شماره راهنما :
2396 دكتري
پديد آورنده :
پزشكي، ليلا السادات
عنوان :
طراحي كنترل كننده هم يار-در صورت نياز براي توانبخشي بالاتنه
گرايش تحصيلي :
طراحي كاربردي-ديناميك، كنترل و ارتعاشات
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
پانزده، 144ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
تعامل انسان و ربات , توانبخشي رباتيك , الگوريتم هم يار-در صورت نياز , كنترل بهينه , كنترل تطبيقي
تاريخ ورود اطلاعات :
1404/08/03
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1404/08/10
چكيده فارسي :
در تمرينهاي توانبخشي بيماراني كه توانايي نسبي در كنترل اندام آسيبديده دارند، افزايش مشاركت فعال و كاهش مداخله ربات ميتواند به بهبود اثربخشي درمان و ارتقاء انعطافپذيري عصبي منجر شود. بر اين اساس، در سالهاي اخير كنترلكنندههاي «هميار-در صورت نياز» براي رباتهاي توانبخشي توسعه يافتهاند. با توجه به گسترش كاربرد رباتها در حوزه توانبخشي و تأكيد بر نقش آنها در بهبود فرآيند درمان، اين پژوهش به طراحي و ارائهي سيستم كنترلي نوين با قابليت ايجاد ويژگي «همياري-در صورت نياز» در رباتهاي توانبخشي مربوط به بالاتنه اختصاص يافته است. در اين سيستمها علاوه بر امكان وجود نامعيني در ديناميك ربات، با اضافه شدن بيمار به عنوان بخشي از سيستم با عملكرد نامعين و وجود نيروهاي تعاملي متغير بين انسان و ربات، طراحي سيستم كنترلي هوشمند پيچيدگي بيشتري دارد. بنابراين در طراحي كنترلكننده، عملكرد انسان شناسايي و ارزيابي شده و ميزان مداخله ربات بر اين اساس تنظيم گرديدهاست. در اين پژوهش با هدف ارائه كنترلكننده هميار-درصورت نياز، سطحي از هوشمندي با استفاده از سه رويكرد متفاوت در سيستم كنترلي اعمال شده است. در رويكرد اول، مسئله توانبخشي به كمك ربات در قالب يك بازي مجموع-غيرصفر با دو بازيكن مدل شده و به اين ترتيب يك الگوريتم كنترل بهينه تطبيقي ارائه گرديدهاست. اين روش با استفاده از شبيهسازي و تست عملي مورد ارزيابي قرار گرفتهاست. در اين بخش از پژوهش تست عملي با استفاده از ربات 7 درجه آزادي Franka Emika صورت گرفتهاست. در رويكرد دوم و سوم، از الگوريتم شبكه عصبي تطبيقي براي توسعه سيستم كنترلي هميار-درصورت نياز در قالب مدل ادميتانس متغير، استفاده شدهاست. در اين روشها به منظور شناسايي بلادرنگ نقش اشتراكي انسان، يك شاخص عملكرد نوين بر اساس توان ورودي تعاملي، طراحي شدهاست، كه در آن انسان به عنوان يك منبع پويا در انتقال انرژي مد نظر قرار ميگيرد. تفاوت رويكرد دوم و سوم در نحوهي مواجهه با مسئلهي ايمني تعامل انسان و ربات است. به گونهاي كه در رويكرد دوم، ازطريق ارائه يك روش اصلاح شده مخزن مجازي انرژي، شرايط غيرفعال بودن سيستم تبيين شده است. در حاليكه در رويكرد سوم با هدف تضمين پايداري سيستم تعاملي، الگوريتم تطبيقي شبكه عصبي مبتني بر روش لياپانوف ارائه شدهاست. در اين رويكرد، قوانين تطبيق طوري طراحي شدهاند كه پايداري سيستم و كرانداري وزنهاي شبكه عصبي در حضور تعاملات متغير، تضمين شود. در رويكرد دوم و سوم، به منظور ارزيابي عملكرد سيستم، تستهاي عملي با استفاده از ربات 7 درجه آزادي Ufactroy XArm7 انجام شدهاست. لازم به ذكر است كه در اين پژوهش توانبخشي بالاتنه به كمك رباتهاي متصل در نقطه انتهايي مد نظر قرار گرفتهاست. در حالي كه، اين فرض هيچگونه محدوديتي براي اعمال روشهاي كنترلي پيشنهادي براي انواع ديگر رباتهاي توانبخشي ايجاد نميكند.
چكيده انگليسي :
Recent studies have demonstrated that increased patient involvement in rehabilitation training, characterized by active participation and minimal external intervention can improve rehabilitation outcomes by inducing neural plasticity. To achieve this, assist-as-needed (AAN) control strategies have been developed, where the robot controller provides the minimum required assistance to the patient. Given the growing application of robotics in rehabilitation and their crucial role in facilitating recovery, in this research novel control algorithms are proposed to enable intelligent assist-as-needed behavior in upper-limb rehabilitation robots. In these systems, in addition to uncertainties in the robot’s dynamics, the inclusion of the human as part of the closed-loop system—with unknown dynamics and variable interactive inputs—introduces further challenges to the control design. Accordingly, the proposed methods adapt robot assistance based on real-time identification and evaluation of human performance, ensuring that the robot intervenes only to the extent necessary. Three distinct control approaches are developed to implement this adaptive behavior. In the first approach, robotic rehabilitation is modeled as a two-player non-zero-sum game, leading to the development of an adaptive optimal control strategy for achieving AAN behavior. The performance of the proposed approach is illustrated in several simulations and experimental studies, using a 7-DOF Franka Emika robot arm. In the second and third approaches, the adaptive neural network algorithm is employed to implement a variable admittance model for AAN control. In these methods, a novel performance index based on the interactive power input is proposed to identify the human’s sharing role in real time, treating the human as an active contributor to the system’s dynamic energy flow. The primary distinction between the second and third approaches lies in their respective strategies for addressing the safety of the interaction. In the second approach, a modified virtual energy tank method is introduced to incorporate the passivity preserving conditions and guarantee safe human–robot interaction. In contrast, the third approach adopts a Lyapunov-based adaptive neural network algorithm to ensure the stability of the interactive system. In this approach, the adaptation laws are specifically designed to guarantee both the system’s stability and the boundedness of the neural network weights under variable interaction conditions. The second and third approaches are validated experimentally using a 7-DOF UFactory xArm7 robot. While the focus of this study is on end-effector-based robots for upper-limb rehabilitation, the proposed control methodologies can be generalized to a wide range of rehabilitation robotic systems. Collectively, the results demonstrate that the proposed approaches achieve two main rehabilitation objectives: encouraging active and safe human participation, and enhancing therapy by providing personalized assistance tailored to individual abilities and conditions, thereby reducing the need for therapist intervention.
استاد راهنما :
مهدي كشميري , حميد صادقيان
استاد مشاور :
سعيد بهبهاني
استاد داور :
محمد دانش , مرضيه مجدراصيل , عليرضا ميرباقري