論文の概要: Impedance MPC with Patient-Torque Estimation for Knee Rehabilitation Exoskeletons
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.13485v1
- Date: Thu, 11 Jun 2026 15:35:03 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-06-16 13:45:31.212006
- Title: Impedance MPC with Patient-Torque Estimation for Knee Rehabilitation Exoskeletons
- Title（参考訳）: 膝リハビリテーション外骨格に対するインピーダンスMPCと患者のトルク推定
- Authors: Yongyan Cao, Jinshan Tang,
- Abstract要約: 膝関節リハビリテーションのためのインピーダンスモデル予測制御フレームワークを提案する。
直接SEAに基づくトルクセンシングによって駆動されるカルマン乱れ状態は、名目上のオフセットのない保証を与える。
アーキテクチャは20 DOF のmyoSuite myoLeg に結合型QPを用いて定式化されている。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Knee rehabilitation exoskeletons must enforce a prescribed joint trajectory while remaining safely compliant with involuntary spasm and voluntary patient effort-objectives in tension for any fixed-gain impedance controller. We present an Impedance Model Predictive Control framework for knee rehabilitation exoskeletons, demonstrated on a series-elastic-actuator (SEA) platform: an algebraic feedforward reduces the knee dynamics to a constant-coefficient scalar double integrator, and a receding-horizon quadratic program (QP) computes corrective torques while enforcing hard range-of-motion, torque, and velocity limits (ISO 13482). A Kalman disturbance state driven by direct SEA-based torque sensing (the series-elastic spring deflection measured through the elastic element - an intrinsic, EMG-free patient-torque estimate, not a separate load cell) gives a nominal offset-free guarantee and, via its sign and the desired-motion direction, sensorless Assist-as-Needed. The constant state matrix permits offline precomputation of the QP cost inverse, enabling 500 Hz operation with a multi-step horizon. Across seven-controller benchmarks (sinusoidal tracking, isometric hold), the 500 Hz Kalman MPC is offset free 0.1 mrad RMS, 0.1 mrad steady-state, 0.2 mrad peak under 15 Nm spasm, versus a 515 mrad steady-state offset for classical impedance at the same stiffness - the direct-measurement channel converging the estimate near-immediately (within a few sampling periods). Without the estimator it realizes a classical impedance (4.8 mrad RMS, 8.3 mrad steady-state). All MPC variants meet the 87 mrad clinical criterion; no classical controller does. The architecture is formulated for the 20 DOF MyoSuite myoLeg via coupling-aware per-joint QPs.
- Abstract（参考訳）: 膝リハビリテーション用外骨格は、固定利得インピーダンスコントローラの緊張状態において、不随意発作や随意的な患者努力を安全に遵守しつつ、所定の関節軌道を強制しなければならない。
本稿では, 連続弾性アクチュエータ (SEA) プラットフォーム上で, 代数的フィードフォワードにより膝の運動を一定係数のスカラー倍積分器に還元し, 後退水平2次プログラム (QP) は, 運動範囲, トルク, 速度制限を強制しながら補正トルクを計算する。
直接SEAベースのトルクセンシングにより駆動されるカルマン乱れ状態(弾性要素(固有でEMGのない患者トルクの推定値)は、その符号と所望の運動方向、センサレスアシスト・アズ・ネッドを介して、名目上のオフセットのない保証を与える。
定数状態行列はQPコスト逆のオフライン事前計算を可能にし、多段水平線で500Hzの動作を可能にする。
7つの制御器のベンチマーク(正弦波追跡、等尺ホールド)で、500Hzのカルマン MPC は自由な 0.1 mrad RMS 、0.1 mrad 定常状態、0.2 mrad ピークを 15 Nm 間隔で設定する。
推定器がなければ、古典的なインピーダンス (4.8 mrad RMS, 8.3 mrad steady-state) を実現する。
全てのMPC変異体は87のMRAD臨床基準を満たすが、古典的なコントローラは存在しない。
アーキテクチャは20 DOF のmyoSuite myoLeg に結合型QPを用いて定式化されている。
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