مدلسازی دینامیکی و طراحی کنترل گر غیرخطی مقاوم هوشمند برای یک ربات بالاتنه برای کاربردهای توانبخشی
Dynamic Modeling and Design of an Intelligent Robust Nonlinear Controller for an Upper Limb Exoskeleton Robot for Rehabilitation Applications
/میر ابوالفضل موسوی
: فناوری های نوین
، ۱۳۹۸
، افشاری
۱۴۹ص
چاپی - الکترونیکی
کارشناسی ارشد
مهندسی مکاترونیک
۱۳۹۸/۰۶/۲۰
تبریز
یک سیستم اسکلت خارجی به عنوان یک سیستم الکترومکانیکی که توسط یک کاربر پوشیده می شود و بر شکل و عملکرد انسان منطبق است تعریف می شود .اسکلت های خارجی را می توان به دو دسته تقسیم نمود .دسته اول اسکلت های خارجی هستند که برای کمک به کاربری که در عملکرد خود محدودیت هایی دارند استفاده می شود و به آن اسکلت خارجی توانبخشی می گویند .دسته دوم اسکلت خارجی هایی هستند که برای افزایش توانایی های کاربرهای سالم به کار می روند و به عنوان اسکلت خارجی توان افزا از آن ها یاد می شود .اسکلت های خارجی بالاتنه ربات های پوششی هستند که از اعضا و مفاصلی تشکیل شده اند که منطبق بر اندام بالاتنه ی انسان هستند و برای توانبخشی یا توان افزایی این بخش از بدن به کار می روند .در سالهای اخیر سیستم های رباتیک اسکلت خارجی در زمینه های مختلفی مانند مهندسی مکانیک، مهندسی برق ، مهندسی پزشکی و هوش مصنوعی توسعه یافته است .مشابه تحقیقات در سایر زمینه های علمی تحقیقات در زمینه ی ربات های اسکلت خارجی نیز با چالش ها و مسائل تحقیقاتی مختلفی روبرو است .از جمله ی مباحث تحقیقاتی موجود در این زمینه می توان به مباحث مرتبط با طراحی مکانیکی، محرکه ها ، حسگرها، مواد و استراتژی های کنترلی اشاره کرد .در مقایسه با سایر سیستم های رباتیک، ربات های اسکلت خارجی باید حرکات کاربر را به صورت دقیق و سریع ردیابی کند و با این کار مصرف انرژی کاربر را کاهش دهد .با توجه به اینکه عملکرد ربات های اسکلت خارجی تحت تاثیر نیروهای خارجی و نیز عدم قطعیت های دینامیکی مختلفی قرار دارد، ردیابی دقیق و سریع نیازمند طراحی یک کنترلر مقاوم است که به صورت یک چالش در این زمینه موجود است .مساله ی کنترل ردیابی مسیر همچنان به عنوان یکی از موضوعاتی هست که تمرکز زیادی روی آن است .با توجه به اینکه دینامیک ربات های اسکلت خارجی با عدم قطعیت های بسیار زیادی همراه است طراحی کنترلر های تطبیقی، مقاوم، غیرخطی برای مقابله با اثرات این عدم قطعیت ها ضروری است .روش های کنترلی زیادی تاکنون برای بهبود عملکرد اسکلت خارجی بالاتنه طراحی شده است .همچنین مدل های مختلفی برای مدلسازی بالاتنه ارائه شده است .مسائل حل نشده ی زیادی هنوز باقیمانده است که ما در این پایانامه تعدادی از این مسائل را حل نموده ایم .ما در این پایانامه ابتدا در فصل اول مطالعه ای بر پیشینه پژوهش های صورت گرفته در زمینه مدلسازی دینامیکی و کنترل ربات های اسکلت خارجی انجام داده ایم تا چالش های موجود در این زمینه را مورد بررسی قرار داده و به دنبال ارائه راهکار برای حل مسائل موجود باشیم .در فصل دوم پس از مطالعه آناتومی و بیومکانیک مجموعه ی شانه و بازو مدل سینماتیکی و دینامیکی ۵ درجه آزادی برای شبیه سازی حرکات این قسمت از بدن ارائه نموده ایم .مدل ارائه شده علاوه از اینکه پیچیدگی های مدل هایی با درجات آزادی بالاتر را ندارد، بخش وسیعی از حرکات اصلی عضو بالاتنه را شامل می شود .در فصل سوم با استفاده از روش معادلات اویلر-لاگرانژ معادلات دینامیک حرکت سیستم را استخراج نموده ایم و در ادامه با توجه با معادلات حاصل شده و ویژگی های سیستم طراحی کنترلر را انجام داده ایم . سیستم کنترلی طراحی شده ترکیبی از روش های کنترل غیرخطی) مود لغزشی (و هوشمند) شبکه های عصبی و منطق فازی (است .با توجه به غیر خطی بودن سیستم و عدم قطعیت های پارامتری و نیروهای اغتشاشی خارجی که ناشی از تعامل ربات و کاربر است ما از روش کنترلی مود لغزشی که نسبت به وجود این مشکلات مقاوم است به عنوان هسته مرکزی کنترل استفاده کرده ایم .همچین از شبکه های عصبی تابع پایه شعاعی برای تخمین دینامیک سیستم و نیز از منطق فازی برای تنظیم بهره ی کنترلی استفاده نموده ایم تا علاوه بر افزایش دقت و سرعت سیستم سیگنال های کنترلی که ورودی های سیستم هستند عاری از چترینگ بوده و سطح انرژی کنترلی پایینی داشته باشند .پایدرای سیستم کنترلی طراحی شده از طریق نظریه پایدرای لیاپانوف اثبات گشته است .نتایج شبیه سازی حاصل از پیاده سازی سیستم کنترلی بر روی مدل دینامیکی استخراج شده نشان می دهد سیستم کنترلی طراحی شده عملکرد بسیار مطلوبی به لحاظ دقت و سرعت ردیابی و نیز توانایی تخمین دینامیک سیستم و کاهش اثرات نیروهای تعاملی بین ربات و کاربرش دارد
An exoskeleton system is defined as an electromechanical structure worn by a user and matches the shape and functions of human body. Exoskeletons could be classified by two groups. The first group are exoskeletons for assisting the wearer in the case of a diminished functionality called assisting exoskeletons or rehabilitation exoskeletons. The second group are exoskeletons for augmentation of the able bodied wearer physical abilities called human performance augmenting exoskeleton. Upper-limb exoskeleton robots consisted of limbs including links and joints that correspond to those of human, and motors that drive limbs. In recent years, the exoskeleton robotic systems technology has been developed with the advances in mechanical, biomedical and electrical engineering, and also artificial intelligence. Similar to other engineering research areas research in exoskeleton types system have many challenging problem. Common solutions in exoskeleton design choices have occurred for actuators, sensors, energy supplies, control strategies, and materials. In comparison with other forms of robots, exoskeletons worn by humans must accurately track the motion and action intentions of wearers and provide supplemental mechanical power to reduce the consumptions of operators. However, the performance of a wearable exoskeleton is affected by inevitable external disturbances and model uncertainties. In addition, the requirements of process stability and high speed response also make it a challenge to design robust controller. The trajectory tracking control problem is always one research focus in the field of robotics and automation. When the robot dynamics are highly uncertain, adaptive and learning control laws have been developed in order to cope with model uncertainties.Various control techniques have been proposed to improve the performance of upper-limb exoskeleton robots. Various configurations have been proposed for upper limb exoskeleton systems; however, many unsolved issues for natural interaction with the human body remain, especially in kinematic singularities and upper-limb biomechanics, such as shoulder elevation. In this thesis we used an 5dof upper limb exoskeleton model for simulation. The 5 DOF exoskeleton model utilized in this study based on human upper limb biomechanics. Based on the movement characteristics of human body, 5 DOF of the upper-limb exoskeleton includes: shoulder abduction/adduction, shoulder _flexion/extension, elbow _flexion/extension, wrist _flexion/extension and forearm rotation. Using the Lagrange's equations, dynamics of the aforementioned exoskeleton system, which is known as a typical rigid body dynamics model extracted by consideration of human-robot interaction forces and friction forces. Aimed at the nonlinearity and uncertainty of the manipulator system, a RBF (radial basis function) neural network-based fuzzy sliding-mode control method was proposed in this paper, in order to make the manipulator track the given trajectory at an ideal dynamic quality. In this method, the equivalent part of the sliding-mode control is approximated by the RBF neural network, in which no model information is required. Meanwhile, a fuzzy controller is developed to make adaptive adjustment of the sliding-mode controls switching gains according to the distance between the current motor point and the sliding-mode surface, thus effectively the problem of chattering is solved. This method has, to some extent, improved the performance of response and tracking, and reduced the time of adjustment and chattering of input control. The system stability is verified by Lyapunovs theorem. The simulation result suggests that the algorithm designed for the five-degree-of-freedom (5DOF) exoskeleton manipulator system is effective
Dynamic Modeling and Design of an Intelligent Robust Nonlinear Controller for an Upper Limb Exoskeleton Robot for Rehabilitation Applications