بخشی از مقاله
چکیده
پژوهش حاضر به بررسی کنترل ارتوز مفصل زانو میپردازد که برای اهداف توانبخشی و کمک رسانی مورد استفاده قرار می- گیرد. کار بر روی یک مدل یکپارچه ساق پای انسان و ارتوزانجام خواهد شد. جهت کاهش تاثیر عدم قطعیت در مدل سازی گشتاور عضلانی بر روی کنترل سیستم، یک رویکرد کنترل مود لغزشی ترمینال مقاوم همراه با مشاهدهگر غیرخطی ارائه شده است. جهت نشان دادن اثربخشیِ این روش کنترل پیشنهاد شده، مقایسهای با دو روش کنترلی، یعنی حالت لغزشیِ پایه و مود لغزشی با مشاهده گر غیرخطی نیز ارائه شده استپایداریِ. مجانبیِ رویکردهای ارائه شده و همگراییِ مشاهده گر، با استفاده از معیار پایداری لیاپانوف اثبات خواهد شد.
علاوه بر این، اثبات مزیت روش کنترل مود لغزشی ترمینال مقاوم با مشاهده گر غیرخطی - بهبود دقت ردیابی و کاهش زمان مورد نیاز برای از بین بردن اغتشاشات خارجی - نیز پیشنهاد شده است. نتایج شبیه سازیها و بررسیها نشان میدهد که رویکرد کنترل مود لغزشی ترمینال مقاوم همراه با مشاهده گر غیرخطی دارای عملکرد مطلوبتری در ردیابی موقعیت و استحکام موقعیت مربوط به خطاهای شناسایی مدل سازی و اغتشاشات خارجی می- باشد.
-1مقدمه
رباتهای توانبخشی مکانیزم های پوششی با ساختاری مشابه اندامهای انسان هستند که قادر به دنبال کردن حرکات شخص استفاده-کننده میباشد. در اکثر کاربردها رباتهای توانبخشی برای ایجاد نیرویی که به کاربر برای انجام کارهای مختلف کمک میکند طراحی می شوند. در حال حاضر انواع مختلف رباتهای توانبخشی اندامهای تحتانی به عنوان ابزاری برای توانبخشی در راه رفتن و کمک به حرکت بیماران در حال توسعهاند.
رباتهای توانبخشی همچنین برای فیزیوتراپی و توانبخشی عصبی طراحی میشوند.[1] دستهی دیگری از رباتهای توانبخشی نیز به نام اگزواسکلتالهای پوششی خود مختار برای افزایش نیروی انسان شکل گرفته اند. بیشترین کاربرد این سری از رباتها افزایش توانایی حمل بار کاربر است.[2] همچنین این ماشینها میتوانندخستگی ناشی ازحمل بار را کاهش دهند. هدف کلی در طراحی رباتهای توانبخشیی تحتانی باید بازتوانی قدرت عضلانی باشد. البته مسلمأ توابع هدف دیگر برای رباتهای توانبخشی نیزمثل اصلاح الگوی راه رفتن نیز مطرح شده است. اگرچه بررسی های اخیر نشان میدهند که تعداد کمی از رباتهای موجود توانایی تحقق این اهداف را دارند.[4,3]
در اکثر موارد دستگاه ها نیروی مخالفی در برابرحرکت ایجاد میکنند. نکته قابل ملاحظه در ساخت سیستم توانبخش پنوماتیکی زانو - - AFO کاهش 10درصدی انرژی مصرفی در راه رفتن بوده است. هدف دیگری که تا کنون در طراحی رباتهای توانبخشی در نظر گرفته شده بهبود چابکی حرکت زانوی کاربر است. در مورد راه رفتن سطحی چابکی را میتوان بیشترین سرعتی که شخص میتواند به راحتی حرکت کند تعریف کرد. در حال حاضر افزایش چابکی به چالش مهمی بدل شده است زیرا به دلیل وجود امپدانس - مجموع اثرات جرم مکانیزم، اصطکاک و وزن - در رباتهای توانبخشی باعث افزایش انرژیمصرفی و کم کردن سرعت راه رفتن بدل شده است.[5] به طور کلی در راه اندازی و کنترل رباتهای توانبخشی به دو اصل باید توجه داشت:
1. ساختن مکانیزمی راحت برای استفاده کاربر
2. ایجاد نیروهای لازم برای رسیدن به هدف
کنترل کننده مد لغزشی از جمله کنترلکنندههای غیر خطی است که میتواند سیستم را در حضور نامعینیهای ساختاری و یا غیر ساختاری بطور مطلوبی کنترل کند.[6] این نوع کنترل کننده بوسیله یک قانون کنترل با سرعت سوئیچ بالا بین دو ساختار کنترل، متغیرهای حالت سیستم را در یک سطح مشخص به نام سطح لغزش قرار خواهد داد. این سطح بهگونه ای تعریف میشود که همواره با سوق دادن حالات سیستم به سمت آن بتوان اهداف مورد نظر کنترل را بر آورده ساخت.
در این روش معمولاً قانون کنترل از دو قسمت مجزا تشکیل میشود. قسمت اول حالات سیستم را به سمت سطح لغزش سوق داده و قسمت دیگر وظیفه نگه داشتن حالات را بر روی سطح لغزشی بر عهده دارد. در این پژوهش به شبیهسازی یک ربات توانبخشی زانو برای توانبخشی بیماران پرداخته خواهد شد، که با در نظرگرفتن مقدار نیروی وارد شده به وسیله بیمار بقیه گشتاور لازم برای مسیر حرکت مطلوب را به پای بیمار وارد می کند. یک کنترلکننده غیرخطی مود لغزشی نیز برای مقابله با عدم قطعیتهای موجود و دستیابی به ردگیری مناسب مسیر حرکت زانوی بیمار طراحی شده است.
-2مدلسازی سیستم
شکل - 2-3 - نشان دهنده فردی بیمار است که ارتوز رباتیک با حرکتِ آزادانهی ساق پا در اطراف مفصل زانو پوشیده است. این سیستم به منظور انجام دادن حرکت خمش و کشش مفصل زانوی انسان طراحی شده است. ارتوز رباتیک متشکل از دو بخش است که به طور جداگانه به ران و ساق پا متصل شده است. این ربات توسط بستهای مناسب به پایِ فرد بیمار ثابت میشود. ارتوز رباتیک دارای یک درجه آزادی در مفصل زانو است که توسط راهانداز و عضلات ران انسان، هدایت میشود.
