Control de Fuerza de Interacción de Precisión de un Exoesqueleto de Pierna de Postura Hidráulico Subactuado Considerando la Restricción del Usuario
Autores: Chen, Shan; Han, Tenghui; Dong, Fangfang; Lu, Lei; Liu, Haijun; Tian, Xiaoqing; Han, Jiang
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Control de Fuerza de Interacción de Precisión de un Exoesqueleto de Pierna de Postura Hidráulico Subactuado Considerando la Restricción del Usuario
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Subcategoría
Diseño de equipos y herramientas
Palabras clave
Hidráulico
Exoesqueletos
Subactuados
Controlador
Sistema
Fuerza
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 20
Citaciones: Sin citaciones
Los exoesqueletos hidráulicos de extremidades inferiores son sistemas robóticos portátiles que pueden ayudar a las personas a transportar cargas pesadas. Recientemente, se han desarrollado en gran número exoesqueletos subactuados con algunas articulaciones pasivas con el propósito de disminuir el peso y el consumo de energía del sistema. Existen muchos algoritmos de control para un exoesqueleto totalmente actuado de múltiples articulaciones, que no pueden aplicarse a sistemas subactuados debido a la reducción en el número de entradas de control. Además, dado que el actuador hidráulico no es una fuente de salida de fuerza deseada, existen no linealidades de alto orden en los exoesqueletos hidráulicos, lo que hace que el diseño del controlador sea más desafiante que en los sistemas de exoesqueletos impulsados por motores. Este documento propone un controlador de fuerza de interacción de precisión para un exoesqueleto de pierna de soporte hidráulico subactuado de 3DOF. Primero, se considera el efecto de control del usuario y se asume que la postura de la parte posterior del exoesqueleto es una trayectoria deseada bajo el control del usuario. Bajo esta suposición, la dinámica del sistema cambia de un sistema subactuado de 3DOF en el espacio de articulaciones a un sistema totalmente actuado de 2DOF en el espacio cartesiano. Luego, se diseña un controlador de fuerza de interacción de tres niveles en el que el controlador de alto nivel realiza la inferencia de la intención de movimiento humano, el controlador de nivel medio rastrea el movimiento humano y el controlador de bajo nivel logra el seguimiento de la fuerza de salida de los cilindros hidráulicos. Se aplica el algoritmo de control robusto adaptativo MIMO en el diseño del controlador para abordar de manera efectiva las no linealidades de alto orden del sistema hidráulico, los acoplamientos de múltiples articulaciones y diversas incertidumbres del modelo. También se proporciona un método de ajuste de ganancia para facilitar la selección de las ganancias del controlador para los ingenieros. Se realizan simulaciones comparativas, que demuestran que se pueden minimizar los componentes principales de la fuerza de interacción humano-máquina y que se puede lograr un buen rendimiento robusto ante cambios de carga y errores de modelado.
Descripción
Los exoesqueletos hidráulicos de extremidades inferiores son sistemas robóticos portátiles que pueden ayudar a las personas a transportar cargas pesadas. Recientemente, se han desarrollado en gran número exoesqueletos subactuados con algunas articulaciones pasivas con el propósito de disminuir el peso y el consumo de energía del sistema. Existen muchos algoritmos de control para un exoesqueleto totalmente actuado de múltiples articulaciones, que no pueden aplicarse a sistemas subactuados debido a la reducción en el número de entradas de control. Además, dado que el actuador hidráulico no es una fuente de salida de fuerza deseada, existen no linealidades de alto orden en los exoesqueletos hidráulicos, lo que hace que el diseño del controlador sea más desafiante que en los sistemas de exoesqueletos impulsados por motores. Este documento propone un controlador de fuerza de interacción de precisión para un exoesqueleto de pierna de soporte hidráulico subactuado de 3DOF. Primero, se considera el efecto de control del usuario y se asume que la postura de la parte posterior del exoesqueleto es una trayectoria deseada bajo el control del usuario. Bajo esta suposición, la dinámica del sistema cambia de un sistema subactuado de 3DOF en el espacio de articulaciones a un sistema totalmente actuado de 2DOF en el espacio cartesiano. Luego, se diseña un controlador de fuerza de interacción de tres niveles en el que el controlador de alto nivel realiza la inferencia de la intención de movimiento humano, el controlador de nivel medio rastrea el movimiento humano y el controlador de bajo nivel logra el seguimiento de la fuerza de salida de los cilindros hidráulicos. Se aplica el algoritmo de control robusto adaptativo MIMO en el diseño del controlador para abordar de manera efectiva las no linealidades de alto orden del sistema hidráulico, los acoplamientos de múltiples articulaciones y diversas incertidumbres del modelo. También se proporciona un método de ajuste de ganancia para facilitar la selección de las ganancias del controlador para los ingenieros. Se realizan simulaciones comparativas, que demuestran que se pueden minimizar los componentes principales de la fuerza de interacción humano-máquina y que se puede lograr un buen rendimiento robusto ante cambios de carga y errores de modelado.