[論文レビュー] Haptic Transparency and Interaction Force Control for a Lower-Limb Exoskeleton

Emek Barış Küçüktabak, Yue Wen+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2023

Stroke Rehabilitation and Recovery被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、全身の動力学と関節トルク測定を用いて、足を備えた下肢外骨格において、リアルタイムで所望の相互作用トルクを正確に追跡する、全外骨格閉ループ補償（WECC）手法を提案する。WECCコントローラーは、歩行サイクル全体にわたり一貫して低い相互作用トルク誤差を達成し、簡略化モデルや被動的外骨格よりも透明性および力追従性において優れた性能を示す。

ABSTRACT

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.

研究の動機と目的

• 直接的な地面接触を持たない浮遊基底の下肢外骨格において、高い慣性力および重力負荷に直面する相互作用力の制御という課題に取り組む。
• 従来の方法が簡略化された動力学モデル（例：独立した二重倒立棒）を用いるか、相互作用力フィードバックを欠いているという限界を克服する。
• 外骨格の全身体の動力学と重力を補償することで、自由に屋外を歩行する際の正確で安全かつ透明な人間-ロボット相互作用を実現する。
• 物理的および安全上の制限を尊重しながら、所望の相互作用トルクを追跡する制約付き最適化に基づく制御フレームワークを開発する。
• 複数の被験者を対象とした透明性およびヒューマニックレンダリングタスクにおいて、本手法の性能を検証する。

提案手法

• 歩行中に両脚および体幹を含む全システムの結合運動を捉える全外骨格動力学モデルを構築する。
• 関節トルクセンサおよび地面反力測定値を用いて、閉ループフィードバック機構を通じて相互作用トルクを推定する。
• 実際の相互作用トルクと所望の相互作用トルクの誤差を最小化するための必要な関節トルクを計算する制約付き最適化方式を実装する。
• 垂直地面反力から導出される時変係数αを用いて、左脚および右脚のステンスダイナミクスの間で補間を実施する。
• 外骨格の重力およびコリオリ／遠心力の項を、足と地面の接触に起因する反射慣性を含む、全身体動力学式を用いてモデル化する。
• ExoMotus-X2外骨格にリアルタイムシステムとしてコントローラーを統合し、人間を含むフィードバックテストを実施する。

Figure 1 : ExoMotus-X2 lower-limb exoskeleton, featuring a close-up view of the strain gauge implementation (left) and a user wearing the exoskeleton (right).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 浮遊基底の足を備えた外骨格において、全外骨格閉ループ制御手法が屋外走行中の正確な相互作用トルク追従を達成できるか？
• RQ2 WECCコントローラーの性能は、簡略化された動力学モデルおよび被動的外骨格と比較して、相互作用トルク誤差および透明性の観点でどのように異なるか？
• RQ3 WECC手法は、二足歩行フェーズを含む全歩行サイクルにわたり、どの程度低い誤差を維持できるか？
• RQ4 外骨格の全身体の重力および動的効果を、負荷条件が変化する状況下でも効果的に補償できるか？
• RQ5 WECCコントローラーは、ゼロ相互作用力（透明制御）と非ゼロ相互作用トルク（ヒューマニックレンダリング）の両方を、一貫した性能でサポートできるか？

主な発見

• WECCコントローラーは、二足歩行フェーズおよびステンスフェーズを含む全歩行サイクルにわたり、一貫して低い絶対値の相互作用トルク誤差を達成する。
• 所望の相互作用トルクがゼロ（透明性条件）の場合、WECCコントローラーはほぼゼロの相互作用トルク誤差を維持し、高いヒューマニック透明性を示す。
• 非ゼロの所望トルクを伴うヒューマニックレンダリングタスクでは、WECCコントローラーが参考トルクを最小限の誤差で追従し、有効な力変調が可能であることを確認する。
• 独立した二重倒立棒動力学に基づく簡略化コントローラーは、特に高慣性状態下でステンスフェーズにおいて著しく悪い追従性能を示す。
• 被動的外骨格は、両方のアクティブコントローラーと比較して著しく高い相互作用トルク誤差を示し、アクティブ補償の必要性を強調する。
• WECC試験における関節軌道は、適用された仮想ばねおよびダンパー力に整合して、ヒューマニックレンダリング時において運動範囲が減少していることが確認された。

(a) Single stance