كنترل ربات‌هاي برون‌پوش كاربر - محور در مواجهه همزمان با نيروهاي تعاملي و اغتشاشات محيطي

Control of user-in-charge exoskeletons in the presence of interaction forces and environmental disturbances

در اين مقاله رويكردي متفاوت در طراحي كنترلر ادميتانس براي ربات‌هاي برون‌پوش كاربر- محور در مواجهه با اغتشاشات محيطي پيشنهاد مي‌گردد. از آنجا كه در اين دسته از ربات‌ها، مسئله حفظ تعادل مجموعه ربات و انسان بر عهده كاربر است، لذا علاوه بر نيروي تعاملي، اغتشاشات محيطي كه به ربات وارد مي‌شوند نيز مي‌بايست مورد توجه قرار گيرد. تاكنون رويكردهاي كنترلي پيشنهاد شده فارغ از پرداختن به اين مسئله، صرفاً تمركز خود را بر روي ارائه يك رابطه ديناميكي مناسب مابين نيروي تعاملي و حركت ربات قرار داده‌اند. اين مسئله مي‌تواند در برخي موارد سبب ايجاد مشكل براي كاربر در ارائه واكنشي مناسب نسبت به اغتشاش وارده و برهم خوردن تعادل مجموعه گردد. در اين مقاله به ارائه راهكاري براي كنترل همزمان نيروي تعاملي و اغتشاش پرداخته و كنترل‌هاي تركيبي برپايه كنترلرهاي كلاسيك ادميتانس و امپدانس براي كنترل ربات پيشنهاد مي‌گردد. بدين منظور، برخلاف رويه‌هاي معمول، از كنترل امپدانس به عنوان لايه كنترلي سطج پايين در كنترلر ادميتانس استفاده مي‌گردد. به منظور ارزيابي عملكرد كنترلرهاي پيشنهادي در مقايسه با ديگر كنترلرهاي مرسوم، شبيه‌سازي‌اي بر روي پاي يك ربات برون‌پوش كه در فاز آويزان قرار دارد انجام مي‌پذيرد. نتايج نشان مي‌دهد برخلاف كنترلرهاي رايج كه هر يك در ارائه پاسخ كنترل شده نسبت به اغتشاش محيطي ناتوان ظاهر مي‌گردند، رويكردهاي كنترلي پيشنهادي مي‌توانند در عين ارائه عملكرد مطلوب در غياب اغتشاش، در مواجهه با آن نيز عملكردي مطلوب برپايه يك ديناميك مرجع داشته باشند.

In this paper, a new design approach for an admittance control method is presented to deal with the environmental disturbances for user-in-charge exoskeletons. Since the challenge of maintaining the stability of the robot and the human is met by the user, environmental disturbances as a set of external forces should be considered. However, the proposed control methods have already ignored the issue and focused on presenting a desired dynamic relation between the interaction forces and the robot motion. This paper aims to find a control solution to maintain the desired behavior of the classical controllers in response to the interaction forces as well as to deal with disturbances properly. For this purpose, a control structure is developed by substituting an impedance control method for the low-level layer of an admittance controller. A simulation on an exoskeleton leg is conducted to evaluate the performance of the proposed controller in comparison with the classical control methods for user-in-charge exoskeletons. In contrast to conventional control methods, the results shows that the proposed controller can deal with both the interaction forces and the disturbances properly as a consequence of establishing different dynamic mappings for each of them.