شماره مدرك
21343
شماره راهنما
18268
پديد آورنده
اميني، محمدرضا
عنوان
طراحي شبكه موجك فازي پيشبين براي حركت مفصل زانو به منظور كاهش مصرف انرژي متابوليكي در استفاده از اسكلت خارجي نيمتنه پاييني
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
كنترل
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
ده،111ص.:مصور،جدول،نمودار
توصيفگر ها
اسكلت خارجي , شبكه موجك – فازي , كنترلكننده تناسبي-مشتقگير پيشبين , تأخير زماني , مصرف انرژي متابوليكي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/07/27
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي برق
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/07/29
كد ايرانداك
23263637
چكيده فارسي
اسكلتهاي خارجي فعال اندام تحتاني به منظور تقويت توان فيزيكي و كاهش هزينه متابوليك راه رفتن توسعه يافتهاند. با اين حال، وجود تأخيرهاي زماني ذاتي ناشي از پردازش حسگري، محاسبات الگوريتمي و پاسخ الكترومكانيكي عملگرها، موجب ايجاد اختلاف فاز ميان قصد حركتي كاربر و گشتاور كمكي ربات شده و در نتيجه كارايي سيستم را كاهش ميدهد. هدف از اين پژوهش، توسعه يك ساختار پيشبين سبك و تطبيقپذير جهت جبران تأخير حلقه كنترل و بررسي كمي اثر آن بر مصرف انرژي متابوليكي است. بدين منظور در فاز نخست، يك مدل پيشبين كوتاهمدت بر پايه شبكه عصبي موجك–فازي تركيبشده با لايه خودبازگشتي خطي (FWNN-AR) طراحي شد كه زاويه مفصل زانو را با بهرهگيري از دادههاي گذشته زاويه و سرعت زاويهاي در افق زماني 50 ميليثانيه پيشبيني ميكند. به منظور انطباق بلادرنگ با تغييرات بيومكانيكي كاربر و كاهش حجم پردازش، سازوكار يادگيري برخط مبتني بر روش «قانون برنده» با 32 قانون فازي به كار گرفته شد. ارزيابي دقت مدل بر روي پايگاهداده بيومكانيكي Camargo با معيارهاي RMSE وMAE نشان داد كه در سناريوي چندفردي و الگوهاي تركيبي حركتي، خطاي پيشبيني زاويه به 1/32 درجه كاهش يافته و زمان پاسخدهي آن به 2/06 ميليثانيه ميرسد كه كاملاً در محدوده بودجه زماني بلادرنگ است. در فاز دوم، يك كنترلكننده تناسبي-مشتقگير پيشبين در نرمافزار اپنسيم بر روي مدل اسكلتي–عضلاني Gait2392 پيادهسازي شد. اثر اعمال گشتاورهاي كمكي در حضور سطوح تأخير زماني 0 تا 100 ميليثانيه با استفاده از ابزار كنترل عضلاني محاسبهشده (CMC) شبيهسازي گرديد و ميزان تغيير مصرف توان متابوليكي 26 عضله كليدي اندام تحتاني با پراب متابوليك آمبرگر و اعتبارسنجي كيفي با گشتاور محركهاي رزرو ارزيابي شد. نتايج شبيهسازي براي 10 آزمودني نشان داد كه اسكلت خارجي در شرايط بدون تأخير موجب كاهش ميانگين 11/14 درصدي توان متابوليكي ميشود. با افزايش تأخير به 50 ميليثانيه (معادل افق پيشبيني)، سيستم با خنثيسازي تأخير همچنان كاهش 11/20 درصدي مصرف توان متابوليكي را حفظ ميكند، در حالي كه در تأخير 100 ميليثانيه كارايي سيستم افت كرده و منجر به افزايش 0/45 درصدي مصرف توان متابوليكي ميگردد. اين نتايج اثبات ميكند كه بهرهگيري از مدل پيشبين برخط، راهحلي كارآمد براي حفظ همگامي بيومكانيكي و بهبود راندمان مصرف توان متابوليكي اسكلتهاي خارجي در شرايط تأخير عملياتي است.
چكيده انگليسي
Active lower-limb exoskeletons have been developed to enhance human physical capability and reduce the metabolic cost of walking. However, inherent time delays arising from sensory processing, algorithmic computations, and electromechanical actuator response introduce a phase lag between the userʹs motor intention and the robotʹs assistive torque, thereby degrading system assistance efficiency. The objective of this research is to develop a lightweight, adaptive predictive framework to compensate for control loop delay and to quantitatively investigate its effect on metabolic energy consumption. To this end, in the first phase, a short-term predictive model based on a Fuzzy Wavelet Neural Network combined with an Auto-Regressive linear pathway (FWNN-AR) was designed to forecast the knee joint angle across a 50-ms prediction horizon using historical joint angle and angular velocity data. To enable real-time adaptation to the userʹs biomechanical variations and reduce computational burden, an online learning mechanism based on the "winner rule" strategy with 32 fuzzy rules was employed. Accuracy evaluation on the Camargo biomechanical dataset using RMSE and MAE metrics demonstrated that in a multi-subject scenario under mixed locomotion modes, the joint angle prediction error decreased to 1.32°, with an execution time of 2.06 ms, which falls well within the real-time execution time budget. In the second phase, a predictive proportional-derivative (PD) controller was implemented in OpenSim on the Gait2392 musculoskeletal model. The effect of applying assistive torques in the presence of time delays ranging from 0 to 100 ms was simulated using the Computed Muscle Control (CMC) tool. The variation in metabolic power consumption across 26 key lower-limb muscles was evaluated using the Umberger metabolic probe, accompanied by qualitative validation via reserve actuator torques. Simulation results for 10 subjects indicated that the exoskeleton achieves an average metabolic power reduction of 14.11% in delay-free conditions. By increasing the delay to 50 ms (matching the prediction horizon), the system compensates for the delay and maintains an 11.20% reduction in metabolic power consumption, whereas at a 100-ms delay, system efficacy degrades, leading to a 0.45% increase in metabolic power consumption. These findings confirm that employing an online predictive model provides an effective solution for preserving biomechanical synchronization and improving the metabolic power efficiency of exoskeletons under operational delay conditions.
استاد راهنما
مريم ذكري
استاد مشاور
مرضيه مجدراصيل
استاد داور
مرضيه كمالي , حامد جلالي بيدگلي