Phân Tích Hiệu Suất của Bộ Điều Khiển Chế Độ Trượt Siêu Bóc với Mô Phỏng Đồng Thời ADAMS–MATLAB trong Khung Ngoài Chi Dưới

International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology - Tập 7 - Trang 743-754 - 2020
Anjali S. Nair1, D. Ezhilarasi1
1Department of Instrumentation and Control Engineering, National Institute of Technology, Trichy, Tamil Nadu, India

Tóm tắt

Khung ngoài chi dưới là một loại robot đeo được và được sử dụng trong cả ứng dụng y tế và công nghiệp cho những mục đích khác nhau. Trong lĩnh vực y tế, nó được sử dụng như một thiết bị trị liệu và trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong quốc phòng, để vận chuyển các tải trọng nặng. Bài báo này đề cập đến việc phân tích hiệu suất của bộ điều khiển chế độ trượt siêu bóc (STSMC) trong việc theo dõi chuyển động của người mang khung ngoài chi dưới bằng cách sử dụng mô phỏng đồng thời phân tích động học của hệ thống cơ khí (ADAMS)–MATLAB trong quá trình đi bộ và leo bậc, và các kết quả được so sánh với bộ điều khiển PID thông thường. Mô hình của khung ngoài chi dưới được phát triển bằng phần mềm SolidWorks và mô hình cơ thể người được thực hiện bằng phần mềm ADAMS. Bộ điều khiển chế độ trượt siêu bóc (STSMC) được thiết kế và mô phỏng với Simulink. Bài báo này cũng nhằm phát triển một mô hình toán học của hệ thống và phân tích hiệu suất của STSMC để kiểm soát chuyển động của hông, đầu gối và mắt cá chân, cũng như chỉ ra những lợi thế của mô phỏng đồng thời ADAMS–MATLAB so với các phương pháp phân tích và mô hình hóa truyền thống của bộ điều khiển để kiểm soát khung ngoài. Phân tích độ ổn định của bộ điều khiển cũng được thực hiện.

Từ khóa

#khung ngoài #bộ điều khiển #chế độ trượt #mô phỏng đồng thời #ADAMS #MATLAB #hiệu suất #chuyển động.

Tài liệu tham khảo

Robinson, D. (2000). Design and analysis of series elasticity in closed-loop actuator force control. Ph.D. thesis, MIT.

Long, Y., Du, Z., Chen, C., Wang, W., He, L., Mao, X., et al. (2018). Hybrid control scheme of a hydraulically actuated lower extremity Exoskeleton for Load-Carrying. J Intell Robot Syst, 91, 493–500.

Ghan, J., Steger, R., & Kazerooni, H. (2006). Control and system identification for the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX). Advanced Robotics,20(9), 989–1014.

L. Huang, J. R. Steger, H. Kazerooni. (2005). Hybrid control of the berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX). in Proceedings of IMECE 2005 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, IMECE 2005-80109, November 5–11, 2005.

Zoss, A. B., Kazerooni, H., & Chu, A. (2006). Biomechanical design of the Berkeley lower extremity Exoskeleton (BLEEX). IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, 11(2), 1083–4435.

Mefoued, S., Mohammed, S., & Amirat, Y. (2011). Knee joint movement assistance through robust control of an actuated orthosis. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System,11(5), 1749–1754.

Mefoued, S., Mohammed, S., & Amirat, Y. (2012). Sit-to-stand movement assistance using an actuated knee joint orthosis. The Fourth IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, Roma, Italy,12(5), 1753–1758.

Mefoued, S., Mohammed, S., & Amirat, Y. (2013). Toward movement restoration of knee joint using robust control of powered orthosis. IEEE Transactions on Control Systems Technology,21(6), 1753–1758.

D. Chen, M. Ning, B. Zhanga. (2014). Control strategy of the lower-limb exoskeleton based on the EMG signals. in Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, December 5–10, 2014, Bali, Indonesia.

Qigong, W., Wang, X., Fengpo, D., & Zhang, X. (2015). Design and control of a powered hip exoskeleton for walking assistance. International Journal of Advanced Robotic Systems,12, 18. https://doi.org/10.5772/59757.

Luengas, Y. R., Lopez-Gutierrez, R., Salazar, S., & Lozano, R. (2018). Robust controls for upper limb exoskeleton, real-time results. Proc IMechE Part I: J Systems and Control Engineering,232(7), 797–806.

Chen, C., Zhang, S., Zhu, X., Shen, J., & Xu, Z. (2020). Disturbance observer-based patient-cooperative control of a lower extremity rehabilitation exoskeleton. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. https://doi.org/10.1007/s12541-019-00312-9.

Walsh, C.J. (2003). Biomimetic design of an underactuated leg exoskeleton for load-carrying augmentation. Thesis report. Master of Science in Mechanical Engineering at the Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Hyun, D. J., Lim, H., Park, S., & Jung, K. (2017). Development of ankle-less active lower-limb exoskeleton controlled using finite leg function state machine. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,18(6), 803–811.

Mefoued, S. (2014). A second-order sliding-mode control and a neural network to drive a knee joint actuated orthosis. Elsevier B. V.,155(0925–2312), 71–79.

Madani, T., Daichi, B., & Djouani, K. (2015). Non-singular terminal sliding mode controller: Application to an actuated exoskeleton. Elsevier B. V.,33(0957–4158), 135–136.

Choo, J., & Park, J. H. (2017). Increasing payload capacity of wearable robots employing linear actuators and elastic mechanism. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,18(5), 661–671.

Huang, G., Zhang, W., Meng, F., Zhangguo, Y., Chen, X., Ceccarelli, M., et al. (2018). Master–slave control of an intention-actuated exoskeletal robot for locomotion and lower extremity rehabilitation. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,19(7), 983–991.

B. Brahmi, M. Saad, C. Ochoa-Luna, S. Di Gennero, M. H. Rahman. (2018). A new integral second-order terminal sliding mode control with time delay estimation for an exoskeleton robot with dynamics uncertainties. in Proceedings of the 5th International Conference of Control, Dynamic Systems, and Robotics (CDSR’18), vol. 113, pp. 1–10.

Bkekri, R., Benamor, A., Alouane, M. A., Fried, G., & Messaoud, H. (2018). Robust adaptive sliding mode control for a human-driven knee joint orthosis. Industrial Robot: An International Journal,232(7), 797–806.

Yun, D., Khan, A. M., Yan, R.-J., Ji, Y., Jang, H., Iqbal, J., et al. (2016). Handling subject arm uncertainties for upper limb rehabilitation robot using robust sliding mode control. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,17(3), 355–362.

Rahmani, M., & Rahman, M. H. (2018). Novel robust control of a 7-DOF exoskeleton robot. PLOS One, 13(9), e0203440.

Zhang, T., Tran, M., & Huang, H. (2018). Design and experimental verification of HipExoskeleton with balance capacities for walking assistance. IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, 23(1), 274–285.

Low, K. H., Liu, X., Goh, C. H., & Yu, H. (2006). Locomotive control of a wearable lower exoskeleton for walking enhancement. Journal of Vibration and Control,12(12), 1311–1336. https://doi.org/10.1177/1077546306070616.

Wu, H., Jia, T., Li, N., Wu, J., & Yan, L. (2017). Study on the control algorithm for lower-limb exoskeleton based on ADAMS Simulink cosimulation. Journal of Vibro-engineering, 19(4), 2976–2986.

Din, S. U., Khan, Q., Rehman, F.-U., & Akmeliawanti, R. (2017). A comparative experimental study of robust sliding mode control strategies for under actuated systems. IEEE Translations,5, 2169–3536.

Frdman, L., & Levant, A. (2002). Higher order sliding modes. In W. Perruquetti & J. J. Barbot (Eds.), Sliding Mode Control in Engineering (pp. 53–101). New York: Marcel Dekker.

Bartolini, G., Pisano, E., & Usai, E. (2003). A survey of application of second order sliding mode control to mechanical systems. International Journal of Control,76, 875–892.

Zakeri, E., Moezi, S. A., & Eghtesad, M. (2019). Optimal interval type-2 fuzzy fractional order super twisting algorithm: a second order sliding mode controller for fully-actuated and under-actuated nonlinear systems. ISA Transactions,1(85), 13–32.

M. W. Spong, S. Hutchinson, M. Vidyasagar. (2004). Robot dynamics and control, 2nd edn. Springer.

J. A. Moreno, M. Osorio. (2008). A lyapunov approach to second-order sliding mode controllers and observers. in Proceedings of 47 th IEEE Conference on Decision and Control (CDC 2008), Cancun, Mexico, December 9–11, 2008.

J. A. Moreno. (2009). A linear frame work for the robust stability of a generalized super-twisting algorithm. in Proceedings of Sixth IEEE Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE 2009), Toluca, Mexico, November 10–13, 2009.

A. Davila, J. A. Moreno, L. Fridman. (2009). Optimal Lyapunov function selection for reaching time estimation of super twisting algorithm. in Proceedings of 48thIEEE Conference on Decision and Control (CDC2009), Shanghai, PRChina, December 16–18, 2009.

A. Davila, J. A. Moreno, L. Fridman. (2010). Global non homogenous super-twisting controller for the quasi-linear systems with unbounded uncertainties: A Lyapunov design. in Proceedings of the American Control Conference (ACC2010), Baltimore, MD, USA, June 30–July 2, 2010.

S. Boyd, L. El Ghaoui, E. Feron, V. Balakrishnan. (2012). Linear matrix inequalities in system and control theory. Studies in Applied Mathematics, 15, SIAM, Philadelphia, PA, 1994. L. Derafa etal./Journal of the Frank lin Institute 349 (2012) 685–699 699

Winter, D. A. (2009). Biomechanics and motor control of human movement (4th ed.). Hoboken: Wiley.

Yali, H., Aiquo, S., Haitao, G., & Songqing, Z. (2015). The muscle activation patterns of the lower limb during stair climbing at different backpack load. Acta of Bioengineering and Biomechanics. https://doi.org/10.5277/abb-00155-2014-06.

Y. Long, Z.-J. Du, C.-F. Chen, W. Wang, L. He, X. Mao, G.-Q. Xu, G. Zhao, W. Dong. (2016). Design kinematics and dynamics modeling of a lower limb walking assistant robot. in Proceedings of the 4th International Conference on Robotics and Mechatronics, October 26–28, 2016.

Thông tin
Thông tin xuất bản

International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology

Tập 7

743-754

Thông tin tác giả