[논문 리뷰] 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 Dzahir외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 24.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 자체 제작한 펌프식 인공근(기계적 인공근, PAM)으로 구동되는 2-DOF 하지 보조기구(AIRGAIT)를 위한 계산된 토크 제어 방법을 제안한다. PAM의 비선형성을 다항식 피팅을 통해 모델링하고 뉴턴-오일러 역학을 사용하여 관절 토크를 계산함으로써, 정현파, 정사각형파, 무작위 보행 입력에 대해 정밀한 궤적 추적 성능을 달성하였으며, 1 Hz(1.4 m/s 보행 속도에 해당)에서도 미미한 지연만을 보이며 실시간 제어가 가능함을 입증하였다. 피드백 기반 캘리브레이션 없이도 고정밀 제어가 가능함을 보여주었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자체 제작한 펌프식 인공근(PAM)으로 작동하는 2-DOF 하지 외골격 보조기구(AIRGAIT)를 위한 정밀한 피드포워드 제어 전략을 개발하는 것.
• 피드백 기반 제어 방법에 의존하지 않고도 매우 비선형적인 PAM을 재활 환경에서 제어하는 데 도전하는 것.
• 정현파, 정사각형파, 무작위 보행 패턴을 포함한 다양한 동적 궤적에서 제어 모델의 성능을 검증하여 실시간 성능과 추적 정밀도를 평가하는 것.
• 다중 자유도 PAM 기반 보조기구에 계산된 토크 방법을 적용할 수 있는 가능성을 입증하는 것 — 이는 분야 내에서 새로운 응용 사례이다.

제안 방법

• 정적 특성 분석 데이터를 기반으로 유도된 다항식 피팅 함수를 사용하여 자체 제작한 PAM의 비선형 힘-수축 특성을 모델링한다.
• 관절 각도에 기반하여 효과적인 근육 길이를 계산하기 위한 기하학적 모델을 개발하여 정확한 토크 추정을 가능하게 한다.
• 뉴턴-오일러 역학을 적용하여 목표 궤적을 위한 필요한 관절 토크를 해석적으로 계산함으로써 계산된 토크 제어 프레임워크의 핵심을 형성한다.
• 피드백 보정에 의존하지 않고 압력 제어를 통해 PAM을 구동하는 피드포워드 제어 아키텍처를 구현한다.
• LabVIEW와 RIO 모듈을 사용하여 제어 시스템 인터페이스를 구축하고, 전압 기반 입력 신호를 전송하며, Potentiometer를 통해 실시간 관절 각도 측정 값을 확보한다.
• 다양한 궤적 유형을 사용하여 모델을 검증한다: 정현파(0.05–1 Hz), 정사각형파, 무작위 보행 입력이며, 발끝 끝단의 궤적 추적 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 펌프식 인공근으로 작동하는 2-DOF 하지 보조기구를 계산된 토크 방법으로 효과적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 피드백 기반 캘리브레이션 없이도 정현파, 정사각형파, 무작위 보행 패턴과 같은 동적 궤적을 얼마나 정밀하게 추적할 수 있는가?
• RQ3 PAM의 비선형성과 관절 역학을 해석적으로 모델링함으로써 간단한 제어 방식에 비해 제어 성능이 얼마나 향상되는가?
• RQ4 시스템이 허용 가능한 추적 정밀도를 유지할 수 있는 최대 보행 주파수(Hz)는 얼마인가?
• RQ5 실제 임상 재활 환경에서 복잡한 실제 보행 패턴을 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 1 Hz까지의 정현파 궤적에 대해 거의 이상적인 추적 성능을 달성하였으며, 이는 1.4 m/s의 보행 속도에 해당하며 건강한 개인의 보행 속도와 일치한다.
• 1 Hz에서 시스템은 미미한 지연만을 보이며, 고주파수 요구 조건에서도 뛰어난 내구성과 실시간 성능을 입증하였다.
• 0.5 Hz의 정사각형파 입력에 대해 평균 0.1초 내에 목표 각도에 도달하였으며, 이는 빠른 반응과 최소한의 지연을 의미한다.
• 2초 주기의 무작위 보행 궤적을 정확히 따라가며, 복잡하고 반복되지 않는 운동 패턴을 처리할 수 있음을 확인하였다.
• 2차원 공간에서 발끝 끝단의 궤적 추적 성능을 통해 끝단이 목표 궤적을 고정밀도로 따라가며, 전체 운동역학 및 역학 모델의 정확성을 검증하였다.
• 계산된 토크 방법을 통해 피드백 보정 없이도 고정밀 피드포워드 제어가 가능했으며, 하지 재활 로봇 분야에서 새로운 응용 사례로 인정받을 수 있었다.