論文の概要: ATP: Anatomical Torque with Passivity-based Control Framework for Safe Upper-Limb Exoskeleton Assistance
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.05723v1
- Date: Thu, 06 Aug 2026 08:06:40 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-08-07 17:43:06.710001
- Title: ATP: Anatomical Torque with Passivity-based Control Framework for Safe Upper-Limb Exoskeleton Assistance
- Title（参考訳）: ATP: 安全上肢外骨格支援のための受動性制御フレームワークを用いた解剖学的トルク
- Authors: Yu Chen, Gong Chen, Xiang Li,
- Abstract要約: 本稿では,上肢外骨格を安全に支援するための受動性制御を用いた解剖学的トルクを提案する。
オンライントルクリファインメントスキームは、多様な動きを参照し、腱によるスパイクを抑制し、安全で快適な支援のために学習された異常スコアを組み込む。
シミュレーションと実世界の実験により、長時間の動作シーケンスの正確な追跡と、リアルタイムな人間の動きへの一般化が示されている。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.72367908819341
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Providing assistance across diverse movements is a central objective of exoskeletons, and anatomical knowledge can enable responsive support that generalizes across tasks. However, anatomical assistance has mainly been studied for lower-limb exoskeletons, where periodic, weight-bearing motions impose lower demands on torque precision. Extending such assistance to complex, nonperiodic upper-limb movements remains challenging. This paper proposes Anatomical Torque with Passivity-Based Control (ATP) for safe upper-limb exoskeleton assistance. First, a scalable musculoskeletal simulation framework trains a unified reinforcement-learning muscle controller that generalizes across upper-limb movements and generates anatomical reference torques without complex biomechanical computations. Second, an online torque-refinement scheme adapts the reference to diverse movements, suppresses tendon-induced spikes, and incorporates a learned anomaly score for safe and comfortable assistance. Third, an interaction torque controller delivers assistance through a cable-driven compliant exoskeleton without constraining motion to predefined trajectories, while an energy tank preserves passivity with theoretical guarantees on torque tracking and system passivity. Simulations and real-world experiments show accurate tracking of long-duration motion sequences and generalization to real-time human movements. The controller achieves accurate torque tracking while preserving passivity and resumes tracking after energy-tank replenishment. An EMG study with five participants further shows reduced target-muscle activity during static and dynamic tasks compared with gravity compensation and open-loop assistance, with reductions of up to 48% relative to movement without the exoskeleton in a dynamic multi-joint task.
- Abstract（参考訳）: 多様な運動に対する援助を提供することは、外骨格の中心的な目的であり、解剖学的知識は、タスクをまたいで一般化する応答的な支援を可能にする。
しかし、解剖学的補助は主に下肢外骨格に対して研究されており、周期的、重み付き運動はトルク精度に低い要求を課している。
このような支援を複雑で非周期的な上肢運動に拡張することは依然として困難である。
本稿では,上肢外骨格を安全に補助するためのATPを用いた解剖学的トルクを提案する。
まず、スケーラブルな筋骨格シミュレーションフレームワークは、上肢運動を一般化し、複雑な生体力学計算なしで解剖学的基準トルクを生成する統合強化学習筋制御装置を訓練する。
第二に、オンライントルクリファインメント方式は、多様な動きへの参照に適応し、腱によるスパイクを抑制し、安全で快適な支援のために学習された異常スコアを組み込む。
第3に、相互作用トルクコントローラは、予め定義された軌道に対する動きを拘束することなく、ケーブル駆動のエクソスケルトンを介して補助を行う一方、エネルギータンクは、トルクトラッキングとシステムパスティビティに関する理論的保証で通過性を保存する。
シミュレーションと実世界の実験により、長時間の動作シーケンスの正確な追跡と、リアルタイムな人間の動きへの一般化が示されている。
制御器は、受動性を維持しながら正確なトルクトラッキングを行い、エネルギータンク補充後のトラッキングを再開する。
5人の参加者によるEMGによる研究は、重力補償やオープンループアシストと比較して、静的および動的タスクの標的筋活動が減少し、動的マルチジョイントタスクでは、外骨格のない運動に対して最大48%の減少が見られた。
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