عنوان

شبیه سازی عملکرد سیستم منطق فازی برای کنترل یک ربات اگزواسکلتون پایین تنه با کمر فعال

شماره

پ۲۶۴۵۶

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

شبیه سازی عملکرد سیستم منطق فازی برای کنترل یک ربات اگزواسکلتون پایین تنه با کمر فعال

نام نخستين پديدآور

سودا اصبحی

نام ناشر، پخش کننده و غيره

مهندسی برق و کامپیوتر(پردیس)

تاریخ نشرو بخش و غیره

۱۳۹۹

نام خاص و کميت اثر

۸۵ص.

مواد همراه اثر

سی دی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

کارشناسی ارشد

نظم درجات

مهندسی مکاترونیک

زمان اعطا مدرک

۱۳۹۹/۰۷/۲۳

متن يادداشت

اسکلت¬های خارجی پایین¬تنه نوعی ربات¬های پوشیدنی با ساختاری شبه¬انسانی هستند که رابط¬ها و مفصل¬های آنها منطبق بر اندام پایین¬تنه¬ی انسان است و برای توانبخشی یا توان¬افزایی پاها استفاده می¬شوند. این ربات¬ها توسط کاربر پوشیده می¬شوند و او را قادر می-سازند تا در حرکت قدرت بیشتری پیدا کنند. اسکلت¬های خارجی را از نظر کاربرد می¬توان به دو دسته تقسیم نمود. دسته اول آنهایی هستند که برای کمک به حرکت افراد ناتوان حرکتی از جمله افراد فلج استفاده می¬شود و به آنها «اسکلت¬های خارجی کمک حرکتی» می¬گویند. دسته دوم آنهایی هستند که برای افزایش قدرت افراد سالم مورد استفاده قرار می¬گیرند و از آنها تحت عنوان «توان افزا» یاد می¬شود. در این پایان¬نامه ابتدا به شبیه¬سازی یک اسکلت خارجی که به منظور کمک به راه رفتن بیمار مبتلا به فلج دو پا می¬پردازیم. این شبیه¬سازی در جعبه ابزار سیم¬مکانیکس از نرم¬افزار سیمولینک/متلب انجام می¬شود. اندام بدنی شخص بیمار نیز همراه با اسکلت خارجی در شبیه¬سازی منظور می¬گردد. این اسکلت خارجی شامل 5 درجه آزادی فعال است که شامل یک مفصل در کمر، و 4 مفصل در ران و زانوی دو پا می¬شود. مفاصل لولایی ران و زانو امکان کنترل حرکت پیچ در صفحه ساجیتال و مفصل کشویی کمر امکان کنترل حرکت لغزشی به چپ و راست در صفحه فرانتال را مهیا می¬کند. مفاصل مچ پای چپ و راست غیر فعال بوده و به واسطه¬ی یک فنر اجازه حرکت پیچ برای آنها فراهم می¬شود. در هر یک از دو کف پای این ربات چهار نیروسنج برای تشخیص وضعیت تماس پا با زمین و نیز تخمین نیروی واکنش زمین و محل مرکز فشار تعبیه شده است. هدف اصلی در اینجا طراحی یک کنترل¬گر برای حفظ تعادل کاربر هنگام راه رفتن به¬کمک ربات اسکلت خارجی می¬باشد. با توجه به اینکه دینامیک ربات¬های اسکلت خارجی با عدم قطعیت¬های بسیار - از جمله موارد وابسته به شخص کاربر - همراه است، لذا استفاده از کنترل¬گرهای غیرخطی که تطبیق¬پذیر با محیط (مثلاً آناتومی و فیزیولوژی شخص کاربر، شرایط زمین، و ...) باشند ضروری به¬نظر می¬رسد. برای این منظور در این پایان¬نامه طراحی و بررسی عملکرد یک کنترل¬گر فازی نوع ممدانی انجام می¬گیرد. روش کار بر اساس ردگیری مسیرهای مفصلی مرجع برای راه رفتن طبیعی است که از داده¬های تحلیل گام کلینیکی (CGA) موجود در مرجع وینتر 2009 اخذ می¬شود. هر مفصل فعال در هر پا دارای یک کنترل¬گر فازی مجزا خواهد بود و از آن مفصل پسخورد زاویه و تغییرات زاویه به عنوان ورودی¬های «سیستم استنتاج فازی» سنجیده می¬شوند. طراحی هر یک از کنترل¬گر¬های فازی شامل بخش¬های فازی¬ساز، پایگاه قوانین، موتور استنتاج، و نافازی¬ساز می¬باشد، که در اینجا برای هر چهار مفصل فعال در پاها یکسان در نظر گرفته می¬شود. در بخش فازی¬سازی، تعداد توابع عضویت برای هر متغیر ورودی و نیز متغیر خروجی 5 عدد و از نوع مثلثی با هم¬پوشانی %50 انتخاب شده¬اند. در موتور استنتاج عملیات استنباط و تجمیع به¬ترتیب بر اساس کمینه¬گیری و بیشینه¬گیری ممدانی صورت می¬گیرد. نافازی¬سازی نیز طبق روش مرکز سطح انجام می¬شود. به¬علاوه، سیستم استنتاج فازی بین پیش-فیلتر و پس¬فیلترهای آماده¬سازی سیگنال قرار می¬گیرد. به این ترتیب کنترل¬گر فازی نوع ممدانی جایگزین کنترل¬گرهای خطی مرسوم برای ردگیری مسیرهای مرجع در مفاصل فعال دو پای اسکلت خارجی می¬شود. مفصل فعال کمر نیز به منظور حفظ تعادل در راستای جانبی، طوری کنترل می¬شود که مرکز جرم بدن کاربر را به سمت پای تکیه¬گاهی جابجا کند. این عمل با تشخیص پای تکیه¬گاهی بر اساس تخمین نیروی واکنش زمین، که از داده¬های نیروسنج¬های تعبیه شده در دو کف پای ربات حاصل می¬شود، صورت می¬گیرد. نتایج حاصل از شبیه¬سازی نشان می¬دهد که کنترل¬گر فازی طراحی شده به خوبی قادر به ردگیری مسیرهای مفصلی مرجع و اجرای راه رفتن متعادل توسط ربات اسکلت خارجی برای شخص مبتلا به فلج دو پا می¬باشد.

متن يادداشت

Abstract:The lower skeletons are a type of wearable robot with a quasi-human structure whose joints and joints correspond to the lower limbs of humans and are used to rehabilitate or empower the legs. These robots are covered by the user and enable him to find more power in movement. Exoskeletons can be divided into two categories in terms of application. The first group are those used to help move people with disabilities, including paralyzed people, and they are called "external skeletons of mobility assistance". The second category is those that are used to increase the power of healthy people and are called "empowerment".". In this dissertation, we first simulate an exoskeleton that helps a patient with bipolar disorder walk. This simulation is performed in the Simmechanics toolbox of Simulink / MATLAB software. The body part of the patient is also included in the simulation along with the external skeleton This exoskeleton contains 5 degrees of active freedom, which includes a joint in the waist, and 4 joints in the thigh and knee of both legs. The hinged joints of the thighs and knees allow you to control the movement of the screw in the sagittal plane and the sliding joint of the waist allows you to control the sliding movement left and right in the frontal plate. The joints of the left and right ankles are inactive and spring allows them to move the screw. In each of the two soles of the foot of this robot, four dynamometers are installed to detect the position of the foot in contact with the ground and also to estimate the reaction force of the ground and the location of the center of pressure. The main goal here is to design a controller to keep the user balanced while walking with the help of an exoskeleton robot. Since the dynamics of exoskeleton robots are associated with many uncertainties - including those related to the user - so the use of nonlinear controllers that are adaptable to the environment (eg, anatomy and physiology of the user, ground conditions, etc.) it seems necessary In this dissertation, the design and review of the performance of a fuzzy controller of Mamdani type are done. The procedure is based on tracking the reference articular pathways for normal gait, which is derived from the Clinical Step Analysis (CGA) data available in the Winter 2009 reference. Each active joint in each foot will have a separate fuzzy controller, from which the angle feedback joint and angle changes are measured as inputs to the "fuzzy inference system". The design of each of the fuzzy controllers includes the fuzzy sections, the rule base, the inference motor, and the non-fuzzy ones, which are considered the same here for all four active joints in the legs. In the fuzzy section, the number of membership functions for each input variable as well as the output variable is 5 and of triangular type with 50% overlap. In the inference engine, the inference and aggregation operations are performed based on minimization and maximization of Mamdani, respectively. Defamation is also performed according to the surface center method. Besides, the fuzzy inference system is located between the pre-filter and the post-signal preparation filters. In this way, the Mamdani type fuzzy controller replaces the conventional linear controllers to track the reference paths in the active joints of the two legs of the exoskeleton. The active lumbar joint is also controlled to maintain the balance in the lateral direction so that the center of mass of the user's body moves to the foot of the abutment. This is done by detecting the abutment foot based on the estimation of the ground reaction force, which is obtained from the data of dynamometers embedded in the two soles of the robot foot. The simulation results show that the designed fuzzy controller is well able to track the reference joint paths and perform balanced gait by the exoskeleton robot for a person with bipolar disorder.

عنوان گونه گون

Simulation of the fuzzy logic system performance for control of a waist-actuated lower limb exoskeleton robot

عنصر شناسه اي

‏اصبحی،‏

ساير عناصر نام

سودا ‏

کد نقش

تهيه کننده

عنصر شناسه اي

‏سید نورانی، ‏

عنصر شناسه اي

‏‏زینالی،

ساير عناصر نام

سید محمد رضا ‏

ساير عناصر نام

معصومه ‏

تاريخ

استاد راهنما

تاريخ

استاد مشاور

عنصر شناسه اي

‏تبریز