كنترل امپدانس مقاوم ربات با رويكرد توان‌بخشي زانو

Robust Impedance Control for Rehabilitation Robot

در اين مقاله‏، از يك روش كنترل امپدانس مقاوم جديد براي ربات توان‌بخش با استفاده از استراتژي كنترل ولتاژ استفاده شده است. در روش‌هاي مبتني بر راهبرد كنترل گشتاور، سيستم كنترل به ديناميك ربات و ديناميك پاي بيمار وابسته مي‌شود كه آن نيز غيرخطي، همراه با عدم قطعيت فراوان و براي هر بيمار متفاوت است. درحالي‌كه كنترل بر مبناي ولتاژ به مدل ديناميكي ربات و پاي بيمار وابسته نبوده و در آن ديناميك محركه ربات نيز در نظر گرفته مي‌شود. همچنين پياده‌سازي‌هاي عملي در زمينه‌هاي رباتيك، برتري كنترل بر مبناي ولتاژ را در قياس با كنترل بر مبناي گشتاور به خوبي نشان داده‌اند. استراتژي كنترل ولتاژ در مقايسه با روش كنترل گشتاور ساده‌تر بوده و داراي محاسبات كمتر و عملكرد بهتر در اجراي قانون امپدانس است. با اين وجود در اين استراتژي، بحث عدم قطعيت‌هاي مدل محركه به عنوان يك چالش مطرح مي‌شود. در روش پيشنهادي براي غلبه بر چالش عدم قطعيت‌هاي مدل محركه، از يك سيستم فازي تطبيقي متناسب با روش ولتاژ استفاده شده است. همچنين، اثبات پايداري روش پيشنهادي نشان داده شده است. براي ارزيابي روش پيشنهادي، يك ربات توان‌بخش زانو با يك درجه آزادي ساخته شده است. در مرحله اول كارايي كنترل بر مبناي ولتاژ نسبت به كنترل گشتاور نشان داده مي‌شود. در ادامه عملكرد روش پيشنهادي در حضور عدم قطعيت با روش‌هاي رايج كنترل بر مبناي ولتاژ مقايسه شده است. نتايج شبيه‌سازي و پياده‌سازي عملي نشان مي‌دهد، استراتژي پيشنهادي در اجراي قانون امپدانس به خوبي بر عدم قطعيت‌ها غلبه مي‌كند.

In this study, a novel robust impedance control for a lower-limb rehabilitation robotic system using voltage control strategy is used. Most existing control approaches are based on control torque strategy, which requires knowledge of robot dynamics as well as dynamics of patients. This obliges the controller to overcome complex problems such as uncertainty and nonlinearity involved in the dynamics of the system, robot and patients. Conversely, the voltage-based control approaches are free from the system dynamics. In addition, it considers the actuator dynamics. The performance of voltage-based approaches is demonstrated by experimental result in robotic applications. Compared with a torque control scheme, it is simpler, less computational and more efficient. Nevertheless, uncertainty of actuator dynamics results in challenges for the voltage control strategy applications. The present paper presents a novel robust impedance control based on the voltage control strategy. To overcome uncertainties, the adaptive fuzzy estimator is designed based on the voltage-based strategy. The proposed control is verified by a stability analysis. To illustrate the effectiveness of the control approach, a 1-DOF lower-limb rehabilitation robot is designed. Both torque-based impedance control and the voltage-based impedance control are compared through a therapeutic exercise. It is shown that the voltage-based impedance control performs better than the traditional torque-based impedance control. Simulation and experimental results both show that the proposed voltage-based robust impedance control is superior to voltage-based impedance control in presence of uncertainties.