شناسايي و كنترل گشتاور عملگر سري الاستيك در ربات پوشيدني اندام تحتاني

Identification and Torque Control of Series Elastic Actuator of Lower Limb Extremity Exoskeleton

امروزه ربات هاي پوشيدني به عنوان يك ابزار كارآمد در تمرينات توانبخشي و كمك به بيماران كم توان توجه بسياري از محققين را به خود جلب كرده است. يكي از اصلي ترين ويژگي هاي ربات هاي پوشيدني، تعامل نرم و سازگار با بيمار مي باشد. استفاده از عملگرهاي سري -الاستيك ضمن تحقق اين ويژگي مهم، قابليت هاي ديگري نظير اندازه گيري و كنترل گشتاور را نيز فراهم مي كنند. روش هاي كنترل گشتاور پيشين، عمدتا از يك حلقه داخلي موقعيت و يك حلقه بيروني نيرو بهره مي برند. در اين تحقيق ضمن استفاده از اين دو حلقه تو در تو، ديناميك موتور و سيستم انتقال قدرت نيز در طراحي كنترلر استفاده شده است. در اين مقاله ابتدا، پارامترهاي فنر سري-الاستيك، عملگر و لينك هاي ربات شناسايي شده اند. بر اين مبنا دو كنترلر گشتاور مدل-مبنا يكي بر مبناي فرمان سرعت و ديگري بر مبناي فرمان جريان طراحي و ارائه شده است. بر خلاف روش هاي پيشين، كنترلرهاي پيشنهادي براي هر دو حالت خروجي آزاد (امپدانس صفر) و خروجي قفل استخراج شده و آناليز پايداري سيستم براي دو حالت ذكر شده بطور مجزا ارائه شده است. در نهايت نتايج مقايسه اي تست تجربي بر روي ربات پوشيدني دانشگاه صنعتي شريف ارائه شده است. نتايج تست تجربي اين دو كنترلر نشان مي دهد، دقت رديابي گشتاور بر مبناي جريان و سرعت به ترتيب برابر 1.2 به 0.2 نيوتن متر مي باشد.

Todays, the exoskeleton is known as a practical device for use in robotic rehabilitation and elderly assistance and has attracted the attention of many researchers. One of the most important features of the exoskeleton robots is the compliant interaction with patient. The Series Elastic Actuators (SEA) not only interacts with human compliantly but also provide several advantages such as torque measurement and torque control. Previous researches have used an inner position loop and an outer force loop. In this paper, the motor and power transmission model is integrated in the controller design. In this paper, the parameters of the SEA, motor and links are identified first. Then, two model-based torque controls is designed and introduced based on the velocity and current commands. In contrast to previous research, the controller is proposed for the locked and free condition and the Lyapunov stability analysis is presented. Finally, the experimental validation test on the Sharif lower limb exoskeleton is presented for this controller. The experimental results of the controller show that the accuracy of torque control based on the current and velocity is 1.2 and 0.2 Nm, respectively.