Ankle push-off largely contributes to limb energy generation in human walking, leading to smoother and more efficient locomotion. Providing this net positive work to an amputee requires an active prosthesis, but has the potential to enable more natural assisted locomotion. To this end, this paper uses multi-contact models of locomotion together with force-based nonlinear optimization-based controllers to achieve human-like kinematic behavior, including ankle push-off, on a powered transfemoral prosthesis for 2 subjects. In particular, we leverage model-based control approaches for dynamic bipedal robotic walking to develop a systematic method to realize human-like walking on a powered prosthesis that does not require subject-specific tuning. We begin by synthesizing an optimization problem that yields gaits that resemble human joint trajectories at a kinematic level, and realize these gaits on a prosthesis through a control Lyapunov function based nonlinear controller that responds to real-time ground reaction forces and interaction forces with the human. The proposed controller is implemented on a prosthesis for two subjects without tuning between subjects, emulating subject-specific human kinematic trends on the prosthesis joints. These experimental results demonstrate that our force-based nonlinear control approach achieves better tracking of human kinematic trajectories than traditional methods.


翻译:滑动滑动在很大程度上有助于在人行走过程中产生四肢能量,从而导致更平滑、更高效的助动。 向被截肢者提供这种净正面工作需要积极的假肢,但有可能促成更自然的辅助助动动动能。 为此,本文件与以力为基础的非线性优化控制器一起,使用多接触的助动模式,以实现人类相似的动感行为,包括脚踝推动,在2个对象的强力跨侧截肢功能上实现。特别是,我们利用基于模型的控制方法,为动态双脚机械机器人行走开发一种系统化的方法,在不需要特定主题调整的有动力的假肢上行走。我们首先将一个最优化的问题组合在一起,在运动水平上产生与人类联合轨迹相似的壁画,并通过基于非线性控制功能的Lyapunov控制器,对实时地面反应力量和与人类互动力量作出反应。 拟议的控制器师在不需要特定对象调整的人类运动结果的两种实验性主题上,在更精确的实验性实验性实验结果上执行。

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