Adaptive Negative Damping Control for User-Dependent Multi-Terrain Walking Assistance with a Hip Exoskeleton

要約

ヒップエクソスケルトンは、さまざまなシナリオ全体でユーザーを支援する汎用性で知られています。
ただし、現在の支援戦略は、個々の歩行パターンに対応し、多様な移動環境に適応する柔軟性を欠いていることがよくあります。
この作業では、ヒトエキソスケレトンシステムの機械的インピーダンスを適応させる新しい制御戦略を提示します。
私たちは、適応性のある仮想ネガティブ減衰として股関節支援トルクを設計します。これは、ユーザーがコントロールを維持し、自発的に動きに貢献できるようにしながら、システムにエネルギーを注入することができます。
5人の健康な被験者を使用した実験は、コントローラーが自由歩行（平均7.2％の減少）と比較して代謝の歩行コストを削減し、下肢の運動学を保存することを示しています。
さらに、私たちの方法は、歩行サイクル全体で外骨格からの最小限の電力損失を達成し（総電力から2％未満の機械的パワー）、ユーザーの動きと同期した作用を確保します。
さらに、ベイジアンの最適化を使用して、支援強度を適応させ、マルチテレイン環境全体のシームレスな適応と移行を可能にします。
当社の戦略は、あらゆる条件下で効率的な送電を達成します。
私たちのアプローチは、股関節外骨格の個別化された適応性があり、単純なコントローラーを実証し、実行可能、適応、およびユーザー依存の制御法の開発を進めています。

要約(オリジナル)

Hip exoskeletons are known for their versatility in assisting users across varied scenarios. However, current assistive strategies often lack the flexibility to accommodate for individual walking patterns and adapt to diverse locomotion environments. In this work, we present a novel control strategy that adapts the mechanical impedance of the human-exoskeleton system. We design the hip assistive torques as an adaptive virtual negative damping, which is able to inject energy into the system while allowing the users to remain in control and contribute voluntarily to the movements. Experiments with five healthy subjects demonstrate that our controller reduces the metabolic cost of walking compared to free walking (average reduction of 7.2%), and it preserves the lower-limbs kinematics. Additionally, our method achieves minimal power losses from the exoskeleton across the entire gait cycle (less than 2% negative mechanical power out of the total power), ensuring synchronized action with the users’ movements. Moreover, we use Bayesian Optimization to adapt the assistance strength and allow for seamless adaptation and transitions across multi-terrain environments. Our strategy achieves efficient power transmission under all conditions. Our approach demonstrates an individualized, adaptable, and straightforward controller for hip exoskeletons, advancing the development of viable, adaptive, and user-dependent control laws.

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