Impedance MPC with Patient-Torque Estimation for Knee Rehabilitation Exoskeletons

📄 arXiv: 2606.13485v1 📥 PDF

作者: Yongyan Cao, Jinshan Tang

分类: eess.SY

发布日期: 2026-06-11

💡 一句话要点

提出阻抗模型预测控制以解决膝关节康复外骨骼的合规性问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 膝关节康复 外骨骼 模型预测控制 卡尔曼滤波 系列弹性驱动器 动态适应 安全合规性

📋 核心要点

  1. 现有的膝关节康复外骨骼控制方法在应对自发痉挛和患者自愿努力时，难以保持安全合规性。
  2. 本文提出了一种阻抗模型预测控制框架，利用系列弹性驱动器和卡尔曼滤波实现无偏移的扭矩估计。
  3. 实验结果表明，500 Hz的卡尔曼MPC在多项控制基准下的表现明显优于传统阻抗控制，满足临床标准。

📝 摘要（中文）

膝关节康复外骨骼必须在确保遵循预定关节轨迹的同时，安全地适应自发痉挛和患者自愿努力目标。本文提出了一种针对膝关节康复外骨骼的阻抗模型预测控制框架，基于系列弹性驱动器（SEA）平台，通过代数前馈将膝关节动力学简化为常系数标量双重积分器，并利用递归优化的二次规划（QP）计算纠正扭矩，同时强制执行运动范围、扭矩和速度限制。通过直接的SEA扭矩传感器驱动的卡尔曼扰动状态，提供了无偏移的保证，并通过其符号和期望运动方向实现无传感器的按需辅助。实验结果显示，500 Hz的卡尔曼MPC在多种控制基准下表现优异，显著优于传统阻抗控制。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决膝关节康复外骨骼在执行预定关节轨迹时，如何安全合规地应对患者的自发痉挛和自愿努力的问题。现有的固定增益阻抗控制方法在这方面存在明显不足，无法有效适应患者的动态需求。

核心思路：论文提出的阻抗模型预测控制（MPC）框架，通过引入系列弹性驱动器的扭矩传感，实时估计患者的扭矩需求，从而实现更为灵活和安全的控制策略。该设计旨在通过动态调整控制策略，确保在各种情况下的合规性和安全性。

技术框架：整体架构包括代数前馈模块、递归优化的二次规划（QP）模块和卡尔曼滤波模块。代数前馈将膝关节动力学简化为常系数标量双重积分器，QP模块负责计算纠正扭矩，而卡尔曼滤波模块则用于实时扭矩估计，确保控制的精确性和响应速度。

关键创新：本文的主要创新在于利用系列弹性驱动器的直接扭矩测量，提供了一种无偏移的扭矩估计方法。这一方法与传统的阻抗控制相比，能够更快速地适应患者的动态需求，显著提高了控制的精度和安全性。

关键设计：在设计中，QP的成本逆矩阵可以离线预计算，从而实现500 Hz的高频操作。此外，控制策略的多步预测地平线设计，使得系统能够在复杂的动态环境中保持稳定性和响应性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，500 Hz的卡尔曼MPC在七个控制基准下表现优异，偏移量为0.1 mrad RMS，显著低于传统阻抗控制的515 mrad稳态偏移，所有MPC变体均满足87 mrad的临床标准，而传统控制器则未能达到这一标准。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括医疗康复、助行设备和智能机器人等。通过提高膝关节康复外骨骼的控制精度和安全性，能够有效帮助患者恢复运动能力，提升生活质量。未来，该技术有望推广至其他关节的康复和辅助设备中，具有广泛的实际价值。

📄 摘要（原文）

Knee rehabilitation exoskeletons must enforce a prescribed joint trajectory while remaining safely compliant with involuntary spasm and voluntary patient effort-objectives in tension for any fixed-gain impedance controller. We present an Impedance Model Predictive Control framework for knee rehabilitation exoskeletons, demonstrated on a series-elastic-actuator (SEA) platform: an algebraic feedforward reduces the knee dynamics to a constant-coefficient scalar double integrator, and a receding-horizon quadratic program (QP) computes corrective torques while enforcing hard range-of-motion, torque, and velocity limits (ISO 13482). A Kalman disturbance state driven by direct SEA-based torque sensing (the series-elastic spring deflection measured through the elastic element - an intrinsic, EMG-free patient-torque estimate, not a separate load cell) gives a nominal offset-free guarantee and, via its sign and the desired-motion direction, sensorless Assist-as-Needed. The constant state matrix permits offline precomputation of the QP cost inverse, enabling 500 Hz operation with a multi-step horizon. Across seven-controller benchmarks (sinusoidal tracking, isometric hold), the 500 Hz Kalman MPC is offset free 0.1 mrad RMS, 0.1 mrad steady-state, 0.2 mrad peak under 15 Nm spasm, versus a 515 mrad steady-state offset for classical impedance at the same stiffness - the direct-measurement channel converging the estimate near-immediately (within a few sampling periods). Without the estimator it realizes a classical impedance (4.8 mrad RMS, 8.3 mrad steady-state). All MPC variants meet the 87 mrad clinical criterion; no classical controller does. The architecture is formulated for the 20 DOF MyoSuite myoLeg via coupling-aware per-joint QPs.