Control de Trayectoria en Dinámicas de Acoplamiento No Lineales en Tiempo Discreto de un Exo-Dedo Blando y un Dedo Humano Usando Linealización de Retroalimentación de Entrada-Salida
Autores: Alam, Umme Kawsar; Shedd, Kassidy; Haghshenas-Jaryani, Mahdi
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Control de Trayectoria en Dinámicas de Acoplamiento No Lineales en Tiempo Discreto de un Exo-Dedo Blando y un Dedo Humano Usando Linealización de Retroalimentación de Entrada-Salida
Categoría
Procesos industriales
Subcategoría
Automatización industrial
Palabras clave
Algoritmo de control
Exo-dedo robótico suave
Dedo humano
Controlador basado en modelos
Presión de actuación
Pruebas experimentales
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 26
Citaciones: Sin citaciones
Este documento presenta un algoritmo de control basado en un modelo cuasi-estático para controlar el movimiento de un exo-dedo robótico blando con tres articulaciones de actuación independientes que interactúan físicamente con el dedo humano. Se desarrolló un modelo analítico cuasi-estático de la interacción física entre el exo-dedo blando y un modelo de dedo humano. Luego, el modelo se presentó como una representación en espacio de estados de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) en tiempo discreto no lineal para el diseño del sistema de control. Se utilizó la linealización de retroalimentación entrada-salida y se diseñó una entrada de control para linealizar la entrada-salida, donde la entrada es la presión de actuación de un actuador blando individual y la salida es la postura de la yema del dedo humano. Se discute la estabilidad asintótica del sistema no lineal en tiempo discreto para el control de seguimiento de trayectorias. Se utilizó un dedo de exoesqueleto robótico blando (exo-dedo) y un modelo de dedo humano impreso en 3D integrado con sensores IMU para el montaje experimental. Se desarrolló un hardware de control electro-neumático basado en Arduino para controlar la presión de actuación del exo-dedo blando. La efectividad del controlador se examinó a través de estudios de simulación y pruebas experimentales para seguir diferentes trayectorias de postura correspondientes a la postura del dedo humano durante las actividades de la vida diaria. El controlador basado en el modelo pudo seguir las trayectorias deseadas con un error cuadrático medio promedio muy bajo de 2.27 mm en la dirección x, 2.75 mm en la dirección y y 3.90 grados en la orientación del eslabón distal del dedo humano alrededor del eje z.
Descripción
Este documento presenta un algoritmo de control basado en un modelo cuasi-estático para controlar el movimiento de un exo-dedo robótico blando con tres articulaciones de actuación independientes que interactúan físicamente con el dedo humano. Se desarrolló un modelo analítico cuasi-estático de la interacción física entre el exo-dedo blando y un modelo de dedo humano. Luego, el modelo se presentó como una representación en espacio de estados de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) en tiempo discreto no lineal para el diseño del sistema de control. Se utilizó la linealización de retroalimentación entrada-salida y se diseñó una entrada de control para linealizar la entrada-salida, donde la entrada es la presión de actuación de un actuador blando individual y la salida es la postura de la yema del dedo humano. Se discute la estabilidad asintótica del sistema no lineal en tiempo discreto para el control de seguimiento de trayectorias. Se utilizó un dedo de exoesqueleto robótico blando (exo-dedo) y un modelo de dedo humano impreso en 3D integrado con sensores IMU para el montaje experimental. Se desarrolló un hardware de control electro-neumático basado en Arduino para controlar la presión de actuación del exo-dedo blando. La efectividad del controlador se examinó a través de estudios de simulación y pruebas experimentales para seguir diferentes trayectorias de postura correspondientes a la postura del dedo humano durante las actividades de la vida diaria. El controlador basado en el modelo pudo seguir las trayectorias deseadas con un error cuadrático medio promedio muy bajo de 2.27 mm en la dirección x, 2.75 mm en la dirección y y 3.90 grados en la orientación del eslabón distal del dedo humano alrededor del eje z.