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Modeling and Stiffness-Based Continuous Torque Control of Lightweight Quasi-Direct-Drive Knee Exoskeletons for Versatile Walking Assistance

外骨骼 扭矩 刚度 计算机科学 控制(管理) 直接转矩控制 执行机构 控制理论(社会学) 控制工程 工程类 模拟 结构工程 物理 人工智能 电气工程 热力学 电压 感应电动机
作者
Tzu-Hao Huang,Sainan Zhang,Shuangyue Yu,Mhairi K. MacLean,Junxi Zhu,Antonio Di Lallo,Chunhai Jiao,Thomas C. Bulea,Minghui Zheng,Hao Su
出处
期刊:IEEE Transactions on Robotics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:38 (3): 1442-1459 被引量:83
标识
DOI:10.1109/tro.2022.3170287
摘要

State-of-the-art exoskeletons are typically limited by low control bandwidth and small range stiffness of actuators which are based on high gear ratios and elastic components (e.g., series elastic actuators). Furthermore, most exoskeletons are based on discrete gait phase detection and/or discrete stiffness control resulting in discontinuous torque profiles. To fill these two gaps, we developed a portable lightweight knee exoskeleton using quasi-direct drive (QDD) actuation that provides 14 Nm torque (36.8% biological joint moment for overground walking). This paper presents 1) stiffness modeling of torque-controlled QDD exoskeletons and 2) stiffness-based continuous torque controller that estimates knee joint moment in real-time. Experimental tests found the exoskeleton had high bandwidth of stiffness control (16 Hz under 100 Nm/rad) and high torque tracking accuracy with 0.34 Nm Root Mean Square (RMS) error (6.22%) across 0-350 Nm/rad large range stiffness. The continuous controller was able to estimate knee moments accurately and smoothly for three walking speeds and their transitions. Experimental results with 8 able-bodied subjects demonstrated that our exoskeleton was able to reduce the muscle activities of all 8 measured knee and ankle muscles by 8.60%-15.22% relative to unpowered condition, and two knee flexors and one ankle plantar flexor by 1.92%-10.24% relative to baseline (no exoskeleton) condition.
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