Haptic Transparency and Interaction Force Control for a Lower-Limb Exoskeleton

要約

人間と外骨格の間の相互作用力を制御することは、透明性を提供したり、援助や抵抗のレベルを調整したりするために重要です。
しかし、無制限に地上を歩くように設計された下肢外骨格の相互作用力を制御することは未解決の問題です。
このようなタイプの外骨格の場合、力を直接測定するために、ユーザーと外骨格との接触のたびに力/トルク センサーを実装することは困難です。
さらに、外骨格、特に重い下肢外骨格の全身の重力および力学的な力を補償することが重要です。
以前の研究では、脚を独立した二重振り子として扱うことによって動的モデルを単純化するか、相互作用力フィードバックによるループを閉じませんでした。
提案された全外骨格閉ループ補償（WECC）法は、全身ダイナミクスと股関節から膝の外骨格の関節トルク測定を使用して、完全な歩行サイクル中の相互作用トルクを計算します。
さらに、制約付き最適化スキームを使用して、物理的および安全上の制約を考慮しながら、閉ループで望ましい相互作用トルクを追跡します。
我々は、3 人の被験者を対象に、WECC 制御の触覚の透明性と動的インタラクション トルク トラッキングを評価しました。
また、簡略化された動的モデルおよび外骨格の受動バージョンに基づくコントローラーと WECC のパフォーマンスを比較しました。
WECC コントローラーは、ゼロとゼロ以外の望ましい相互作用トルクの両方について、歩行サイクル全体にわたって一貫して低い絶対相互作用トルク誤差をもたらします。
対照的に、単純化されたコントローラーでは、立脚フェーズ中に望ましい相互作用トルクを追跡する際のパフォーマンスが低くなります。

要約(オリジナル)

Controlling the interaction forces between a human and an exoskeleton is crucial for providing transparency or adjusting assistance or resistance levels. However, it is an open problem to control the interaction forces of lower-limb exoskeletons designed for unrestricted overground walking. For these types of exoskeletons, it is challenging to implement force/torque sensors at every contact between the user and the exoskeleton for direct force measurement. Moreover, it is important to compensate for the exoskeleton’s whole-body gravitational and dynamical forces, especially for heavy lower-limb exoskeletons. Previous works either simplified the dynamic model by treating the legs as independent double pendulums, or they did not close the loop with interaction force feedback. The proposed whole-exoskeleton closed-loop compensation (WECC) method calculates the interaction torques during the complete gait cycle by using whole-body dynamics and joint torque measurements on a hip-knee exoskeleton. Furthermore, it uses a constrained optimization scheme to track desired interaction torques in a closed loop while considering physical and safety constraints. We evaluated the haptic transparency and dynamic interaction torque tracking of WECC control on three subjects. We also compared the performance of WECC with a controller based on a simplified dynamic model and a passive version of the exoskeleton. The WECC controller results in a consistently low absolute interaction torque error during the whole gait cycle for both zero and nonzero desired interaction torques. In contrast, the simplified controller yields poor performance in tracking desired interaction torques during the stance phase.

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