[論文レビュー] Stabilization of Exoskeletons through Active Ankle Compensation

Thomas Gurriet, Maegan Tucker+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2019

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、片脚と片脚のスイングのアシストを個別に制御することで、下肢外骨格の sagittal 平面における安定性を向上させるアクティブな足首補正を提案する。この制御により、地面への接地、足の平行性、骨盤の姿勢追従性を維持する。実験結果は、不整地面上でも骨盤のピッチ追従性と静的平衡性が向上することを示しており、外骨格は補助具なしの動的歩行においても、外部からの摂動に対しても安定を保っている。

ABSTRACT

This paper presents an active stabilization method for a fully actuated lower-limb exoskeleton. The method was tested on the exoskeleton ATALANTE, which was designed and built by the French start-up company Wandercraft. The main objective of this paper is to present a practical method of realizing more robust walking on hardware through active ankle compensation. The nominal gait was generated through the hybrid zero dynamic framework. The ankles are individually controlled to establish three main directives; (1) keeping the non-stance foot parallel to the ground, (2) maintaining rigid contact between the stance foot and the ground, and (3) closing the loop on pelvis orientation to achieve better tracking. Each individual component of this method was demonstrated separately to show each component's contribution to stability. The results showed that the ankle controller was able to experimentally maintain static balance in the sagittal plane while the exoskeleton was balanced on one leg, even when disturbed. The entire ankle controller was then also demonstrated on crutch-less dynamic walking. During testing, an anatomically correct manikin was placed in the exoskeleton, in lieu of a paraplegic patient. The pitch of the pelvis of the exoskeleton-manikin system was shown to track the gait trajectory better when ankle compensation was used. Overall, active ankle compensation was demonstrated experimentally to improve balance in the sagittal plane of the exoskeleton manikin system and points to an improved practical approach for stable walking.

研究の動機と目的

• 外骨格における転倒防止の重要なニーズに対処し、動的歩行のロバスト性を向上させること。
• 補助具や人間の患者による安定化に依存せずに、実用的な制御手法を構築すること。
• アクティブな足首制御が骨盤姿勢の追従性を向上させ、sagittal 平面における不安定性を低減できることを示すこと。
• 人間被験者に代わるマネキンを用いて、ATALANTE 外骨格上でこの手法を実験的に検証すること。
• 足首コントローラーの個々の構成要素を分離し、全体のシステム安定性への寄与度を評価すること。

提案手法

• 名目歩行は、証明可能な安定な周期的軌道を保証するための直接コロケーションを用いたハイブリッドゼロダイナミクス（HZD）フレームワークで生成された。
• 足首コントローラーは3つの構成要素に分解された：(1) 逆運動学を用いて非ステンス脚を地面に対して平行に保つ、(2) 圧力中心（COP）フィルタリングによりステンス脚の剛体的接地を確保する、(3) IMUフィードバックを用いて骨盤姿勢を閉ループ制御する。
• PDコントローラーが名目軌道を追従し、力センサのしきい値によってスイング段階とステンス段階の間で滑らかな遷移が誘発された。
• ステンス脚コントローラーは、命令トルクの分配と、COPを足の中心付近に保つためにCOPフィルタを用いた。
• スイング脚コントローラーは、足を水平に保つために逆運動学を用いて足首関節角を計算した。
• 全コントローラーは、マネキンを被験者として用いたリアルタイム制御により、ハードウェア上に実装された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブな足首補正は、完全に駆動された下肢外骨格が動的歩行中に sagittal 平面における安定性を向上させることができるか？
• RQ2 足首コントローラーの個々の構成要素—足の平行性、接地状態、骨盤姿勢フィードバック—は、全体の安定性にどのように寄与するか？
• RQ3 ステンス脚が傾斜したプラットフォーム上に置かれた場合、足首コントローラーが静的平衡性をどの程度維持できるか？
• RQ4 アクティブな足首制御は、ベースライン制御と比較して、動的歩行中の骨盤ピッチ追従性を向上させるか？
• RQ5 ハードウェアの柔軟性やモデル不正確性が存在する中でも、コントローラーは不整地面上でシステムを安定化させることができるか？

主な発見

• 足首コントローラーはピボット平台上でも静的平衡性を成功裏に維持し、ステンス脚のピッチが意図的に摂動されても骨盤ピッチはほぼ一定に保たれた。
• シミュレーションでは、アクティブな足首補正を用いた外骨格は26ステップ以上歩行できたが、補正なしではわずか4ステップで転倒した。
• ハードウェア実験では、足首コントローラーが有効な際、骨盤ピッチ追従性が顕著に向上し、望ましい軌道からのずれが減少した。
• コントローラーは、ATALANTE 外骨格上で補助具なしの安定した動的歩行を可能にし、実用的妥当性を示した。
• sagittal 平面における改善にもかかわらず、物理的制約のため、システムは frontal 平面で不安定のままであり、追加の股関節制御の必要性が示された。
• 足首コントローラーの個々の構成要素は別個に検証され、それぞれが全体の安定性に有意義に寄与していることが確認された。