ExoRecovery: Push Recovery with a Lower-Limb Exoskeleton based on Stepping Strategy

要約

バランスの喪失は、転倒の可能性を引き起こし、ユーザーの安全性と自信に影響を与える可能性があるため、下肢外骨格用途では重大な課題です。
外力に応じてステップの継続時間と位置をオンラインで最適化することにより、全方向性の回復ステップ計画を行うための制御フレームワークを紹介します。
ステップの持続時間と位置を人間のような足の軌道にマッピングし、それを逆運動学を使用して関節の軌道に変換します。
これらの軌道はインピーダンス コントローラーを介して実行され、外骨格とユーザー間の協力を促進します。
さらに、私たちのフレームワークは、外挿重心とも呼ばれる動きの発散成分の概念に基づいており、人間の動きを記述するための一貫した力学として確立されています。
このリアルタイムのオンライン最適化フレームワークは、予期せぬ力に対する外骨格ユーザーの適応性を強化し、それによってユーザー全体の安定性と安全性が向上します。
私たちのアプローチの有効性を検証するために、シミュレーションと実験が実施されました。
ゼロトルクモード（支援なし）で外骨格を使用した我々の押し込み回復実験は、外骨格の回復支援モードとの一致を示し、制御フレームワークと人間の意図との一貫性を示しています。
私たちの知る限り、これは、正面方向と矢状方向の両方のストライド内パラメータの同時適応に依存する、人間の下肢外骨格のための最初の協調的なプッシュ回復フレームワークです。
提案された制御スキームは人体実験で検証されています。

要約(オリジナル)

Balance loss is a significant challenge in lower-limb exoskeleton applications, as it can lead to potential falls, thereby impacting user safety and confidence. We introduce a control framework for omnidirectional recovery step planning by online optimization of step duration and position in response to external forces. We map the step duration and position to a human-like foot trajectory, which is then translated into joint trajectories using inverse kinematics. These trajectories are executed via an impedance controller, promoting cooperation between the exoskeleton and the user. Moreover, our framework is based on the concept of the divergent component of motion, also known as the Extrapolated Center of Mass, which has been established as a consistent dynamic for describing human movement. This real-time online optimization framework enhances the adaptability of exoskeleton users under unforeseen forces thereby improving the overall user stability and safety. To validate the effectiveness of our approach, simulations, and experiments were conducted. Our push recovery experiments employing the exoskeleton in zero-torque mode (without assistance) exhibit an alignment with the exoskeleton’s recovery assistance mode, that shows the consistency of the control framework with human intention. To the best of our knowledge, this is the first cooperative push recovery framework for the lower-limb human exoskeleton that relies on the simultaneous adaptation of intra-stride parameters in both frontal and sagittal directions. The proposed control scheme has been validated with human subject experiments.

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