[论文解读] Quasi-Direct Drive Actuation for a Lightweight Hip Exoskeleton with High Backdrivability and High Bandwidth

Shuangyue Yu, Tzu-Hao Huang+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 38被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于轻量化双向髋部外骨骼的准直接驱动（QDD）驱动系统，实现了高背驱性（0.4 Nm）、高带宽（62.4 Hz）以及精确的扭矩跟踪（1.09 Nm RMS 误差），总质量仅为 3.4 kg。该设计在不同速度和步频下的行走与深蹲动作中均表现出高性能，优于传统的和基于串联弹性驱动器的外骨骼系统。

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.

研究动机与目标

• 开发一种轻量化、高性能的下肢外骨骼驱动系统，支持高背驱性和高控制带宽。
• 解决现有驱动器设计（如串联弹性驱动器（SEA））中柔顺性（背驱性）与带宽之间的权衡问题。
• 在不同步态模式下实现灵活的人机交互，包括 0.8–1.4 m/s 速度下的行走和 2 秒步频下的深蹲。
• 通过细致的机械设计简化控制算法，验证“为控制而设计”的理念。

提出的方法

• 设计一种定制的准直接驱动（QDD）驱动器，采用高扭矩密度电机并配合低减速比，以平衡输出扭矩与背驱性。
• 实施基于模型的性能基准测试，对比 QDD、传统驱动器和 SEA 在扭矩能力、带宽、背驱性和跟踪精度方面的表现。
• 开发一种总质量为 3.4 kg 的双向髋部外骨骼，将 QDD 驱动器集成于双侧髋关节。
• 设计一种控制器，实现在行走和深蹲等动态活动中的实时力跟踪与自适应辅助。
• 采用人机交互模型，确保运动过程中稳定且直观的力传递。
• 通过原型外骨骼在多种步态条件下的实验验证，量化性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 准直接驱动驱动器是否能在轻量化外骨骼中同时实现高背驱性和高控制带宽？
• RQ2 与传统驱动器和串联弹性驱动器相比，QDD 驱动器在扭矩跟踪精度和动态响应方面表现如何？
• RQ3 细致的机械设计在多大程度上可简化控制算法，同时保持高性能？
• RQ4 该外骨骼是否能有效辅助多种运动任务，如不同速度下的行走和受控步频下的深蹲？
• RQ5 所提出的结构设计是否能有效降低正常人类活动（如行走和深蹲）中的关节负荷？

主要发现

• 外骨骼实现了 17.5 Nm 的额定扭矩，可为步态和深蹲动作提供强大辅助。
• 背驱性测量值为 0.4 Nm，显著优于传统和基于 SEA 的系统。
• 控制带宽达到 62.4 Hz，表明具备快速动态响应和实时控制能力。
• 扭矩跟踪精度为 1.09 Nm RMS 误差，相当于所需峰值扭矩的 5.4%，表现出高保真度。
• 系统成功实现了 0.8 至 1.4 m/s 速度范围内的行走辅助以及 2 秒步频下的深蹲辅助。
• 整个外骨骼总质量仅为 3.4 kg，有助于在正常人体运动中减轻关节负荷。