[论文解读] Computed-torque method for the control of a 2 DOF orthosis actuated through pneumatic artificial muscles: a specific case for the rehabilitation of the lower limb

Flavio Prattico, Mohd Azuwan Mat Dzahir+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2014

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 17被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对由自研气动人工肌肉（PAMs）驱动的2-DOF下肢矫形外骨骼（AIRGAIT）的计算转矩控制方法。通过使用多项式拟合建模PAM的非线性特性，并利用牛顿-欧拉动力学计算关节转矩，该系统在正弦、方波和随机行走输入下实现了精确的轨迹跟踪，即使在1 Hz（相当于1.4 m/s步态速度）时延迟也极小，证明了无需基于反馈的调参即可实现高精度、实时控制。

ABSTRACT

In this paper we give a new control model based on the so called computed-torque method for the control of a 2 degrees of freedom orthosis for the rehabilitation of the lower limb, the AIRGAIT exoskeleton's leg orthosis. The actuation of the AIRGAIT is made through self-made pneumatic muscles. For this reason this work starts with the static and dynamic characterization of our pneumatic muscles. The followed approach is based on the analytical description of the system. For this, we describe the pneumatic muscles behaviour with an easy-invertible polynomial fit function in order to model its non-linear trend. We give a geometrical model of the mechanical system to compute the length between the attachments of the pneumatic muscles to the structure for every angles assumed by the two joints. We evaluate through Newton-Euler equation the couples at the joints for each values of the angles. At last we show some validation tests in order to characterize the functioning of the proposed control model on the actuation of the orthosis.

研究动机与目标

• 开发一种针对由自研气动人工肌肉（PAMs）驱动的2-DOF下肢外骨骼（AIRGAIT）的精确前馈控制策略。
• 解决在康复场景中控制高度非线性PAMs的挑战，且不依赖基于反馈的控制方法。
• 在多种动态轨迹（包括正弦、方波和随机行走模式）上验证控制模型，以评估实时性能与跟踪精度。
• 证明计算转矩方法在多自由度PAM驱动矫形外骨骼上的可行性，这是该领域的一项新应用。

提出的方法

• 利用静态特性数据导出的多项式拟合函数，对自研PAM的非线性力-收缩特性进行建模。
• 建立几何模型，根据关节角度计算有效肌腱长度，以实现精确的转矩估计。
• 应用牛顿-欧拉动力学，解析计算实现期望轨迹所需的关节转矩，构成计算转矩控制框架的核心。
• 实施前馈控制架构，利用计算出的转矩值通过压力调节驱动PAM，无需反馈校正。
• 使用LabVIEW与RIO模块实现控制系统接口，发送输入信号并利用电位计实时获取关节角度测量值。
• 通过多种轨迹类型验证模型：正弦（0.05–1 Hz）、方波和随机行走输入，评估踝部末端执行器的轨迹跟踪性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 计算转矩方法能否有效控制由非线性气动人工肌肉驱动的2-DOF下肢矫形外骨骼？
• RQ2 在不依赖基于反馈的调参情况下，系统对正弦、方波和随机行走等动态轨迹的跟踪精度如何？
• RQ3 与简单控制方案相比，PAM非线性与关节动力学的解析建模在多大程度上提升了控制性能？
• RQ4 系统在保持可接受跟踪精度的前提下，所能达到的最大步态频率（单位：Hz）是多少？
• RQ5 在临床康复背景下，系统能否准确再现复杂、类真实步行的轨迹？

主要发现

• 在1 Hz的正弦轨迹下，系统实现了接近理想的跟踪性能，对应步态速度为1.4 m/s，与健康个体的步速相当。
• 在1 Hz时，系统仅表现出轻微延迟，证明其在高频需求下具备鲁棒性与实时能力。
• 对于0.5 Hz的方波输入，系统平均在0.1秒内完成每次角度跃迁，表明响应迅速且滞后极小。
• 系统能准确跟随周期为2秒的随机行走轨迹，证实其具备处理复杂、非重复运动模式的能力。
• 二维空间中踝部末端执行器的轨迹跟踪结果表明，末端执行器以高保真度跟随了期望轨迹，验证了整体运动学与动力学模型的准确性。
• 计算转矩方法实现了对PAM驱动矫形外骨骼的高精度前馈控制，无需反馈校正，标志着该方法在下肢康复机器人领域的一项新应用。