كنترل ربات توانبخش زانو با استفاده از تركيب الگوريتم‌هاي پسگام و ادميتانس

Control of knee rehabilitation robot based on combination of backstepping and admittance algorithms

در اين مقاله، به طراحي كنترلر براي ربات‌ توانبخش زانو پرداخته شده است. مشكل اصلي دستگاه‌هاي توانبخشي از جمله دستگاه‌هاي غيرفعال حركت مداوم، عدم بازخورد از وضعيت پاي بيمار و نيروهاي تعاملي يا مقاوم اعمال شده از پاي فرد به ربات مي‌باشد. بدين معني كه اگر در حين تمرين غيرفعال، از طرف پاي بيمار حركتي غيرارادي رخ دهد، نيروي تعاملي ايجاد شده بين پاي فرد و ربات مي‌تواند به پاي فرد آسيب برساند، زيرا رفتار ربات در برابر اين نيرو، داراي سفتي زياد است و عليرغم اعمال گشتاور مخالف حركت از سوي پاي فرد، ربات همچنان سعي دارد، پاي فرد را در مسير مرجع نگه دارد. در اين پژوهش، به منظور تحقق رفتار منعطف از سوي ربات در مقابل نيروي احتمالي پاي فرد، از مفهوم ادميتانس استفاده شده، و در دو روش كنترلي، مدل مرجع تطبيقي و پسگام انتگرالي اين مفهوم مورد استفاده قرار گرفته است. با تجهيز ربات به كنترل ادميتانس، در صورت اعمال نيرو از طرف پاي فرد، ربات متناسب با آن نيرو از مسير مرجع خود منحرف مي‌شود تا به اين ترتيب نيروي تعاملي بين ربات و بيمار كاهش يابد. نتايج حاصل از شبيه‌سازي اين كنترلرها، نشان از رفتار مطلوب ربات در اين شرايط دارد. همچنين به منظور بررسي كارايي بيشتر كنترلرها، عملكرد آن‌ها در حضور نويز اندازه‌گيري نيز بررسي شده است. همچنين نشان داده شده، استفاده از كنترل كننده‌ي پيشنهادي پسگام در كنار كنترل كننده‌ي ادميتانسي كه خود نوآوري محسوب مي‌شود، نسبت به كنترل كننده‌ي مدل مرجع تطبيقي، عملكرد بهتري دارد.

In this study, the control problem of a knee rehabilitation robot is examined. The main drawback of rehabilitation facilities, such as continuous passive motion, is the lack of feedback from the interaction force between the robot and patient leg. This means that if during the exercises an involuntary motion by patient is generated, the increased interaction force can then damage the patient’s leg. The interaction force is increased because the robot tries to hold the patient’s leg along the prescribed reference path. In the current paper, to realize the compliant behavior of the robot, the concept of admittance along with two control methods including adaptive model reference and integral backstepping will be utilized. Adopting admittance control method, the robot will deviate from the prescribed path so that the interaction force can be decreased. The obtained simulation results reveal the good performance of the robot even in the presence of noisy sensory data. Additionally, it has been shown that the proposed combined admittance and backstepping controller has better performance in terms of tracking error and decrease of interaction force, as compared with the model adaptive reference model.