Impedance Controller Design and Dynamic Solution of The Manipulandum

Bu makale, insanın üst koluyla etkileşime giren manipulandumun dinamik çözümünü, kontrolcü tasarımını, model simülasyonunu ve simülasyon sonuçlarını açıklamaktadır. Bu alandaki manipulandum tasarımı, insanın motor öğrenme becerilerini anlamak için insan-makine etkileşimi deneylerinde kullanılmaktadır. Tıp alanında deney konusu ele alınırken, uygun manipulandum tasarımı mühendislik alanının konusudur. Bu makalede cihazın mühendislik özellikleri değerlendirilmiş, matematiksel modeli elde edilmiş, dinamik model simülasyonu yapılmış ve kontrol elemanları incelenmiş ancak bu cihazın tıp bilimine hizmet eden deneysel kullanımı bu bağlamda ele alınmamıştır. Yapılan literatür taramasında; Genelde mnipulandumların 2 serbestlik dereceli, 5 link kapalı zincir yapıda olduğu, yatay düzlemde hareket ettiği, bu hareketinin 2 adet aktüatör ile sağlandığı, insanın üst kolu ile etkileşiminin 2. link sonunda sabit bir joystick (uç efektör) ile sağlandığı, insan koluyla güvenli etkileşime girebilecek büyüklükte olması gerektiği anlaşılmaktadır. Manipulandum için konsept tasarım yapılmış ve buna göre kinematik model oluşturularak manipulandumun hareket parametreleri elde edilmiştir. Sistemin dinamik modeli oluşturulurken; Manipulandumun yatay düzlemde hareket ettiği, dolayısıyla yer çekimi etkisinin olmadığı, sistemde yay, damper veya benzeri potansiyel enerji kaynağının bulunmadığı, sürtünmeden dolayı ısı kaybının olduğu kabul edilmiştir. Euler Lagrange Metodu (ELM) ile elde edilen dinamik model, Simulink ortamında Simulink Simscape Multibody (SSM) ile elde edilen sistem modeli ile karşılaştırılmış; Model parametrelerinin (sürtünme katsayıları, eylemsizlik momenti vb.) tutarlılığı karşılıklı olarak kontrol edilmiştir. İnsan-manipulandum etkileşimi kuvvet kontrolü gerektirdiğinden, sistem dinamiğinin kontrolü için klasik kontrolcüler yerine bir empedans kontrolcüsü tasarlanmıştır. Kontrolörcünün hem ELM dinamik modeli hem de SSM'de oluşturulan model üzerindeki başarısı incelenerek sonuçlar değerlendirilmiştir. Simülasyonlar sonucunda; Anlamlı bir konum ve kuvvet kontrolü elde edebilmek için eyleyicilerin modele uyguladığı torklar ile uç efektöre uygulanan kuvvet arasında orantılı bir büyüklük ilişkisi olması gerektiği anlaşılmaktadır.

This article explains the dynamic solution of the manipulandum that interact with the human upper arm, controller design, model simulation and simulation results. Manipulandum design in this field are used in human-machine interaction experiments to understand human motor learning skills. While the subject of experiments is handled in the field of medicine, appropriate manipulandum design is the subject of the engineering field. In this article, the engineering qualities of the device were evaluated, its mathematical model obtained, dynamic model simulation made and control elements were examined, but the experimental use of this device, which is serve medical science were not discussed in this context. In the literature review; The manipulandum have a 2-dof, 5-link closed chain structure that moves in the horizontal plane, their movement is provided by 2 actuators, their interaction with the human upper arm is made with a fixed joystick (end-effector) on the 2nd link, their dimensions are smooth and compatible with the human upper arm. It is understood that the manipulandum must be of a size that can safely interact with the human arm. A conceptual design was made for the manipulandum and the movement parameters of the manipulandum were obtained by creating a kinematic model accordingly. While creating the dynamic model of the system; It is accepted that the manipulandum moves in the horizontal plane, therefore there is no effect of gravity, there is no spring, damper or similar potential energy source in the system, and there is heat loss due to friction. The dynamic model obtained with the Euler Lagrange Method (ELM) was compared with the system model obtained with the Simulink Simscape Multibody (SSM) tool in the Simulink environment; The consistency of model parameters (friction coefficients, moment of inertia, etc.) was mutually checked. Since human-manipulandum interaction requires force control, an impedance controller has been designed for the system dynamics, instead of classical controllers. The success of the controller on both the ELM dynamic model and the model created in SSM was examined and the results were evaluated. As a result of the simulations; It is understood that in order to achieve meaningful position and force control, there must be a proportional magnitude relationship between the torques applied to the model by the actuators and the force applied to the end-effector.