تحليل پايداري كنترل ادميتانس سيستم سرونيوماتيك توانبخش پا

Admittance Control Stability Analysis of a Lower Limb Rehabilitation Servo-Pneumatic System

در اين پژوهش، به منظور توانبخشي عضو حركتي پا، يك سيستم سرونيوماتيك مجهز به سيلندر دوطرفه قرار داده شده به صورت عمودي و كنترل شونده با شيرهاي قطع/وصل ساخته شده است. به دليل متفاوت بودن شرايط فيزيكي و درجه معلوليت بيماران و تغييرات ساير پارامترهاي ديناميك سيستم، استراتژي كنترل ادميتانس براي سازگار نمودن تعامل عملگر با كاربر به كار گرفته مي‌شود. به منظور تحليل پايداري مجموعه، مدل خطي و تابع تبديل پيوسته سيستم ارايه مي‌گردد. به دليل وجود توابع تبديل نمايي در تابع تبديل پيوسته سيستم، تبديلات لازم جهت حصول به تابع تبديل حلقه بسته گسسته صورت مي‌گيرد. از اين طريق، تعيين محدوده عملكرد پايدار پارامترهاي كنترل ادميتانس نسبت به تغييرات ساير پارامترهاي ديناميكي مجموعه به روش تحليل مكان هندسي قطب‌هاي سيستم حلقه بسته گسسته امكان‌پذير مي‌شود. اين پارامترهاي ديناميكي شامل جرم، ميرايي و سفتي معادل عملگر و امپدانس پا و همچنين بهره‌هاي تناسبي و مشتقي كنترلر موقعيت حلقه داخلي مي‌باشند. تطابق مناسبي بين مرزها و محدوده‌هاي عملكرد پايدار سيستم در مقايسه نتايج تحليلي و تجربي حاصل از آزمايشات مشاهده مي‌گردد. نتايج تحليلي براي تنظيم پارامترهاي ادميتانسي و ساير پارامترهاي ديناميك سيستم به منظور عملكرد نرم و پايدار حين فرآيند توانبخشي قابل بكارگيري است.

In this study, a vertically placed double-acting pneumatic cylinder controlled by two On/Off solenoid valves is applied for the purpose of the lower limb rehabilitation. Because of the different physical conditions and degrees of disability of patients and changes of the system dynamic parameters, admittance control strategy is used to compliantly interact between users and actuator. To analyze the stability, a linear model of the servo-pneumatic system is developed and its continuous transfer function is derived. Due to the exponential functions in the continuous transfer function of the system, the necessary transformations are used to achieve the discrete closed-loop transfer function of the system. In this way, the determination of the stable performance boundaries of the admittance control parameters related to changes in other dynamic parameters of the system is possible by root locus analysis of the discrete closed-loop system. These dynamics parameters include equivalent mass, damping and stiffness of the actuator and leg impedance and the proportional and differential gains of the inner loop position controller. Good correspondence is observed between the analytical and experimental stability limits of the system. Analytical results for appropriate choice of the admittance control and other dynamic parameters of the servo-pneumatic system are applicable to obtain smooth and stable performance during the rehabilitation process.