Lower limb exoskeleton control via linear quadratic regulator and disturbance observer

Achieving a more human-like trajectory of lower limb exoskeleton for locomotion assistance requires accurate trajectory tracking control. However, this task has challenges due to the nonlinearities and disturbances acting on the system, which is interacting with the wearer and the surroundings. In order to improve the control performance, a Linear Quadratic Regulator with integral action (LQRi) and Unknown Input Observer (UIO) to compensate for disturbances are introduced. The chosen control strategy is model-based, therefore an accurate model of the exoskeleton is derived. Experiments are conducted, and the testing results compared with the previous Proportional Derivative (PD) controller show a performance improvement throughout the gait cycle, which proves the proposed control to be effective and easily implementable for lower limb exoskeleton control.

Ottenere la camminata di un esoscheletro per arti inferiori progettato per assistere alla locomozione il più simile possibile a quella di un essere umano richiede un accurato controllo della traiettoria. Tuttavia, questo compito presenta delle sfide dovute alle nonlinearità e ai disturbi che agiscono sul sistema, il quale a sua volta interagisce con chi lo indossa e l'ambiente circostante. Con lo scopo di migliorare le prestazioni del controllo, vengono introdotti un regolatore quadratico lineare con azione integrale (LQRi) e un osservatore del disturbo (UIO) per compensare i disturbi. La strategia di controllo prescelta è basata sulla conoscenza del modello del sistema, pertanto un modello dinamico dell'esoscheletro viene identificato sperimentalmente. Successivamente, il nuovo controllo viene testato sperimentalmente e i risultati delle prove, dopo essere stati confrontati con il precedente controllore con azione proporzionale e derivativa (PD), mostrano un miglioramento delle prestazioni durante tutto il ciclo della camminata, il che dimostra che la strategia di controllo proposta è efficace e facilmente implementabile per controllare l'esoscheletro per arti inferiori.