Optimal Energy Shaping Control for a Backdrivable Hip Exoskeleton

要約

外骨格で広く使用されているタスク依存型コントローラーは、事前に定義された軌道を追跡します。これにより、残りの随意可動性を持つ個人の随意運動が過度に制限されます。
一方、エネルギー シェーピングは、閉ループで人体の動的特性を変更することにより、タスク不変の支援を提供します。
人間の外骨格システムはオイラー・ラグランジュ方程式を使用してモデル化されることが多いですが、以前の研究ではシステムをポート制御ハミルトニアン システムとしてモデル化し、相互接続減衰割り当てを使用して膝足首の外骨格用にタスク不変コントローラーを設計しました。
受動性ベースの制御。
このホワイト ペーパーでは、このフレームワークを拡張して、バックドライブ可能な股関節外骨格のコントローラーを設計し、複数のタスクを支援します。
運動学の情報を含む一連の基底関数が選択され、対応する係数が最適化されます。これにより、コントローラーは、日常生活のさまざまな活動に対して規範的な人間のトルクに適合するトルクを提供できます。
健常者 2 名を対象とした人間を対象とした実験では、さまざまなタスクで筋肉の負担を軽減するコントローラーの能力が実証されました。

要約(オリジナル)

Task-dependent controllers widely used in exoskeletons track predefined trajectories, which overly constrain the volitional motion of individuals with remnant voluntary mobility. Energy shaping, on the other hand, provides task-invariant assistance by altering the human body’s dynamic characteristics in the closed loop. While human-exoskeleton systems are often modeled using Euler-Lagrange equations, in our previous work we modeled the system as a port-controlled-Hamiltonian system, and a task-invariant controller was designed for a knee-ankle exoskeleton using interconnection-damping assignment passivity-based control. In this paper, we extend this framework to design a controller for a backdrivable hip exoskeleton to assist multiple tasks. A set of basis functions that contains information of kinematics is selected and corresponding coefficients are optimized, which allows the controller to provide torque that fits normative human torque for different activities of daily life. Human-subject experiments with two able-bodied subjects demonstrated the controller’s capability to reduce muscle effort across different tasks.

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