[논문 리뷰] Control of Separable Subsystems with Application to Prostheses

Rachel Gehlhar, Jenna Reher외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 06.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비선형 동적 시스템에서 분리 가능한 부분계의 제어를 위한 새로운 프레임워크를 제안하며, 인간의 역학에 대한 사전 지식 없이도 측정 가능한 상태와 입력만을 사용하여 모델 기반 제어기를 설계할 수 있도록 한다. 국소 정보를 기반으로 등가 부분계를 구성함으로써, 전체 시스템의 안정성과 인간 역학에 대한 완전한 지식이 필요한 피드백 선형화 제어기와 동일한 성능을 달성한다. 이는 절단 부위가 있는 환자-보철물 시스템에서 시뮬레이션을 통해 입증되었으며, 모든 제어기 간에 동일한 성능을 보였다.

ABSTRACT

Nonlinear control methodologies have successfully realized stable human-like walking on powered prostheses. However, these methods are typically restricted to model independent controllers due to the unknown human dynamics acting on the prosthesis. This paper overcomes this restriction by introducing the notion of a separable subsystem control law, independent of the full system dynamics. By constructing an equivalent subsystem, we calculate the control law with local information. We build a subsystem model of a general open-chain manipulator to demonstrate the control method's applicability. Employing these methods for an amputee-prosthesis model, we develop a model dependent prosthesis controller that relies solely on measurable states and inputs but is equivalent to a controller developed with knowledge of the human dynamics and states. We demonstrate the results through simulating an amputee-prosthesis system and show the model dependent prosthesis controller performs identically to a feedback linearizing controller based on the whole system, confirming the equivalency.

연구 동기 및 목표

• 인간의 역학과 상태가 알려지지 않은 상황에서 안정적이고 모델 기반의 보철물 제어기를 설계하는 데 도전하는 것.
• 전체 시스템의 피드백 선형화 제어기와 동등한 안정성을 보장하는 분리 가능한 부분계를 위한 일반적인 제어 프레임워크를 개발하는 것.
• 피드백 선형화와 같은 고급 비선형 제어 기법을 인간 전체 시스템의 정보가 제한된 상황에서도 보철물 부분계에 적용할 수 있도록 하는 것.
• 실제 절단 부위 환자-보철물 모델을 통해 시뮬레이션을 통해 부분계 제어의 가능성과 동등성을 입증하는 것.

제안 방법

• 논문은 부분계 자체의 역학과 측정 가능한 상태에만 의존하는 '분리 가능한 부분계 제어 법칙'의 개념을 도입한다. 이는 전체 시스템의 역학과는 독립적이다.
• 전체 시스템의 동역학에 대한 지식 없이도, 전역 자세, 속도, 그리고 속도기어 인터페이스에서의 상호작용력과 같은 측정 가능한 양을 사용하여 등가 부분계 모델을 구성한다.
• 리에이트 도함수와 상대 차수 분석을 활용해 부분계에 대해 피드백 선형화 제어 법칙을 유도함으로써, 전체 시스템 제어기와 동일한 행동을 보장한다.
• 이 방법은 부분계 제어기가 인간-보철물 동역학에 대한 완전한 지식이 있는 제어기와 동일한 제어 입력과 시스템 안정성을 달성할 수 있음을 증명한다.
• 65.8 kg의 여성 절단 환자-보철물 모델을 대상으로 전체 시스템 제어기와 부분계 제어기를 시뮬레이션하여, 동일한 제어 입력과 상태 궤적을 보였음을 검증한다.
• 더 무거운 90.7 kg의 모델로도 프레임워크를 확장하여, 힘과 운동 데이터가 측정 가능한 한 인간의 파rameter 변화에 대해 안정성을 유지함을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인간의 동역학이나 상태에 대한 지식 없이도 보철물 부분계에 대해 모델 기반 제어기를 설계할 수 있는가?
• RQ2 전체 시스템 피드백 선형화 제어기와 동등한 제어 법칙을 분리 가능한 부분계에 대해 구성할 수 있는가?
• RQ3 측정 가능한 국소 측정값만을 사용하여 보철물만 제어할 경우, 전체 절단 부위-보철물 시스템의 안정성과 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ4 힘과 운동 데이터만 측정 가능한 조건에서 인간의 체중이 변화해도 부분계 제어 법칙의 성능은 어떻게 유지되는가?

주요 결과

• 부분계 제어 법칙은 전체 시스템 피드백 선형화 제어기와 동일한 제어 입력과 시스템 궤적을 달성하여 이론적 동등성을 확인한다.
• 시뮬레이션 결과는 100단계의 걷기 동작 동안 목표로 하는 걸음 자세 궤적을 완벽하게 따라가며 무릎과 발목 관절에서 안정적인 주기적 궤적을 보였다.
• 인간의 체중이 24.9 kg 증가한 상황에서도 성능이 유지되어 인간의 파라미터 변화에 대한 강건성을 입증했다.
• 보철물 부분계의 위상도는 지면에 기반하는 도메인과 비지면 도메인 모두에서 안정적인 주기적 행동을 확인했다.
• 이 방법은 인간의 동역학에 대한 지식이 없더라도 고급 비선형 제어 기법을 보철물에 적용할 수 있도록 하며, 공식적인 안정성 보장을 제공한다.
• 이 프레임워크는 인간 외부의 동적 환경과 상호작용하는 다른 로봇 시스템에도 일반화 가능하며, 최소한의 시스템 수준 정보로 모델 기반 제어를 가능하게 한다.