Application of SDRE to Achieve Gait Control in a Bipedal Robot for Knee-Type Exoskeleton Testing

要約

外骨格は、人間の動きを支援するためにリハビリテーションおよび産業用途で広く使用されています。
ただし、外骨格の誤動作と一貫性のない動きの複製により、直接的な人間の検査はリスクをもたらします。
より安全で、より繰り返し可能なテスト環境を提供するために、この研究では、二足歩行ロボットプラットフォームを採用して人間の歩行を再現し、制御された外骨格評価を可能にします。
状態依存性Riccati方程式（SDRE）に基づく制御戦略が策定され、正確な歩行複製のための最適なトルク制御を実現します。
Bipedal Robot Dynamicsは、二重振りモデルを使用して表されます。ここでは、SDRE-Optimized Control Inputは人間の運動軌跡からの逸脱を最小限に抑えます。
運動挙動の制約に合わせるために、人間の歩行を効果的に複製しながら制御プロセスを簡素化するためにパラメーター化された制御方法が導入されます。
提案されたアプローチは、当初、ランピーの台形速度モデルを採用し、その後、モーターコマンドの上書きを介して区分的線形速度表現に適合します。
この変更により、運動ダイナミクスとの互換性を確保しながら、歩行相遷移をより細かく制御できます。
対応するコスト関数は、制御パラメーターを最適化して、SDREコントロールの結果と比較して、関節角、速度、トルクのエラーを最小限に抑えます。
運動制限に従って速度遷移を構築することにより、この方法はリアルタイム制御に関連する計算負荷を減らします。
実験結果は、人間の歩行を再現する際の提案されたパラメーター化された制御方法の実現可能性を検証します。
Bipedal Robotプラットフォームは、膝型エクソスケレトンの信頼性が高く再現可能なテストメカニズムを提供し、制御された条件下での外骨格性能に関する洞察を提供します。

要約(オリジナル)

Exoskeletons are widely used in rehabilitation and industrial applications to assist human motion. However, direct human testing poses risks due to possible exoskeleton malfunctions and inconsistent movement replication. To provide a safer and more repeatable testing environment, this study employs a bipedal robot platform to reproduce human gait, allowing for controlled exoskeleton evaluations. A control strategy based on the State-Dependent Riccati Equation (SDRE) is formulated to achieve optimal torque control for accurate gait replication. The bipedal robot dynamics are represented using double pendulum model, where SDRE-optimized control inputs minimize deviations from human motion trajectories. To align with motor behavior constraints, a parameterized control method is introduced to simplify the control process while effectively replicating human gait. The proposed approach initially adopts a ramping trapezoidal velocity model, which is then adapted into a piecewise linear velocity-time representation through motor command overwriting. This modification enables finer control over gait phase transitions while ensuring compatibility with motor dynamics. The corresponding cost function optimizes the control parameters to minimize errors in joint angles, velocities, and torques relative to SDRE control result. By structuring velocity transitions in accordance with motor limitations, the method reduce the computational load associated with real-time control. Experimental results verify the feasibility of the proposed parameterized control method in reproducing human gait. The bipedal robot platform provides a reliable and repeatable testing mechanism for knee-type exoskeletons, offering insights into exoskeleton performance under controlled conditions.

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