بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق یک مدل منیپولاتور سه درجه آزادی به عنوان ابزاری جدید در زمینه توانبخشی بالاتنه، با هدف ایجاد بیشترین تطابق با عملکرد دست انسان جهت امور درمان و توانبخشی معرفی می شود. استفاده از کنترل کننده مد لغزشی با تعریف سطح لغزش به صورت فازی جهت دستیابی به دقت و توان کنترلی مطلوب و استفاده از فیدبک خروجی با همگرایی به سمت سطح لغزش فازی در هنگام مواجه با عدم قطعیت ها و کاربری های متفاوت و همچنین اغتشاشات خارجی، پایداری سیستم را تضمین می کند.
از مشکلات اساسی در کنترل مد لغزشی، نوسانات ناخواسته در اطراف سطح لغزش یا چترینگ می باشد، منطق فازی برای ایجاد لایه مرزی متغیر غیر خطی در همسایگی سطح لغزش جهت مقابله با پدیده چترینگ و با حفظ هرچه بیشتر دقت استفاده می گردد، جهت بررسی پایداری سیستم، سیگنال عدم قطعیت و نویز خارجی به سیستم اضافه می گردد. موقعیت حرکت لینک های ربات توسط کنترل کننده ردیابی گشته و گشتاور کنترلی مناسب جهت حرکت با توجه به موقعیت مطلوب مرجع به دینامیک سیستم اعمال می گردد، همچنین در بلوک سینماتیک موقعیت عملگر نهایی مورد بررسی قرار می گیرد.
نتایج شبیه سازی نشان می دهد سیگنال موقعیت خروجی به درستی سیگنال موقعیت مرجع را در هر سه لینک ردیابی کرده و سرعت عملکردی مناسبی با حفظ دقت را دارا می باشد، همچنین بررسی موقعیت عملگر نهایی نشان می دهد که سیستم نقاط مطلوب مورد نظر در فضای سه بعدی را ردیابی کرده است، توان مصرفی ربات با رفع پدیده چترینگ و کاهش گشتاور مورد نیاز کاهش می یابد و ایمنی ذاتی ربات را افزایش می دهد، همچنین در برابر اعمال نویز و عدم قطعیت ها به ورودی دقت و پایداری بسیار مناسبی از خود نشان می دهد.
.1 مقدمه
افزایش کمی و کیفی ارتباط انسان و ربات موجب ساخت و ورود دستگاه های جدید در حوزه توانبخشی شده است.کاربرد کنترل کننده ها در ربات های پزشکی، بحثی گسترده و دارای حساسیت های بسیار به دلیل حیطه کاری و ارتباط مستقیم با سلامت انسان ها دارد، تعداد افراد مسن ، دارای ناتوانی فیزیکی رو به افزایش می باشد. از جمله آن ها می توان به افرادی اشاره کرده که دچار کاهش یا عدم عملکرد در کتف و آرنج که به دلایل مختلفی مانند؛ تصادفات، آسیب های ورزشی، جراحی ستون فقرات و یا سکته ایجاد میشوند، در نتیجه ساخت تجهیزات توانبخشی بسیار مورد توجه دولت ها و شرکت های فعال در حوزه سلامت قرار گرفته است
هدف از طراحی سیستم کنترل کننده ربات، کمک به دست بیماران و افرادی است که دست آنها در حرکت مفصل آرنج و شانه - کتف - دچار ناتوانی شده و گشتاورحرکتی منیپولاتور این سیستم رباتیک پوششی در حد چندین درجه است. سیگنال مرجع حرکتی به سیستم ربات می تواند توسط رایانه با حالت های خاص حرکتی جهت درمان باشد یا از طریق سیگنال الکترومایوگرام و پردازش آن توسط سیستم های پردازش سیگنال و دادن سیگنال ورودی مناسب به سیستم کنترل بدست آید، این عمل باعث تحریک اعصاب و جلوگیری از تنبل شدن عضلات درگیر و به مرور زمان افزایش بازه حرکتی آرنج و مچ میشود
در نظریه کنترل کلاسیک، اکثر مسایل کنترل اتوماتیک با استفاده از ابزار ریاضی و براساس مدل سیستم حل می شوند. اما در واقعیت با توجه به تکنولوژی پیشرفته پزشکی، بسیاری از فرآیندهای پیچیده صنعتی وجود دارند که یافتن مدلی برای آنها به آسانی حاصل نمی شوند، از این رو طراحی یک کنترل کننده که براساس مدل سیستم برای اینکونه سیستم ها عمل می کند، امری تقریبا غیر عملی است .[3] هوشمند سازی کنترل کننده با روش هایی نظیر کنترل کننده مقاوم مد لغزشی فازی، به عنوان روش جایگزین برای راهکارهای کنترل کلاسیک مورد توجه قرار گرفته است.
در این تحقیق بر روی یک بازوی ربات توانبخشی از مدل های موجود و ارتقا دقت و پایداری آن با استفاده از جایگزینی کنترل کننده های مقاوم مد لغزشی با سطح لغزش بدست آمده از روش فازی و رفع پدیده چترینگ با استفاده از منطق فازی با کنترل کننده های کلاسیک موجود انجام می گردد، و نتایج حاصله نظیر بهبود دقت ردیابی، پایداری در برابر نویز و عدم قطعیت ها و عملکرد محاسباتی بهتر را از طریقه شبیه سازی توسط نرم افزار متلب بدست می آید و مورد بحث و ارزیابی قرار می گیرد .
.2 مدل سازی ربات توانبخشی بالا تنه
همانطور که در شکل - 1 - قابل مشاهده می باشد اندام فوقانی از اسکلت، ماهیچه، اعصاب، پوست و غیره تشکیل شده است که شامل، کتف، بازوخاص ره، اولنا، استخوان مچ دست، استخوان متاکارپ و بند می شود. اندام فوقانی انسان دارای هفت درجه آزادی است که سه درجه آن در شانه، دو درجه در آرنج و دو درجه در مچ دست می باشد.
شکل - 1 شماتیک دست انسان [5]
مدل در نظر گرفته شده منیپولاتور بازوی ربات بالا تنه توانبخشی طبق شکل - 2 - دارای سه لینک جهت حرکت و نگهداری شانه تا آرنج و آرنج تا مفصل مچ دست و خود مچ دست می باشد و سه جوینت در ناحیه شانه، آرنج و مچ دست می باشد که به صورت آزادانه در فضای سه بعدی حرکت می کند .
شکل - 2 ساختار سه درجه آزادی منیپولاتور بازوی انسا
مطابق شکل - 3 - اگر ما مختصات عملگر نهایی منیپولاتور را براساس زاویه مفاصل مشخص کنیم، این به معنای سینماتیک مستقیم است. سینماتیک مستقیم مفصل سه درجه آزادی به صورت رابطه - 1 - تفسیر می شود.
شکل-3 سینماتیک مستقیم منیپولاتور ربات توانبخشی
3[ - O2×&RV 2 + O3×&RV - 2+ 3 - - ×Sin 1
3\ - O2×&RV 2 + O3×&RV - 2+ 3 - - ×&RV 1 3] O2×6LQ 2 + O3×6LQ - 2+ 3 - +O1
که در آن متغیر l طول لینک بر حسب متر و متغیر های Px , Py, Pz موقعیت نقطه عملگر نهایی را در فضای سه بعدی نشان می دهد.
دینامیک ربات تحقیق رابطه بین جوینت ها می باشد، گشتاور / نیروی اعمال شده توسط محرک ها و موقعیت، سرعت و شتاب ربات بازو با توجه به زمان می باشد. دینامیک منیپولاتور ربات پیچیده و غیر خطی است و کنترل دقیق آن دشوار استو
