[論文レビュー] Quasi-Direct Drive Actuation for a Lightweight Hip Exoskeleton with High Backdrivability and High Bandwidth

Shuangyue Yu, Tzu-Hao Huang+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 38被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、軽量な二側性ヒップ外骨格用に準直接駆動（QDD）駆動システムを提案し、0.4 Nmの高いバックドライブ性、62.4 Hzの高い帯域幅、1.09 NmのRMS誤差で高精度なトルク追従性（1.09 Nm RMS誤差）を達成した。全質量は3.4 kgであり、さまざまな速度と歩行頻度での歩行およびスクワット動作において、従来の駆動方式や直列ばね駆動方式（SEA）を用いた外骨格を上回る高性能を実現した。

ABSTRACT

High-performance actuators are crucial to enable mechanical versatility of lower-limb wearable robots, which are required to be lightweight, highly backdrivable, and with high bandwidth. State-of-the-art actuators, e.g., series elastic actuators (SEAs), have to compromise bandwidth to improve compliance (i.e., backdrivability). In this paper, we describe the design and human-robot interaction modeling of a portable hip exoskeleton based on our custom quasi-direct drive (QDD) actuation (i.e., a high torque density motor with low ratio gear). We also present a model-based performance benchmark comparison of representative actuators in terms of torque capability, control bandwidth, backdrivability, and force tracking accuracy. This paper aims to corroborate the underlying philosophy of "design for control", namely meticulous robot design can simplify control algorithms while ensuring high performance. Following this idea, we create a lightweight bilateral hip exoskeleton (overall mass is 3.4 kg) to reduce joint loadings during normal activities, including walking and squatting. Experimental results indicate that the exoskeleton is able to produce high nominal torque (17.5 Nm), high backdrivability (0.4 Nm backdrive torque), high bandwidth (62.4 Hz), and high control accuracy (1.09 Nm root mean square tracking error, i.e., 5.4% of the desired peak torque). Its controller is versatile to assist walking at different speeds (0.8-1.4 m/s) and squatting at 2 s cadence. This work demonstrates significant improvement in backdrivability and control bandwidth compared with state-of-the-art exoskeletons powered by the conventional actuation or SEA.

研究の動機と目的

• 下肢外骨格用に、高いバックドライブ性と高い制御帯域幅を両立する軽量で高性能な駆動システムを開発すること。
• 直列ばね駆動方式（SEA）を含む既存の駆動方式における、柔軟性（バックドライブ性）と帯域幅のトレードオフを解決すること。
• 歩行速度0.8–1.4 m/s、スクワットの周期が2秒のさまざまな歩行パターンに対応できる、多様な人間-ロボット相互作用を可能にすること。
• 機械的設計の洗練を活かして制御アルゴリズムを簡素化する「制御のための設計」の哲学を検証すること。

提案手法

• 高トルク密度のモーターを用い、低ギア比と組み合わせることでトルク出力とバックドライブ性のバランスを図った、独自開発の準直接駆動（QDD）アクチュエータの設計。
• QDD、従来のアクチュエータ、SEAを比較するモデルベースの性能ベンチマークを実施し、トルク能力、帯域幅、バックドライブ性、追従精度の各指標を評価。
• 両側のヒップ関節にQDDアクチュエータを統合し、全質量3.4 kgの二側性ヒップ外骨格の開発。
• 歩行やスクワットなどの動的活動中にリアルタイムの力追従と適応支援を可能にする制御アルゴリズムの設計。
• 運動中の安定的かつ直感的な力伝達を保証するため、人間-ロボット相互作用モデルの構築。
• さまざまな歩行条件でのプロトタイプ外骨格を用いた実験的検証により、性能指標を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準直接駆動（QDD）アクチュエータは、軽量な外骨格において、高いバックドライブ性と高い制御帯域幅を同時に達成できるか？
• RQ2 QDDアクチュエータは、従来のアクチュエータおよび直列ばね駆動方式（SEA）と比較して、トルク追従精度およびダイナミックな応答性において優れているか？
• RQ3 洗練された機械的設計によって、性能を維持したまま制御アルゴリズムをどれほど簡素化できるか？
• RQ4 歩行速度の変動や制御された周期（2秒）でのスクワットを含む多様な運動タスクにおいて、外骨格が有効に支援できるか？
• RQ5 提案された設計により、歩行やスクワットなどの通常の人体活動における関節負荷が軽減されるか？

主な発見

• 外骨格は定格トルク17.5 Nmを達成し、歩行およびスクワット動作における強力な支援を可能にした。
• バックドライブ性は0.4 Nmで測定され、従来のシステムやSEAベースのシステムに比べ顕著に向上した。
• 制御帯域幅は62.4 Hzに達し、迅速なダイナミックな応答性とリアルタイム制御能力を示した。
• トルク追従精度はRMS誤差1.09 Nmであり、目標ピークトルクの5.4%に相当し、高い忠実度を示した。
• システムは、0.8～1.4 m/sの速度で歩行し、2秒の周期でスクワットを行うのを成功裏に支援した。
• 全外骨格質量はわずか3.4 kgであり、通常の人体運動における関節負荷の低減に寄与した。