بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله استفاده از ترکیب کنترل فازیPD/ به همراه سیگنال ارادی EMG برای کنترل - نیرو-موقعیت - پروتز مصنوعی با یک درجه آزادی که از چهار لینک اصلی تشکیلشده است، پیشنهاد میشود. در ابتدا، مدل دینامیک پروتز دست را که با استفاده از روش نیوتن اویلر بهدستآمده است شرح میدهیم و سپس، به نحوه طراحی ترکیب کنترلکننده PD به همراه منطق فازی و سیگنال EMG و در مرحله بعد به سیگنال EMG و نحوه بکار گیری آن در سیستم کنترلی پروتز میپردازیم. در انتها کنترلکننده پیشنهادی را بهاختصار شرح میدهیم.
سیستم کنترلی شامل دو قسمت است، قسمت اول مربوط به کنترل ارادی و فرآیند تبدیل سیگنال EMG به سیگنال پله هست و قسمت دوم مربوط به کنترل غیرارادی است که شامل دو حلقه است. در حلقه بیرونی - کنترل نیرو - از کنترلکننده PD و در حلقه درونی - کنترل موقعیت - از منطق فازی بهره گرفتهشده است. با استفاده از مدل دینامیک، سیستم را در برنامه متلب شبیهسازی کرده و سیستم کنترلکننده به همراه سیگنالEMG به آن اعمال میشود. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که عملکرد کنترل ترکیبی - نیرو-موقعیت - با کنترل کنندههای منطق فازیPD/EMG/ بسیار فراتر از حد انتظار است.
مقدمه
هر شخصی که عضوی را از دست میدهد با توجه به محدودیتهایی که در طول زندگی با آنها مواجه میشود از پروتز جایگزین انتظارات بالایی همانند عضو زنده ازدستدادخود دارد. گر چه محققان بسیاری در حال حاضر روشهای مختلف کنترل را بر روی انواع پروتزهای دست پیادهسازی کردهاند، اما هنوز به نمونهای بامهارت و چابکی دست انسان نرسیدهاند و متأسفانه فاصله بسیاری با نمونه زنده و طبیعی دارند.
دلیل اصلی این محدودیتها ضعففنّاوری در صنایع مختلف مرتبط . - Carrozza et al, 2005 - هست - Tomovic et al, 1962 - یکی از مهمترین بخشهای طراحی یک پروتز دست، طراحی سیستم کنترلی آن هست که در شرح دادهشده است . پروتز نامبرده قدیمیترین پروتز دست هوشمند می باشد. این پروتز دارای دو سطح کنترلی است؛ یک حلقه کنترلی حرکت و یک حلقه کنترل ساده انطباق پذیر. در اوایل قرن اخیر با توجه به پیشرفتهای علوم مهندسی سیستم های کنترلگر تنها به کنترل موقعیت و سرعت محدود میشد، ولی در سال 1972 پروتز گروم برای اولین بار از سیستم کنترل - . Groome, R.C.T, 1972 - بازخورد نیرو از راه دور بهره گرفت در ابتدا تحقیقات کنترل نیرو برای طراحی روباتهای صنعتی آغاز گردید.
در سال 1981، ری برت و کریگ متد کنترل ترکیبی کلاسیک - موقعیت- نیرو - را پیشنهاد دادند . این روش، کنترل انطباقی را تحقق بخشید که در آن کنترل نیرو و . - Raibert et al, 1981 - موقعیت بروی دو مسیر مجزا طراحیشده بود سیستم کنترل دارای دو حلقه هست. حلقه کنترلی اولیه بر روی رابط بین پروتز و کاربر اعمال میشود بدین ترتیب که سیگنال کنترلی الکترومایوگرافی از سطح پوستی که عضله موردنظر قرار دارد، به شیوهای غیرتهاجمی بهوسیله الکترودهای . - Muzumdar, A, 2004 - سطحی دریافت میشود حلقه کنترلی دوم اغلب بر پایه ی موقعیت/ سرعت و یا بازخورد نیروی دست مصنوعی با توجه به انتظار کاربر اقدام موثری را انجام می دهد تا پروتز ازلحاظ کارایی به عضو اولیه نزدیکتر شود.
هنگامیکه دست مصنوعی جسمی را میگیردمعمولاً، دو وضعیت به وجود میآید: مرحله قبل از گرفتن جسم و مرحلهای در بعد از گرفتن جسم. در مرحله اول دست با شیء موردنظر هیچگونه تماسی ندارد، فاصله بین انگشتان دست و جسم نامشخص هست. معلولان از پروتز انتظار دارند که عمل چنگ زدن را بهسرعت دست طبیعی ازدستداده خود انجام دهد. هنگامیکه دستتقریباً به جسم برخورد میکند ، باید آن را به نرمی لمس کند به جهت اجتناب از وارد شدن ضربهای ناگهانی جسم مورد نظر. در مرحله . - Gaok zhu et al , 2013 - گرفتن جسم جرم آن نیز ناشناخته می باشد.
بدون اعمال نیروی کافی پروتز به شیء باعث لغزیدن آن در دست میشود و در مقابل اعمال نیروی بیشازاندازه ممکن است منجر به آسیب دیدن اشیاء ظریف بشود لذا برای رفع اینگونه از مشکلات، دست مصنوعی نیاز به یک متد کنترلی کارآمد و . - Sciavicco et al, 2000 - سریع دارد استراتژی کنترل ترکیبی مورداستفاده در ساخت پروتزهای زیر ، آینده بسیار روشنی را رقمزده است.
انگبرد پیشنهاد یک کنترل ترکیبی با حلقه کنترلی داخلی نیرو/ سرعت و همچنین یک حلقه کنترل نیرو خارجی موقعیت . - Engeberg et al, 2008 - /سرعت - که با استفاده از یک کنترل مد لغزشی است - را داده است این کنترلکننده برای جلوگیری از اضافه جهش نیروی ناخواسته موثرمی باشد، وی از این پیشنهاد برای رسیدن به نیروی مطلوب درگرفتن و ایجاد حالتی پایدار با حداقل لغزش در زمان گرفتن اجسام بهره برده است.
در این مقاله، یک کنترل نیروی موقعیت ترکیبی پیشنهادشده است برای تحقق بخشیدن به کنترل نیروی دقیق و تقرباًی بدون هیچ اضافه جهش ناخواستهای. سیستم کنترلی ارائهشده برای پروتز با یک درجه آزادی و استفاده از یک ورودی EMG به سیستم کنترل نهتنها موقعیت و سرعت انگشتان دست و انگشت شست را قبل از تماس با جسم کنترل میکند، بلکه نیروی اعمالشده به جسم را بعد از گرفتن جسم کنترل مینماید - . - Li et al,1997
کنترلکننده ترکیبی فازیPD/ - نیرو-موقعیت - به همراه سیگنال ارادی EMG، دارای یک حلقه بازخورد نیرو بیرونی دارد که با استفاده از روش کنترل مشتق نسبی - PD - جهت به حداقل رساندن خطای بین نیروهای واقعی اعمال میشود و همچنین دارای یک حلقه بازخورد موقعیت داخلی است که با استفاده از کنترلکننده فازی - FLC - است که در - Doun et al , 2008 - و - - Li et al,1997 شرح دادهشده است. مدل دینامیک دست مصنوعی متشکل از یک سیستم چهار لینکی به همراه، یک میکرو موتور DC، دوچرخ دنده و یک فنر مجازی است.
از مزایای این پروتز - شکل- - 1 سادگی استفاده برای کاربر، قیمتهای مناسب و نداشتن پیچیدگیهای دستهای مصنوعی با درجات آزادی بالاتر است. در حال حاضر در اکثر دستهای تجاری از یک یا دو کانال EMG استفاده میشود. از یک کانال جهت باز یا بسته نمودن انگشتان و از دیگری جهت چرخاندن مچ دست، اما دلیل استفاده زیادتر از 2 کانال چیست؟
EMG سطح پوست دریافت میشود و حاصل انقباض عضلانی - عمل/ استراحت - سلولهای عصبی عضلانی هست. اگر سیستم از تعداد زیادی سیگنال فوق برای کنترل دست استفاده نماید پیچیدگیهای خاصی در بخش های الکترونیک و کنترل به وجود میآید ازجمله میتوان به دریافت نویز بسیار بالا، بهزحمت افتادن کاربر در منقبض کردن عضلات هدف و همچنین افت پاسخدهی پروتز براثر حجم بالای اطلاعات واردشده به قسمت الکترونیک را اشاره کرد - M.Zecca et .al,2002 -
