The purpose of this paper is to review recent developments in lower limb exoskeletons. The exoskeleton system is a human-robot cooperation system that enhances the performance of the wearer in various environments while the human operator is in charge of the position control, contextual perception, and motion signal generation through the robot's artificial intelligence. This system is in the form of a mechanical structure that is combined to the exterior of a human body to improve the muscular power of the wearer. This paper is followed by an overview of the development history of exoskeleton systems and their three main applications in military/industrial field, medical/rehabilitation field and social welfare field. Besides the key technologies in exoskeleton systems, the research is presented from several viewpoints of the exoskeleton mechanism, human-robot interface and human-robot cooperation control.
In this paper, an exoskeleton-type motion capturing system is designed and implemented. The device is designed to have 12 degree-of-freedom entirely to represent human arm motions. Forward and inverse kinematics of the device are analyzed to make sure of its singular positions. With the designed model parameters, simulation studies are conducted to verify that the designed motion capturing system is effective to represent human motions within the workspace. As a counterpart of the exoskeleton system, a mobile robot is built to follow human motion restrictively. Experimental studies of teleoperation from the exoskeleton device to control the mobile robot are carried out to show feasible application of wireless man-machine interface.
This paper presents the kinematic analysis of two robots, an exoskeleton type master robot and a human like slave robot with two arms. Two robots are designed and built to be equivalent as motion following robots. The operator wears the exoskeleton robot to generate motions, then the slave robot is required to follow after the motion of the master robot. However, different kinematic configuration yields position mismatches of the end-effectors. To synchronize motions of two robots, kinematic analysis of mapping is analyzed. The forward and inverse kinematics have been simulated and the corresponding experiments are also conducted to confirm the proposed mapping analysis.
This paper present a novel approach to control the lower body power assistive exoskeleton system of a HEXAR-CR35 aimed at improving a muscular strength. More specifically the control of based on the human intention is crucial of importance to ensure intuitive and dexterous motion with the human. In this contribution, we proposed the detection algorithm of the human intention using the MCRS which are developed to measure the contraction of the muscle with variation of the circumference. The proposed algorithm provides a joint motion of exoskeleton corresponding the relate muscles. The main advantages of the algorithm are its simplicity, computational efficiency to control one joint of the HEXAR-CR35 which are consisted knee-active type exoskeleton (the other joints are consisted with the passive or quasi-passive joints that can be arranged by analyzing of the human joint functions). As a consequence, the motion of exoskeleton is generated according to the gait phase: swing and stance phase which are determined by the foot insole sensors. The experimental evaluation of the proposed algorithm is achieved in walking with the exoskeleton while carrying the external mass in the back side.
The need for human body posture robots has led researchers to develop dexterous design of exoskeleton robots. Quantitative techniques to assess human motor function and generate commands for robots were required to be developed. In this paper, we present a passivity based adaptive control algorithm for upper limb assist exoskeleton. The proposed algorithm can adapt to different subject parameters and provide efficient response against the biomechanical variations caused by subject variations. Furthermore, we have employed the Particle Swarm Optimization technique to tune the controller gains. Efficacy of the proposed algorithm method is experimentally demonstrated using a seven degree of freedom upper limb assist exoskeleton robot. The proposed algorithm was found to estimate the desired motion and assist accordingly. This algorithm in conjunction with an upper limb assist exoskeleton robot may be very useful for elderly people to perform daily tasks.
본 연구는 사람 팔의 움직임에 따른 신체 발생 신호인 근육의 근전도 데이터를 실시간으로 추출하여 신호 발생에 따른 외골격 로봇 팔의 동작을 통해 제어신호의 유효성을 평가하는데 그 목적이 있다. 지능형 알고리즘에 의해 인간의 인지와 판단의 결과가 팔의 근육을 통해서 제어 가능한 지를 실제 시스템을 구성하여 확인해 보는 것이다. 근육의 수축과 이완에 따른 근전도 센서 데이터는 외골격 로봇 팔을 구동하는 원신호로 사용되며 로봇 구동을 위한 힘을 전달하는 엑츄에이터가 인간의 팔의 동작을 모사한다. 이를 위해 아날로그 필터회로와 관련 회로를 설계하여 신호를 추출하였고 시스템의 동작을 위해 DSP컨트롤러를 통한 신호처리과정을 거친 후 지능 알고리즘을 통한 부하의 정확한 예측을 위한 퍼지 논리 알고리즘의 동작을 표현할 수 있는 외골격 로봇 팔을 제작하였다.
In this paper, hardware implementation of interface and control between two robots, the master and the slave robot, are designed. The master robot is the motion capturing device that captures motions of the human operator who wears it. The slave robot is the corresponding humanoid robot arms. Captured motions from the master robot are transferred to the slave robot to follow after the master. All hardware designs such as PID controllers, communications between the master robot, encoder counters, and PWM generators are embedded on a single FPGA chip. Experimental studies are conducted to demonstrate the performance of the FPGA controller design.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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제5권6호
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pp.681-690
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2007
This article presents the kinematic analysis and implementation of an interface and control of two robots-an exoskeleton master robot and a human-like slave robot with two arms. Two robots are designed and built to be used for motion-following tasks. The operator wears the exoskeleton master robot to generate motions, and the slave robot is required to follow after the motion of the master robot. To synchronize the motions of two robots, kinematic analysis is performed to correct the kinematic mismatch between two robots. Hardware implementation of interface and control is done to test motion-following tasks. Experiments are performed to confirm the feasibility of the motion-following tasks by two robots.
Objective: The aim of this study was to investigate of the foot plantar pressure and usability after gait training using the ExoAtlet wearable exoskeleton robot in an incomplete spinal cord injury (SCI) patient. Design: A case study Methods: Six participants with an asymmetry in motor and sensory function completed the gait training using ExoAtlet wearable exoskeleton robot for 15 sessions, five per weeks, 3weeks. They were divided into two groups (low and high strength group) and group differences were evaluated about session at stating of gait, gait distance at final session and foot plantar pressures and useability after training. Results: Low strength group was faster than high strength group on adaptation of robot gait. And high strength group increased faster than low strength group on the gait distance during training. In standing and gait, weaker leg was higher than stronger leg on mean foot plantar pressure in low strength group. And stronger leg was higher than weaker leg on foot plantar pressure in high strength group. The length of the anterior-posterior trajectory of the center of pressure during gait was similar in low strength group, but different in high strength group. useability was positive about ExoAtlet wearable exoskeleton gait after training. Conclusions: ExoAtlet wearable exoskeleton robot gait training was positive about improving gait in all participants regardless of differences in severity of symptoms and gait abnormalities.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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