Impedance control applied to robotic platforms

Abstract

A loss of a limb can create significant difficulties in the everyday tasks of a person, being worse in more uncommon situations such as running or jumping. This creates problems with people that need to undergo an amputation, taking a toll on their wellbeing. With the tens of millions of amputees in the world and their number increasing every year, the development of prosthetic devices that are able to emulate a human limb becomes a necessity. The development of prostheses has improved over the years, by a considerable amount, however, most prostheses commercially available nowadays, are passive and therefore are not able to provide the necessary amount of energy to recreate proper human gait. To overcome this problem, active powered prostheses are being researched across the world. This thesis focuses on the development of a powered transtibial prosthesis’s controller based on the concept of impedance control. This type of controller tries to recreate the type of control found in humans, where a limb’s output impedance can be altered to allow for a more adaptable motion. The prosthesis was designed to work as a standalone device and use its sensors and a finite state machine to alter the output impedance of the device. The prosthesis’ prototype was designed to be worn by the Darwin-OP humanoid robot, which has a walking gait similar to that of a human. The controller requires the optimization of several parameters. For this task, a genetic algorithm was employed to help determine the controller parameters, as well as the parameters for the Darwin-OP waking motion controller, this one being based on Central Pattern Generators. A comparison between adding or not, a dynamic model of the actuator’s body to the controller, was performed. This comparison provided information about the advantages and disadvantages of using a model on the controller and led to the choice of foregoing the model in the transtibial prosthesis. In the end, the optimization was able to determine the parameters for the prosthesis controller and the simulated Darwin-OP robot, with the device. The humanoid was able to walk forward, albeit at a slower speed than the humanoid without the prosthesis. In regard to the controller itself, it was able to accurately detect the stance and swing phases of the device. Tests of the controller were performed in simulation using Webots™.

A perda de um membro pode criar dificuldades significativas nas tarefas quotidianas de uma pessoa, sendo pior em situações mais incomuns, como correr ou saltar. Isso cria problemas com pessoas que precisam de passar por uma amputação, prejudicando o seu bem-estar. Com as dezenas de milhões de amputados no mundo e este número aumentando a cada ano, o desenvolvimento de dispositivos prostéticos capazes de emular um membro humano torna-se uma necessidade cada vez mais importante. O desenvolvimento de próteses tem melhorado consideravelmente ao longo dos anos, no entanto a maioria das próteses comercialmente disponíveis hoje em dia, são passivas e, portanto, não são capazes de fornecer a quantidade necessária de energia para recriar uma marcha humana adequada. Para superar esse problema, próteses ativas estão sendo pesquisadas em todo o mundo. Esta tese foca-se no desenvolvimento de um controlador de uma prótese transtibial com base no conceito de controlo de impedâncias. Este tipo de controlador tenta recriar o tipo de controlo presente em humanos, onde a impedância de saída de um membro pode ser alterada para permitir um movimento mais adaptável. A prótese foi projetada para funcionar como um dispositivo autónomo e usar os seus sensores e uma máquina de estado para alterar a impedância de saída do dispositivo. O protótipo da prótese foi projetado para ser usado pelo robô humanoide Darwin-OP, que tem uma marcha ambulante semelhante à de um humano. O controlador requer a otimização de vários parâmetros. Para esta tarefa, um algoritmo genético foi empregue para ajudar na determinação dos parâmetros do controlador, bem como a dos parâmetros para o controlador da marcha do Darwin-OP, sendo este baseado num controlador de Geração de Padrões Central. Uma comparação entre adicionar ou não, um modelo dinâmico do corpo do atuador para o controlador, foi realizada. Essa comparação forneceu informações sobre as vantagens e desvantagens do uso de um modelo no controlador e levou à escolha do controlo sem o modelo na prótese transtibial. No final, a otimização foi capaz de determinar os parâmetros para o controlador da prótese e o robô simulado de Darwin-OP, com o dispositivo. O humanoide foi capaz de andar para frente, embora a uma velocidade menor do que o humanoide sem a prótese. Em relação ao controlador, este foi capaz de detetar com precisão as fases de Stance e Swing do dispositivo. Testes ao controlador foram realizados em simulação usando o Webots ™.