[논문 리뷰] Quasi-Direct Drive Actuation for a Lightweight Hip Exoskeleton with High Backdrivability and High Bandwidth

Shuangyue Yu, Tzu-Hao Huang외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 01.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics참고 문헌 38인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 경량 양측 힙 인도보조기의 준직접 구동(QDD) 구동 시스템을 제안하며, 총 질량 3.4 kg의 경량성과 함께 높은 역구동성(0.4 Nm), 높은 대역폭(62.4 Hz), 정밀한 토크 추적(1.09 Nm RMS 오차)을 달성하였다. 이 설계는 다양한 속도와 박자로 걷기 및 구부리기 동작에서 높은 성능을 발휘하며, 기존의 일반적이고 직렬탄성구동기(SEA) 기반의 보조기들보다 뛰어난 성능을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 하지 보조기용 경량이며 고성능의 구동 시스템을 개발하여 높은 역구동성과 높은 제어 대역폭을 동시에 확보한다.
• 기존의 직렬탄성구동기(SEA)와 같은 구동기 설계에서 발생하는 탄성(역구동성)과 대역폭 사이의 상충 관계를 해결한다.
• 걷기 속도 0.8–1.4 m/s 및 2초 주기의 구부리기 동작을 포함한 다양한 보행 패턴에서의 다재다능한 인간-로봇 상호작용을 가능하게 한다.
• 정교한 기계적 설계를 통해 제어 알고리즘을 단순화함으로써 '제어를 위한 설계' 철학을 검증한다.

제안 방법

• 고토크밀도 모터와 저감속비 기어를 조합하여 토크 출력과 역구동성을 균형 잡는 맞춤형 준직접 구동(QDD) 구동기를 설계한다.
• QDD, 일반 구동기, SEA를 비교하는 모델 기반 성능 기준을 구현하여 토크 능력, 대역폭, 역구동성, 추적 정확도 측면에서 성능을 평가한다.
• 양측 힙 관절에 QDD 구동기를 통합한 총 질량 3.4 kg의 이원형 힙 인도보조기를 개발한다.
• 걷기 및 구부리기와 같은 동적 활동 중 실시간 힘 추적과 적응형 보조를 가능하게 하는 제어기를 설계한다.
• 운동 중 안정적이고 직관적인 힘 전달을 확보하기 위해 인간-로봇 상호작용 모델을 도입한다.
• 다양한 보행 조건에서 프로토타입 보조기를 실험적으로 검증하여 성능 지표를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 준직접 구동 구동기는 경량 보조기에서 동시에 높은 역구동성과 높은 제어 대역폭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 QDD 구동기는 일반 구동기 및 직렬탄성구동기(SEA) 대비 토크 추적 정확도와 동적 반응에서 어떤가?
• RQ3 정교한 기계적 설계를 통해 제어 알고리즘을 얼마나 단순화할 수 있으며, 同시에 고성능을 유지할 수 있는가?
• RQ4 걷기 속도를 다양하게 조절하고, 제어된 박자로 구부리기 동작을 수행할 때 보조기가 효과적으로 보조할 수 있는가?
• RQ5 제안된 설계는 걷기 및 구부리기와 같은 일반적인 인간 활동 중 관절 부하를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 보조기는 명목 토크 17.5 Nm를 달성하여 보행 및 구부리기 동작 중 강력한 보조를 가능하게 하였다.
• 역구동성은 0.4 Nm로 측정되었으며, 일반 및 SEA 기반 시스템보다 뚜렷이 향상되었다.
• 제어 대역폭은 62.4 Hz에 도달하여 빠른 동적 반응과 실시간 제어 능력을 보여주었다.
• 토크 추적 정확도는 1.09 Nm RMS 오차로, 목표 최대 토크의 5.4%에 해당하여 높은 정밀도를 입증하였다.
• 시스템은 걷기 속도 0.8~1.4 m/s 범위와 2초 주기의 구부리기 동작에서 성공적으로 보조를 수행하였다.
• 전체 보조기의 질량은 단지 3.4 kg이었으며, 이는 일반 인간 운동 중 관절 부하 감소에 기여하였다.