基於串並聯混合式 Recupera-Reha 外骨骼機器人的坐、站、走姿態控制

Concepts de base

本文介紹了一種基於最優控制方法，用於控制串並聯混合式 Recupera-Reha 下肢外骨骼機器人實現坐、站、靜態行走等動作。

Résumé

論文資訊
Tijjani, I., Kumar, R., Boukheddimi, M., Trampler, M., Kumar, S., & Kirchner, F. (2024). Sitting, Standing and Walking Control of the Series-Parallel Hybrid Recupera-Reha Exoskeleton. arXiv preprint arXiv:2410.06008.
研究目標
本研究旨在開發一種基於最優控制的方法，用於控制串並聯混合式 Recupera-Reha 下肢外骨骼機器人實現坐、站、靜態行走等動作。
研究方法

研究人員首先利用 HyRoDyn 軟體框架對 Recupera-Reha 外骨骼機器人進行了完整的運動學和動力學分析，並透過模組化混合數值分析方法解決了其封閉迴路機制帶來的挑戰。
為了簡化運動生成過程，研究人員建立了外骨骼的樹狀抽象模型，並將其整合到最優控制框架中。
研究人員採用了基於微分動態規劃（DDP）的最優控制方法，並根據外骨骼的運動學和動力學特性進行了調整，以實現坐、站、靜態行走等動作。
研究人員在模擬和實際系統中驗證了該方法的有效性。
主要發現

研究結果表明，基於 DDP 的最優控制方法能夠有效地生成外骨骼機器人所需的運動軌跡，並成功地在模擬和實際系統中實現了坐、站、靜態行走等動作。
HyRoDyn 軟體框架能夠有效地處理外骨骼模型中的迴路閉合約束，並實現獨立關節空間和致動關節空間之間的平滑映射。
主要結論

基於最優控制方法為增強外骨骼機器人的功能提供了有效途徑。
HyRoDyn 解算器和樹狀抽象模型的應用簡化了複雜外骨骼系統的運動生成過程。
研究意義
本研究為開發更先進、功能更強大的外骨骼機器人提供了新的思路和方法，並為其在康復、輔助等領域的應用奠定了基礎。
研究限制和未來方向

未來研究可以進一步探索將封閉迴路約束納入優化問題的方法，以充分發揮串並聯混合機器人的性能。
研究人員計劃開發輕量級外骨骼機器人，並採用高功率準直接驅動器，以實現精確的扭矩控制。
未來工作還將重點關注人機連接的建模，並將其納入軌跡優化過程中，以實現更安全、更高效的人機交互。

Stats

Recupera-Reha 外骨骼機器人重 34.68 公斤，具有 20 個主動自由度。
該外骨骼採用串並聯混合設計，具有多個運動迴路，其生成樹具有 148 個自由度，並具有 102 個獨立的迴路閉合約束。
研究人員使用開源軟體 Crocoddyl 及其 Box-FDDP 解算器來解決最優控制問題。
系統動力學及其導數使用開源軟體 Pinocchio 以快速有效的方式計算。

Idées clés tirées de

Sitting, Standing and Walking Control of the Series-Parallel Hybrid Recupera-Reha Exoskeleton

by Ibrahim Tijj... à arxiv.org 10-10-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.06008.pdf

Questions plus approfondies

如何將基於最優控制的方法應用於更複雜的運動任務，例如動態行走、跑步和上下樓梯？

將基於最優控制的方法應用於動態行走、跑步和上下樓梯等更複雜的運動任務，需要克服以下幾個挑戰：

更複雜的動力學模型: 動態行走、跑步和上下樓梯等運動比靜態行走更加複雜，需要更精確、更複雜的動力學模型來描述。這就需要考慮更多的自由度、接觸約束和非線性因素。
更高的計算複雜度: 更複雜的動力學模型和運動任務會導致最優控制問題的求解變得更加困難，計算複雜度更高。這就需要開發更高效的優化算法和軟體框架。
更精確的狀態估計: 動態運動中，準確估計機器人和人體的狀態（如位置、速度、加速度）變得更加困難。這就需要使用更先進的感測器和狀態估計算法。
更安全的控制策略: 動態運動中，外骨骼的控制策略需要更加安全可靠，以避免對使用者造成傷害。這就需要設計更魯棒的控制器和更完善的安全機制。

以下是一些可以應對這些挑戰的具體方法：

採用分層控制架構: 將複雜的運動任務分解成多個子任務，並針對每個子任務設計專門的控制器。例如，可以將動態行走分解成平衡控制、步態規劃和阻抗控制等子任務。
使用學習型控制方法: 利用機器學習方法，例如強化學習，讓外骨骼機器人從數據中學習優化的控制策略。
結合生物力學分析: 分析人類在進行動態運動時的生物力學特徵，並將這些特徵融入到外骨骼的控制策略中，以提高外骨骼的運動性能和人機協調性。
開發更先進的感測器和驅動器: 使用更高精度、更輕便的感測器和驅動器，可以提高外骨骼的運動控制性能和人體運動意圖的識別能力。

在實際應用中，如何確保外骨骼機器人與人體運動的同步性和協調性，以提供安全有效的輔助？

確保外骨骼機器人與人體運動的同步性和協調性是外骨骼技術應用的關鍵，以下是一些常用的方法：

基於生物信號的控制: 利用肌電信號 (EMG)、腦電信號 (EEG) 等生物信號來識別使用者的運動意圖，並據此控制外骨骼的運動，實現人機同步。
基於運動學的控制: 通過感測器獲取人體關節的角度、速度等運動學信息，並根據預先設定的運動模式或軌跡規劃算法來控制外骨骼的運動，使外骨骼的運動與人體運動保持一致。
阻抗控制: 通過調節外骨骼的阻抗參數（如剛度、阻尼），使外骨骼能夠感知並適應人體的運動，實現人機協調。
學習型控制: 利用機器學習方法，例如強化學習，讓外骨骼機器人從與人體互動的數據中學習如何更好地同步和協調運動。

除了上述方法，還需要考慮以下幾個方面：

個性化定制: 不同使用者的身高、體重、步態等特徵都有所不同，因此需要對外骨骼進行個性化定制，以確保其與使用者的運動特徵相匹配。
人機交互界面: 設計友好、直觀的人機交互界面，讓使用者能夠方便地控制外骨骼，並監控外骨骼的運行狀態。
安全機制: 設置多級安全機制，例如緊急停止按鈕、碰撞檢測、運動範圍限制等，以確保外骨骼在運行過程中不會對使用者造成傷害。

外骨骼技術的發展將如何影響人類的未來生活，例如在醫療、工業和軍事領域的應用？

外骨骼技術的發展將對人類的未來生活產生深遠的影響，尤其是在醫療、工業和軍事領域：
醫療領域:

輔助康復: 外骨骼可以幫助中風、脊髓損傷等患者進行康復訓練，提高康復效率，幫助患者恢復行走能力。
助力行走: 外骨骼可以幫助老年人、行動不便者更輕鬆地行走，提高生活質量。
減輕醫護人員負擔: 外骨骼可以幫助醫護人員搬運病人、進行手術等操作，減輕工作負擔，降低職業病風險。
工業領域:

提高生產效率: 外骨骼可以幫助工人搬運重物、進行高強度作業，提高工作效率，降低勞動強度。
降低工傷風險: 外骨骼可以提供額外的力量支撐和保護，降低工人發生肌肉拉傷、腰椎間盤突出等職業病的風險。
拓展人類工作能力: 外骨骼可以幫助人類在極端環境下工作，例如高温、高空、水下等。
軍事領域:

增強士兵體能: 外骨骼可以幫助士兵攜帶更重的裝備，進行更長時間的行軍，提高作戰效率。
提供防護: 外骨骼可以提供防彈、防爆等功能，保護士兵的人身安全。
執行特殊任務: 外骨骼可以幫助士兵進行偵察、爆破、救援等特殊任務。
總之，外骨骼技術的發展將為人類帶來巨大的福祉，其應用前景十分廣闊。隨著技術的進步和成本的降低，外骨骼將走進千家萬戶，改變人類的生活方式。