طراحی، مدلسازی و کنترل مسیر بهینه‌ی ربات توانبخشی مچ دست برپایه پلتفرم استوارت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

چکیده

در این پژوهش، یک کاربرد جدید از ساختار موازی استوارت برای توانبخشی مچ دست توسعه داده شده است. ربات استوارت مانند سایر ربات‌های موازی فضای کاری و قابلیت حمل بار مناسبی دارد. لذا در این مقاله مدل ربات به منظور استفاده در توانبخشی مچ دست در نظر گرفته شده است. مدل‌سازی کامل ربات، شامل محاسبه سینماتیک مستقیم و معکوس انجام شد؛ در هر دو حالت سینماتیک مستقیم و معکوس، از ماتریس ژاکوبین برای محاسبه‌ی سرعت‌های ربات استفاده شده است. پس از آن، معادلات دینامیکی ربات با استفاده از روش کار مجازی استخراج شد. در ادامه، به منظور حفظ مچ بیمار بر روی مسیر صحیح توانبخشی، با استفاده از دینامیک معکوس ربات، یک کنترلر گشتاور محاسبه شده طراحی شد. برای انجام ایمن توانبخشی مچ دست یک مسیر بهینه استخراج شده تا کمترین ضربه را به مچ بیمار اعمال کند و این مسیر توسط کنترلر طراحی شده محقق گردیده است. به کمک شبیه‌سازی در نرم افزار متلب کارایی ربات طراحی شده نشان داده شده است. صحه سنجی مدل توسط مقایسه با داده‌های موجود در مقالات معتبر علمی صورت پذیرفته و کارایی کنترلر از مقایسه مختصه‌های تعمیم یافته واقعی و مورد انتظار، اثبات شده است. طی مدلسازی و شبیه‌سازی‌های صورت گرفته شده مشخص شد که این ربات با مدل و کنترلر طراحی شده‌ی آن برای استفاده به منظور توانبخشی اتوماتیک مناسب و ارجح می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Design, Modeling, and Optimal Position Control of a New Wrist Rehabilitation Robot Using the Stewart Platform

نویسندگان [English]

  • Hami Tourajizadeh 1
  • oveas Gholami 2
  • zahra mehrvarz 1
  • hosein bagherloo 1
1 tehran
2 Phd. Student, Faculty of mechanical engineering, Gilan University
چکیده [English]

In this paper, a new application of the Stewart platform is developed for rehabilitation utilities. Stewart robot has a good workspace and load capacity similar to other parallel robots. Here the Stewart model is modified in order to be employed as a wrist rehabilitation robot. Both the direct and inverse kinematics of the robot is extracted using the Jacobian matrix. Afterward, the related dynamic model of the proposed robot is developed using the virtual work method. In order to keep the wrist of the patient within the desired path of rehabilitation, a nonlinear position control is designed and implemented using Computed Torque Method. In order to move the patient's wrist along a safe path, an optimal path is extracted through which, the least amount of acceleration and consequently interaction force will be implemented on the patient's wrist and this path is controlled using Computed Torque Method. With the aid of conducting some analytic simulations in MATLAB the applicability of the proposed robot for wrist rehabilitation is demonstrated. The verification of the model is performed by comparing the results with previous articles while the efficiency of the implemented controller is proved by comparing the actual path with the desired one in presence of disturbance. It is shown that with the aid of the proposed robot and controller, the wrist rehabilitation process of a patient can be successfully accomplished.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rehabilitation robot
  • Stewart parallel robot
  • Virtual work
  • Kinematics
  • Dynamics
  • Computed torque method controller
  • Optimal path

مراجع

[1] R. Gopura, K. Kiguchi, D. Bandara, A brief review on upper extremity robotic exoskeleton systems, in:  2011 6th international Conference on Industrial and Information Systems, IEEE, 2011, pp. 346-351.
[2] Y. Canjun, C. Ying, L. Yongxiang, Study on the humachine intelligent system and its application, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 36(6) (2000) 42-47.
[3] J. Iqbal, H. Khan, N.G. Tsagarakis, D.G. Caldwell, A novel exoskeleton robotic system for hand rehabilitation–conceptualization to prototyping, Biocybernetics and biomedical engineering, 34(2) (2014) 79-89.
[4] D. Stewart, A platform with six degrees of freedom, Proceedings of the institution of mechanical engineers, 180(1) (1965) 371-386.
[5] B. Dasgupta, T. Mruthyunjaya, The Stewart platform manipulator: a review, Mechanism and machine theory, 35(1) (2000) 15-40.
[6] K.-M. Lee, D.K. Shah, Dynamic analysis of a three-degrees-of-freedom in-parallel actuated manipulator, IEEE Journal on Robotics and Automation, 4(3) (1988) 361-367.
[7] G. Zheng, L. Haynes, J. Lee, R. Carroll, On the Dynamic Model and Kinematic Analysis of a Class of Stewart Platform, Robotics and Autonomous Systems, 9(4) (1992) 237-254.
[8] L.-W. Tsai, Solving the inverse dynamics of a Stewart-Gough manipulator by the principle of virtual work, J. Mech. Des., 122(1) (2000) 3-9.
[9] H.I. Krebs, N. Hogan, M.L. Aisen, B.T. Volpe, Robot-aided neurorehabilitation, IEEE transactions on rehabilitation engineering, 6(1) (1998) 75-87.
[10] L.E. Kahn, M.L. Zygman, W.Z. Rymer, D.J. Reinkensmeyer, Robot-assisted reaching exercise promotes arm movement recovery in chronic hemiparetic stroke: a randomized controlled pilot study, Journal of neuroengineering and rehabilitation, 3(1) (2006) 1-13.
[11] P.S. Lum, C.G. Burgar, P.C. Shor, M. Majmundar, M. Van der Loos, Robot-assisted movement training compared with conventional therapy techniques for the rehabilitation of upper-limb motor function after stroke, Archives of physical medicine and rehabilitation, 83(7) (2002) 952-959.
[12] P.S. Lum, D.J. Reinkensmeyer, S.L. Lehman, Robotic assist devices for bimanual physical therapy: preliminary experiments, IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, 1(3) (1993) 185-191.
[13] J.A. Martinez, P. Ng, S. Lu, M.S. Campagna, O. Celik, Design of wrist gimbal: A forearm and wrist exoskeleton for stroke rehabilitation, in:  2013 IEEE 13th international conference on rehabilitation robotics (ICORR), IEEE, 2013, pp. 1-6.
[14] H. Guo, H. Li, Dynamic analysis and simulation of a six degree of freedom Stewart platform manipulator, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 220(1) (2006) 61-72.
[15] F. Paccot, N. Andreff, P. Martinet, A review on the dynamic control of parallel kinematic machines: Theory and experiments, The International Journal of Robotics Research, 28(3) (2009) 395-416.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 12
اسفند 1401
صفحه 2705-2724

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار