Haptic Transparency and Interaction Force Control for a Lower-Limb Exoskeleton

要約

人間と外骨格との間の相互作用力を制御することは、透明性を提供したり、補助や抵抗レベルを調整したりするために極めて重要である。しかし、制限のない地上歩行用に設計された下肢外骨格の相互作用力を制御することは未解決の問題です。このようなタイプの外骨格では、ユーザーと外骨格の間のすべての接触部に力／トルクセンサーを実装し、直接力を測定することは困難です。さらに、特に重い下肢の外骨格では、外骨格の全身の重力と力学的な力を補正することが重要です。これまでの研究では、脚を独立した二重振り子として扱うことで力学モデルを単純化しているか、相互作用力フィードバックによるループを閉じていませんでした。 提案する全外骨格閉ループ補償(WECC)法は、股関節-膝関節外骨格の全身ダイナミクスと関節トルク計測を用いて、完全な歩行サイクル中の相互作用トルクを計算する。さらに、制約付き最適化スキームを用いて、物理的制約と安全性制約を考慮しながら、閉ループで望ましい相互作用トルクを追跡します。我々は、3人の被験者に対して、WECC制御の触覚透過性と動的相互作用トルク追跡を評価した。また、WECCの性能を、簡略化した動的モデルおよび外骨格のパッシブバージョンに基づくコントローラと比較した。WECCコントローラは、全歩行サイクルにおいて、所望の相互作用トルクがゼロである場合とゼロでない場合の両方において、一貫して相互作用トルクの絶対誤差が低いという結果を得た。対照的に、単純化されたコントローラは、立脚期における所望の相互作用トルクの追従性能が低い。

要約(オリジナル)

Controlling the interaction forces between a human and an exoskeleton is crucial for providing transparency or adjusting assistance or resistance levels. However, it is an open problem to control the interaction forces of lower-limb exoskeletons designed for unrestricted overground walking. For these types of exoskeletons, it is challenging to implement force/torque sensors at every contact between the user and the exoskeleton for direct force measurement. Moreover, it is important to compensate for the exoskeleton’s whole-body gravitational and dynamical forces, especially for heavy lower-limb exoskeletons. Previous works either simplified the dynamic model by treating the legs as independent double pendulums, or they did not close the loop with interaction force feedback. The proposed whole-exoskeleton closed-loop compensation (WECC) method calculates the interaction torques during the complete gait cycle by using whole-body dynamics and joint torque measurements on a hip-knee exoskeleton. Furthermore, it uses a constrained optimization scheme to track desired interaction torques in a closed loop while considering physical and safety constraints. We evaluated the haptic transparency and dynamic interaction torque tracking of WECC control on three subjects. We also compared the performance of WECC with a controller based on a simplified dynamic model and a passive version of the exoskeleton. The WECC controller results in a consistently low absolute interaction torque error during the whole gait cycle for both zero and nonzero desired interaction torques. In contrast, the simplified controller yields poor performance in tracking desired interaction torques during the stance phase.

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