مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

ارائه مدل پارامتری برای گام برداری مبتنی بر قید با پیاده سازی بر روی ربات اسکلت خارجی اکسوپد

نویسندگان
جعفر کاظمی 1
سجاد ازگلی 2
1 دانشجوی دکتری، مهندسی برق-کنترل، دانشگاه تربیت مدرس، تهران
2 دانشیار، مهندسی برق-کنترل، دانشگاه تربیت مدرس، تهران
چکیده
ربات اسکلت خارجی پایین تنه یکی از فناوری‌های کمک حرکتی می‌باشد که پیشرفت‌های زیادی در سال‌های اخیر داشته است. یکی از اساسی ترین مباحث در طراحی این ربات ها، تعیین الگوی گام برداری می‌باشد. در ربات‌های اسکلت خارجی موجود معمولاً از الگوی گام از پیش ثبت شده توسط انسان سالم برای ربات استفاده می‌شود. این روش دارای محدودیت‌هایی از جمله اشغال حجم ذخیره سازی داده و عدم تنظیم مناسب الگوی گام در پارامترهای گام برداری مختلف می‌باشد. بنابراین استفاده از مدل‌های ریاضی برای راه رفتن با ربات‌های اسکلت خارجی ضروری است. تاکنون مدل‌های ریاضی ساده‌ای برای گام برداری انسان سالم و همچنین ربات‌های انسان نما ارائه شده است. ولی به دلیل محدودیت‌های جسمانی بیماران استفاده کننده از ربات اسکلت خارجی، استفاده از این مدل‌ها خطر اعمال گشتاور غیرطبیعی و به دنبال آن آسیب به مفاصل بیمار و همچنین موتورهای ربات را در پی دارد. در این مقاله محدودیت‌های موجود در قالب قیدهای ریاضی در نظر گرفته شده و مدل‌های 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 می‌باشد. مدل ارائه شده بر روی ربات اکسوپد پیاده شده است که رضایت کاربران عملکرد خوب مدل ارائه شده را تایید می‌کند.
کلیدواژه‌ها
ربات اسکلت خارجی
الگوی گام برداری
ربات دوپا
کنترل

موضوعات

عنوان مقاله English

Parametric Model of Human Constrained Gait with Implementation on Exoped Exoskeleton

نویسندگان English

jafar kazemi 1
sadjaad ozgoli 2
1 Department of Electrical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Department of Electrical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

Lower extremity exoskeleton a motion assistive technology, has been developed in recent years. Generation of gait pattern is a fundamental topic in design of these robots. A usual approach in most of exoskeletons is to use a pre-recorded pattern used as look up table. There are some deficiencies in this method, including data storage limitation and poor regulation according to walking parameters. Therefore, it is required to modeling human walking pattern to use in exoskeletons. There are simple models for walking of healthy person and humanoid robots. Nevertheless, using these models may cause injury to joints of the patient or damage to robot motors due to physical limitation of the user’s body. In this paper, the physical limitations are represented as mathematical constraints. Considering these constraints, appropriate models are proposed for position of the joints. Then, inverse kinematics equations are used to generate joints angles. In this work, the model parameters consist of stride length and height, walking speed and length of user thigh and shin. The performance of the model is evaluated by implementing on Exoped robot. Satisfaction and convenience of the users demonstrates the good performance of the model.

کلیدواژه‌ها English

Exoskeleton
Human Gait
Biped robot
Control
[1] R. S. Mosher, Handyman to Hardiman, SAE Technical Paper, No. 670088, 1967.
[2] E. Guizzo, H. Goldstein, The rise of the body bots [robotic exoskeletons], IEEE Spectrum, Vol. 42, No. 10, pp. 50-56, 2005.
[3] T. Hayashi, H. Kawamoto, Y. Sankai, Control method of robot suit HAL working as operator’s muscle using biological and dynamical information, Proceeding of the 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Edmonton, Canada, pp. 3063-3068, 2005.
[4] A. B. Zoss, H. Kazerooni, A. Chu, Biomechanical design of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX), IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 11, No. 2, pp. 128-138, 2006.
[5] S. Jezernik, G. Colombo, T. Keller, H. Frueh, M. Morari, Robotic orthosis Lokomat: a rehabilitation and research tool, Neuromodulation: Technology at the Neural Interface, Vol. 6, No. 2, pp. 108-115, 2003.
[6] J. F. Veneman, R. Kruidhof, E. E. G. Hekman, R. Ekkelenkamp, E. H. F. V. Asseldonk, H. van der Kooij, Design and evaluation of the LOPES exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, Vol. 15, No. 3, pp. 379-386, 2007.
[7] S. K. Banala, S. H. Kim, S. K. Agrawal, J. P. Scholz, Robot assisted gait training with active leg exoskeleton (ALEX), IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 2-8, 2009.
[8] A. Dashkhaneh, M. M. Moghaddam, M. R. Hadian, M. Mogharrabi, A. A. M. Saba, S. M. D. Hasankola, Rehabilitation robots control in gait training exercises on a treadmill, Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 8, pp. 157-164, 2014. (in Persianفارسی )
[9] A. Taherifar, M. R. Hadian, M. Mousavi, A. Rassaf, F. Ghiasi, LOKOIRAN- A novel robot for rehabilitation of spinal cord injury and stroke patients, Proceeding of the 2013 First RSI/ISM International Conference on Robotics and Mechatronics (ICRoM), Tehran, Iran, pp. 218-223, 2013.
[10] A. Esquenazi, M. Talaty, A. Packel, M. Saulino, The ReWalk powered exoskeleton to restore ambulatory function to individuals with thoracic-level motor-complete spinal cord injury, American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, Vol. 91, No. 11, pp. 911-921, 2012.
[11] H. Kazerooni, J. L. Racine, L. Huang, R. Steger, On the control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, pp. 4353-4360, 2005.
[12] S. Jezernik, G. Colombo, M. Morari, Automatic gait-pattern adaptation algorithms for rehabilitation with a 4-DOF robotic orthosis, IEEE Trans. Robot. Autom., Vol. 20, No. 3, pp. 574-582, 2004.
[13] M. M. Ataei, H. Salarieh, A. Alasty, Adaptive impedance control of exoskeleton robot, Modares Mechanical Engineering, Vol. 13, No. 7, pp. 111-126, 2013. (in Persianفارسی )
[14] F. M. Silva, J. A. T. Machado, Kinematic aspects of robotic biped locomotion systems, Proceedings of the 1997 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Grenoble, France, Vol. 1, pp. 266-272, 1997.
[15] W. Zijlstra, A. L. Hof, Displacement of the pelvis during human walking: experimental data and model predictions, Gait & Posture, Vol. 6, No. 3, pp. 249-262, 1997.
[16] J. Yoon, R. P. Kumar, A. Özer, An adaptive foot device for increased gait and postural stability in lower limb orthoses and exoskeletons, International Journal of Control, Automation and Systems, Vol. 9, No. 3, p. 515, 2011.
[17] R. Huang, H. Cheng, Y. Chen, Q. Chen, X. Lin, J. Qiu, Optimisation of reference gait trajectory of a lower limb exoskeleton, International Journal of Social Robotics, Vol. 8, No. 2, pp. 223-235, 2016.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 6
مهر 1397
صفحه 12-18