hip-controller 0.1.0

Lower limb exosuit hip controller.

hip-controller

Simple README.md for a Python project template.

Install

To install the library from PyPI:

uv pip install hip-controller==latest

OR

uv add git+https://github.com/TUM-Aries-Lab/hip-controller.git@<specific-tag>  # needs credentials

Development

0. Install uv from Astral.
1. git clone [e-mail]:TUM-Aries-Lab/hip-controller.git
2. make init to create the virtual environment and install dependencies
3. make format to format the code and check for errors
4. make test to run the test suite
5. make clean to delete the temporary files and directories

Publishing

It's super easy to publish your own packages on PyPI. To build and publish this package, run:

1. Update the version number in pyproject.toml and imu_module/init.py
2. Commit your changes and add a git tag <new.version.number>
3. Push the tag git push --tag

uv build
uv publish  # make sure your version in pyproject.toml is updated

or

Update the version number in pyproject.toml and imu_module/__init__.py
Commit your changes and add a git tag v<new.version.number>
Push the tag git push --tag

The package can then be found at: https://pypi.org/project/hip-controller

## Module Usage
```python
"""Basic docstring for my module."""

from loguru import logger

from hip_controller import definitions

def main() -> None:
    """Run a simple demonstration."""
    logger.info("Hello World!")

if __name__ == "__main__":
    main()

Program Usage

uv run python -m hip_controller

To use plotting via PyQt6:

On linux computer, edit the Jetson entry in .ssh/config or $HOME\.ssh\config on Windows (to be verified)

Host jetson
  HostName 10.183.230.183
  User aries-orin-1
  ForwardX11 yes
  ForwardX11Trusted yes

Then (in VSCode) run this in the remote terminal:

echo $DISPLAY

Which should show: (if empty, then forwarding is not working properly)

localhost:10.0

To run PyQT6 on the Jetson, it also needs to install libxcb-cursor-dev with:

sudo apt-get install -y libxcb-cursor-dev

Introduction

The hip-controller is a Python-based control system designed for lower limb exosuits, specifically targeting hip assistance during gait. It integrates sensor data processing, real-time gait phase detection, and adaptive assistance control to enhance mobility and reduce energy expenditure for users.

Key components include:

• Signal Processing: Filters and preprocessors for IMU and other sensor data.
• Gait Phase Control: Detection of stride events, motion state machines, and steady-state tracking.
• Assistance Control: PID controllers, amplitude modulation, and mid-level control strategies.
• Plotting and Simulation: Tools for visualization, live plotting, and offline simulation.

This project is developed as part of research at TUM-Aries-Lab, focusing on exoskeleton technology for rehabilitation and assistance.

Features

• Real-time sensor data preprocessing with filters like Kalman, notch, and low-pass filters.
• Gait phase estimation using motion state machines and stride event detection.
• Adaptive assistance control with PID and amplitude modulation.
• Visualization tools for phase portraits, comparison plots, and CSV playback.
• Comprehensive test suite for validation.
• Docker support for containerized deployment.

Requirements

• Python 3.11 to 3.13
• Dependencies managed via uv (see pyproject.toml for details)
• Optional: MATLAB for simulation files (not required for Python usage)

Installation

In addition to the PyPI installation mentioned above, for development:

1. Ensure uv is installed.
2. Clone the repository.
3. Run make init to set up the virtual environment and install dependencies.

For Docker usage:

docker build -t hip-controller .
docker run hip-controller

How to Import

Import the main module:

from hip_controller import definitions

Import specific components:

from hip_controller.control.app import AppController
from hip_controller.control.signal_processing.kalman_filter import KalmanFilter
from hip_controller.plotter.simulator import Simulator

Architecture and Flow

The hip-controller follows a modular architecture:

1. Data Input: Sensor data (e.g., IMU angles, velocities) from CSV files or live sources.
2. Preprocessing: Apply filters (second-order low pass, notch, sogi-fll) to clean the data.
3. Gait Phase Detection: Use state machines and event detectors to identify phases (stance, swing).
4. Control Calculation: Compute assistance motor command using PID controllers and modulation.
5. Output: Generate control signals for the exosuit actuators.
6. Visualization: Plot results in real-time or from recorded data.

The main entry point is app.py in the control module, which orchestrates the flow.

Usage

Basic Program Usage

Run the main application:

from hip_controller.control.app import WalkOnController
from hip_controller.definitions import SensorSignal
logger.info("Initializing the lower limb controller.")


self.controller_left = WalkOnController(reverse=False, plot=False)
self.controller_right = WalkOnController(reverse=True, plot=False)

while True:
    signal_left = SensorSignal(timestamp=timestamp_left, angle_rad=data_left.quat.to_euler(seq="xyz").z, velocity_rad_per_sec=data_left.device_data.gyro.z)
    signal_right = SensorSignal(timestamp=timestamp_right, angle_rad=data_right.quat.to_euler(seq="xyz").z, velocity_rad_per_sec=data_right.device_data.gyro.z)

    command_left = self.controller_left.step(curr_signal=signal_left)
    command_right = self.controller_right.step(curr_signal=signal_left)
               

    motor_left.set_velocity(command_left)
    motor_right.set_velocity(command_right)

    time.sleep(0.01)

Module Usage Examples

Preprocessing Raw Sensor Data

from hip_controller.control.signal_processing.sensor_preprocessor import SensorPreprocessor
from hip_controller.definitions import PreprocessorConfig, SensorSignal

# Initialize preprocessor with default config
preprocessor = SensorPreprocessor(config=PreprocessorConfig())

# Raw sensor signal
raw_signal = SensorSignal(timestamp=0.01, angle_rad=0.5, velocity_rad_per_sec=1.2)

# Get filtered angle and estimated velocity
processed_signal = preprocessor.filter(raw_signal)

Computing Gait Phase

from hip_controller.control.gait_phase_control.gait_controller import GaitController
from hip_controller.definitions import SensorSignal

# Initialize gait controller
gait_controller = GaitController()

# Sensor signals with angle and velocity
signal1 = SensorSignal(timestamp=0.01, angle_rad=0.1, velocity_rad_per_sec=0.5)
signal2 = SensorSignal(timestamp=0.02, angle_rad=0.15, velocity_rad_per_sec=0.8)

# Update and compute gait phase
gait_phase1 = gait_controller.update_and_compute(signal1)
gait_phase2 = gait_controller.update_and_compute(signal2)

Computing Motor Command Velocity with Assistance Controller

from hip_controller.control.assistance_control.assistance_controller import MotionReferenceController
from hip_controller.control.assistance_control.amplitude_modulation import LevelGroundMode

# Initialize controllers
motion_controller = MotionReferenceController()
amplitude_mode = LevelGroundMode()

# Compute motor command (position reference)
motor_command = motion_controller.compute_motor_command(gait_phase, amplitude)

Using PID Controller for Velocity Control

from hip_controller.control.assistance_control.pid_controller import PIDController
from hip_controller.definitions import PIDConfig, LowPassFilterConfig, SolverType

# Initialize PID config
pid_config = PIDConfig(
    proportional_gain=1.0,
    integral_gain=0.1,
    derivative_gain=0.05,
    output_limits=(-10.0, 10.0)
)
filter_config = LowPassFilterConfig(
    wn=20.0, zt=1.0, x0=0.0, solver_type=SolverType.RK4
)

pid_controller = PIDController(pid_config, filter_config)

# Example: motor reference position and current position
timestamp = 0.01
motor_reference = 1.0
motor_position = 0.8

# Compute velocity command
velocity_command = pid_controller.pid_tuning(timestamp, motor_reference, motor_position)

Plotting with Simulator

from hip_controller.plotter.simulator import simulate_comparison_dynamic
from pathlib import Path
from hip_controller.definitions import DATA_DIR

# Example: simulate motion mapping comparison
def motion_mapping_func(value):
    # Simplified example
    return value * 0.5, None

csv_path = DATA_DIR / "sensor_data" / "look_up_table_2026_02_25.csv"
simulate_comparison_dynamic(
    input_name="motion_mapping_key",
    expected_output_name="motion_mapping_value",
    func=motion_mapping_func,
    path=csv_path
)

Using the Main Exosuit Controller

from hip_controller.control.app import ExoController
from hip_controller.definitions import ExosuitData, SensorSignal

# Initialize the main controller
controller = ExoController()

# Example sensor data for left and right limbs
left_signal = SensorSignal(timestamp=0.01, angle_rad=0.2, velocity_rad_per_sec=0.5)
right_signal = SensorSignal(timestamp=0.01, angle_rad=0.1, velocity_rad_per_sec=0.3)
sensor_data = ExosuitData(timestamp=0.01, left=left_signal, right=right_signal)

# Step the controller to compute motor commands
controller.step(sensor_data)
# Motor commands are computed internally; access via controller.left_controller.step() or similar for individual limbs

Using a Single Limb Controller

from hip_controller.control.app import WalkOnController
from hip_controller.definitions import SensorSignal

# Initialize for left limb (reverse=False for left, True for right if needed)
limb_controller = WalkOnController(reverse=False, plot=False)

# Sensor signal
signal = SensorSignal(timestamp=0.01, angle_rad=0.2, velocity_rad_per_sec=0.5)

# Compute motor command
motor_command = limb_controller.step(signal)

Structure

The following tree shows the important permanent files. Run make tree to update.

├── data
│   ├── evaluation_raw_data
│   │   ├── incline_walk
│   │   │   ├── incline_walk_10
│   │   │   │   ├── AB01_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB01_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB02_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB02_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB03_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB03_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB05_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB05_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB06_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB06_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB07_incline_walk_2_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB08_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB08_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB09_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB09_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB10_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB10_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB11_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB11_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB12_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB12_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB13_incline_walk_2_down10_angle.csv
│   │   │   │   └── AB13_incline_walk_2_up10_angle.csv
│   │   │   └── incline_walk_5
│   │   │       ├── AB01_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       ├── AB01_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   │       ├── AB02_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       ├── AB02_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   │       ├── AB03_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       ├── AB03_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   │       ├── AB05_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       ├── AB05_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   │       ├── AB06_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       ├── AB06_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   │       ├── AB07_incline_walk_1_angle.csv
│   │   │       ├── AB08_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       ├── AB08_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   │       ├── AB09_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       ├── AB09_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   │       ├── AB10_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       ├── AB10_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   │       ├── AB11_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       ├── AB11_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   │       ├── AB12_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       ├── AB12_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   │       ├── AB13_incline_walk_1_down5_angle.csv
│   │   │       └── AB13_incline_walk_1_up5_angle.csv
│   │   ├── incline_walk_combined
│   │   │   ├── AB01_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB01_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB02_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB02_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB03_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB03_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB05_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB05_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB06_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB06_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB07_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB07_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB08_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB08_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB09_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB09_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB10_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB10_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB11_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB11_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB12_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   ├── AB12_incline_walk_5_combined.csv
│   │   │   ├── AB13_incline_walk_10_combined.csv
│   │   │   └── AB13_incline_walk_5_combined.csv
│   │   ├── normal_walk
│   │   │   ├── normal_walk_0_6
│   │   │   │   ├── AB01_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB02_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB03_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB05_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB06_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB08_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB09_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB10_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB11_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB12_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   │   └── AB13_normal_walk_1_0-6_angle.csv
│   │   │   ├── normal_walk_1_2
│   │   │   │   ├── AB01_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB02_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB03_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB05_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB06_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB08_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB09_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB10_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB11_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   │   ├── AB12_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   │   └── AB13_normal_walk_1_1-2_angle.csv
│   │   │   └── normal_walk_1_8
│   │   │       ├── AB01_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   │       ├── AB02_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   │       ├── AB03_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   │       ├── AB05_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   │       ├── AB06_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   │       ├── AB08_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   │       ├── AB09_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   │       ├── AB10_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   │       ├── AB11_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   │       ├── AB12_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   │       └── AB13_normal_walk_1_1-8_angle.csv
│   │   ├── parsing_mat
│   │   │   ├── incline_walk_10
│   │   │   │   ├── 01
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 02
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 03
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 05
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 06
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 08
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 09
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 10
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 11
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 12
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   │   └── 13
│   │   │   │       ├── incline_walk_2_down10_parsing.mat
│   │   │   │       └── incline_walk_2_up10_parsing.mat
│   │   │   ├── incline_walk_5
│   │   │   │   ├── 01
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 02
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 03
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 05
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 06
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 08
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 09
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 10
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 11
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
│   │   │   │   ├── 12
│   │   │   │   │   ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │   │   └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
│   │   │   │   └── 13
│   │   │   │       ├── incline_walk_1_down5_parsing.mat
│   │   │   │       └── incline_walk_1_up5_parsing.mat
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│   │           ├── AB10_turn_and_step_1_right-turn_angle.csv
│   │           ├── AB11_turn_and_step_1_right-turn_angle.csv
│   │           ├── AB12_turn_and_step_1_right-turn_angle.csv
│   │           └── AB13_turn_and_step_1_right-turn_angle.csv
│   ├── logs
│   └── sensor_data
│       ├── arduino2_2026_03_23.csv
│       ├── arduino_2026_03_23.csv
│       ├── data_input_2025_12_17.csv
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├── docs
│   ├── UML_hip_controller_2026_03_10.json
│   └── paper.pdf
├── scripts
│   ├── compare_all.py
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│   ├── script.py
│   └── simulator.py
├── src
│   └── hip_controller
│       ├── control
│       │   ├── gait_phase_control
│       │   │   ├── gait_controller.py
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│       │   ├── motor_reference_control
│       │   │   ├── amplitude_modulation.py
│       │   │   ├── motor_reference_controller.py
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│       │   ├── signal_processing
│       │   │   ├── drift_removal.py
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│       │   ├── __init__.py
│       │   └── app.py
│       ├── filters
│       │   ├── discrete_derivative_filter.py
│       │   ├── kalman_filter.py
│       │   ├── notch_filter.py
│       │   ├── second_order_low_pass_filter.py
│       │   └── sogi_fll_filter.py
│       ├── plotter
│       │   ├── csv_player.py
│       │   └── live_phase_portrait.py
│       ├── utils
│       │   ├── math_utils.py
│       │   ├── state_space.py
│       │   └── utils.py
│       ├── __init__.py
│       ├── __main__.py
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│   ├── controller_test
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│   │   │   └── mid_level_test.py
│   │   ├── gait_phase_testing
│   │   │   ├── high_level_test.py
│   │   │   ├── motion_state_machine_test.py
│   │   │   └── stride_event_detector_test.py
│   │   ├── pre_process_testing
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│   │   │   ├── filtering_test.py
│   │   │   ├── kalman_test.py
│   │   │   └── second_order_lpf_test.py
│   │   ├── testing_data
│   │   │   ├── amplitude_modulation_2026_03_03.csv
│   │   │   ├── extrema_2026_01_26.csv
│   │   │   ├── filtering_2026_03_19.csv
│   │   │   ├── gait_phase_left_2026_03_03.csv
│   │   │   ├── look_up_table_2026_02_25.csv
│   │   │   ├── reference_motion_2026_03_05.csv
│   │   │   ├── reference_motion_2026_03_06.csv
│   │   │   ├── second_order_lpf_2026_03_06.csv
│   │   │   ├── stride_event_detector_2026_02_26.csv
│   │   │   ├── valid_trigger_left_2026_01_15.csv
│   │   │   └── zero_crossing_left_2026_01_09.csv
│   │   └── app_test.py
│   ├── utils_test
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│   │   ├── math_utils_test.py
│   │   └── utils_test.py
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Contributing

Please see CONTRIBUTING.md for guidelines on contributing to this project.

License

This project is licensed under the terms specified in LICENSE.

Authors

• Tsmorz ([e-mail])
• Zhongge Lin ([e-mail])

Acknowledgments

Developed at TUM-Aries-Lab as part of research on exoskeleton control systems.