بهبود جبران‌ سازي جاذبه براي ربات توانبخشي آرنج محركه كابلي با استفاده از كنترل‌ كننده مد لغزشي

Gravity compensation improvement for a cable-actuated elbow rehabilitation robot using sliding mode control

هدف از اين مقاله، بهبود عملكرد تمرين توانبخشي آرنج پس از سكته مغزي به كمك ربات است. درمانگر بازوي بيمار را نگه داشته و مركز جرم را در امتداد يك مسير مطلوب هدايت ميكند. در توانبخشي رباتيك، بيمار نبايد ربات را هنگامي كه بازويش در محدوده مطلوب چرخانده ميشود، احساس كند. ربات بايستي وزن استخوانبندي خارجي و اينرسي موتورها را به طور فعال خنثي كند. براي جبران سازي جاذبه ميتوان از فنر پيچشي غيرخطي بهره برد و همچنين گشتاور مخالف به صورت تابعي از زاويهي بازو با موتورها اعمال شود. به‌كارگيري فنر راحتي بيشتري را مهيا ميكند، اجازه ميدهد تا موتورهاي كوچك‌تري به كار رود، اندازه ترمزهاي مورد نياز كاسته شود و ايمني ذاتي براي رباتهاي توانبخشي معرفي شود. به علاوه، طراحي كنترلكننده مد لغزشي ميتواند براي جبران خطاهاي مدلسازي و نيروهاي جاذبه به كار گرفته شود. در اين مقاله يك ربات جديد توانبخشي آرنج مبتني بر محركه كابلي بررسي شده است. ايده كلي تنها جبرانسازي نيروهاي گرانشي نيست چرا كه سختي مفصل نيز بايد كنترل شود. عدم قطعيت موجود در ديناميك بازوي بيمار به نحو موثري تقريب زده شده است. حركت با سيستم كنترل حلقه بسته در حضور عدم قطعيتهاي پارامتري بررسي شده است. كنترلكننده مد لغزشي با كنترلكننده تناسبي-مشتقي از طريق شبيهسازي كامپيوتري مقايسه شده و بهبود نسبت به روش غيرفعال مشاهده شده است.

Performance increasing of robot-aided training in stroke elbow rehabilitation is the goal of this paper. Therapist holds on the arm of patient and guides the center of mass along a desired trajectory. In robotic rehabilitation, when the arm of patient is rotated within the desired boundaries, (s)he should ideally not feel the robot. The robot needs to actively compensate for the weight of the exoskeleton and reflected mass of the motors. A nonlinear torsion spring can be used and also a counter-torque as a function of arm angle is applied by the motor. Applying the springs affords more convenience, it allows smaller motors to be used, the size of required brakes can be reduced and inherent safety is introduced in rehabilitation robots. Furthermore, the robust controller design can be used to compensate the modeling errors and gravitational force. A novel elbow rehabilitation robot is designed based on the cable actuation. The strategy is not just anti-gravitational forces because there should be joint-stiffness control. The uncertainty in the patients arm dynamic is effectively approximated. The motion of closed-loop control system in the presence of parametric uncertainties is investigated. The sliding mode controller with proportional-derivative controller is compared through computer simulation and improvement is observed.