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Extremum Seeking Control for Stiffness Auto-Tuning of a Quasi-Passive Ankle Exoskeleton

外骨骼 刚度 脚踝 最佳步行速度 步态 控制理论(社会学) 关节刚度 计算机科学 模拟 弹簧(装置) 物理医学与康复 工程类 结构工程 控制(管理) 医学 人工智能 外科
作者
Saurav Kumar,Matthew Zwall,Edgar Bolívar,Robert D. Gregg,Nicholas Gans
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters 卷期号:: 1-1 被引量:25
标识
DOI:10.1109/lra.2020.3001541
摘要

Recently, it has been shown that light-weight, passive, ankle exoskeletons with spring-based energy store-and-release mechanisms can reduce the muscular effort of human walking. The stiffness of the spring in such a device must be properly tuned in order to minimize the muscular effort. However, this muscular effort changes for different locomotion conditions (e.g., walking speed), causing the optimal spring stiffness to vary as well. Existing passive exoskeletons have a fixed stiffness during operation, preventing it from responding to changes in walking conditions. Thus, there is a need of a device and auto-tuning algorithm that minimizes the muscular effort across different walking conditions, while preserving the advantages of passive exoskeletons. In this letter, we developed a quasi-passive ankle exoskeleton with a variable stiffness mechanism capable of self-tuning. As the relationship between the muscular effort and the optimal spring stiffness across different walking speeds is not known a priori, a model-free, discrete-time extremum seeking control (ESC) algorithm was implemented for real-time optimization of spring stiffness. Experiments with an able-bodied subject demonstrate that as the walking speed of the user changes, ESC automatically tunes the torsional stiffness about the ankle joint. The average RMS EMG readings of tibialis anterior and soleus muscles at slow walking speed decreased by 26.48% and 7.42%, respectively.
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