A Learning Quasi-stiffness Control Framework of a Powered Trans-femoral Prosthesis for Adaptive Speed and Incline Walking

要約

インピーダンスベースの制御は、自然な歩行を再現できるため、経大腿義足において一般的な戦略となっている。しかし、既存の研究の多くは、特定のタスクに対応したインピーダンスベースの義足コントローラを開発しており、可変タスク歩行に対応したタスク適応型コントローラを開発することは、依然として重要な課題である。本稿では、様々な歩行タスクに汎用可能な、タスク適応型準剛性制御フレームワークを提案する。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、ガウス過程回帰モデルを導入する。その後、カーネル運動プリミティブを用いて、複数の人間の基準軌道と推定された目標特徴から、新しいタスクのトルク角関係を再構成する。新しいタスクのトルク-角度関係に基づいて、擬似剛性制御アプローチが電動義足のために設計される。最後に、様々な速度や傾斜の歩行タスクを含む実用的な例を通して、提案されたフレームワークを検証する。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チューニングを必要とすることなく、ベンチマークである有限状態機械インピーダンスコントローラの性能に匹敵するだけでなく、それを上回ることが多く、経大腿切断者の日常生活における様々な歩行タスクに拡張できる可能性を持っている。

要約(オリジナル)

Impedance-based control represents a prevalent strategy in the powered trans femoral prostheses because of its ability to reproduce natural walking. However, most existing studies have developed impedance-based prosthesis controllers for specific tasks, while creating a task-adaptive controller for variable-task walking continues to be a significant challenge. This article proposes a 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 model is introduced to predict the target features of the human joints angle and torque in a new task. Subsequently, a Kernel Movement Primitives 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 without necessitating manual impedance tuning and has the potential to expand to variable walking tasks in daily life for the trans-femoral amputees.

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