[論文レビュー] Computed-torque method for the control of a 2 DOF orthosis actuated through pneumatic artificial muscles: a specific case for the rehabilitation of the lower limb

Flavio Prattico, Mohd Azuwan Mat Dzahir+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2014

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、自作の気圧人工筋（PAM）で駆動される2自由度の下肢補綴具（AIRGAIT）のための計算トルク制御法を提案する。PAMの非線形性を多項式フィットでモデル化し、ニュートン・オイラー力学を用いて関節トルクを計算することで、正弦波、方形波、ランダム歩行入力のあらゆる動的パターンにおいて、最小限の遅延で高精度な軌道追従を実現した。1 Hz（歩行速度1.4 m/sに相当）の高周波入力でも、フィードバックによるチューニングを用いず、高精度でリアルタイム制御を達成した。

ABSTRACT

In this paper we give a new control model based on the so called computed-torque method for the control of a 2 degrees of freedom orthosis for the rehabilitation of the lower limb, the AIRGAIT exoskeleton's leg orthosis. The actuation of the AIRGAIT is made through self-made pneumatic muscles. For this reason this work starts with the static and dynamic characterization of our pneumatic muscles. The followed approach is based on the analytical description of the system. For this, we describe the pneumatic muscles behaviour with an easy-invertible polynomial fit function in order to model its non-linear trend. We give a geometrical model of the mechanical system to compute the length between the attachments of the pneumatic muscles to the structure for every angles assumed by the two joints. We evaluate through Newton-Euler equation the couples at the joints for each values of the angles. At last we show some validation tests in order to characterize the functioning of the proposed control model on the actuation of the orthosis.

研究の動機と目的

• 自作の気圧人工筋（PAM）で駆動される2自由度の下肢外骨格（AIRGAIT）のための高精度でフィードフォワード制御戦略を開発すること。
• フィードバックに基づく制御手法に依存せずに、高非線形性を示すPAMの制御課題を解決すること。
• 正弦波、方形波、ランダム歩行パターンを含む多様な動的軌道を用いて制御モデルの妥当性を検証し、リアルタイム性能と追従精度を評価すること。
• 多自由度のPAM駆動補綴具に計算トルク法を適用する可能性を示し、分野における画期的な応用を実証すること。

提案手法

• 静的特性データから導出された多項式フィット関数を用いて、自製PAMの非線形な力-収縮特性をモデル化する。
• 関節角に基づいて有効な筋肉長を計算する幾何モデルを構築し、正確なトルク推定を可能にする。
• ニュートン・オイラー力学を適用して、所望の軌道に必要な関節トルクを解析的に計算し、計算トルク制御フレームワークの根幹を形成する。
• フィードバック補正に依存せず、計算トルク値を圧力制御を通じてPAMに供給するフィードフォワード制御アーキテクチャを実装する。
• LabVIEWおよびRIOモジュールを用いて制御システムをインターフェースし、入力信号を送信し、可変抵抗器（ポテンショメータ）を介してリアルタイムの関節角測定値を取得する。
• 正弦波（0.05–1 Hz）、方形波、ランダムウォーク入力の複数の軌道タイプを用いてモデルを検証し、アキシリアリィ端効果器の軌道追従性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形な気圧人工筋（PAM）で駆動される2自由度の下肢補綴具を、計算トルク法で効果的に制御できるか？
• RQ2 フィードバックによるチューニングを一切用いず、正弦波、方形波、ランダム歩行パターンなどの動的軌道をどれほど高精度に追従できるか？
• RQ3 PAMの非線形性と関節動力学を解析的にモデル化することで、単純な制御方式に比べて制御性能がどの程度向上するか？
• RQ4 システムが許容可能な追従精度を維持できる最大の歩行周波数（Hz）は何か？
• RQ5 臨床的リハビリテーション文脈において、複雑で現実の歩行に類似した軌道を正確に再現できるか？

主な発見

• 1 Hzまでの正弦波軌道に対して、ほぼ理想に近い追従を達成し、歩行速度1.4 m/s（健康な成人の速度に相当）を実現した。
• 1 Hzの入力でもわずかな遅延しか示さず、高周波要求下でも耐障害性とリアルタイム性能を示した。
• 0.5 Hzの方形波入力に対して、平均0.1秒の応答時間で目標角度に到達し、迅速な応答と最小限の遅延を確認した。
• 2秒周期のランダムウォーク軌道に対しても正確に追従でき、繰り返しのない複雑な運動パターンに対しても対応可能であることを確認した。
• 2次元空間におけるアキシリアリィ端効果器の軌道追従性の評価から、エンドエフェクターが所望の軌道を高精度に追従していることが確認され、全体の運動学的・動力学的モデルの正確性が裏付けられた。
• 計算トルク法により、フィードバック補正を一切用いず、高精度なフィードフォワード制御がPAM駆動補綴具に可能であることを実証した。これは、下肢リハビリテーションロボティクス分野における画期的な応用である。