Stiffness control of a variable stiffness actuator mapping to human knee

La rehabilitación robótica de la pierna requiere un dispositivo con impedancia controlable para proporcionar una interacción segura entre usuario y robot. Este proyecto estudia el control del par motor de un exosqueleto de un grado de libertad, equipado con un actuador de rigidez variable. La investigación se centra tanto en estimar la rigidez activa de la rodilla mediante técnicas de dinámica inversa y electromiografía, como en controlar el actuador a partir de dichas estimaciones.

Mediante un modelo biomecánico integrado en un software especializado (OpenSim), siguiendo un proceso estructurado, se construye un modelo capaz de proporcionar medidas de la rigidez activa de la rodilla a partir del ángulo de rotación de la articulación y de la fuerza con la que el usuario contribuye al movimiento. El modelo es simulado en primera instancia en MATLAB & Simulink y después integrado en el esquema de control del actuador.

Montado en un banco de pruebas, el actuador de rigidez variable controla una ortesis metálica unida a la pierna. En un primer experimento, se cuantifica el par gravitacional del conjunto pierna-ortesis, calibrando las estimaciones a través de la dinámica inversa del par generado por el paciente. A continuación, se diseña un sistema de control del par motor capaz de dotar al usuario de asistencia para la realización de movimientos de balanceo de la pierna en el banco de pruebas. Por último, se controla el ajuste simultáneo y eficiente de la rigidez variable del actuador a partir de las estimaciones del modelo de rigidez activa de la rodilla, mejorando la seguridad de la interacción robot-paciente.

Los resultados observados dan prueba del correcto funcionamiento del control de rigidez del actuador y constituyen un primer paso importante para la integración del actuador en un exoesqueleto que ayuda al usuario a caminar.

In robot-assisted rehabilitation of the leg, an impedance-controlled device is necessary to guarantee safe and effective robot-human interaction. This work focuses on the torque control of a one-degree-of-freedom knee joint exoskeleton equipped with a variable stiffness actuator (VSA). Research is conducted on the acquisition of active knee stiffness, measurement of active knee stiffness using inverse dynamics and electromyography, and actuator control based on knee stiffness feedback.

Using a biomechanical model integrated in a software environment (OpenSim) and following a structured process, a model is built to provide a value of the active knee stiffness using the knee joint angle and and estimates of the exoskeleton user’s contributing force. The model is first simulated in MATLAB & Simulink and then fully integrated in the stiffness control scheme of the actuator.

The variable stiffness actuator is integrated in a test bench where it drives a metallic orthosis attached to the leg. During a first experiment, the inverse dynamics estimations of the human torque are calibrated by identifying the value of the gravitational torque constants of the leg-orthosis system. Then, a torque control scheme is designed to provide the appropriate level of movement support to the test subject while swinging the leg on the test bench. Finally, estimates from the active knee stiffness model allow efficient and simultaneous adjustment of the actuator’s stiffness.

The results demonstrate the success of the stiffness control model and represent a first important step toward the integration of the actuator in a full exoskeleton platform that aids during gait.