Patienten-kooperative Regelung impedanzvariabler Antriebe (PatRiA)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel des PatRiA-Projekts war die Entwicklung von Methoden für patientenkooperative Regelungsstrategien von Aktuatoren mit variabler Steifigkeit (VIA). Dazu wurde das Projekt hinsichtlich der Abstraktionsebene des Regelungsentwurfs in 5 Arbeitspunkte aufgeteilt. In der Modellanalyse wurden Modelle von Aktuatoren mit variabler Steifigkeit entwickelt und parametrisiert, wobei ein linearer, parameter-variierender Modellierungsansatz verwendet wurde. Das Modell ermöglicht die Entkopplung der variablen Steifigkeit von der Drehmomenterzeugung und berücksichtigt nichtlineare Reibungseffekte. Durch die Kombination eines inneren PI-Regelkreises und einer robusten ℋ∞ non-smooth gain-scheduled Drehmomentregelung über den gesamten VSA-Steifigkeitsbereich mit einem ℋ∞ loop-shaping konnten die Stellgliedausgangsfunktion positiv-reell gehalten und die Robustheit gegenüber unbekannten Umgebungen garantiert werden. Um die Modellannahme der festen Last zu überwinden, wurde der Kalman-Filter durch einen Generalized Extended State Observer ersetzt, um die internen Zustände und die durch die Belastung und den Patienten verursachten Störungen abzuschätzen. Daher wurde eine robuste Parametrierung des Impedanzreglers sowohl für low-impedance als auch für high-impedance Bewegungen durchgeführt und bestätigt, wobei die Stabilität unter Verwendung einer festen quadratischen Lyapunov-Funktion und Lösung der linearen Lyapunov-Matrix-Ungleichung getestet wurde. Schließlich wurden Methoden zur Anpassung der Bewegungsunterstützung basierend auf Patienteninformationen durch Schätzung des Interaktions-/Proband*innen-Drehmoments und der physikalischen Steifigkeit des VSA analysiert. Sowohl für Fälle mit niedriger als auch mit hoher Impedanz hat unsere Studie erfolgreich gezeigt, dass es möglich ist, den Sit-to-Stand Vorgang mit dem MeRia-basierten 2-DOF-Exoskelett mit bis zu 60 % des erforderlichen Drehmoments zu unterstützen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Zero-torque control of an exoskeleton joint actuator using a disturbance observer,” in AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2140
L. Bergmann, L. Liu, C. Ngo, B. Misgeld, and S. Leonhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5121929) - “Impedance-Controlled Variable Stiffness Actuator for Lower Limb Robot Applications,” IEEE Trans. Autom. Sci. Eng., vol. 17, no. 2, pp. 991–1004, 2020
L. Liu, S. Leonhardt, C. Ngo, and B. J. E. Misgeld
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TASE.2019.2954769) - “Implementation of LPV H ∞ Loop-Shaping Control for a Variable Stiffness Actuator,” in IFAC World Congress 2020, 2020
L. Bergmann, L. Liu, N. Pham, and B. Misgeld
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2020.12.2738) - “Low Impedance-Guaranteed Gain-Scheduled GESO for Torque-Controlled VSA, with Application of Exoskeleton-Assisted Sit-to-Stand” IEEE/ASME Trans. Mechatronics, vol. 4435, 2020
L. Liu, Z. Hong, B. Penzlin, B. Misgeld, C. Ngo, L. Bergmann, S. Leonhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TMECH.2020.3032372) - “Preliminary test of a zero-torque controlled exoskeleton on a treadmill,” Proc. Autom. Med. Eng., pp. 1–2, 2020
L. Bergmann, L. Liu, B. Penzlin, S. Leonhardt, and C. Ngo
(Siehe online unter https://doi.org/10.18416/AUTOMED.2020) - “Workflow for 3D modeling of compliant actuators for active exoskeletons,” Automed 2021 Conference, Basel, Switzerland
L. Bergmann, C. Moazzami, S. Leonhardt, and C. Ngo
(Siehe online unter https://doi.org/10.5281/zenodo.4922726)
