کنترل امپدانس ربات استوارت پنوماتیکی در جهت انجام عمل توانبخشی

توانبخشی فعالیتی است که هدف آن توانمند سازی افراد از کار افتاده به منظور رسیدن به حداقل سطح فعالیت فیزیکی می باشد. از آنجا که ربات ها قادر هستند روش های درمان سنتی را با افزایش دقت و ارتباط مناسب با بیمار انجام دهند، در سطح دنیا تحقیقات زیادی جهت طراحی و ساخت مکانیزم های مختلف جهت کمک به فرآیند توانبخشی صورت می پذیرد. از این رو در این پروژه به دنبال ساخت و کنترل یک ربات توانبخش استوارت جهت انجام عمل توانبخشی در بیمارانی هستیم که در اثر سکته مغزی و یا در اثر ضایعات نخاعی، دچار مشکلات حرکتی در هنگام راه‎رفتن شده اند. .در راستای کنترل هر چه بهتر روبات استوارت پنوماتیکی و بهبود عملکرد آن در این پایان نامه تلاش زیادی در جهت بهبود عملکرد عملگر های نیوماتیکی به عمل آمده است. در اکثر کارهای معمول، برای رسیدن به این هدف، از شیرهای تناسبی (proportional) یا سرو (servo) استفاده شده است که سبب افزایش هزینه سیستم نیوماتیک می گردند بنابراین به منظور کاهش هزینه-های سیستم نیوماتیکی، استفاده از شیرهای قطع/ وصل (on/off) به عنوان گزینه ای مناسب جهت کاهش هزینه ها مطرح گردید. هر چند که به دلیل ماهیت گسسته شیرهای قطع/ وصل، بکارگیری الگوریتم مناسبی مانند مدلاسیون پهنای پالس (pwm) از اهمیت ویژه ای برخوردار است. الگوریتم pwm، بهترین روشی است که توانایی کاربردهای سرو را برای چنین سیستم هایی فراهم می آورد. در همین راستا در این پایان نامه در ابتدا به تشریح و بررسی الگوریتم های pwm رایج پرداخته شد. سپس با انجام پاره ای آزمایش های مدار بسته با ورودی های پله و سینوسی خصوصیات هر یک از این الگوریتم ها بررسی گردید. در طی این آزمایشات مشخص گردید خصوصیات عملکرد سیستم نیوماتیک بسیار وابسته به الگوریتم pwm مورد استفاده می باشد با در اختیار داشتن این اطلاعات به راحتی می توان خصوصیات متفاوتی در سیستم نیوماتیکی بدون استفاده از الگوریتم های کنترلی،به سادگی و تنها با تعویض الگوریتم pwm به وجود آورد. در ادامه، با انجام پاره ای آزمایش های مدار باز دو عامل، که بر نحوه عملکرد سیستم تاثیر گذار هستند ولی در طراحی الگوریتم های pwm پیشین در نظر گرفته نشده اند، شناسایی گردید. این دو عامل عبارتند از اختلاف بین مساحت دو طرف پیستون و مکان پیستون. سپس با در نظر گرفتن عامل اختلاف بین مساحت دو طرف پیستون در طراحی الگوریتم های pwm پیشین، الگوریتم های جدیدی ارائه شد. بهبود موقعیت دهی سیستم نیوماتیک با استفاده از الگوریتم های جدید از طریق آزمایش های تجربی مشاهده شد. پس از آن، با مشخص شدن نقاط ضعف الگوریتم های ،pwm که الگوریتم هایی تجربی هستند، روش کنترلی ارائه شد که نیازی به الگوریتم pwm در راستای معرفی دستور خود به سیستم نداشته باشد. در این روش کنترلی سیستم نیوماتیک به صورت یک سیستم دو ورودی، دو خروجی در نظر گرفته شده است. یک خروجی سیستم نیوماتیکی نیرو (که در نتیجه آن شتاب و سرعت و موقعیت حاصل می آید) و خروجی دیگر سیستم نیوماتیک سفتی عملگر می باشد. ابتدا یک کنترلر pid با کمک مدل اصطکاکی عملگر، نیروی مورد نیاز در جهت تعقیب مسیر مورد نظر را برآورد می کنند. در ادامه با توجه به نیروی مورد نظر در عملگر و سفتی دلخواه سیلندر، فشار مطلوب در هر محفظه مشخص می گردد. در نهایت، کنترل فشار محفظه ها توسط دو کنترلر سطح لغزشی انجام می گیرد. این کنترلر ها با توجه به مدل سیستم و با در نظر گرفتن کل زمان دوره تناوب عملکرد شیر، نسبت وظیفه شیر در هر دوره تناوب در جهت ایجاد فشار مطلوب مشخص می کنند. سپس، بررسی سینماتیک و دینامیک روبات استوارت انجام گرفته است و پس از ارائه مدل دینامیکی روبات این مدل صحه سنجی شده است. در ادامه با استفاده از کنترلر pid و کنترلر مدل مبنا موقعیت این روبات کنترل شد. کنترلر مدل مبنا عملکرد بهتری ارئه می کند زیرا این کنترلر با شناختی که از سیستم دارد نیروی های مورد نیاز در جهت طی مسیر مطلوب را پیشبینی می کند. پس از آن با در نظر گرفتن مدل عملگر های پنوماتیکی روبات استوارت پنوماتیکی شبیه سازی شد. برای کنترل این روبات از دو کنترلر pid و fuzzypid استفاده شد. در این قسمت نیز کنترلر fuzzypid عملکرد مناسبتری داشت. زیرا در کنترلر pid ضرایب کنترلی برای تمامی لینک ها در تمام طول مسیر یکسان می باشد. ولی با استفاده از کنترلر fuzzypid ضرایب کنترلر هر یک ازلینک ها به طور جداگانه و در تمام طول مسیر با استفاده از قوانین فازی تنظیم می گردد. در انتها، نیز کنترل امپدانس روبات صورت گرفته است.