Adaptive Compliance Shaping with Human Impedance Estimation

Human impedance parameters play an integral role in the dynamics of strength amplification exoskeletons. Many methods are used to estimate the stiffness of human muscles, but few are used to improve the performance of strength amplification controllers for these devices. We propose a compliance shaping amplification controller incorporating an accurate online human stiffness estimation from surface electromyography (sEMG) sensors and stretch sensors connected to the forearm and upper arm of the human. These sensor values along with exoskeleton position and velocity are used to train a random forest regression model that accurately predicts a person's stiffness despite varying movement, relaxation, and muscle co-contraction. Our model's accuracy is verified using experimental test data and the model is implemented into the compliance shaping controller. Ultimately we show that the online estimation of stiffness can improve the bandwidth and amplification of the controller while remaining robustly stable.Comment: 8 pages, 9 figures, Accepted for publication at the 2020 American Control Conference. Copyright IEEE 202

Biyomimetik Bir Alt Uzuv Dış Iskelet Robotun Tasarımı Ve Denetimi

TÜBİTAK MAG Proje15.04.2017Dış iskelet robotlar, insan uzuvları ile etkileşim halinde çalışan, giyilebilir elektromekanikyapılardır. Bu robotlar, yürüme engeli olan ya da yaşlı kişilerde yardımcı uzuv, felçli kişilerderehabilitasyon ve sağlıklı insanlarda güç artırımı amacı ile kullanılmaktadır. Bu projede, insanvücudu eklemlerinin biyomekanik davranışlarından esinlenilerek enerji verimli, kararlı, güvenli,esnek ve kullanıcı ile uyumlu bir alt uzuv dış iskelet robotun biyomimetik tasarımı ve denetimigerçekleştirilmiştir.İnsan vücudunun kas-iskelet sistemi, bağlı bulundukları eklemlerde sertlik ve sönümlemeyidevamlı değiştirerek esnek ve kararlı bir hareket kabiliyeti sağlamaktadır. Bu projedegeliştirilen dış iskelet robotun bilek eklemlerinde hem sertlik hem de sönümleme değerlerinibağımsız değiştirebilen karma eyleyici tasarımı, diz ve kalça eklemlerinde ise seri elastikeyleyici ile sönümlemesi değiştirilebilir eyleyici içeren karma eyleyici tasarımları kullanılmıştır.Böylece, bütün eklemlerde mekanik olarak ayarlanabilir empedans (sertlik ve sönümleme)değerleri ile çalışabilen biyomimetik esnek bir dış iskelet robot literatüre kazandırılmıştır. Dışiskelet robotun geliştirilmesi aşamasında, sertliği değiştirilebilir eyleyiciler, sönümlemesideğiştirilebilir eyleyiciler ve dış iskelet robotun bütünü için benzetim çalışmalarıgerçekleştirilmiştir ve dış iskelet robotun bir bütün olarak üretimi yapılmıştır. Bu dış iskeletrobotun kontrol performansını denemek için de bir dizi deneysel kontrol çalışmalarıgerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen bu deneysel çalışmalar; sertliği değiştirilebilir eyleyicininkuvvet kontrol ve pozisyon kontrol deneyleri, insan bilek sertliğinin EMG sinyalleri tabanlıgerçek zamanlı olarak kestirimi, bunun sertliği değiştirilebilir eyleyiciye uygulanması,sönümlemesi değiştirilebilir eyleyicinin istenen sönümleme torklarının kontrolü deneyleri, buiki eyleyicinin birleşiminden oluşan karma eyleyicinin deneysel performans çalışmaları vedaha sonrada geliştirilen dış iskelet robotun kullanıcı-baskın ve robot-baskın kontroldeneylerdir. Böylelikle, bu projede biyomimetik bir dış iskelet robotun tasarımı ve üretimigerçekleştirilmiş, kontrol çalışmaları deneysel olarak denenerek robotun temel performansdeğerlendirmeleri yapılmıştır.Exoskeleton robots are wearable electromechanical structures which can work interacting withhuman limbs. These robots are used as assistive limb, rehabilitation and power augmentationpurposes for elderly or disabled person, paralyzed person and healthy person respectively. Thisproject aims at designing and controlling of a lower limb exoskeleton robot which is energyefficient, stable, safe and user compatible by the inspiration of the human body jointbiomechanical behaviors and neuro-muscular control.Human body neuro-muscular system varies stiffness and damping of the human joints regularlyand thus provides flexible and stable movement capability. An hybrid actuator design variyingstiffness and damping independently in the ankle joints and another hybrid actuator designincluding series eleastic actuator and variable damping actuator in the knee and hip joints wereused in the exoskeleton robot developed in this project. Hence, a biomimetic compliantexoskeleton robot operating with mechanically adjustable impedance coefficients (stiffness anddamping) is contributed to the literature. During the development stage of the exoskeleton robot,some simulation studies were carried out for all variable stiffness, variable damping actuatorsand whole exoskleton robot. In addition, a set of experimental control studies was conducted toevaulate the control performance of this exoskeleton robot. These experimental studies areimpedans force control experiments of the varaible stiffness actuators, position controlexperiments of the varaible stiffness actuators, real time estimation experiments of human anklejoint stiffness based on EMG signals, applying those on the varaible stiffness actuators, desiredtork and damping experiments of the varaible damping actuators, experimental performancestudies of the hybrid actuators including these two types and then user in charge and robot incharge experiments of the whole exosekeleton robot. In this way, a biomimetic lower limbexoskeleton robot was designed and manufactured, and its performance was evaluated with aset of experimental control studies