[论文解读] Control of Separable Subsystems with Application to Prostheses

Rachel Gehlhar, Jenna Reher+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2019

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型控制框架，用于控制非线性动力系统的可分离子系统，使仅基于可测量状态和输入的假体模型依赖型控制器成为可能。通过仅使用局部信息构建等效子系统，该方法实现了全系统的稳定性，并与需要完整人类动力学知识的反馈线性化控制器等效——仿真结果在下肢截肢者-假体系统中显示，各类控制器性能完全一致。

ABSTRACT

Nonlinear control methodologies have successfully realized stable human-like walking on powered prostheses. However, these methods are typically restricted to model independent controllers due to the unknown human dynamics acting on the prosthesis. This paper overcomes this restriction by introducing the notion of a separable subsystem control law, independent of the full system dynamics. By constructing an equivalent subsystem, we calculate the control law with local information. We build a subsystem model of a general open-chain manipulator to demonstrate the control method's applicability. Employing these methods for an amputee-prosthesis model, we develop a model dependent prosthesis controller that relies solely on measurable states and inputs but is equivalent to a controller developed with knowledge of the human dynamics and states. We demonstrate the results through simulating an amputee-prosthesis system and show the model dependent prosthesis controller performs identically to a feedback linearizing controller based on the whole system, confirming the equivalency.

研究动机与目标

• 解决在人类动力学和状态未知的情况下，设计稳定且模型依赖型假体控制器的挑战。
• 开发一种适用于可分离子系统的通用控制框架，确保其稳定性与全系统反馈线性化控制器等效。
• 使先进非线性控制方法（如反馈线性化）能够在仅具备有限系统级信息的假体子系统上应用。
• 通过仿真在真实的截肢者-假体模型中证明子系统控制的可行性与等效性。

提出的方法

• 本文引入了‘可分离子系统控制律’的概念，其仅依赖于子系统自身的动力学和可测量状态，与全系统的动力学无关。
• 利用全局姿态、速度以及接受腔界面处的相互作用力等可测量量，构建等效子系统模型。
• 通过李导数和相对阶分析，推导出子系统的反馈线性化控制律，确保其行为与全系统控制器等效。
• 该方法证明，子系统控制器可实现与基于完整人类-假体动力学知识设计的控制器相同的控制输入和系统稳定性。
• 通过仿真验证一个65.8 kg女性截肢者-假体模型，对比全系统控制器与子系统控制器，结果显示控制输入和状态轨迹完全一致。
• 该框架进一步扩展至更重的90.7 kg模型，证实其对人类参数变化具有鲁棒性，只要力和运动数据可测量即可。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不了解人类动力学或状态的情况下，为假体子系统设计一个模型依赖型控制器？
• RQ2 是否可以为可分离子系统构建一个与全系统反馈线性化控制器等效的控制律？
• RQ3 当仅使用局部测量数据控制假体时，能否保持全截肢者-假体系统的稳定性与性能？
• RQ4 在仅能获取力和运动数据的前提下，当人体质量发生变化时，子系统控制律的性能如何？

主要发现

• 子系统控制律实现了与全系统反馈线性化控制器完全相同的控制输入和系统轨迹，证实了理论上的等效性。
• 仿真结果表明，系统在100次步行步态中完美跟踪了期望的步态轨迹，并在膝关节和踝关节处均表现出稳定的周期性轨道。
• 当人体质量增加24.9 kg时，控制器仍保持性能，证明其对人类参数变化具有鲁棒性。
• 假体子系统的相图证实了在支撑相与非支撑相中均表现出稳定的周期性行为。
• 该方法使先进非线性控制技术（如反馈线性化）能够在仅具备形式化稳定性保证的前提下应用于假体，即使人类动力学未知亦可。
• 该框架可推广至其他与动态环境相互作用的机器人系统，实现仅依赖最少系统级信息的模型依赖型控制。