   co n tr o ller ,   i v )   r o b o t  d y n am ic   co n tr o l  lay er   an d     H u m a n   O p e r a t o r   ( i n t e n t ,   a c t i o n s)   P h y s i o l o g i c al   S e n s i n g   U n i t   ( H RV  /   ED A  /   EM G )   H u m a n  St at e  D i g i t a l   Tw i n   ( H S D T)   ( st a t e   o b serv e r  +   e st i m a t o r)   A d a p t i v e   A u t o n o m y   B l e n d i n g   M o d u l e   ( α)   R o b o t i c   P l a n t   ( c o n t r o l l e r +   a c t u a t o rs)   S h a r e d   T a s k   /   En v i r o n m e n t   ( d i st u r b a n c e s,   c o n t e x t )   ( p h y si o l o g i c a l   si g n a l s)     ( H RV  /   ED A  /   E MG)   ( b i d i r e c t i o n a l   f e e d b a c k )   ( H RV  /   ED A  /   E MG)   ( m u l t i m o d a l   f e a t u r e s  /   p ro c e ss e d   si g n a l s)   ( H RV  /   ED A  /   E MG)   ( l a t e n t   h u m a n   s t a t e   v e c t o r   ො ℎ )   ( H RV  /   ED A  /   E MG)   ( c o n t r o l   a u t h o ri t y   )   ( H RV  /   ED A  /   E MG)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   5 0 3 - 5 1 8   506   v )   b id ir ec tio n al  f ee d b ac k .   Ph y s io lo g ic  in d icato r s   s u ch   as  elec tr o m y o g r ap h y   ( E MG ) ,   el ec tr o d er m al  ac tiv ity   ( E DA) ,   an d   h ea r t - r ate  v ar iab il ity   ( HR V)   ar e  m ea s u r ed   with   a  f r eq u en cy   .   Su ch   s ig n als  ar e   p r ep r o ce s s ed   an d   tr an s f o r m ed   in to   a  laten t  h u m an   s tate  v ec to r   ℎ ∈ ℝ ,   wh ich   is   a  c o g n itiv e  wo r k lo ad ,   f atig u e ,   an d   s tr ess .   T h e   s tate - s p ac e  d y n am ic  o f   th e  r o b o t p lan t is p r o v id ed   as:     ̇ = ( , ) , = ℎ ( )     I n   th is   ca s e,   ∈ ℝ   r ep r esen ts   th e  s ta te  o f   th e   r o b o t,  ∈ ℝ   d en o tes  th e  co n tr o l  in p u t,  an d   ∈ ℝ     r ep r esen ts   th e  o b s er v ab le  o u tp u t.  A,   B   an d   C   ar e  th e  s tate,   in p u t  an d   o u tp u t  m a tr ices  o f   lin ea r ized   r ep r esen tatio n   o f   th e  r o b o t  d y n am ics.  T h e  in p u t  o f   th e  h u m an   o p er ato r   ℎ     is   ad d ed   to   th e  au to n o m o u s   co n tr o ller   in p u t    with   an   ad ap t iv e  au to n o m y   c o ef f icien t    ∈   [ 0 , 1 ]   s u c h   th at:     = ( ℎ ) + ( 1 − ( ℎ ) ) ℎ     T h is   s h ar ed - co n tr o l  f o r m u lat io n   ℎ   r ep r esen ts   th e  h u m an   co m m an d   i n p u t,    r ep r esen ts   th e   au to n o m o u s   co n tr o ller   o u tp u t  an d      is   th e  d eg r ee   o f   co n tr o l  au th o r ity   allo ca ted   t o   ea ch .   T h e  lar g er   th e  v alu e  o f   α   th e  g r ea ter   t h e  p o wer   g iv en   to   th e  a u to n o m o u s   c o n tr o ller ;  th e  s m aller   th e   v alu e   o f   α ,   th e  lar g er   th e   p o r tio n   o f   co n tr o l  lef t  in   th e   h an d s   o f   th e  h u m a n   o p er at o r .   Dy n am ic  co m p u tatio n   o f   th e  co ef f icien t  o f   b len d in g   is :     ( ℎ ) = ( ℎ + )     I n   th is     is   a  lear n ed   weig h tin g   v ec to r ,     is   a  s ca lar   b ias  v alu e,   an d   ( ⋅ )     is   a  co n s tr ain ed   s ig m o id   ac tiv atio n   f u n ctio n   t h at  th war ts   s m o o th   a n d   co n ti n u o u s   s witch es b etwe en   lo w  an d   h ig h   au to n o m y   le v els.       3.   M E T H O D   3 . 1 .     H um a n  s t a t e  dig it a l  t win m o delin g   HSDT   m o d elin g   p ip elin e  as  s h o wn   in   Fig u r e  2   is   a  tr an s f o r m atio n   o f   p h y s io lo g ical  m ea s u r em en ts   to   a  d y n a m ically   esti m ated   h u m an - s tate  laten t  s tate  to   b e   u s ed   in   ad ap tiv e  r o b o tic   co n tr o l.  T h e   HSDT   is   in ten d ed   t o   g iv e   a  m at h em at ically   co n s is ten t  an d   r ea l  ti m e  m o d el   o f   co g n itiv e  lo ad ,   f atig u e,   an d   s tr es s   co m p u tatio n ally ,   u s in g   m u ltimo d al  b io   s ig n al   r ep r esen tat io n s ,   an d   r esil ien t  to   m ea s u r em en t  n o is e  an d   n o n lin ea r   p h y s io lo g ical  p r o c e s s es.  Ph y s io lo g ical  m ea s u r em en ts   in   th e  p r o p o s ed   f r am ewo r k   ar e  r ep r esen ted   as  m u ltimo d al  c u es  E MG ,  E DA   an d   p h o to p leth y s m o g r a p h y /e lectr o ca r d io g r ap h y   ( PP G/E C G) - m ea s u r ed   h ea r t - r ate - v ar iab ilit y   ( HR V)   f ea tu r e s .   A  b an d - p ass   f ilter   o f   2 0 - 4 5 0   Hz  was  u s ed   to   f ilter   th e  E MG   s ig n als  in   o r d er   to   elim in ate  m o tio n   ar tifa cts  a n d   h ig h - f r eq u e n cy   n o is e.   T o   m ain tain   s lo w  s y m p at h etic  r e s p o n s e  co m p o n e n ts   lin k ed   with   s tr ess   an d   ar o u s al,   E DA  s ig n als  wer e  lo w - p ass   f i lter ed .   T h e  ex tr ac t  o f   HR V  f e atu r es  b ased   o n   th e  E C G/P PG - d er iv ed   in ter - b ea t  in ter v als  was  p er f o r m ed   th r o u g h   co n v en tio n al  tim e - d o m ai n   an d   f r eq u en cy - d o m ain   m ea s u r es.  T h e  esti m ato r   was  r u n   at  1 0 0   Hz  an d   th e  r o b o t  co n t r o l  lo o p   was  r u n   at  1   k Hz  to   g u ar an tee   co m p atib ilit y   b etwe en   p h y s io l o g ical  esti m atio n   an d   c o n tr o l  ex ec u tio n   in   r ea l - tim e.   T h ese  s ig n als  r ep r esen t  v ar ia tio n s   in   o p er ato r   s tate  u n d er   ch an g in g   wo r k l o ad   co n d itio n s ,   an d   ar e  p r o ce s s ed   in   th e  f r am ewo r k .   Dig ital  b an d - p ass   f ilter   is   u s e d   to   elim in ate  m o tio n   ar tifa ct s ,   b aselin e  d r if t  an d   h ig h   f r eq u e n cy   n o is e.   T h e  s tan d ar d   d if f er e n ce   eq u atio n   is   th e  m ea n s   to   o b tain   th e  f ilter ed   s ig n al:     [ ] = ∑ = 0 [ − ] − ∑ = 1 [ − ]     I n   th is   ca s e,   [ ]   is   th e  in p u t  s ig n a l,  [ ]   is   th e  f ilter ed   o u tp u t,     an d     ar e  f ilter   co ef f icien ts   an d     an d     ar e  th e  f ee d f o r war d   a n d   f ee d b ac k   o r d er   o f   th e  f ilter   r esp ec ti v ely .   T h e  f ilter   p a r am eter s   ar e   ch o s en   d ep e n d in g   o n   p h y s io lo g ical  s ig n al  b an d wid th s   ( e. g .   20 - 450   Hz  o f   E MG   an d   0 . 0 4 - 0 . 4   Hz  o f   HR V  co m p o n en ts ) .   T h e     z - d o m ain   s tab ilit y   an d   ca u s ality   is   p r o v id ed   b y   n o r m al  p o le - ze r o   an aly s is .   Af ter   th e  s ig n al  co n d itio n in g   we  ex tr ac t  f ea tu r es  s o   as  t o   c o m e   u p   with   t h e  m ea n in g f u l  p h y s io lo g ical  d escr ip t o r s   o f   laten t   h u m an   s tates.  T h e  f ea tu r es  th at  ar e  e x tr ac ted   a r e   r o o t - m ea n - s q u a r e  ( R MS)   E M G  am p litu d e  ( s y m b o lizin g   m u s cu lar   ef f o r t) ,   s k in   co n d u cta n ce   lev el   ( SC L )   ( s y m b o lizin g   s y m p ath etic  n er v o u s   ac tiv ity )   an d   HR V  s p ec tr al  co m p o n e n ts ,   i.e .   l o w - f r eq u e n cy   ( L F)  a n d   h i g h - f r eq u en cy   ( HF)   p o wer .   T h ese  ch ar ac ter is tics   ar e  p u t  to g eth er   in to   an   o b s er v atio n   v ec to r :     [ ] = [ R MS  , SC L , HR V  , HR V  , …   ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Hu ma n   s ta te  d ig ita l tw in   a r ch itectu r e  fo r   p h ysio lo g y  co n s tr a in ed   a d a p tive  … ( Ja g a n a th a n   N ir ma la d ev i )   507   A  n o n lin ea r   r ep r esen tatio n   o f   f atig u e  a n d   i n ter n al   co g n itiv e  s tates  wh ich   th e  o b s er v atio n   v ec to r   ca n   p r o v id e  is   p ar tially   o b s er v ab l e.   T h e  laten t  s tate  ca n n o t  b e  m ea s u r ed   as  p h y s io lo g ical  p r o ce s s es  ar e  n o n lin ea r   an d   co r r elate d   o v er   tim e  an d   th er ef o r e  ca n n o t  b e  d et er m in ed   d ir ec tly   as  a  r esu lt  o f   in s tan tan eo u s   m ea s u r em en ts .   T h u s ,   a  r ec u r s iv e  s tate  esti m atio n   m o d el  is   u s ed .   A  Kalm an   f ilter   th at  is   ex ten d ed   ( E KF)   is   tak en   to   p r ed ict  th e  laten t   h u m an   s tate  v ec to r   ො ℎ ,   th at  ca n   b e  a  co g n itiv e   lo ad   i n d ex ,   f ati g u e  lev el,   s tr ess   in d ex ,   a n d   n e u r o m u s cu lar   ac t iv atio n   s tate.   T h e  n o n lin ea r   s tate - s p ac e  m o d el  is   a  d is cr ete - tim e  m o d el  in   th e  f o r m :     ℎ [ + 1 ] = ℎ [ ] + [ ]   [ ] = ℎ [ ] + [ ]     T h e  o b s er v atio n - laten t  h u m a n   s tates  r elatio n s h ip   is   n o n lin ea r   an d   p ar tially   o b s er v ab l e.   As  th er e  ar e  n o   in s tan tan eo u s   in d icato r s   o f   co g n itiv e  lo a d ,   f atig u e ,   an d   s tr ess ,   a  r ec u r s iv e  s tate  es tim atio n   m eth o d   is   em p lo y ed .                                                           Fig u r e  2 .   Hu m an   s tate  d ig ital t win   s ig n al  p r o ce s s in g   an d   esti m atio n   f r am ew o r k       T h e  esti m atio n   o f   t h e  laten t  h u m an   s tate  v ec to r   ො ℎ   th at  r ef le cts  co g n itiv e  wo r k l o ad ,   f atig u e  lev el,   s tr ess   in d ex ,   an d   n eu r o m u s cu l ar   ac tiv atio n   is   d o n e  th r o u g h   th e  u s e  o f   an   E x te n d ed   Kalm a n   f ilter   ( E KF) .   T h e   E KF  is   ch o s en   s in ce   th e  laten t  h u m an   s tate  is   n o n lin ea r ,   p a r tially   o b s er v ab le   an d   r ec u r s i v ely   ev o lv es  b ased   o n   n o is y   p h y s io lo g ical  m ea s u r em en ts .   E KF  is   le s s   co m p u tatio n ally   co m p lex   th a n   p ar ticle   f ilter s ,   s o   it  ca n   b e   u s ed   in   r ea l - tim e  au t o n o m y   m o d u latio n .   C o m p ar e d   to   a  s tan d ar d   Kalm a n   f ilter ,   th e  E KF  is   an   ef f ec tiv e   wa y   to   m o d el  n o n lin ea r   d ep en d en c ies  b etwe en   p h y s io lo g ical  v ar iab les  an d   laten t  v ar iab les  lik e  wo r k lo ad ,   f atig u e   an d   s tr ess .   T h e  n o n lin ea r   s tate  s p ac e  m o d el  ca n   b e  p u t in   d is cr ete - tim e  ter m s   as:     ℎ [ + 1 ] = ℎ [ ] + [ ]   [ ] = ℎ [ ] + [ ]     I n   th is   ca s e,   F   d en o tes   th e  s ta te  tr an s itio n   m at r ix ,   H   is   th e   o b s er v atio n   m atr ix ,   [ ] ∼ ( 0 , ) ,   an d   [ ] ∼ ( 0 , )   d en o te  p r o ce s s   an d   m ea s u r em en t n o is e  r esp ec tiv ely   with   co v ar ian ce   m atr ices Q   an d   R   r esp ec tiv ely .   E KF ta k es p lace   in   two   r ec u r s io n s .   I n   th e  p r ed ictio n   s tep :   R a w   P h y s i o l o g i c a l   S i g n a l s   • EM G     • ED A   ( S C L  /   ED A )     • P P G   /   E C G   ( H R V )     F e a t u r e   Ex t r a c t i o n   ( RM S   ( EM G ) ,   S k i n   C o n d u c t a n c e   L e v e l   ( S C L ) ,   H R V  S p e c t ra l   C o m p o n e n t s (L F,   H F) )     O b serv a t i o n   V e c t o r   z [ k ] = [ R M S E M G ,   S C L ,   H R V LF ,   HR VH F ,   …]   T   N o i se   M o d e l s   • P r o c e ss :   ∼ ( 0 , )   • M e a su r e me n t :   ∼ ( 0 , )     Ex t e n d e d   K a l m a n   F i l t e r   ( E K F )   P r ed i ct i o n :        ො ℎ − = ො ℎ +   U p d a t e :                       = − ( − + ) − 1   ො ℎ = ො ℎ − + ( − ො ℎ − )   :   c o v a r i a n c e ,  :   me a su r e me n t   n o i s e ,  :   p r o c e ss   n o i se     Est i m a t e d   La t e n t   H u m a n   S t a t e   ො ℎ [ ]      ( c o g n i t i v e   l o a d   /   f a t i g u e   /   st r e ss )   A u t o n o m y   M o d u l a t i o n                 = ( ො ℎ [ ] )   A d a p t i v e   A u t o n o m y   B l e n d i n g   /   C o n t r o l l e r   ( m o d u l a t e d   a ss i st a n c e )   D i scret e - Ti me  B a n d - P a ss F i l t e r   [ ] = ∑ [ − ] − ∑ [ − ]   ( f i l t e r i n g   /   d e n o i s i n g )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   5 0 3 - 5 1 8   508   ො ℎ − = ො ℎ   − =  +     wh er e    is   th e  s tate  co v ar ian ce   m atr ix   w h ich   is   th e   u n ce r tain ty   in   esti m atio n .   I n   u p d ate  s te p   Kalm an   g ain   is   ca lcu lated   as:     = − ( − + ) − 1     T h e  s tate  esti m ate  is   g iv en   b y :     ො ℎ = ො ℎ − + ( − ො ℎ − )     an d   th e  c o v ar ian ce   u p d ate   is   g iv en   as:     = ( −  ) −     T h is   r ec u r s iv e  esti m atio n   m ak es  it  p o s s ib le  to   k ee p   o n   u p d at in g   th e  laten t  h u m an   s tate  with   th e  av ailab ilit y   o f   n ew  o b s er v atio n s .   T h e  c o v ar i an ce   m atr ix     ca n   b e  u s ed   to   g iv e  a  m ea s u r e  o f   th e  co n f id e n ce   o f   esti m atio n s ,   wh ich   ca n   b e   in clu d ed   in   s af ety - co n s cio u s   a u to n o m y   co n s tr ain ts .   T h e   o b s er v a b ilit y   m at r ix   will  b e   ass ess ed   as:     = [  2 ⋮ ]     T o   m ak e   a  tr a d eo f f   b etwe en   r esp o n s iv en ess   an d   n o is e  s u p p r ess io n   a d d itio n al  t u n in g   m et h o d s   lik e   ex p ec tatio n - m a x im izatio n   ( E M)   o r   i n n o v atio n   c o v ar ian ce   m atch in g   ca n   b e  u s ed .   T h e   au to n o m y   b le n d in g   co ef f icien t  is   d ir ec tly   m o d u la ted   u s in g   th e  esti m atio n   o f   t h e  laten t  s tate  ො ℎ .   T h e   au to n o m y   m o d u latio n   is   d eter m in ed   as:     [ ] = + (  − )   ( ො ℎ [ ] )     T h e  b o u n d ed   s ig m o id   m ap p in g   p r o v id es  th at  0   ≤   α ( t )   ≤   1 ,   a n d   av o id s   d is co n tin u o u s   h u m a n   an d   r o b o t  co n tr o l.   T h e  d er iv ativ e  o f   th e  s ig m o id   f u n ctio n   is   lim ited ,   s o   th e  r ate  o f   ch an g e  o f   au to n o m y   is   s m o o th ,   th u s   m in im izin g   s u d d e n   ch an g es  in   to r q u es  an d   en h a n cin g   th e  s tab ilit y   o f   clo s ed - lo o p   in te r a ctio n .   I n   th is   ( ⋅ )   a  b o u n d ed   s ig m o id   f u n ctio n   an d     is   a   lear n ed   weig h tin g   v ec to r   th at  is   u s ed   to   m ap   h u m an   co n d itio n s   to   lev els   o f   au to n o m y .   T h e  au to n o m y   co ef f icien t  is   f o u n d   to   b e  h ig h   u n d er   h ig h   co g n itiv e  lo a d   o r   f atig u e  an d   allo ws  in cr ea s ed   r o b o tic  ass is tan ce .   I n   m o r e  lo o s e  co n d itio n s ,   au th o r ity   o f   h u m an   co n tr o l  is   u n d er lin e d .   HSDT   m o d elin g   f r am ewo r k   o f f e r s   th e  f o llo win g   m ain   p r o p e r ties :   i)   co n tin u o u s   esti m atio n   o f   h u m an   s tate  o v er   tim e ,  ii)  r o b u s tn ess   to   s en s o r   n o is e  an d   s ig n al  v a r iab ilit y ,   iii)  m at h em atica lly   co n s is ten t  s tate - s p ac e  r ep r esen tatio n ,  an d   iv )   d ir ec t  in teg r ati o n   in to   clo s ed - lo o p   a d ap tiv e  c o n tr o l .   T h e  HSDT   is   test ed   in   a  s im u latio n - b ased   f r am ewo r k   with   th e  v ar iatio n s   o f   wo r k lo ad   an d   n o is e  co n d itio n s   th at  ar e  r ep r esen ta tiv e.   Valid atio n   is s u es  co n s i s t   o f   th e  ac cu r ac y   o f   th e  esti m atio n   ( e. g .   R MSE ) ,   co n v er g en ce   o f   th e  E KF,  co m p u tatio n al  laten cy   an d   s tab ilit y   in   d if f er en t  co n d itio n s   o f   th e  s ig n al.   I n   g en e r al,   th e  HSDT   is   an   in ter ac tiv e  m o d el  o f   co m p u tatio n   o f   p h y s io lo g ical  an d   co g n itiv e  s tate  o f   an   o p er ato r ,   an d   allo ws  s tr u ctu r ed   an d   in ter p r etab le  p h y s io lo g y - c o n s tr ain e d   ad ap tiv e  a u to n o m y   o f   co l lab o r ativ e  r o b o tic  s y s tem s ,   as sh o wn   in   Fig u r e  2 .     3 . 2 .   T win  co ns t ra ined a da ptiv e  co ntr o l la w   T h e  ad ap tiv e   co n tr o l  ar ch ite ctu r e  p lace s   th e  h u m an   s tate   esti m atio n   with   th e  co n tr o l   au th o r ity   allo ca tio n   m ec h an is m .   T h e  co n ce p tu al  s u m m ar y   o f   th e  en tir e  b len d in g   lo o p   is   r ep r esen ted   in   Fig u r e  3 .     T h e  co n tr o ller   is   m ad e  u p   o f   th r ee   lay er s   th at  ar e  co n n ec t ed :  i)   r o b o t  d y n am ic  co n tr o l,   ii)  h u m an   s tate  esti m atio n   th r o u g h   th e  H SDT,   an d   iii)  p h y s io lo g ical  s tate  au to n o m y   allo ca tio n .   A  f e ed b ac k   lin ea r izatio n   s tr u ctu r e  is   o b tain ed   b ased   o n   wh ich   th e  au to n o m o u s   co n tr o l   ac tio n   is   o b tain ed   as:     = + ̇     wh er e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Hu ma n   s ta te  d ig ita l tw in   a r ch itectu r e  fo r   p h ysio lo g y  co n s tr a in ed   a d a p tive  … ( Ja g a n a th a n   N ir ma la d ev i )   509   = −     I t is th e  tr ac k in g   er r o r   b etwe en   th e  r ef er en ce   tr ajec to r y     an d   th e  m ea s u r ed   r o b o t state   ,   an d   ,    ar e  p r o p o r tio n al  an d   d er iv ati v e  g ain   r esp ec tiv el y .   T h is   b u ild in g   p r o v id es  cr itically   d a m p ed   r esp o n s e  an d   q u ick   c o n v e r g en ce   ev e n   wh e n   o p er atin g   in   n o m in al   co n d i tio n s .   I n   o r d er   t o   en s u r e  s af e   ac tu atio n ,   ac tu ato r   s atu r atio n   an d   m ec h an ical  lim its   ar e  p lace d   d ir ec tly   v ia  a  clip p in g   f u n ctio n :      = clip ( , ,  )     wh er e    an d      ar e  lim its   in   ter m s   o f   to r q u e/ f o r ce   s et  b y   h a r d wa r e  an d   s af ety   s tan d ar d s .   T h e  o r ig in ality   o f   th e  s tr u ctu r e  is   th at  th e  au t o n o m y   b len d in g   m ec h an is m   b a lan ce s   co n tr o l  p o we r   d ep e n d i n g   o n   t h e  esti m ated   h u m an   s tate.   T h e   b len d i n g   f ac to r   ∈ [ 0 , 1 ]   is   ca lcu lated   as:     = ( ℎ + )     wh er e   -   ℎ   is   th e  attem p t o f   th e  h u m a n   s tate  ( f atig u e  in d ex ,   s tr ess   lev el,   in d icato r s   o f   la b o r )   wh ich   is   e s tim ated ,   -     is   an   ac q u ir ed   weig h tin g   v ec t o r ,   -     is   a  b ias ter m ,   -   ( ⋅ )   is   b o u n d e d   s ig m o id   a ctiv atio n   wh ich   p r o v id es sm o o th   ch an g es.           Fig u r e  3 .   T win   c o n s tr ain ed   au to n o m y   b len d i n g   co n tr o l lo o p       T h e  u ltima te  b len d ed   co n tr o l c o m m an d   will b e:     = + ( 1 − ) ℎ     wh er e  ℎ   is   th e  co m m an d   in p u t  p r o v id e d   b y   h u m an s .   T h is   s tr u ctu r e  en s u r es:   -   B ig   au to n o m y   in   ca s e  o f   h ig h   f atig u e  in d e x   ( lar g e   α )   -   I n cr ea s ed   h u m an   c o n tr o l a t l o w  co g n itiv e  lo a d   ( s m all ).   -   C o n tin u o u s   to r q u e - tr a n s itio n s   will b e  d esire d .   T h e  s y s tem   en s u r es  th at   s u d d en   m o d e  ch a n g es  d o   n o t  o cc u r   an d   s tab ilit y   is   en s u r ed   in   r esp o n s e  to   tim e - v ar y in g   h u m a n   co n d itio n s   b y   in teg r atin g   au to n o m y   with in   th e  clo s ed - lo o p   c o n tr o l  law  in s tead   o f   it  b ein g   an   ex ter n al  s witch in g   s y s tem .     3 . 3 .     E x perim ent a l  a nd   s im ula t io n set up   T h e  p r o p o s ed   f r a m ewo r k   was   test ed   in   a  s im u lated   co n tr o l led   s ettin g   aim ed   at  th e  an aly s is   o f   th e   in ter ac tio n   o f   h u m an - s tate  esti m atio n   an d   ad ap tiv e  au to n o m y   allo ca tio n   u n d e r   r ep ea tab le  co n d itio n s .   T h e   s im u latio n s   wer e  ex ec u ted   in   a  n u m er ical  co m p u tin g   s y s tem   ( e. g . ,   MA T L AB /Si m u lin k   o r   a  s im ilar   s y s tem )   to   test   th e  p r o p o s ed   co n tr o l  s y s tem   in   d if f er en t  wo r k lo ad   c o n d itio n s .   No   p h y s ical  h u m a n   s u b ject  ex p er im en t  is   in d icate d   in   th e  r esear ch ,   b u t  in s tead ,   v ar iatio n s   in   p h y s i o lo g ical  s tates  an d   co llab o r ati v e  task   r eq u ir e m en ts   H u ma n   O p e r a t o r   ( ℎ )     P h y s i o l o g i c a l   S e n s i n g   ( EM G   /   ED A  /   H RV)   H u ma n   s t a t e   d i g i t a l   t w i n   ( H S D T)   st a t e   e st i m a t e   ො ℎ     A u t o n o m y   A l l o c a t i o n   = ( ො ℎ + )     A u t o n o m y   B l e n d i n g   = + ( 1 − ) ℎ     R o b o t   C o n t r o l l e r   = + ̇   =  −     R e f e r e n c e        R o b o t i c   P l a n t       H u ma n   c o mm a n d   u h   a u t o n o my   c o e f f i c i e n t   α   b l e n d e d   i n p u t   u   f e e d b a c k   st a t e     a u t o n o mo u s  c o n t r o l     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   5 0 3 - 5 1 8   510   wer e  s im u lated   to   test   th e  clo s ed - lo o p   b eh av i o r   o f   th e   co n tr o ller .   A  m u lti - d eg r ee - of - f r ee d o m   r o b o tic   m an ip u lato r   m o d el,   wh ic h   is   g en er ic,   was  tak en   in to   co n s id er atio n   in   a  co llab o r ativ e  m an ip u latio n   a n d   tr ajec to r y - tr ac k i n g   task   wh er e  th e  r o b o t  f o llo we d   a  r ef er en ce   tr ajec to r y   an d   ac c o m m o d ated   tim e - v ar y in g   h u m an   in p u t   an d   ap p r o x im at ed   o p e r ato r   s tate.   T h e  c o n tr o l   lo o p   o f   th e  r o b o t  f lo wed   with   th e  f r eq u en cy   o f     1   k Hz,   h u m a n - s tate  esti m ato r   with   1 0 0   Hz,   an d   th e  a u to n o m y   b le n d in g   co ef f icien t  with   5 0   Hz.   T h e   s im u latio n   was  d o n e  with   s en s o r   n o is e,   wo r k lo ad   tr an s itio n   a n d   f atig u e - r elate d   v a r iatio n s   to   ass ess   th e   r o b u s tn ess ,   tr an s itio n   s m o o th n ess ,   an d   s tab ilit y   o f   th e  p r o p o s ed   ar ch itectu r e.   T h e  s im u latio n   s ce n ar io s   will  b e   co n f ig u r ed   to   s im u late   in cr ea s in g   lev els  o f   o p er ato r   wo r k lo ad   a n d   f atig u e   th r o u g h   a   m an ip u latio n   o f   th e   f ea tu r es  o f   p h y s io lo g ical  s ig n als.  Simu lated   lo w,   m o d er ate  an d   h ig h   wo r k lo ad   c o n d itio n s   ar e  u s ed   to   ass es s   s y s tem   ad ap tab ilit y .   T h e  n o is e - r o b u s tn ess   m ea s u r e  is   d eter m in ed   th r o u g h   in jectio n   o f   a  co n tr o lled   Gau s s ian   n o is e  in   p h y s io lo g ical  s ig n al s ,   an d   allo ws  ass ess in g   esti m ato r   s tab ilit y   an d   co n tr o l  b eh av io r   t o   r ea lis tic  s en s in g   d is tu r b an ce s .   T h e   f r am ewo r k   in v o lv in g   s im u l atio n   in v o lv ed   p h y s io lo g ica l  s en s in g ,   s ig n al   p r ep r o ce s s in g ,   f ea tu r e   ex tr ac t io n ,   E KF - b ased   s tate  esti m atio n ,   ad a p tiv e  au to n o m y   b len d in g   an d   ad a p tiv e   s af ety - co n s tr ain ed   r o b o t  ac tu a tio n .   All  o f   th e  ex p er im e n ts   wer e  p ar am eter ized   in   th e  s am e   way   s o   th at  a  f air   co m p ar is o n   c o u ld   b e  m ad e  o f   m an u al  co n t r o l  v er s u s   f ix e d   au to n o m y   an d   t h e  p r o p o s ed   T C AA  f r am ewo r k .   T h e  E KF b ased   esti m atio n   m o d el  is   as f o llo ws:     Pre d ictio n :  ො ℎ , ∣ − 1 = ො ℎ , − 1 ∣ − 1   Up d ate:        ො ℎ , ∣ = ො ℎ , ∣ − 1 + ( − ො ℎ , ∣ − 1 )     wh er e   -     is   th e  m ea s u r em en t v ec to r   o f   ex tr ac ted   p h y s io lo g ical  f ea tu r es,   -      is   th e  Kalm an   g ain ,   -     an d     ar e  s y s tem   m atr ices.   Fig u r e  4   s h o ws th e  ex p er im en tal  an d   s im u latio n   m o d el  to   te s t th e  p r o p o s ed   T C AA  f r am e wo r k ,   wh ile  T ab le  1   s u m m ar izes k ey   p ar a m eter s   th at  wer e   u s ed   i n   all   ex p er im en ts .   Par am eter s   o f   th e  s y s tem   in   th e   T C AA   f r am ewo r k .           Fig u r e  4 .   E x p er im e n tal  an d   s i m u latio n   s etu p   o f   th e  twin   c o n s tr ain ed   ad ap tiv e  a u to n o m y   s y s tem       T ab le  1 .   Sy s tem   p ar a m eter s   P a r a me t e r   S y mb o l   V a l u e   C o n t r o l   sam p l i n g   t i me     1   ms   H u ma n   s t a t e   u p d a t e   r a t e   ℎ   1 0 0   H z   A u t o n o m y   u p d a t e   r a t e     5 0   H z   M a x i m u m   t o r q u e      1 2   N m   EM G   f i l t e r   b a n d w i d t h   —   20 – 4 5 0   H z       T h e  s am e  p ar am eter izatio n   i s   u s ed   in   all  ex p er im en ts   s o   th at  a  f air   co m p ar is o n   co u ld   b e  m ad e  b etwe en   m an u al   co n tr o l,  f ix e d   au to n o m y ,   an d   th e  p r o p o s ed   twin - co n s tr ain ed   ad ap tiv e  au t o n o m y   f r am ewo r k .   T h e  en tire   co n tr o l  lo o p   is   ca r r ied   o u t   in   t h e  g i v en   s eq u en ce   at  th e  d esig n ate d   r ates  o f   s am p lin g ,   as  s h o wn   in   P h y s i o l o g i c a l   S e n s i n g   Hu ma n   St a t e   E s t i ma t i o n   ( HS DT  /   E KF )   A u t o n o m y   A l l o c a t i o n   ( α)   C o n t r o l   S y s t e m   ( C o n t r o l l e r   +   S a f e t y )   Ro b o t i c  P l a n t   H u ma n   I n p u t   ℎ   R e f e r e n c e      a u t o n o my   c o e f f i c i e n t   ( )   f e e d b a c k   st a t e     c o n t r o l   i n p u t     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         Hu ma n   s ta te  d ig ita l tw in   a r ch itectu r e  fo r   p h ysio lo g y  co n s tr a in ed   a d a p tive  … ( Ja g a n a th a n   N ir ma la d ev i )   511   th e  eq u atio n s   ab o v e.   T h e  co m b in atio n   o f   esti m atio n ,   au t o n o m y   b len d in g   an d   s af ety   en f o r ce m en t  m a k es  th e   ad ap tiv e  co n tr o l  f r am ewo r k   s tab le  an d   p h y s io lo g ically   b ase d .   T h e  p r o p o s ed   a p p r o ac h   is   a  m o d if icatio n   o f   th e   tr ad itio n al  ad ap tiv e  co n tr o ller s   wh ich   u s e  o n ly   th e  p er f o r m an ce   f ee d b ac k ,   b u t  wh ich   u s e  h u m an   s tate  to   m o d u late  th e   co n tr o l  au t h o r i ty ,   allo win g   h u m a n - r o b o t  in ter ac tio n   to   b e  s af er   a n d   m o r e  co n tex t - awa r e.   Mu ltip le  s im u latio n   s ce n ar io s   wer e  test ed   at  d if f er en t  wo r k lo ad s   an d   n o is e  lev els  to   m ak e  s u r e  th at  th e  tr en d s   wer e  co n s is ten t.       4.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   T h e  r esu lts   p r o v id ed   in   t h e  p ap er   ar e   b ased   o n   t h e  co m p ar ativ e  an aly s is   o f   t h r ee   c o n tr o l   m o d es  b y   s im u latio n ,   n am ely   m an u al  c o n tr o l,  f ix e d   au to n o m y ,   an d   th e  s u g g ested   T C AA  s tr u ctu r e .   T h e  ev alu atio n   o f   p er f o r m an ce   was  ca r r ied   o u t   th r o u g h   esti m atio n   ac cu r ac y ,   t r ac k in g   er r o r ,   t o r q u e   r ip p le,   a u to n o m y   tr a n s itio n   b eh av io r   an d   s tab ilit y   tr en d s   wh en   d if f e r en t  s im u lated   wo r k lo ad   a n d   f atig u e  co n d itio n s   wer e  ap p lied .   T o   p r o v id e   th e   r o b u s tn ess   o f   th e  tr en d s   in   p er f o r m a n ce   o b s er v ed ,   th e   s im u latio n s   wer e   test ed   in   d if f e r en t  n o is y   co n d itio n s   a n d   in   d if f e r en t  w o r k lo ad   tr a n s itio n   co n d itio n s .   T h e   r ep o r ted   f in d in g s   s tip u l ate   co n s is ten cy   o f   b eh av io r   u n d er   th ese  co n d itio n s .     4 . 1 .   H u m a n  s t a t e  dig it a l t wi n e s t im a t io n a cc ura cy   a nd   ro bu s t nes s   T h e  r o o t  m ea n   s q u ar e   er r o r   ( R MSE )   is   u s ed   to   m ea s u r e   th e  h u m an   s tate  d ig ital  twin   ( HSDT )   esti m atio n   ac cu r ac y   b etwe en   th e  ac tu al  h u m an - s tate  v ar iab le   an d   th e  esti m ate:       = √ 1 ∫ ( ℎ − ො ℎ ) 2 0        I n   all  th e  test ed   o p er atin g   r e g im es,  th e  esti m ato r   is   f o u n d   to   b e  in   a   s tab le  co n v er g e n ce   with   a  lim ited   er r o r   d esp ite  h ig h   s en s o r   n o is e  an d   tem p o r ar y   d is tu r b an ce s .   T h e  esti m atio n   p e r f o r m an ce   was  also   co n s is ten t  ac r o s s   a  v ar iety   o f   s im u lated   o p er atin g   co n d itio n s   with   o n ly   s lig h t  d if f er en ce s   s h o wn   with   h ig h er   n o is e  lev els.  T h e  esti m ato r   p er f o r m a n ce   ca n   h o wev er   b e  in f lu en ce d   in   ex tr e m e  h ig h   n o is y   s itu atio n s   o r   wh en   p h y s io lo g ical  m ea s u r em en ts   ar e  d elay ed .   T h e  E KF  o f f er s   th e  b en e f its   o f   b ein g   r o b u s t   to   m o d e r ate  n o is e,   alth o u g h   lar g e  s en s o r   er r o r   o r   laten cies  m ig h t  af f ec t  th e  q u ality   o f   esti m atio n s .   Su ch   co n s tr ain ts   em p h asize  th e  im p o r tan ce   o f   p o we r f u l   s en s in g   d e v ices  an d   s u b s eq u en t  test in g   o n   r ea l - life   p h y s io lo g i ca l  d ata.   T h is   r esu lt   s h o ws  th at  th e  p r o p o s ed   esti m ato r   is   s tab le  an d   r o b u s t  in   d if f er en t  s ig n al  c o n d itio n s .   Sp ec i f ically ,   th er e  is   lo w   er r o r   in   th e  esti m atio n   in   h ig h - d y n am ics  p h ases   ( g en er ati o n   o f   n ew  wo r k l o ad s ) ,   wh ic h   s u g g ests   th at  th e   o b s er v er   is   ad eq u ately   atte n tiv e  to   tr ac e  tim e - v ar y in g   co g n itiv e/p h y s io lo g ical  lo a d ,   with o u t  ca u s in g   esti m atio n   lag .   T h is   s tr en g th   i s   n ec ess ar y   s in ce   th e  au to n o m y   allo ca to r   d ir ec tly   r elies  o n   th e  HSDT   o u tp u t;  b iased   o r   d elay ed   esti m atio n   o f   h u m an - s tate  wo u ld   b e  tr a n s lated   in to   th e  u n war r an te d   au to n o m y   ch a n g es  th at  m ig h t c o m p r o m is e  s af ety   o r   p er f o r m a n ce .   I n   Fig u r e   5   th e  a d ap tiv e  a u to n o m y   co ef f icien t   ( )   is   m o d u lat ed   b y   o p er ato r   co n d itio n   esti m ated .   W h en   co g n itiv e   s tr ess   an d   f atig u e  co n d itio n s   ar e   h ig h ,   α ( t)   is   h ig h er   a n d   m o r e   p o we r   is   v ested   in   th e   au to n o m o u s   co n tr o ller .   Un d er   r elax ed   co n d itio n s ,   α ( t)   g o es  d o wn ,   a n d   h u m a n   h i g h er   au th o r ity   is   r ein s tated .   No tab ly   th e  a u to n o m y   m o d u l atio n   is   n o t  a b r u p t  b u t  s m o o th ,   wh ich   p r ev e n ts   th e  d is co n tin u ities   in   th e  co n tr o l   co m m an d   th at  is   b len d ed .   T h e  m ea n   au to n o m y   ch an g es  d u r in g   f atig u e  s tate  ch a n g es  b y   4 2 %  q u a n titativ ely ,   wh ich   p r o v es  th e  r ea llo ca tio n   o f   au th o r ity   in   th e  s y s tem   is   n o t  tr iv ial  an d   o cc u r s   wh en   th e  o p er ato r   s tate  r eq u ir es e x tr a  ass is tan ce .           Fig u r e  5 .   Ad a p tiv e  au to n o m y   co ef f icien t v ar iatio n   u n d er   wo r k lo ad   c o n d itio n s     0 0 , 2 0 , 4 0 ,6 0 , 8 1 0 0 , 2 0 , 4 0 ,6 0 , 8 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 W o r k l o a d A u t o n o m y   c o e f f i c i e n t   α T i m e   ( s) A u t o n o my   c o e f f i c i e n t   α( t) W o r k l o a d i n d i c a t o r ( 0 / 1 ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   5 0 3 - 5 1 8   512   4 . 2 .   Aut o no m y   a da pta t io n  m ec ha nis m   a nd   t ra ns it io n sm o o t hn ess   Au to n o m y   allo ca t o r   u s es  th e  HSDT   esti m ate  to   m o d if y   th e   h u m an - r o b o t  au th o r it y   in   r ea l   tim e.   T h e  k ey   o b s er v atio n   is   n o t  th at  α ( t )   v ar ies  in   tr en d   in   th e  d esire d   d ir ec tio n ,   b u t  co n tin u o u s ly ,   an d   th is   elim in ates  s h ar p   tr an s itio n s   in   co m m a n d ed   to r q u e/f o r ce   th at  m ay   a d d   r ip p le,   tr ig g er   r eso n an ce s ,   a n d   m ak e  co llab o r ativ e   s y s tem s   les s   co m f o r tab le.   Fig u r e  6   in clu d es  th e  m ap p i n g   o f   th e  wo r k lo ad   i n d icato r s   co n v er ted   b y   u s in g   HSDT   an d   th e  au to n o m y   co ef f icien t  α   o b tain ed .   T h e r e  ar e  th r ee   in ter p r e tab le  r eg io n s   th at  ca n   b e  id e n tifie d   b y   t h e  p lo t   n am ely :  i)   lo w  wo r k lo ad   wh e r e  h u m an   c o n tr o l  co m m an d s   th e  h ig h est  lev el  o f   co n tr o l,   ii)  tr an s itio n   r eg io n   wh er e  s h ar ed   a u to n o m y   is   m o s t  p r o lific ,   an d   iii)  h ig h   wo r k l o ad   wh er e   r o b o t  au to n o m y   co m m an d s   th e  h ig h est   lev el  o f   co n tr o l.  T h is   f ig u r e  ex p lain s   h o w  th e  s u g g ested   T C AA  r elate s   th e  p h y s io lo g i ca l  s tate  to   co n tr o l  au th o r ity   in   a  co n s tr ain e d   an d   u n d er s tan d a b le  f o r m .           Fig u r e  6 .   State – au to n o m y   co u p lin g   m ap   an d   o p er atin g   r eg i o n s       4 . 3 .   T ra c k ing   perf o r m a nce  a nd   a utho rit y - depend ent   co ntr o l qua lity   C o n tr o l p er f o r m an ce   is   ev alu a ted   u s in g   th e  R MS  p o s itio n   tr a ck in g   er r o r :     = √ 1 ∫ ( − ) 2 0        T h e  ad ap tiv e   au th o r ity   m ec h an is m   im p r o v es  th e  tr ac k in g   ac cu r ac y   b y   m in im izin g   t h e   ef f ec t  o f   in co n s is ten t  o r   s lo w  h u m an   f e ed b ac k   in   p e r io d s   o f   h ig h   wo r k lo ad .   T h e  allo ca to r   is   en h an c ed   b y   f atig u e/st r ess   s tate  o f   o p er ato r s ,   w h ich   p er m its   th e  r o b o t  c o n tr o ller   to   k ee p   th e   tig h ter   tr ac k in g .   I n   t h e  ca s e  o f   a   s tab le  o p er ato r ,   th e   allo ca to r   m in i m izes  au to n o m y   in   o r d er   to   m ain tain   th e   in ten t  o f   c o lla b o r atio n   an d   n atu r al  in ter ac tio n .   T h e  r esu lts   o f   th e   tr ajec to r y   t r ac k in g   p er f o r m an ce   ar e  d ep i cted   in   Fig u r e   7 ,   i n clu d in g   th e  m an u al  co n tr o l,  th e  f i x ed   au to n o m y ,   a n d   th e  s u g g ested   T C AA  f r am e wo r k .   Min o r   v ar iatio n   o f   th e  r ef er en ce   tr ajec to r y   is   s ee n   in   th e  p r o p o s ed   m eth o d   esp ec ially   wh e n   th e   wo r k l o ad   ex p er ien ce s   r a p id   c h an g e s   m ea n in g   t h at  th e   tr ac k in g   ac cu r ac y   is   s u p er io r   wh en   th e  wo r k lo ad   v ar ies.           Fig u r e  7 .   Po s itio n   tr ac k in g   p er f o r m an ce   u n d er   v a r y in g   wo r k l o ad   co n d itio n s       4 . 4 .   T o rque  rippl e  re du ct io n a nd   co m m a nd   co ntinuity   T o r q u e   r ip p le  p er ce n tag e   is   co m p u ted   as:      =  − × 100 %   0 0 , 5 1 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 A u t o n o m y   co ef f i ci e n t   α N o r m a l i z e d   w o r k l o a d - 0 , 9 5 5 2 6 1 - 0 , 4 5 5 2 6 1 0 , 0 4 4 7 3 9 0 , 5 4 4 7 3 9 1 , 0 4 4 7 3 9 1 49 97 1 4 5 1 9 3 2 4 1 2 8 9 3 3 7 3 8 5 4 3 3 4 8 1 5 2 9 5 7 7 6 2 5 6 7 3 7 2 1 7 6 9 8 1 7 8 6 5 9 1 3 9 6 1 Po si t i o n   /   st a t e   x r T i m e   ( s) R e f e r e n c e   x _ r ^ r e f M a n u a l   x _ r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.