Electromyographic Control of an Upper Body Exoskeleton
Authors
Roe-Poulsen, Bjarke Nørskov ; Rechter, Morten ; Bromose, Lasse
Term
4. term
Education
Publication year
2017
Submitted on
2017-06-08
Pages
139
Abstract
Denne kandidatafhandling præsenterer det første design og implementering af en controller til et assisterende overkrops-eksoskelet med to frihedsgrader: bøjning og strækning i albue og skulder. I dette projekt implementeres styring kun på albueleddet. Arbejdet omfatter udledning, parametrisering og validering af en dynamisk model af eksoskeletarmens bevægelser. Derudover udvikles en model af menneskets drejningsmoment i albueleddet. Momentet modelleres med Hill-muskelmodellen kombineret med elektromyografi (EMG, måling af musklernes elektriske aktivitet) og ledvinkelmålinger. Efter en eksperimentel sammenligning af forskellige reguleringsstrukturer implementeres en hierarkisk controller med tre lag: et lavniveau, der styrer aktuatorerne med computed torque control (modelbaseret beregning af motorkommandoer), et interaktionslag med admittance control (der former, hvordan eksoskelettet giver efter for brugerens kræfter), og et intentionslag, der estimerer brugerens ønskede indsats via joint torque estimation baseret på EMG og bevægelse. Der er ikke gennemført kvantitative tests, men kvalitative afprøvninger indikerer, at controlleren føles naturlig, og en bruger rapporterede hjælp ved løft af en vægtskive. Afhandlingen kan danne grundlag for videre forskning i EMG-baseret styring af overkrops-eksoskeletter, og metoderne kan også overføres til andre led.
This thesis presents the initial design and implementation of a controller for an assisting upper-body exoskeleton with two degrees of freedom: flexion and extension at the elbow and shoulder. In this project, control is implemented only at the elbow joint. The work derives, parameterizes, and validates a dynamic model of the exoskeleton arm. It also develops a model of human joint torque at the elbow. The torque is modeled with the Hill Muscle Model, combined with electromyography (EMG, measurements of muscle electrical activity) and joint angle data. After experimentally comparing controller structures, the chosen design is a hierarchical three-layer controller: a low-level layer that drives the actuators using computed torque control (model-based motor commands), an interaction layer that applies admittance control (shaping how the device yields to user forces), and an intention layer that performs joint torque estimation to infer the user’s effort from EMG and motion. No quantitative tests were performed, but qualitative trials suggest the controller feels natural, and a user reported assistance when lifting a dumbbell disc. The thesis provides a basis for further research on EMG-based control of upper-body exoskeletons, and the methods are applicable to estimating and controlling other joints.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents