A friction compensation algorithm for an upper limb exosuit

In the context of wearable robots for the assistance of motor-disabled people, cable-driven exosuits represent a valid solution thanks to their portability, safety, and compliance. However, the control of such devices still presents some challenges, mostly related to the high friction present between the cable and the sheath. Moreover, the presence of sensors such as the load cell increases the cost and the complexity of the device. In this work, a gravity-compensating upper limb exosuit was designed and developed with the goal of controlling it in force without the use of a load cell. The low-level control consists in a direct force controller in which friction is compensated by means of a model-based compensation strategy. The design of this compensator is reported in this work and relies on a friction model, obtained in the work itself, able to model static friction, Coulomb friction, and the Stribeck effect in a Bowden cable system. In order to optimize the parameters of the model and validate the control strategy, a human-like test bench was developed on a mannequin. The friction model’s parameters were then tuned by means of Bayesian Optimization. The controller was validated both while tracking a constant force, and while tracking the force required for compensating the gravity of the limb. The controller performance was compared to a PI controller and to a controller resulting from the combination of the model-based and the PI. The gravity compensation validation showed that the force tracking performance (RMSE) of the model-based controller (7.308N) is not excessively worst than the one of the PI controller (5.263N). The combination of the two solutions resulted in an improved controller with an RMSE of 2.658N. In conclusion, the model-based controller and the combined solution resulted in being suitable for two different scenarios, the first being a user with low accuracy requirements preferring the convenience and simplicity of a load cell-less system, and the latter being a user requiring higher force tracking accuracy at the expense of a higher cost and complexity.

Tra i robot indossabili per l’assistenza a persone con disabilità motorie, le exosuit cable-driven rappresentano una valida soluzione grazie alla loro portabilità, sicurezza ed indossabilità. Tuttavia, il controllo di questi dispositivi presenta delle sfide, principalmente l’elevato attrito tra il cavo e la guaina. La presenza di sensori, come la cella di carico, incrementa il costo e la complessità del dispositivo. In questo lavoro un’exosuit per gli arti superiori in compensazione di gravità è disegnata e sviluppata con l’obiettivo di controllarla in forza senza l’uso della cella di carico. A basso livello è utilizzato un controllore in forza diretta in cui l’attrito è compensato tramite un modello. Il progetto di questo compensatore è riportato in questo lavoro e si basa su un modello d’attrito, ottenuto nello stesso lavoro, capace di modellizzare l’attrito statico, di Coulomb e l’effetto di Stribeck in un sistema a cavi Bowden. Per ottimizzare i parametri del modello e validare la strategia di controllo, un banco prova antropomorfo è stato sviluppato su un manichino. I parametri del modello d’attrito sono stati poi regolati a mezzo di Ottimizzazione Bayesiana. Il controllore è stato validato sia nel tracciamento di una forza costante, che in quello di una forza necessaria per compensare la gravità dell’arto. Le performance del controllore sono state confrontate con un controllore PI e con uno risultante dalla combinazione dei precedenti. La validazione in compensazione di gravità ha mostrato che la performance nel tracciamento della forza (RMSE) del controllore basato su modello (7.308N) non è eccessivamente peggiore rispetto a quella del controllore PI (5.263N). La combinazione delle due soluzioni ha generato un controllore migliorato con una RMSE di 2.658N. In conclusione, il controllore basato su modello e la soluzione combinata configurano due scenari: il primo riguarda un utente con bassi requisiti d’accuratezza nel tracciamento che privilegia convenienza e semplicità in un sistema senza cella di carico, mentre il secondo riguarda un utente che richiede elevata accuratezza nel tracciamento della forza dovendo accettare costi e complessità più elevate.