Control system design for exoskeleton of the right lower limb

Abstract

Nesta pesquisa o modelo de um exoesqueleto do membro inferior direita para melhorar a mobilidade do usuário e seu sistema de controle foram desenvolvidos. O projeto físico do modelo do exoesqueleto consiste em três partes principais: um quadril e a parte superior e inferior da perna conectados um com o outro por juntas revolutas. Cada uma das juntas é atuado por um motor Brushless DC (BLDC) com caixa de redução para aumentar torque. Os motores a serem usados na construção possuem sensores de velocidade e de posição para fornecer os dados necessários para o sistema de controle. Solidworks Computer Aided Design (CAD) software é usado para desenvolver o modelo do exoesqueleto, que é salvo em formato extensible markup language (XML) para depois ser importado em Simmechanics, permitindo a integração de modelos de corpos físicos com componentes de Simulink. A cinemática inversa do exoesqueleto é desenvolvido e projetado em Very high speed integrated circuit Hardware Description Language (VHDL) usando aritmética em ponto flutuante para ser executado a partir de um dispositivo Field Programmable Gate Array (FPGA). Quatro representações diferentes do projeto de hardware do modelo cinematico do exoesqueleto foram desenvolvidos fazendo análise de erro com Mean Square Error (MSE) e Average Relative Error (ARE). Análise de trade-off de desempenho e área em FPGA é feito. A estratégia de controle Proportional-Integrative-Derivative (PID) é escolhido para desenvolver o sistema de controle do exoesqueleto por ser relativamente simples e eficiente para desenvolver e por ser amplamente usado em muitas áreas de aplicação. Duas estratégias de sistemas de controle combinado de posiçaõ e velocidade são desenvolvidos e comparados um com o outro. Cada sistema de controle consiste em dois controladores de velocidade e dois de posição. Os parâmetros PID são calculados usando os métodos de sintonização Ziegler-Nichols e Particle Swarm Optimization (PSO). PSO é um método de sintonização relativamente simples porém eficiente que é aplicado em muitos problemas de otimização. PSO é baseado no comportamento supostamente inteligente de cardumes de peixes e bandos de aves em procura de alimento. O algoritmo, junto com o método Ziegler-Nichols, é usado para achar parâmetros PID apropriados para os blocos de controle nas duas estratégias te controle desenvolvidos. A resposta do sistema de controle é avaliada, analisando a resposta a um step input. Simulação da marcha humana é também feito nos dois modelos de sistema de controle do exoesqueleto fornecendo dados de marcha humana ao modelo e analisando visualmente os movimentos do exoesqueleto em Simulink. Os dados para simulação da marcha humana são extraídos de uma base de dados existente e adaptados para fazer simulações nos modelos de sistema de controle do exoesqueleto.