Controle Livre de Trajetória de Exoesqueletos de Membros Inferiores Através da Modelagem de Energia Total Subatuada

Abordagens de controle cinemático para exoesqueletos replicam a cinemática articular normativa associada a uma tarefa específica e a um usuário de cada vez, o que dificulta a adaptação a atividades que variam continuamente durante o treinamento de marcha. Essas abordagens também restringem excessivamente indivíduos que têm controle volitivo parcial ou total de seus membros, impedindo esses indivíduos de escolherem seus próprios padrões de marcha preferidos. Para abordar essas questões, propusemos uma estrutura de correspondência para a modelagem de energia total subatuada (ou seja, modelar tanto as energias potencial quanto cinética) com interação humana e ambiental para proporcionar assistência energética invariável a tarefas. Em nosso trabalho anterior, projetamos estratégias assistivas para compensar a inércia dos membros inferiores na parte atuada da matriz de massa, enquanto deixamos os termos relacionados à massa não modelados. Embora essas estratégias tenham demonstrado potenciais benefícios na marcha, modelar termos relacionados à massa além da inércia dos membros inferiores pode produzir benefícios maiores, uma vez que são mais dominantes na determinação da dinâmica humana durante a locomoção. Além disso, definições anteriores de matriz de massa em malha fechada com parâmetros inerciais reduzidos não podem garantir sua definitude positiva. Ter uma matriz de massa não positiva definida na malha fechada pode gerar comportamentos caóticos, como torques de exoesqueleto não limitados que causam perigo para os usuários humanos. Neste artigo, generalizamos nosso trabalho anterior para modelar todos os termos inerciais na parte atuada da matriz de massa, assegurando sua definitude positiva na malha fechada. Além disso, dada uma matriz de massa positiva definida em malha fechada, provamos a passividade da entrada humana para a velocidade articular e destacamos dois resultados de estabilidade de Lyapunov baseados em suposições comuns sobre políticas de controle articular humano. Em seguida, mostramos os benefícios da abordagem proposta e suas vantagens sobre métodos convencionais de controle de exoesqueletos com simulações em um modelo humanoide. Também mostramos que os torques assistivos correspondentes se igualam de perto aos torques humanos de um sujeito sem deficiência.