Variable Impedance Control for Floating-Base Supernumerary Robotic Leg in Walking Assistance
作者: Jun Huo, Kehan Xu, Chengyao Li, Yu Cao, Jie Zuo, Xinxing Chen, Jian Huang
分类: cs.RO
发布日期: 2025-11-15
期刊: IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 10, no. 9, pp. 8698-8705, Sept. 2025
💡 一句话要点
针对步态辅助外骨骼，提出变阻抗控制以提升人机交互安全性和适应性
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 外骨骼机器人 变阻抗控制 人机交互 步态辅助 浮动基座 阻抗参数生成网络 力控制
📋 核心要点
- 浮动基座外骨骼易受内部扰动影响，传统力控制方法难以保证人机交互的安全性。
- 提出变阻抗控制（VIC）方法，通过动态调整阻抗参数，实现刚柔切换，适应未知环境扰动。
- 设计实时稳定性保证的阻抗参数生成网络，仿真和实验验证了系统在冲击缓解和高刚性支撑方面的有效性。
📝 摘要（中文）
在人机系统中，确保力控制在存在内部和外部扰动时的安全性至关重要。作为一种典型的松耦合浮动基座机器人系统，外骨骼机器人腿（SRL）系统特别容易受到强烈的内部扰动。为了解决浮动基座带来的挑战，我们研究了松耦合SRL的动力学模型，并设计了一种混合位置/力阻抗控制器以适应动态扭矩输入。开发了一种有效的变阻抗控制（VIC）方法，以增强人机交互，特别是在涉及外部力扰动的情况下。通过动态调整阻抗参数，VIC改善了刚性和柔性之间的动态切换，从而使其能够适应不同状态下的未知环境扰动。专门为所提出的SRL设计了一种高效的实时稳定性保证阻抗参数生成网络，以实现冲击缓解和高刚性支撑。仿真和实验验证了系统的有效性，证明了其在柔性状态下保持平滑信号过渡，同时在刚性状态下提供强大支撑力的能力。该方法为适应交互中的个体步态变化提供了一种实用的解决方案，并显著提高了人机系统的安全性和适应性。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决浮动基座外骨骼在步态辅助过程中，由于内部和外部扰动导致的人机交互安全性问题。现有的力控制方法难以同时保证系统的稳定性和对环境变化的适应性，尤其是在存在步态差异的情况下，容易造成冲击和不适。
核心思路：论文的核心思路是采用变阻抗控制（VIC），通过动态调整外骨骼的阻抗参数，使其能够根据不同的状态和环境扰动，在刚性和柔性之间进行切换。在需要提供支撑力时，增加阻抗以提供刚性支撑；在需要适应环境变化或步态差异时，降低阻抗以提高柔性。
技术框架：整体框架包括以下几个主要模块：1）SRL的动力学建模，用于分析系统的动态特性；2）混合位置/力阻抗控制器设计，用于实现对SRL的精确控制；3）变阻抗控制（VIC）策略，用于动态调整阻抗参数；4）实时稳定性保证的阻抗参数生成网络，用于生成满足稳定性要求的阻抗参数。
关键创新：论文的关键创新在于提出了一种高效的实时稳定性保证的阻抗参数生成网络。该网络能够根据当前的状态和环境信息，动态生成满足稳定性要求的阻抗参数，从而保证了VIC的稳定性和安全性。此外，VIC策略能够根据不同的状态和环境扰动，自适应地调整阻抗参数，提高了系统的适应性。
关键设计：阻抗参数生成网络的设计是关键。具体细节未知，但可以推测其输入包括当前状态（如位置、速度、力等）和环境信息，输出为阻抗参数。网络结构和损失函数的设计需要保证生成的阻抗参数能够满足稳定性要求，并能够实现刚性和柔性之间的平滑切换。此外，混合位置/力阻抗控制器的参数整定也至关重要，需要根据SRL的动力学特性进行优化。
📊 实验亮点
论文通过仿真和实验验证了所提出的变阻抗控制方法的有效性。实验结果表明，该方法能够在柔性状态下保持平滑的信号过渡，同时在刚性状态下提供强大的支撑力。该方法能够适应个体步态变化，显著提高了人机系统的安全性和适应性。具体性能数据未知，但结论表明该方法优于传统的固定阻抗控制方法。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于康复机器人、外骨骼机器人等领域，为行动不便的人群提供步态辅助，提高其生活质量。此外，该技术还可应用于工业机器人领域，提高机器人在复杂环境中的适应性和安全性，例如在人机协作场景中，机器人可以通过调整阻抗参数来避免对人造成伤害。
📄 摘要（原文）
In human-robot systems, ensuring safety during force control in the presence of both internal and external disturbances is crucial. As a typical loosely coupled floating-base robot system, the supernumerary robotic leg (SRL) system is particularly susceptible to strong internal disturbances. To address the challenge posed by floating base, we investigated the dynamics model of the loosely coupled SRL and designed a hybrid position/force impedance controller to fit dynamic torque input. An efficient variable impedance control (VIC) method is developed to enhance human-robot interaction, particularly in scenarios involving external force disturbances. By dynamically adjusting impedance parameters, VIC improves the dynamic switching between rigidity and flexibility, so that it can adapt to unknown environmental disturbances in different states. An efficient real-time stability guaranteed impedance parameters generating network is specifically designed for the proposed SRL, to achieve shock mitigation and high rigidity supporting. Simulations and experiments validate the system's effectiveness, demonstrating its ability to maintain smooth signal transitions in flexible states while providing strong support forces in rigid states. This approach provides a practical solution for accommodating individual gait variations in interaction, and significantly advances the safety and adaptability of human-robot systems.