کنترل ربات اسکلت خارجی میان‌تنه با استفاده از کنترل‌کننده جبران‌ساز توزیع‌یافته موازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران

3 استادیار، گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران

چکیده

بیماری‌های اسکلتی-عضلانی ناشی از حمل بار سنگین در کارگران بسیار شایع است که بر سلامتی کارگران و بازدهی کار تأثیر منفی دارد. در این راستا، ایده طراحی ربات‌ اسکلت خارجی پیشنهاد شده است. این ربات مشابه یک لباس بر بدن کاربر پوشیده شده و موازی با بدن، شخص را همراهی و کمک می‌نماید تا نیروهای وارد بر عضلات حساس بدن در مشاغل صنعتی را کاهش دهد. در این مقاله، روش کنترلی جبران‌ساز توزیع‌یافته موازی جهت اعمال بر یک ربات اسکلت خارجی چهار درجه آزادی میان‌تنه ارائه می‌شود. در ابتدا، معادلات دینامیکی حاکم بر سیستم استخراج می‌گردد و با توجه به ماهیت غیرخطی سیستم، کنترل‌کننده‌ی جبران‌ساز توزیع‌یافته موازی با رهیافت خطی‌سازی تاکاگی-ساژینو طراحی می‌شود. پاسخ سیستم حلقه بسته این کنترل‌کننده در محیط سیمولینک نرم‌افزار متلب مورد بررسی قرار می‌گیرد. نتایج حاصل نشان می‌دهد که رهیافت خطی‌سازی تاکاگی-ساژینو به‌صورت دقیق سیستم غیرخطی را تخمین می‌زند و همچنین کنترل‌کننده‌ی پیشنهادی، به ره‌گیری مناسب و پاسخ حلقه‌بسته‌ی مطلوب منجر می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Govindu N.K., & Babski-Reeves K. Effects of personal, psychosocial and occupational factors on low back pain severity in workers. International Journal of Industrial Ergonomics, Vol. 44, 335-341, 2014.
[2] Shieh S.-H., Sung F.-C., Su C.-H., Tsai Y., and Chia-Rong Hsieh V. Increased low back pain risk in nurses with high workload for patient care: A questionnaire survey. Taiwanese Journal of Obstetrics & Gynecology, Vol. 55, 525–529, 2016.
[3]  محسنی بندپی م.ع.، فخری م.، احمدشیروانی م.، باقری نسامی م. و خلیلیان ع. بررسی اپیدمیولوژیک کمردرد در پرستاران. مجلة دانشگاه علوم پزشکی بابل، سال هفتم، شمارة ۲ (پی­درپی ۲۶)، صفحه ۳۵ الی ۴۰، 1384.
[4] O’Sullivan L., Nugent R., and Van Der Vorm J. Standards for the safety of exoskeletons used by industrial workers performing manual handling activities: A contribution from the Robo-Mate project to their future development. Procedia Manufacturing, Vol. 3, 1418–1425, 2015.
[5] کریم ع.  طراحی کنترل­کننده­ی غیرخطی بهینه­ی مقاوم بالاتنه­ی برون­پوش اسکلت خارجی با هدف افزایش توان. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه کاشان، 1393.
[6] Tran H., Cheng H., Rui H., Lin X., Duong M., and Chen Q. Evaluation of a Fuzzy-Based Impedance Control Strategy on a Powered Lower Exoskeleton. International Journal of Social Robotics, Vol. 8, 103-123, 2015.
[7] Lu R., Li Z., Su C.-Y., and Xue, A. Development and Learning Control of a Human Limb With a Rehabilitation Exoskeleton. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 61, 3776-3785, 2014.
[8] Stopforth, R. Customizable Rehabilitation Lower Limb Exoskeleton System. International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 9, NO. 4, 152-158, 2012.
[9] Sanz-Merodio D., Cestari M., Arevalo J.C., Carrillo X.A., and Garcia E. Generation and control of adaptive gaits in lower-limb exoskeletons for motion assistance. Advanced Robotics, Vol. 28, 32-338, 2014.
[10] Cruciger O., Schildhaue T.A., Meindl R.C., Tegenthoff M., Schwenkreis P., Citak M., & Aach M. Impact of locomotion training with a neurologic controlled hybrid assistive limb (HAL) exoskeleton on neuropathic pain and health related quality of life (HRQoL) in chronic SCI: a case study. Disability and Rehabilitation Assistive Technology, Vol. 11, 529-534, 2014.
[11] Agarwal P., Fox J., Yun Y., O’Malley M.-K., and Deshpande A.D. An index finger exoskeleton with series elastic actuation for rehabilitation: Design, control and performance characterization. The International Journal of Robotics Research, Vol. 34, 1747-1772, 2015.
[12] Chen B., Ma H., Qin L.-Y., Gao F., Chan K.-M., Law S.-W., Qin L., and Liao W.-H. Recent developments and challenges of lower extremity exoskeletons. Journal of Orthopaedic Translation, Vol. 5, 26-37, 2016.
[13] Wu Q., Wang X., Du F., and Zhang X. Design and Control of a Powered Hip Exoskeleton for Walking Assistance. International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 12, NO. 3, 18-28, 2014.
[14] Desbrosses K. Manual handling tasks performed with an upper limbs exoskeleton at the workplace. Annals of Physical and Rehabilitation Medicine, Vol. 60, 100-101, 2017.
[15] Hu J., Xu X., and Zhu K. Arm Exoskeleton Based on Model Predictive Control with Input/Output Feedback Linearization. Journal of Medical Imaging and Health Informatics, Vol. 3, 432-439, 2013.
[16] Luna C.O., Rahman M.H., Archambault P., and Zhu W.-H. Virtual decomposition control of an exoskeleton robot arm. Robotica, Vol. 34, 1747-1772, 2014.
[17] Huang J., Huo W., Xu W., Mohammed S., and Amirat Y. Control of Upper-Limb Power-Assist Exoskeleton Using a Human-Robot Interface Based on Motion Intention Recognition. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, Vol. 12, 1257–1270, 2015.
[18] Garrido J., Yu W., and Li X. Modular design and control of an upper limb exoskeleton. Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 30, 2265–2271, 2016.
[19] Witkowski M., Cortese M., Cempini M., Mellinger J., Vitiello N., and Soekadar, S.R. Enhancing brain-machine interface (BMI) control of a hand exoskeleton using electrooculography (EOG). Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, Vol. 11, 165–170, 2014.
[20] Leonardis D., Barsotti M., Loconsole C., Solazzi M., Troncossi M., Mazzotti C., Castelli V.P., Procopio C., Lamola G., Chisari C., Bergamasco M., and Frisoli A. An EMG-Controlled Robotic Hand Exoskeleton for Bilateral Rehabilitation. IEEE Transactions on Haptics, Vol. 8, 140–151, 2015.
[21] Murray S.A., Ha K.H., Hartigan C., and Goldfarb M. An Assistive Control Approach for a Lower-Limb Exoskeleton to Facilitate Recovery of Walking Following Stroke. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, Vol. 23, 441-449, 2014.
[22] Anwar T., and Al Juamily A. Adaptive Trajectory Control to Achieve Smooth Interaction Force in Robotic Rehabilitation Device. Procedia Computer Science, Vol. 42, 160-167, 2014.
[23] Lee J.-W., Kim H., Jang J., and Park S. Virtual model control of lower extremity exoskeleton for load carriage inspired by human behavior. Auton Robot, Vol. 38, 211–223, 2014.
[24] تقی­راد ح. ر. مقدمه­ای بر کنترل مدرن (ویرایش سوم)، انتشارات دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، 1393.
[25] Tanaka K., and Wang H.O. Fuzzy Control Systems Design and Analysis: A Linear Matrix Inequality Approach. John Wiley & Sons incorporated, New York, 2001.
[26] Kumar Tyagi A. MATLAB and Simulink for Engineers. Oxford University Press, London, 2012. ISBN: 978-0-19-807244-7.