[논문 리뷰] Haptic Transparency and Interaction Force Control for a Lower-Limb Exoskeleton

Emek Barış Küçüktabak, Yue Wen외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 16.

Stroke Rehabilitation and Recovery인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하체 외골격에 대해 전체 외골격 폐쇄루프 보정(WECC) 방법을 제안하며, 전체 신체 역학과 관절 토크 측정을 이용해 실시간으로 원하는 상호작용 토크를 정확하게 추적한다. WECC 컨트롤러는 보행 주기 전반에 걸쳐 일관되게 낮은 상호작용 토크 오차를 달성하며, 단순화된 모델과 수동 외골격보다 투명성과 힘 추적 성능에서 뛰어나다.

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.

연구 동기 및 목표

• 직접적인 지면 접촉이 없는, 발이 있는 부유 기반 하체 외골격에서 상호작용 힘을 제어하는 데 도전하는 문제를 해결한다. 이 외골격은 높은 관성력과 중력 하중을 견뎌내야 한다.
• 이전 방법의 한계를 극복한다. 이는 단순화된 동역학 모델(예: 독립된 이중 펜듈럼)을 사용하거나 상호작용 힘 피드백이 없는 경우이다.
• 전체 신체 역학과 중력 보상 기반으로, 제한 없는 지상 보행 중 안전하고 정확하며 투명한 인간-로봇 상호작용을 가능하게 한다.
• 물리적 제약과 안전 한계를 고려하면서도 원하는 상호작용 토크를 추적하는 제약 기반 최적화 기반 제어 프레임워크를 개발한다.
• 여러 명의 인간 피험자를 대상으로 투명성 및 촉각 렌더링 작업에서의 성능을 검증한다.

제안 방법

• 보행 중 양 다리와 몸통을 포함한 전체 시스템의 상호연결된 운동을 기록하는 전체 외골격 동역학 모델을 수립한다.
• 폐쇄루프 피드백 메커니즘을 통해 관절 토크 센서와 지면 반력 측정치를 이용해 상호작용 토크를 추정한다.
• 실제 상호작용 토크와 원하는 상호작용 토크 간 오차를 최소화하는 데 필요한 관절 토크를 계산하기 위해 제약 기반 최적화 기법을 구현한다.
• 수직 지면 반력에서 유도된 시간에 따라 변하는 요소 α를 사용해 좌우 지지 동역학 간의 보간을 적용한다.
• 발-지면 접촉에서 반사 관성까지 포함한 전체 신체 역학 공식을 사용해 외골격의 중력 및 코리olis/원심력 효과를 모델링한다.
• 실시간 시스템으로 컨트롤러를 통합하여 ExoMotus-X2 외골격에 내장해 인간-중심 테스트를 수행한다.

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).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 외골격 폐쇄루프 제어 방법이 발이 있는 부유 기반 외골격에서 지상 보행 중에 정확한 상호작용 토크 추적을 달성할 수 있는가?
• RQ2 WECC 컨트롤러의 성능은 단순화된 동역학 모델과 수동 외골격에 비해 상호작용 토크 오차와 투명성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 WECC 방법은 이중 지지 단계를 포함한 전체 보행 주기 동안 오차를 얼마나 낮게 유지하는가?
• RQ4 컨트롤러는 다양한 하중 조건에서 외골격의 전체 신체 중력과 동적 효과를 보상하는 데 어떤 방식으로 대처하는가?
• RQ5 WECC 컨트롤러는 투명 제어(영향력 없는 힘)와 촉각 렌더링(비영일 상호작용 토크)을 일관된 성능으로 지원할 수 있는가?

주요 결과

• WECC 컨트롤러는 이중 지지 및 지지 단계를 포함한 전체 보행 주기 동안 일관되게 낮은 절대 상호작용 토크 오차를 달성한다.
• 원하는 상호작용 토크가 0일 경우(투명성 조건), WECC 컨트롤러는 거의 0에 가까운 상호작용 토크 오차를 유지하며 높은 촉각 투명성을 입증한다.
• 비영일 원하는 토크가 설정된 촉각 렌더링 작업에서는 WECC 컨트롤러가 참조 토크를 최소한의 오차로 정확히 추적함으로써 효과적인 힘 조절이 가능하다는 것을 확인한다.
• 독립된 이중 펜듈럼 역학 모델 기반 단순화된 컨트롤러는 특히 관성력이 큰 조건에서 지지 단계에서 빈약한 추적 성능을 보였다.
• 수동 외골격은 활성 컨트롤러보다 상호작용 토크 오차가 현저히 높았으며, 활성 보정의 필요성을 강조한다.
• WECC 시험 동안의 관절 궤적은 적용된 가상 스프링 및 댐퍼 힘과 일치하게, 촉각 렌더링 중 운동 범위가 감소한 것으로 나타났다.

(a) Single stance