Impedance MPC with Patient-Torque Estimation for Knee Rehabilitation Exoskeletons
作者: Yongyan Cao, Jinshan Tang
分类: eess.SY
发布日期: 2026-06-12
💡 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安全合规问题
🎯 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 阻抗控制 模型预测控制 卡尔曼滤波 系列弹性驱动器 运动控制 医疗机器人
📋 核心要点
- 现有的膝关节康复外骨骼控制方法在应对患者自愿和不自愿运动时存在安全合规性不足的问题。
- 本文提出的阻抗模型预测控制框架通过简化膝关节动力学并引入卡尔曼滤波器，实现了高效的扭矩计算与控制。
- 实验结果显示，500 Hz的卡尔曼模型预测控制在多个基准测试中表现出显著的精度提升，优于传统控制方法。
📝 摘要（中文）
膝关节康复外骨骼必须在执行预定关节轨迹的同时，安全地应对不自主痉挛和自愿患者努力目标。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，利用系列弹性驱动器平台，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，并通过回溯地平面二次规划计算修正扭矩，同时强制执行运动范围、扭矩和速度限制。基于直接的系列弹性驱动器扭矩传感的卡尔曼干扰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。实验结果表明，500 Hz的卡尔曼模型预测控制在多种基准测试中表现优异，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愿和不自愿运动的问题。现有的固定增益阻抗控制方法在此方面存在不足，无法有效处理患者的动态变化。
核心思路：论文提出了一种阻抗模型预测控制（MPC）框架，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，并利用卡尔曼滤波器进行扭矩估计，从而实现高效的控制和安全性。
技术框架：整体架构包括三个主要模块：1) 代数前馈模块，将膝关节动力学简化；2) 卡尔曼滤波器模块，基于系列弹性驱动器的扭矩传感进行状态估计；3) 回溯地平面二次规划模块，计算修正扭矩并强制执行运动限制。
关键创新：最重要的技术创新在于引入了基于直接测量的卡尔曼滤波器进行扭矩估计，提供了无偏移的控制保证，并实现了无传感器的按需辅助，这与传统方法有本质区别。
关键设计：在设计中，常态矩阵的设置允许离线预计算二次规划成本的逆矩阵，从而实现500 Hz的高频操作。此外，论文中还详细描述了运动范围、扭矩和速度限制的强制执行机制。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，500 Hz的卡尔曼模型预测控制在七个基准测试中实现了0.1 mrad的均方根偏差和0.1 mrad的稳态偏差，显著优于传统阻抗控制的515 mrad稳态偏差，所有MPC变体均满足87 mrad的临床标准，而传统控制器未能达到。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括医疗康复、老年人护理和运动训练等。通过提高膝关节康复外骨骼的控制精度和安全性，能够更好地满足患者的个性化需求，促进康复效果，降低意外伤害风险，具有重要的实际价值和未来影响。
📄 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.