Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi

Öz

İnsan alt uzuv eklemleri biyomekaniği literatür çalışmalarına göre ayak bileği kas-iskelet sistemi yürüme esnasında sürekli olarak eklem sertliğini değiştirmektedir. İnsan bileği ekleminin bu biyomekanik davranışından esinlenilerek, VS-AnkleExo (Variable Stiffness Ankle Exoskeleton) isimli değişken sertliğe sahip bir eyleyici ile tahrik edilen ayak bileği dış iskelet robot tasarımı ortaya koyulmuştur. Sertliği değiştirilebilir bir bilek eklemi tasarımı ile esnek, güvenli ve biyomimetik bir hareket kabiliyeti sağlamasına karşın dış etkiler altında kararlı ve hassas pozisyon takibinin zorluğu bu tür yumuşak eyleyicilerin en büyük problemidir. Bu makalede, VS-AnkleExo üzerinde geleneksel Oransal İntegral Türev (Proportional Derivative Integral – PID ) kontrol yönteminin ve bulanık mantık teorisinin farklı tiplerde kombine edilmesi ile oluşturulan karma kontrolcülerin pozisyon takip performansı ve dış bozuculara karşı duyarlılıkları deneysel olarak değerlendirilmiştir. VS-AnkleExo rehabilitasyon ve yürüme yardımı gibi uygulamalar için kullanılacaktır. Bu uygulamalarda ise genellikle pozisyon takibine dayanan tekrarlı hareket egzersizleri kullanılmaktadır. Bu kapsamda, çalışmada ilk olarak bozucu etkiler olmadan farklı referanslar için geleneksel PID, Bulanık PD, Bulanık PD+I, Bulanık PD+PID ve ZTS (Z, T ve S tip üyelik fonksiyonlu) Bulanık PD kontrolcülerin pozisyon takip performansı değerlendirilmiştir. Çalışmanın devamında ise, bozucu kuvvetler karşısında önerilen kontrolcülerin duyarlılığını test etmek için bozuculu basamak ve sinüs eğrisi cevap deneyleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen deney sonuçları, diğer kontrolcülere göre Bulanık PD+PID kontrolcünün pozisyon izleme hatalarını daha etkili azaltabildiğini ve dışarıdan uygulanan bozuculara karşı daha sağlam olduğunu göstermiştir. Ayrıca, pozisyon takibi deneyleri kapsamında, en başarılı olan Bulanık PD+PID kontrolcü kullanılarak, gerçek insana ait bilek eklemi pozisyon verileri ile bir deney daha gerçekleştirilmiş ve VS-AnkleExo robotun Bulanık PD+PID kontrolcü ile birlikte gerçek insan verilerine dayalı hareket egzersizleri çalışmalarında kullanılabileceği gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Ayak bileği dış iskelet robot,Sertliği değiştirilebilir eyleyici,Karma Bulanık PD+PID kontrolcü,Pozisyon takibi kontrolü

Kaynakça

1. [1] Kazerooni H., Steger R. ve Huang L., “Hybrid control of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX)”, The International Journal of Robotics Research, 25(5-6), 561-573, 2006.
2. [2] Neuhaus P.D., Noorden J.H., Craig T.J., Torres T., Kirschbaum J. ve Pratt J.E., “Design and evaluation of Mina: A robotic orthosis for paraplegics”, In Rehabilitation Robotics (ICORR), 2011 IEEE International Conference on (pp. 1-8), 2011.
3. [3] Suzuki K., Mito G., Kawamoto H., Hasegawa Y. ve Sankai Y., “Intention-based walking support for paraplegia patients with Robot Suit HAL”, Advanced Robotics, 21(12), 1441-1469, 2007.
4. [4] Veneman J.F., Kruidhof R., Hekman E.E., Ekkelenkamp R., Van Asseldonk E.H. ve Van Der Kooij H., “Design and evaluation of the LOPES exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation”, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 15(3), 379-386, 2007.
5. [5] Van Ham R., Sugar T.G., Vanderborght B., Hollander K.W. ve Lefeber D., “Compliant actuator designs”, IEEE Robotics & Automation Magazine, 16(3), 2009.
6. [6] Migliore S.A., Brown E.A. ve DeWeerth S.P., “Biologically inspired joint stiffness control”, In Robotics and Automation, Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on (pp. 4508-4513), 2005.
7. [7] Wang S., Wang L., Meijneke C., Van Asseldonk E., Hoellinger T., Cheron G. ve Tamburella F., “Design and control of the MINDWALKER exoskeleton”, IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering, 23(2), 277-286, 2015.
8. [8] Kwa H.K., Noorden J.H., Missel M., Craig T., Pratt J.E. ve Neuhaus P.D., “Development of the IHMC mobility assist exoskeleton”, In Robotics and Automation, IEEE International Conference on pp. 2556-2562, 2009.

9. [9] Pratt J.E., Krupp B.T., Morse C.J. ve Collins S.H., “The RoboKnee: an exoskeleton for enhancing strength and endurance during walking”, IEEE international conference on robotics and automation, proceedings, vol. 3, pp 2430–2435, 2004.
10. [10] Cestari M., Sanz-Merodio D., Arevalo J.C., ve Garcia E., “ARES, a variable stiffness actuator with embedded force sensor for the ATLAS exoskeleton”, Industrial Robot: An International Journal, 41(6), 518-526, 2014.
11. [11] Cestari M., Sanz-Merodio D., Arevalo J. C., ve Garcia E., “An adjustable compliant joint for lower-limb exoskeletons”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 20(2), 889-898, 2015.
12. [12] Zhu J., Wang Y., Jiang J., Sun B. ve Cao H., “Unidirectional variable stiffness hydraulic actuator for load-carrying knee exoskeleton”, International Journal of Advanced Robotic Systems, 14(1), 1729881416686955, 2017.
13. [13] Vanderborght B., Tsagarakis N. G., Semini C., Van Ham R. ve Caldwell D.G., “MACCEPA 2.0: Adjustable compliant actuator with stiffening characteristic for energy efficient hopping”, In Robotics and Automation, 2009. ICRA'09. IEEE International Conference on (pp. 544-549). IEEE, 2009.
14. [14] Jafari A., Tsagarakis N. G., Sardellitti I., ve Caldwell D.G., “A new actuator with adjustable stiffness based on a variable ratio lever mechanism”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 19(1), 55-63, 2014.
15. [15] Liu L., Leonhardt S. ve Misgel B.J., “Design and control of a mechanical rotary variable impedance actuator”, Mechatronics, 39, 226-236, 2016.
16. [16] Sun J., Zhang Y., Zhang C., Guo Z. ve Xiao X., “Mechanical design of a compact Serial Variable Stiffness Actuator (SVSA) based on lever mechanism”, In Robotics and Automation (ICRA), 2017 IEEE International Conference on (pp. 33-38). IEEE, 2017.
17. [17] Tsagarakis N.G., Sardellitti I., ve Caldwell D. G., “A new variable stiffness actuator (CompAct-VSA): Design and modelling”, In Intelligent Robots and Systems (IROS), 2011 IEEE/RSJ International Conference on (pp. 378-383). IEEE, 2011.
18. [18] Dežman M., ve Gams A. “Rotatable cam-based variable-ratio lever compliant actuator for wearable devices”, Mechanism and Machine Theory, 130, 508-522, 2018.
19. [19] Wolf S., ve Hirzinger G., “A new variable stiffness design: Matching requirements of the next robot generation”, In Robotics and Automation, IEEE International Conference on (pp. 1741-1746), 2008.
20. [20] Baser O. ve Kizilhan H., “Mechanical design and preliminary tests of VS-AnkleExo”, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 40(442), 1-16, 2018.
21. [21] Sun J., Guo Z., Sun D., He S., ve Xiao X., “Design, modeling and control of a novel compact, energy-efficient, and rotational serial variable stiffness actuator (SVSA-II)”, Mechanism and Machine Theory, 130, 123-136, 2018.
22. [22] Schiavi R., Grioli G., Sen S. ve Bicchi A., “VSA-II: A novel prototype of variable stiffness actuator for safe and performing robots interacting with humans”, In Robotics and Automation, 2008, IEEE International Conference on (pp. 2171-2176), 2008.
23. [23] Kim B.S. ve Song J.B., “Design and Control of a Variable Stiffness Actuator Based on Adjustable Moment Arm”, IEEE Trans. Robotics, 28(5), 1145-1151, 2012.
24. [24] Zhang C., Liu G., Li C., Zhao J., Yu H. ve Zhu Y., “Development of a lower limb rehabilitation exoskeleton based on real-time gait detection and gait tracking”, Advances in Mechanical Engineering, 8(1), 1687814015627982, 2016.
25. [25] Madani T., Daachi B. ve Djouani K., “Non-singular terminal sliding mode controller: Application to an actuated exoskeleton”, Mechatronics, 33, 136-145, 2016.
26. [26] Cao F., Li C. ve Li Y., “Robust sliding mode adaptive control for lower extremity exoskeleton”, In Chinese Automation Congress (CAC), 2015 (pp. 400-405), 2015.
27. [27] Guo Z., Pan Y., Sun T., Zhang Y. ve Xiao X., “Adaptive neural network control of serial variable stiffness actuators”, Complexity, 2017.
28. [28] Shi P., Lei C., Zhang Y., Wang Y. ve Wang F., “PID control of the mechanical legs based on fuzzy adaptive”, In Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER), 2015 IEEE International Conference on (pp. 1965-1970), 2015.
29. [29] Khosla A., Leena G. ve Soni M.K., “Performance evaluation of various control techniques for inverted pendulum”, Performance Evaluation, 3(4), 1096-1102, 2013.
30. [30] Shamaei K., Sawicki G.S. ve Dollar A.M., “Estimation of quasi-stiffness and propulsive work of the human ankle in the stance phase of walking”, PloS one 2013, 8(3), e59935, 2013.
31. [31] Kizilhan H., Baser O., Kilic E. ve Ulusoy N., “Comparison of controllable transmission ratio type variable stiffness actuator with antagonistic and pre-tension type actuators for the joints exoskeleton robots”, In 12th international conference on informatics in control, automation and robotics (ICINCO), vol. 2, pp 188–195, 2015.
32. [32] Pan D., Gao F., Miao Y. ve Cao R., “Co-simulation research of a novel exoskeleton-human robot system on humanoid gaits with fuzzy-PID/PID algorithms”, Advances in Engineering Software, 79, 36-46, 2015.
33. [33] Bovi G., Rabuffetti M., Mazzoleni P. and Ferrarin M., “A multiple-task gait analysis approach: kinematic, kinetic and EMG reference data for healthy young and adult subjects”, Gait & posture, 33(1), 6-13, 2011.