It is an open problem to control the interaction forces of lower-limb exoskeletons designed for unrestricted overground walking, i.e., floating base exoskeletons with feet that contact the ground. For these types of exoskeletons, it is challenging to measure interaction forces as it is not feasible to implement force/torque sensors at every contact between the user and the exoskeleton. Moreover, it is important to compensate for the exoskeleton's whole-body gravitational and dynamical forces. Previous works either simplified the dynamic model by treating the legs as independent double pendulums, or they did not close the loop with interaction force feedback. This paper presents a novel method to calculate interaction torques during the complete gait cycle by using whole-body dynamics and joint torque measurements on a hip-knee exoskeleton. Furthermore, we propose a constrained optimization scheme combined with a virtual model controller to track desired interaction torques in a closed loop while considering physical limits and safety considerations. Together, we call this approach whole-exoskeleton closed-loop compensation (WECC) control. We evaluated the haptic transparency and spring-damper rendering performance of WECC control on three subjects. We also compared the performance of WECC with a controller based on a simplified dynamic model and a passive version of the exoskeleton with disassembled drives. The WECC controller resulted in consistent interaction torque tracking during the whole gait cycle for both zero and nonzero desired interaction torques. On the contrary, the simplified controller failed to track desired interaction torques during the stance phase. The proposed interaction force control method is especially beneficial for heavy lower-limb exoskeletons where the dynamics of the entire exoskeleton should be compensated.


翻译:控制低limb exoskeletons 用于不受限制地在地面上行走的互动力是一个公开的问题。 对于这些类型的Exoskeletons 来说,在用户和Exoskeleton 进行每次接触时,都无法使用强力/ 感应器。 此外, 有必要补偿Exskeleton 的整个机体的主动式对流和动态动动动。 以前的工作要么简化动态模型, 将腿作为独立的双伸缩点, 要么它们没有通过互动力反馈而关闭循环。 对于这些类型的Exoskeletons 来说, 衡量互动力是一个挑战。 对于这些类型的Exoskeletons 来说, 使用整个机体动态和对臀部与外骨骼的联动感应感应感应感应感应力感应力感应力。 我们提议一个限制和安全的虚拟模型控制器, 在考虑物理限制和安全因素的同时, 将整个对双向双向的双向脉动对流对流的电动对流反应进行计算, 。 在双向方向上, 快速对双向的电压对电压对电压对电压的动作进行快速控制时, 我们将整个对双向性操作进行快速对制。

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