Tuning-free Quasi-stiffness Control Framework of a Powered Transfemoral Prosthesis for Task-adaptive Walking

要約

インピーダンスベースの制御は、動力付き経大腿義足の開発において一般的な戦略です。
しかし、多様な移動モードや地形条件を効果的に汎用化する、タスク適応型で調整不要のコントローラーを作成することは、依然として大きな課題です。
このレターは、トルクと角度の関係の再構築部分と擬似剛性コントローラー設計部分を含む、さまざまな歩行タスクにわたって一般化する、調整不要でタスク適応型の電動義足用の擬似剛性制御フレームワークを提案します。
新しいタスクにおける人間の関節角度とトルクの目標特徴を予測するために、ガウス過程回帰 (GPR) モデルが導入されています。
続いて、カーネル化動作プリミティブ (KMP) を使用して、複数の人間の基準軌道と推定されたターゲットの特徴から新しいタスクのトルクと角度の関係を再構築します。
新しいタスクのトルクと角度の関係に基づいて、電動プロテーゼ用の擬似剛性制御アプローチが設計されます。
最後に、提案されたフレームワークは、さまざまな速度や傾斜の歩行タスクなどの実際の例を通じて検証されます。
特に、提案されたフレームワークは、手動によるインピーダンス調整を必要とせずに、ベンチマークの有限状態マシン インピーダンス コントローラー (FSMIC) のパフォーマンスと一致するだけでなく、しばしばそれを上回り、経大腿切断患者の日常生活におけるさまざまな歩行タスクに拡張する可能性があります。

要約(オリジナル)

Impedance-based control represents a prevalent strategy in the development of powered transfemoral prostheses. However, creating a task-adaptive, tuning-free controller that effectively generalizes across diverse locomotion modes and terrain conditions continues to be a significant challenge. This letter proposes a tuning-free and task-adaptive quasi-stiffness control framework for powered prostheses that generalizes across various walking tasks, including the torque-angle relationship reconstruction part and the quasi-stiffness controller design part. A Gaussian Process Regression (GPR) model is introduced to predict the target features of the human joint angle and torque in a new task. Subsequently, a Kernelized Movement Primitives (KMP) is employed to reconstruct the torque-angle relationship of the new task from multiple human reference trajectories and estimated target features. Based on the torque-angle relationship of the new task, a quasi-stiffness control approach is designed for a powered prosthesis. Finally, the proposed framework is validated through practical examples, including varying speeds and inclines walking tasks. Notably, the proposed framework not only aligns with but frequently surpasses the performance of a benchmark finite state machine impedance controller (FSMIC) without necessitating manual impedance tuning and has the potential to expand to variable walking tasks in daily life for the transfemoral amputees.

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