[논문 리뷰] Stabilization of Exoskeletons through Active Ankle Compensation

Thomas Gurriet, Maegan Tucker외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 26.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하지 외골격의 Sagittal 평면 안정성을 향상하기 위해 활성 발목 보정을 제안한다. 이를 위해 지면 접촉 유지, 발의 평행성 유지를, 그리고 골반 방향 추적을 위해 지면에서의 발목 제어를 개별적으로 제어한다. 실험 결과는 불균일한 지면에서 골반 피치 추적 향상과 정적 균형 향상을 보여주며, 외골격이 충격에 견딜 수 있는 크러치 없이 동적 보행 중에도 안정성을 유지함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외골격에서 넘어짐을 방지하기 위한 핵심적 필요성을 해결하기 위해 동적 보행의 내구성을 향상시키기 위해.
• 크러치나 환자 안정화에 의존하지 않고도 안정성을 향상시키는 실용적인 제어 방법을 개발하기 위해.
• 활성 발목 제어가 골반 방향 추적 향상과 Sagittal 평면 내 불안정성 감소에 기여할 수 있음을 입증하기 위해.
• 실제 환자 대신 마네킹을 사용하여 ATALANTE 외골격에서 제안된 방법을 실험적으로 검증하기 위해.
• 발목 제어기의 개별 구성 요소를 분리하여 전체 시스템 안정성에 기여하는 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 명시적 컬로케이션을 통해 증명 가능하게 안정한 주기적 궤도를 확보하기 위해 하이브리드 제로 동역학(HZD) 프레임워크를 사용하여 정규 보행을 생성하였다.
• 발목 제어기를 세 가지 구성 요소로 분해하였다: (1) 역기구학을 통해 비지지 발을 지면에 평행하게 유지하는 것, (2) 중심압력(COP) 필터링을 통해 지지 발이 지면과 견고하게 접촉하도록 보장하는 것, (3) 관성측정장치(IMU) 피드백을 이용한 골반 방향 추적 루프 닫기.
• 명시적 궤적을 추적하기 위해 PD 제어기를 사용하였으며, 힘 센서 임계값을 기반으로 스위치와 지상 단계 간의 부드러운 전환을 유도하였다.
• 지상 발 제어기는 명령 토크를 분배하고 중심압력을 발의 중심 근처에 유지하기 위해 COP 필터를 사용하였다.
• 스위치 발 제어기는 발을 수평으로 유지하기 위해 역기구학을 통해 발목 관절 각도를 계산하였다.
• 전체 제어기는 실제 환자 대신 마네킹을 사용하여 ATALANTE 외골격 하드웨어에 실시간 제어로 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 구동되는 하지 외골격에서 동적 보행 중 활성 발목 보정이 Sagittal 평면 안정성 향상에 기여할 수 있는가?
• RQ2 발목 제어기의 개별 구성 요소인 발의 평행성, 지면 접촉, 골반 방향 피드백이 전체 안정성에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ3 지지 발이 기울어진 플랫폼 위에 놓였을 때 발목 제어기가 정적 균형을 얼마나 오랫동안 유지할 수 있는가?
• RQ4 기본 제어 대비 활성 발목 제어가 동적 보행 중 골반 피치 추적에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 하드웨어의 탄성 및 모델링 정확도 부족에도 불구하고 제어기가 불균형한 지면에서 시스템을 안정화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 발목 제어기가 기울어진 플랫폼 위에서 정적 균형을 성공적으로 유지하였으며, 지지 발의 기울기가 활성적으로 왜곡되더라도 골반 피치는 거의 일정하게 유지되었다.
• 시뮬레이션 결과, 활성 발목 보정이 적용된 외골격은 26단계 이상 보행할 수 있었지만, 이를 적용하지 않은 경우 단 4단계 만에 넘어졌다.
• 하드웨어 실험 결과, 발목 제어기가 활성화되었을 때 골반 피치 추적 향상이 뚜렷하게 나타났으며, 목표 궤적에서의 편차가 감소하였다.
• 제어기는 ATALANTE 외골격에서 크러치 없이 안정적인 동적 보행을 가능하게 하여 실용적 타당성을 입증하였다.
• Sagittal 평면 내 개선에도 불구하고, 물리적 제약으로 인해 시스템은 여전히 전면 평면에서 불안정했으며, 추가적인 엉덩이 제어가 필요함을 시사하였다.
• 발목 제어기의 개별 구성 요소는 별도로 검증되었으며, 각각이 전체 안정성에 의미 있는 기여를 한다는 것이 확인되었다.