28258

كنترل ربات كابلي 7 درجه آزادي تركيب بالاتنه و پايين‌تنه به روش مود لغزشي بهينه با در نظر گرفتن انعطاف پذيري كابل‌ها

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي

1397

1401/4/29

دكتر منصور عليزاده

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مكانيك

فيزيوتراپي به كمك ربات، به دليل تاثيرات مثبت بر توان‌بخشي اندام فوقاني و تحتاني انسان، توجه محققان زيادي را به خود جلب كرده است. ربات‌هاي پوشيدني توانبخشي كه پيش از اين براي توانبخشي اندام تحتاني استفاده مي‌شد، به علت تجهيزات اضافي و پيچيده‌تر و استفاده از موتور در مركز مفصل كه خود سبب اعمال بار اضافي بر بيمار ناتوان مي‌شود، كارايي را كاهش داده و پيچيدگي فرايند توانبخشي را دوچندان مي‌كند. بنابراين در صورت جايگذاري موتورها در يك محل ثابت، موجب حذف بار اضافي از بيمار، كاهش تجهيزات و در نتيجه كاهش هزينه‌ها و تسهيل محاسبات مي‌شود. در اين راستا در اين پايان نامه مكانيزم يك ربات كابلي، تركيبي از ربات كابلي بالاتنه و پايين تنه پيشنهاد شده است. ابتدا معادلات ديناميك ربات كابلي بالاتنه با 6 كابل بررسي شده و كنترل مود لغرشي برآن اعمال شده است. پس از اطمينان از صحت كنترل كننده ربات كابلي بالاتنه، ربات كابلي پايين تنه با 8 كابل و 4 درجه آزادي بررسي شده و صحت‌سنجي روابط ديناميك استخراج شده انجام شده است. سپس الگوريتم كنترل كننده مود لغزشي بر ربات 8 كابلي پايين تنه نيز اعمال گشته و منجر به كاهش خطا، حذف چترينگ و مقاومت در برابر نامعيني تغييرات جرمي بدن شد. در نهايت، با تركيب ربات كابلي بالا تنه و پايين تنه و ارائه مدل پيشنهادي ربات كابلي دوپاي 7 درجه آزادي، معادلات ديناميك ربات كابلي با استفاده از روش اويلر-لاگرانژ استخراج شده و صحت روابط ديناميكي استخراج شده، با نتايج حاصل از مدلسازي ربات در نرم افزار ادمز بررسي شده است. سپس ضمن كنترل ربات كابلي به روش كنترل مود لغرشي كه روشي مقاوم در برابر عدم قطعيت‌ها و اغتشاشات است، شبيه سازي پيمايش مسير مشخص در نرم افزار متلب انجام شد. از آنجايي كه كابل‌ها قادر به اعمال كشش منفي نيستند، كنترل كننده مود لغزشي استفاده شده، ضمن كاهش خطاي مسيريابي، حذف چترينگ و در نتيجه، جلوگيري از آسيب به موتورها، با روش بهينه سازي برنامه نويسي درجه دوم، تركيب شده تا علاوه بر كمينه نگه داشتن خطاي مسيريابي، گشتاور ورودي كنترلر نيز مثبت باشد. امكان سنجي و اثربخشي اين رويكرد براي توانبخشي با نتايج عددي نشان داده شده است، كه نشان مي دهد ميزان RMSE زاويه ران راست، زاويه ساق راست، زاويه ران چپ و زاويه ساق چپ به ترتيب 0.29، 0.37، 0.31 و 0.44 است. اين نتايج نشان مي‌دهد كه رويكرد مبتني بر كابل پيشنهادي مي‌تواند توانبخشي دقيق و مؤثري را ارائه دهد و در عين حال به طور بالقوه هزينه‌ها را كاهش داده و روند توانبخشي را براي بيماران معلول بهبود بخشد. همچنين ضريب همبستگي بين نتايج شبيه‌سازي آدامز و متلب براي گشتاور موتور 98/0 به دست آمد كه نشان‌دهنده همبستگي بالايي بين دو نتيجه شبيه‌سازي است.

1402/02/25

Cable robot control with 7 degrees of freedom of combining upper and lower body using the optimal sliding mode method

7/20/2023 12:00:00 AM

Robot-assisted physiotherapy has attracted the attention of many researchers due to its positive effects in the rehabilitation of upper and lower human limbs. Wearable rehabilitation robots, previously used for lower limb rehabilitation, have reduced efficiency due to additional and more complicated equipment and a motor in the center of the joint, which causes an additional load on the disabled patient. It also doubles the complexity of the rehabilitation process. Therefore, if the motors are placed in a fixed place, it will remove the extra load from the patient, reduce the equipment, and as a result, reduce the costs and facilitate the calculations. In this regard, cables can transfer the power from the motors to the desired organs. In this regard, in this article, with the combination of upper-body and lower-body cable robots and presenting the proposed model of a bipedal cable robot with 7 degrees of freedom, the dynamic equations of the cable robot have been extracted using the Euler-Lagrange method as well as the validity of the extracted dynamic relations was checked with the results of robot modeling in Adams software. Then, while controlling the cable robot using the sliding mode control method, which is a method resistant to uncertainties and disturbances, the simulation of the survey of a certain route was done in MATLAB software. Since the cables cannot exert negative tension, the sliding mode controller reduces the routing error. Eliminating chattering and, as a result, preventing damage to the motors is combined with a quadratic programming optimization method so that in addition to keeping the routing error to a minimum, the input torque of the controller is also positive.

ربات كابلي، توانبخشي، كنترل كننده مود لغزشي، عدم قطعيت، بهينه سازي مرتبه دوم

cable robot, rehabilitation robot, sliding mode controller, uncertainty, second-order optimization

Arefeh Sajedifar

Moharram Habibnejad Korayem