طراحي و پياده‌سازي كنترلر ياري‌گر پسخور خروجي فازي براي يك ربات اسكلت خارجي زانو با عملگر الاستيك سري

Design and implementation of a fuzzy output feedback assistive controller for a series-elastic-actuator-driven knee exoskeleton

استفاده از عملگرهاي الاستيك سري در ربات­هاي اسكلت خارجي باعث افزايش سطح راحتي در كاربران شده است. در اين مقاله براي يك ربات اسكلت خارجي زانو كه مجهز به يك عملگر الاستيك سري است، كنترلري ارائه و پياده­سازي شده است تا افراد داراي ضعف عضلاني بتوانند با استفاده از اين ربات حركات خود را بازيابي نمايند. هدف اصلي كنترلر ارائه شده اصلاح پاسخ ديناميكي سيستم كوپل انسان-ربات مي­باشد. به عبارت ديگر، كنترلر ارائه شده رابطه بين گشتاور اعمال شده خالص توسط ماهيچه انسان و برآيند حركت زاويه­اي زانو را به گونه­اي تنظيم مي­كند تا ياري­گري موثر ايجاد شود. در اين روش كه مستقل از قصد بيمار است، سنسورهاي كمتري نسبت به ساير روش­ها استفاده شده است. همچنين، ضرايب كمتري براي تنظيم دارد كه اين ضرايب با استفاده از منطق فازي نوع صفر تاكاگي-سوگينو-كانگ محاسبه مي­شوند. عملكرد ربات ساخته شده اس­يو­تي-ني­اگزو (SUT-KneeExo) و كنترلر ارائه شده، بر روي يك فرد ارزيابي شده است. نتايج شبيه­سازي و ارزيابي عملي نشان مي­دهد ربات اسكلت خارجي به خوبي توانسته است دامنه سيگنال­هاي الكترومايوگرافي را كاهش دهد كه به معني ياري­رساني در حين حركت است. همچنين، مقايسه الگوريتم ارائه شده با حالت­هاي غيرياري شده، كنترل ياري­گر بر مبناي شكل­دهي انتگرال ادميتانس و كنترل ياري­گر فيدبك خروجي نشان مي­دهد كه الگوريتم ارائه شده عملكرد بهتري دارد. به عبارت ديگر، در الگوريتم ارائه شده دامنه ادميتانس انتگرالي بيشتر و اختلاف فاز كمتر شده است.

The series elastic actuators make more comfort in the use of assistive exoskeletons. In this paper, an assistive controller is designed for a series-elastic-actuator-driven knee exoskeleton to restore normative mobility of individuals with weak muscles. The main target of the proposed controller is to modify the dynamics performance of the coupled human-exoskeleton system. In other words, the proposed controller modifies the relationship between the net muscle torque exerted by the human and the resulting angular motion. There are fewer sensors in the proposed intent-independent method relative to other methods. Moreover, there are less controller coefficients to regulate where these coefficients are extracted from a type zero Takagi-Sugeno-Kang fuzzy system. The performance of the controller is evaluated by simulations and experiments. The amplitude of the EMG signals decreased in a healthy person worn the SUT-KneeExo. Moreover, the proposed algorithm has a better performance in comparison with integral admittance shaping mothed and output feedback assistive controller. In other words, the amplitude of the integral admittance is more and the phase lag is less than other methods.