Modeling of the Human-Exoskeleton Robot in Matlab Simmechanics and Study of Control for Minimizing Interaction Forces

Abstract

Son zamanlarda insan-dış iskelet robot etkileşim alanında umut verici ilerlemeler kaydedilmektedir. Tipik bir fiziksel kullanıcı-robot etkileşimi olarak, sağlıklı bir kullanıcının performansını arttırmak ya da fonksiyonları azalmış olan kullanıcılara yürüme desteği ve yürüme rehabilitasyonu sağlamak amacıyla dış iskelet robotlar geliştirilmiştir. Bu cihazlar performans arttırma çalışmalarında kullanıcılara herhangi bir engel çıkarmadan ya da onların hareketlerini sınırlamadan insan anatomisi ile uyumlu bir şekilde ve aralarında minimum etkileşim kuvveti oluşturarak şekilde hareket etmelidirler. Özellikle askeri uygulamalarda dış iskelet robotun sırtına yerleştirilmiş bir yükün robotun kendi ağırlığı ile birlikte kullanıcıya hissettirilmeden taşınması gerekmektedir. Bu bağlamda bu çalışmada daha önceden Geyer, (2010) tarafından oluşturulmuş 2 boyutlu bir insan modeli geliştirilerek insan-dış iskelet robot üzerinde etkileşim kuvvetlerini azaltma çalışması yapılmıştır. Çalışma kapsamında öncelikli 3 boyutlu bir insan modeli oluşturulmuştur. Bu insan modeli iki ayak, iki alt ekstremite ve bir gövdeden oluşan toplam beş zincirden meydana gelmektedir. Gerçek insan modeline en yakın sonuçlar elde edebilmek için kütlesi yaklaşık 66,75 kg ve boyu 190 cm olan erkek bir bireyin düz bir zeminde yürüme verileri alınmış ve 1 m/s hız ile yürütülmüştür. Geyer, (2010) tarafından oluşturulmuş 2 boyutlu insan modeli 3 boyutlu olarak geliştirildikten sonra, bir dış iskelet robot modeli elde edilmiştir. İnsan modeli üzerine bu dış iskelet model giydirilerek yeni bir insan-dış iskelet robot model yapısı oluşturulmuştur. İnsan-dış iskelet robot model üzerinde ilk önce herhangi bir kontrol olmadan yürüme çalışması gerçekleştirilmiştir. Daha sonra eklemler (aya bileği, diz ve kalça) için tanımlanan bir geri besleme kuvvet/tork kontrolü insan-dış iskelet robot model üzerine uygulanmış ve elde edilen sonuçlar kontrolsüz durum ile karşılaştırılmıştır.

Implementation and Comparison of Wearable Exoskeleton Arm Design with Fuzzy Logic and Machine Learning Control

“…Wearable exoskeleton robot arms, including interdisciplinary studies, emerged as devices that interact between humans and machines [6]. This study designed the wearable exoskeleton arm according to the user, and the necessary kinematic analyses and angle limitations were made.…”

“…It is defined by the parameters c and an in the Gaussian membership function. The Gaussian membership function used in the system is shown in Equation (6).…”

“…The purpose of biomedical devices' production and control phase is to help people regain their lost physical functions or improve their rehabilitation processes. Wearable exoskeleton robot arms interact between the human and the mechatronic system and should perform human movements as similarly as possible [5,6]. However, if the joint angle of the wearable exoskeleton is greater than the joint range, this dangerous situation should be prevented by making necessary restrictions [3].…”

“…The human arm can rotate 120°at the shoulder joint and be brought up to 15°to the body. Limb-joint models are preferred for biomechanical human body modelling [6,9].…”