ربات اسکلت خارجی در سال های اخیر توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب نموده است. آرزوی دیرینه محققان دست یابی به وسیله ای است که به صورت پوششی حول بدن انسان قرار گیرد و با عملگرهای قدرتمندش، توانایی او را چندین برابر کند. هماهنگی کامل حرکات ربات با بدن پیچیدگی اصلی تکنولوژی آن را شکل می دهد. روش کنترل امپدانس برای کنترل این نوع ربات مناسب است ولی بیان های موجود از کنترل امپدانس بیشتر مخصوص ربات های صنعتی است که تفاوت های مهمی با ربات مورد نظر دارد. در این مقاله بیانی از روش کنترل امپدانس متناسب با شرایط عملکرد ربات اسکلت خارجی معرفی می شود. به علاوه با توجه به متغیر بودن محموله ربات همچنین بروز خطا در اندازه گیری نیروی محل تماس بدن با ربات، برای اولین بار روشی تطبیقی برای کنترل امپدانس ربات اسکلت خارجی پیاده سازی می شود. شبیه سازی عملکرد این وسیله در تبعیت از حرکت راه رفتن کاربر حین حمل بار 50 کیلوگرمی و وجود عدم قطعیت در بار و نیروی تماسی، کارآیی بسیار خوب روش ارائه شده را نشان می دهد. به طوری که خطای پیروی ربات از حرکت مطلوب در طول زمان شبیه سازی تقریبا صفر است. همچنین گشتاورهای وارد بر اعضای پا و تنه کاربر ناچیز است.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

ربات اسکلت خارجی ماشینی است دارای اعضای مشابه بدن انسان و قابل پوشیدن که به کمک عملگرهای خود قدرت شخص را بسیار افزایش می دهد. پژوهش پیش رو به مدل سازی دینامیکی و طراحی سیستم کنترل برای نوع پایین تنه این ربات پرداخته است. در مقالات موجود حداکثر بخشی از ربات با یک درجه آزادی مدل سازی و کنترل شده است که به خواننده دید مناسبی از کنترل هم زمان تمام اجزای ربات را نمی دهد. در این راستا، ابتدا ساختار مناسب مشابه پروژه بلیکس دانشگاه برکلی برای ربات انتخاب و معادلات دینامیک مربوطه به صورت صفحه ای و به روش نیوتن - اولر استخراج گردید. طی آزمایشی، داده های سینماتیک راه رفتن به کمک سامانه اکسنس اندازه گیری و دینامیک معکوس در نرم افزار سیم مکانیکس در کنار مدل پیاده شده در نرم افزار متلب شبیه سازی گردید که تطابق بالای نتایج موید صحت مدل بود. روش کنترل امپدانس بررسی و نکاتی اصلاحی در آن لحاظ شد که عملکرد آن را کمی بهبود بخشید. سپس ربات با استفاده از این الگوریتم کنترل گردید. بدین ترتیب سیستم پایدار شده، حرکت ربات با بهترین کیفیت از بدن تبعیت نمود. نتایج شبیه سازی نشان داد، حین حمل باری به بزرگی 50 کیلوگرم، گشتاورهایی کمتر از نیم نیوتن متر، در محل های تماس با ربات، به اعضای بدن کاربر وارد می شود.

اغتشاشات خارجی و نامعینی های داخلی با دامنه نامعلوم و همچنین وجود اتصال بین بدن انسان و ربات از مشکلات عمده در کنترل و پایداری ربات های اسکلت خارجی است. کنترل کننده مد لغزشی، یک روش مقاوم برای مقابله با اغتشاشات و نامعینی ها با دامنه معلوم سیستم است. یکی از معایب این کنترل کننده، وجود پدیده چترینگ است که برای کاهش اثرات این پدیده از لایه مرزی استفاده می شود. در این حالت نه تنها پدیده چترینگ به طور کامل حذف نمی شود، بلکه خاصیت مقاوم بودن کنترل کننده نیز کاهش می یابد. در این مقاله به منظور مقابله با اغتشاشات و عدم قطعیت های با دامنه نامعلوم سیستم و همچنین مقابله با پدیده چترینگ به عنوان عامل اساسی در افزایش انرژی مصرفی و کاهش سرعت همگرایی سیستم، از روش کنترل بهینه مد لغزشی فراپیچشی مرتبه بالای تطبیقی استفاده شده است. مدل دینامیک برای ربات اسکلت خارجی پایین تنه دوپا با درنظرگرفتن چهار عملگر روی مفاصل ران و زانوی پاهای چپ و راست به کمک روش لاگرانژ استخراج شده است. به منظور دستیابی به عملکرد بهینه، پارامترهای کنترل کننده با کمینه کردن معیار خطای ITAE و نرخ تغییرات ورودی کنترلی، با استفاده از الگوریتم جست وجوی هارمونی تعیین شده اند. عملکرد کنترل کننده پیشنهادی با عملکرد کنترل کننده های بهینه مد لغزشی فراپیچشی تطبیقی و مد لغزشی معمولی مقایسه شده که نتایج بیانگر برتری روش کنترل مد لغزشی مرتبه بالای تطبیقی بهینه نسبت به دیگر کنترل کننده های طراحی شده است.

مقابله با اغتشاشات و عدم قطعیت های سیستم و همچنین تعقیب مسیرهای مرجع از اساسی ترین مسائل در کنترل ربات های اسکلت خارجی پایین تنه است. از کنترل کننده های مقاومی که در کنترل ربات های اسکلت خارجی می توان از آن استفاده کرد، کنترل کننده PID مد لغزشی (PIDSMC) است. این کنترل کننده با تعریف سطح لغزش کنترل کننده مد لغزشی بر مبنای کنترل کننده PID حاصل شده و از مهم ترین مشکل ات کنترل کننده PIDSM وجود پدیده چترینگ است. برای حذف پدیده چترینگ در کنترل کننده PIDSM از یک لایه مرزی در اطراف سطح لغزش استفاده می شود. در این حالت نه تنها پدیده چترینگ به طور کامل حدف نمی شود بلکه میزان مقاومت کنترل کننده نیز کاهش می یابد. در این مقاله برای حذف پدیده چترینگ و افزایش مقاومت سیستم از کنترل کننده PID مد لغزشی فراپیچشی (STPIDSM) استفاده شده است. در این حالت کنترل کننده ذاتا و بدون تعریف لایه مرزی، پدیده چترینگ را با حفظ مقاومت سیستم کاهش می دهد. همچنین به منظور مقابله با اغتشاشات و عدم قطعیت های با دامنه نامعلوم سیستم، روش تطبیقی کنترل فعال نیرو به عنوان حلقه اصلاحی ورودی کنترلی با کنترل کننده STPIDSM ترکیب شده است. در روش کنترل فعال نیرو، ورودی کنترلی در هر لحظه بر مبنای تخمین ممان اینرسی لینک های ربات اصلاح می شود. برای دستیابی به حداکثر کارآیی، پارامترهای کنترل کننده پیشنهادی به کمک روش بهینه سازی جستجوی هارمونی به صورت بهینه تعیین شده اند. عملکرد روش کنترلی ارائه شده با کنترل کننده STPIDSM بهینه مقایسه شده است. نتایج حاصل، بیانگر کاهش سه معیار خطای ITAE، ITASE و IASE برای روش کنترلی پیشنهادی به ترتیب به میزان 39، 48 و 66% نسبت به کنترل کننده STPIDSM است.

بیماری های اسکلتی-عضلانی ناشی از حمل بار سنگین در کارگران بسیار شایع است که بر سلامتی کارگران و بازدهی کار تأثیر منفی دارد. در این راستا، ایده طراحی ربات اسکلت خارجی پیشنهاد شده است. این ربات مشابه یک لباس بر بدن کاربر پوشیده شده و موازی با بدن، شخص را همراهی و کمک می نماید تا نیروهای وارد بر عضلات حساس بدن در مشاغل صنعتی را کاهش دهد. در این مقاله، روش کنترلی جبران ساز توزیع یافته موازی جهت اعمال بر یک ربات اسکلت خارجی چهار درجه آزادی میان تنه ارائه می شود. در ابتدا، معادلات دینامیکی حاکم بر سیستم استخراج می گردد و با توجه به ماهیت غیرخطی سیستم، کنترل کننده ی جبران ساز توزیع یافته موازی با رهیافت خطی سازی تاکاگی-ساژینو طراحی می شود. پاسخ سیستم حلقه بسته این کنترل کننده در محیط سیمولینک نرم افزار متلب مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج حاصل نشان می دهد که رهیافت خطی سازی تاکاگی-ساژینو به صورت دقیق سیستم غیرخطی را تخمین می زند و همچنین کنترل کننده ی پیشنهادی، به ره گیری مناسب و پاسخ حلقه بسته ی مطلوب منجر می شود.

ربات اسکلت خارجی پایین تنه یکی از فناوری های کمک حرکتی می باشد که پیشرفت های زیادی در سال های اخیر داشته است. یکی از اساسی ترین مباحث در طراحی این ربات ها، تعیین الگوی گام برداری می باشد. در ربات های اسکلت خارجی موجود معمولا از الگوی گام از پیش ثبت شده توسط انسان سالم برای ربات استفاده می شود. این روش دارای محدودیت هایی از جمله اشغال حجم ذخیره سازی داده و عدم تنظیم مناسب الگوی گام در پارامترهای گام برداری مختلف می باشد. بنابراین استفاده از مدل های ریاضی برای راه رفتن با ربات های اسکلت خارجی ضروری است. تاکنون مدل های ریاضی ساده ای برای گام برداری انسان سالم و همچنین ربات های انسان نما ارائه شده است. ولی به دلیل محدودیت های جسمانی بیماران استفاده کننده از ربات اسکلت خارجی، استفاده از این مدل ها خطر اعمال گشتاور غیرطبیعی و به دنبال آن آسیب به مفاصل بیمار و همچنین موتورهای ربات را در پی دارد. در این مقاله محدودیت های موجود در قالب قیدهای ریاضی در نظر گرفته شده و مدل های ریاضی مناسبی برای موقعیت مفاصل بر اساس این قیدها ارائه شده است. سپس با داشتن معادلات سینماتیک معکوس، الگوی گام مطلوب در قالب زوایای مفاصل بدست آمده است. پارامترهای موجود در مدل ارائه شده شامل طول، ارتفاع و سرعت گام برداری و همچنین طول ساق و ران کاربر می باشد. مدل ارائه شده بر روی ربات اکسوپد پیاده شده است که رضایت کاربران عملکرد خوب مدل ارائه شده را تایید می کند.

این مقاله یک رویه جامع برای طراحی عملگرهای الاستیک سری را جهت استفاده در مفاصل فعال ربات های اگزواسکلتون یاری گر ارائه می کند. در این رویه، پارامتر سفتی فنر بر اساس دو معیار اساسی انتخاب می شود تا کلیه نیازهای حرکتی انسان را برآورده کند. اولین معیار، فراهم کردن پاسخ فرکانسی مطلوب برای عملگر متناسب با نیازهای حرکتی انسان می باشد. دومین معیار نیز، عدم آسیب رسیدن به اجزاء عملگر در حین ضربه و برخورد می باشد. پس از تعیین مقدار مطلوب سفتی فنر، ساختمان فنر به گونه ای انتخاب شده است که ضمن اشغال کمترین فضا، از استحکام مکانیکی کافی برخوردار بوده و سفتی موردنظر را در عمل ایجاد کند. فنر طراحی شده، به همراه موتور و گیربکس در یک ماژول تعبیه شده است تا در مفاصل فعال ربات های اگزواسکلتون استفاده شود. طراحی ماژول به گونه ای صورت گرفته است که برداشتن فنر به راحتی امکان پذیر بوده و امکان استفاده از مجموعه موتور و گیربکس به صورت یک عملگر صلب نیز به سادگی مهیا باشد. ملاحظات صورت گرفته در بهینه سازی فنر و طراحی ماژول، یک عملگر الاستیک سری بسیار فشرده را ایجاد کرده است که قابلیت استفاده در انواع حرکت انسان مانند بالا و پایین رفتن از پله، نشست وبرخاست و راه رفتن را داراست.

ایجاد مسیرهای مرجع و توانایی تعقیب مسیرهای ایجاد شده در حضور اغتشاشات و عدم قطعیت ها از مسائل مهم در بررسی عملکرد ربات اسکلت خارجی می باشد. یکی از روش های طراحی مسیر ربات های راه رونده الگوریتم تولید الگوی مرکزی می باشد. این الگوریتم به صورت چرخه حدی رفتار می کند و اﻏﺘﺸﺎﺷﺎت وارده را ﺑﻪ ﺳﺮﻋﺖ از سیستم ﺣﺬف کرده و مسیرهای موزونی را ایجاد می کند. در این مقاله برای ایجاد مسیرهای مرجع هر یک ازمفاصل ربات از ترکیب هفت عدد نوسانگر هپفیلد اصلاح شده با قابلیت تغییر در مشخصه های فرکانس و دامنه راه رفتن استفاده شده است. اصلاح برخط مسیرهای مرجع مفاصل ربات به کمک سیگنال خطای بازخوردی بین محل نقطه گشتاور صفر مطلوب و نقطه گشتاور صفر ربات در هر لحظه انجام شده است. به منظور مقابله با اغتشاشات و عدم قطعیت ها با دامنه نامعلوم سیستم و دستیابی به حداکثر کارایی در تعقیب مسیرهای مرجع ربات، از کنترل کننده  تطبیقی مد لغزشی دینامیکی سریع ترمینالی با قابلیت حذف پدیده چترینگ، همگرایی زمان محدود و افزایش مقاومت نسبت به کنترل کننده مد لغزشی معمولی استفاده شده است. همچنین با حرکت لینک کمر حداکثر پایداری حرکت ربات بر اساس معیار نقطه گشتاور صفر ایجاد شده است. برای دستیابی به بهترین عملکرد، پارامترهای کنترل کننده، ضرایب نوسانگرها و اتصال بین آن ها بهینه شده اند. عملکرد روش ارائه شده با کنترل کننده مد لغزشی مقایسه شده است که نتایج برتری روش ارائه شده را نشان داده است.

در این مقاله به طراحی و ساخت یک ربات اسکلت خارجی زانو پرداخته شده است. ربات موردنظر، با هدف کمک به حرکت برخاستن از روی صندلی برای انسان هایی که در اندام پایین تنه دچار ضعف و یا اختلال حرکتی هستند طراحی شده است. در بخش تولید مسیر ربات، یک روش جدید پیشنهاد شده که با استفاده از یک کتابخانه مسیرهای از قبل آماده شده و بر اساس شرایط اولیه نشستن فرد، مسیر حرکت نشسته-به-ایستاده او را پیش بینی می کند. این روش از تئوری «مسیرهای بنیادین دینامیکی» برای تخمین مسیر استفاده می کند. روش پیش بینی مسیر پیشنهادی، بر روی یک کتابخانه از مسیرها که در آزمایشگاه تحلیل حرکتی انسان بدست آمده است، آزمایش شده و کارایی آن تایید شد. در مرحله بعد، یک کنترل کننده حالت لغزشی نمایی برای هدایت ربات در امتداد مسیر پیش بینی شده، به کار گرفته شده و مجموعه تولید کننده مسیر و کنترلر بر روی ربات اسکلت خارجی پیاده سازی سخت افزاری شدند. برای پیاده سازی سخت افزاری از جعبه ابزار اکس-پی-سی تارگت در نرم افزار متلب و یک کارت انتقال داده استفاده شده است. در نهایت، کارایی ربات بر روی یک فرد سالم، آزمایش شد. از فرد مورد آزمایش خواسته شد، در حالی که ربات را پوشیده است، چندین بار عمل برخاستن از روی صندلی را از شرایط اولیه نشستن متفاوت، انجام دهد. نتایج بدست آمده نشان می دهد که متوسط توان اعمال شده توسط زانوی فرد، برای حرکت نشسته-به-ایستاده، درحالتی که ربات اسکلت خارجی به او کمک می کند بسیار کمتر ازحالتی است که فرد از کمک ربات استفاده نمی کند.