17060

17060

كنترل ربات توان‌بخشي اندام پايين‌تنه با استفاده از كنترل‌كننده مدل‌پيش‌بين

كارشناسي ارشد

كنترل

اسفند 1394

دكتر محمد فرخي

برق

چكيده كنترل ربات¬هاي توان‌بخشي، حوزه بسيار فعالي در دو دهه اخير و حتي قبل از آن بوده‌است. ربات¬هاي توان‌بخشي داراي مزايايي نسبت به توان‌بخشي متداول هستند كه باعث جلب توجه محققان مي-شود. از آن‌جمله، كاهش تعداد فيزيوتراپ‌ها از چند نفر به يك نفر، كارآمدتركردن عمل توان‌بخشي و كاهش دوره توان‌بخشي است. كنترل ربات¬هاي توان‌بخشي اندام پايين¬تنه كه موضوع اين پايان¬نامه است، مشكل¬تر از ربات¬هايي است كه در تماس مستقيم با انسان نيستند، زيرا اين¬گونه ربات¬ها در تعامل مستقيم با بيمار هستند و از اين‌رو عملكرد مطلوب اين ربات‌ها هم در جهت حفظ ايمني بيمار و هم درجهت پيشبرد اهداف توان‌بخشي بسيار حائز اهميت است و علاوه بر كنترل حركت، كنترل تعادل نيز در آن‌ها مطرح‌مي¬شود. هدف از انجام اين پايان‌نامه، كنترل حركت ربات توان‌بخشي اندام پايين‌تنه با پنج درجه آزادي با استفاده از كنترل¬كننده پيش¬بين غيرخطي براي راه¬رفتن برروي تردميل و سطوح صاف بوده است. در اين روش، طراحي الگوي حركت ربات به‏طور ضمني و بيدرنگ در كنترل¬كننده¬ پيش¬بين انجام‌گرفته و ديناميك انسان با درنظرگرفتن نيروهاي وارده از سوي انسان و منظوركردن گشتاور معادل انسان در روابط ديناميكي ربات، پياده‌سازي‌شده است. طراحي الگوي حركت توسط كنترل¬پيش¬¬بين، اين مزيت را ايجادمي-كند كه مسيرهاي مطلوب براي مفصل¬هاي ربات با درنظرگرفتن گشتاورها و محدوديت¬هاي عملي توليدمي-شوند. همچنين مزيت اصلي استفاده از كنترل¬كننده¬ پيش¬بين، به¬دست¬آوردن گشتاورهاي بهينه و همچنين درنظرگرفتن قيدهاي مساله حركت ربات توان‌بخشي است. همچنين از قابليت¬هاي كنترل پيش¬بين براي دفع اثر اغتشاشات خارجي و عملكرد مطلوب در حضور نويز اندازه‌گيري استفاده‌شده‌است. در اين پايان‌نامه سه مرحله براي توان‌بخشي اندام ‌پايين‌تنه درنظرگرفته‌شده‌است كه مرحله اول مربوط‌به ابتداي دوره‌ي توان‌بخشي، مرحله دوم مربوط‌به اواسط دوره‌ي توان‌بخشي و مرحله سوم مرتبط با اواخر دوره‌ي توان‌بخشي است كه در هر مرحله، با توجه به شرايط آن مرحله، خواست و اراده بيمار در روند توان‌بخشي خويش مشهود است. بنا به مرحله توان‌بخشي، طول گام، ارتفاع گام‌برداشتن و به‌طوركل انتخاب نحوه حركت با توجه به خواست بيمارصورت‌پذيرفته‌است كه مطلوب فرايند توان‌بخشي است. دفع اغتشاش خارجي به‌خوبي صورت‌پذيرفته‌است و با استفاده از نگاشت پوانكاره پايداري حركت ربات مورد بررسي قرارگرفته‌است. نتايج شبيه‌سازي عملكرد بهتر روش پيشنهادي در اين پايان‌نامه را در مقايسه با روش‌هاي اخير نشان‌مي‌دهد. كليدواژها:ربات توان‌بخشي اندام پايين تنه، كنترل پيش¬بين غيرخطي، تعامل انسان و ربات، نگاشت پوانكاره

1396/01/19

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract Control of rehabilitation robots have been very active field during the past two decades an​d even before it. Rehabilitation robots have several advantages over conventional rehabilitation that has attracted the attention of researchers. This includes, reducing the number of physical therapy from a few people to one person, rehabilitation action is more efficient an​d reduces the period of rehabilitation. The control of lower-limb rehabilitation robots, which is the subject of this thesis is more difficult than robots that are not in direct contact with humans since these robots are in direct interaction with the patient an​d hence optimum performance of these robots in order to maintain patient safety an​d also to advance the goals of rehabilitation is very important. In addition to the motion control, control stability is also discussed here. The motion control of lower-limb rehabilitation robot with five degrees of freedom using non-linear model predictive control for walking on the treadmill an​d flat surfaces is the aim of this thesis. In this method, the pattern of robot movements is implemented implicitly an​d in real time in the model predictive control method an​d by considering the dynamic forces applied from the human an​d the human-equivalent torque in the dynamic equations of the robot, the human dynamic is implemented. By designing the movement pattern using the model predictive control, the optimal paths for the robot joints moments by considering the practical limits are generated. The main advantage of using the predictive controller is to obtain optimum torque an​d taking into account the constraints of the rehabilitation robot movements. Moreover, the model predictive control method can reject external disturbances an​d provide optimal performance in presence of the measurement noises. In this thesis, three steps were considered for rehabilitation of lower limbs. The first step is at the beginning of rehabilitation procedure. The second an​d third steps are considered for the mid-term an​d final stage of the rehabilitation process, respectively. At each step, according to the conditions of the corresponding step, the patient's will can be observed an​d considered in his/her rehabilitation process. According to the rehabilitation phase, the gait length an​d height, an​d in general, the movement pattern that are incurred by the patient are considered for the rehabilitation. The external disturbances are rejected very well. Moreover, using the Poincare mapping the robot's stability is analyzed. The simulating results show better performance of the proposed method as compared with the previously reported methods. Key words: Lower limb rehabilitation robot, Nonlinear model predictive control, Human-robot interaction, Poincaré mapping