Sensorless model-based tension control for a cable-driven exosuit

要約

ケーブル駆動の外骨格スーツは、運動障害を持つ個人を継続的なケアを通じてサポートできる可能性があります。
ケーブルで手足を支持する場合、張力を測定するために力センサーがよく使用されます。
ただし、力センサーはコスト、複雑さ、および遠位コンポーネントを追加します。
この論文では、上肢のケーブル駆動外骨格スーツから力センサーを取り外すための設計と制御のアプローチを紹介します。
外骨格スーツの機械設計は、受動的な透明性を最大化するために開発されました。
次に、モデルベースの張力コントローラーを設計するために、データに基づいた摩擦の特定がマネキンのテストベンチで行われました。
17 人の健康な参加者が右腕を上げ下げして、緊張の追跡、動きの質、筋肉の努力を評価しました。
不快感、身体活動、疲労に関するアンケートを収集しました。
提案された戦略により、50% の重力サポートで 0.71 Nm (18%) の RMSE で望ましい補助トルクを追跡することができました。
挙上段階では、三角筋前部、僧帽筋、大胸筋の EMG 信号は、スーツを着用していない状態と比較して、平均してそれぞれ 30%、38%、38% 減少しました。
三角筋後部の活動は、下降中に 32% 増加しました。
位置追跡は大幅に変化しませんでしたが、動きの滑らかさは大幅に低下しました。
この研究は、ケーブル駆動の外骨格スーツから力センサーを取り外すことの実現可能性と有効性を実証しています。
首下部と右肩の不快感が大幅に増加したことは、スーツの人間工学が改善される可能性があることを示していました。
全体として、この取り組みは、よりシンプルでより手頃な価格の外骨格スーツへの道を切り開きます。

要約(オリジナル)

Cable-driven exosuits have the potential to support individuals with motor disabilities across the continuum of care. When supporting a limb with a cable, force sensors are often used to measure tension. However, force sensors add cost, complexity, and distal components. This paper presents a design and control approach to remove the force sensor from an upper limb cable-driven exosuit. A mechanical design for the exosuit was developed to maximize passive transparency. Then, a data-driven friction identification was conducted on a mannequin test bench to design a model-based tension controller. Seventeen healthy participants raised and lowered their right arms to evaluate tension tracking, movement quality, and muscular effort. Questionnaires on discomfort, physical exertion, and fatigue were collected. The proposed strategy allowed tracking the desired assistive torque with an RMSE of 0.71 Nm (18%) at 50% gravity support. During the raising phase, the EMG signals of the anterior deltoid, trapezius, and pectoralis major were reduced on average compared to the no-suit condition by 30%, 38%, and 38%, respectively. The posterior deltoid activity was increased by 32% during lowering. Position tracking was not significantly altered, whereas movement smoothness significantly decreased. This work demonstrates the feasibility and effectiveness of removing the force sensor from a cable-driven exosuit. A significant increase in discomfort in the lower neck and right shoulder indicated that the ergonomics of the suit could be improved. Overall this work paves the way towards simpler and more affordable exosuits.

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