مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی و ساخت ربات پوشیدنی قابل ِحمل دست تحت کنترل مد لغزشی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
فایزه عظیمی پیرسلطان 1
سجاد ازگلی 2
مجید محمدی‌مقدم 3
1 دانشجو تربیت مدرس
2 دانشیار دانشگاه تربیت مدرس
3 استاد، گروه طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک
چکیده
دست انسان اندام حرکتی پیچیده‌ای است. عواملی مانند سکتۀ مغزی می‌تواند عملکرد دست را مختل کند. این بیماران در انجام‌ دادن فعالیت‌های روزانه استقلال فردی را از دست می‌دهند. تعامل انسان با ربات موجب پیدایش دستگاه‌های جدیدی به منظور توان‌افزایی شده‌ است. هدف از اجرای پژوهش حاضر طراحی و ساخت یک نمونۀ اولیه مفهومی ربات پوشیدنی قابل‌حمل است. این ربات به منظور استفاده در فعالیت‌های روزمرۀ بیمارانی که توانایی اکستنشن (باز‌شدن) دست خود را از دست داده‌اند طراحی شده است. از جمله چالش‌های این حوزه می‌توان به هزینۀ بالا به دلیل استفاده از عملگرهای و حسگرهای متعدد برای کنترل اشاره نمود. با افزایش تعداد قطعات به‌کار رفته در ساخت وسیله، وزن نهایی آن بالا رفته و عملاً قابلیت حمل نخواهد داشت. با توجه به اهمیّت قابل‌حمل بودن و نیاز کاربر برای استفادۀ طولانی از ربات، در اینجا اجزای مکانیزم با وزن کم طراحی شده­اند. در مکانیزم ارائه شده، به پایین‌ترین مفصل چهار انگشت دست، هم‌زمان و تنها با یک عملگر الکتریکی گشتاور اعمال می‌شود و در نتیجه، انگشتان باز می‌شوند. سیستم انتقال نیرو با الگوگرفتن از تاندون‌های دست، به کمک تغییر طول کابل طراحی گردید. به دلیل اغتشاشات و غیر خطی بودن سیستم، کنترل مُد لغزشی با هدف کمینگی خطا طراحی گردید. نتایج کنترل به ازای زاویۀ خروجی دلخواه مطلوب نشان داد که زاویۀ مفصل به زاویۀ طراحی همگراست و خطا به صفر میل می­­کند. نتایج خوب عملی، همچنین کم‌بودن هزینه و وزن نهایی نمونۀ اولیۀ ساخته‌شده، حاکی آن است که پژوهش قابلیت توسع ه­پذیری دارد.
کلیدواژه‌ها
سکته مغزی
اسکلت خارجی
دست
ربات پوشیدنی

موضوعات

عنوان مقاله English

Design and manufacturing of a wearable portable robotic hand controlled by sliding mode controller

نویسندگان English

faezeh azimi 1
sajad ozgoli 2
majid M. Moghaddam 3
1 Tarbiat Modares student
2 Tarbiat Modares University
3 Professor at the School of Mechanical Engineering
چکیده English

Hands are complex moveable organs of the human body. some reasons such as stroke can cause the hands disordering. These patients have problem doing their daily routines. Communication between human and robots lead to inventing devices to improving ability. This paper aims to design and prototype a portable wearable robot. This robot has been designed to facilitate the daily routines of patients who are not able to extend their hands. Researchers are facing challenges like high cost due to numerous actuators and innumerous sensors used to control the system. As the number of elements used to build the device increase, the ultimate weight of the device, also, grows, and practically it loses portability. According to the importance of portability of the robot and the need for long-term use by the user, device components with less weight are designed in this work. In this regard, in the introduced mechanism, a torque is applied to the lowest metacarpophalangeal joints simultaneously by only one electric operator; therefore, fingers are opened. The power transmission system is inspired from the hand tendon with the help of the cable length changes. Because of disturbances and nonlinearity of the system, sliding mode controller to minimize the error is designed. The results demonstrate that the joint angle converges to the desired angle, and the error tends to zero. Good results of the practical test, in addition to being low cost, and weight imply that we can trust the extensibility of this project.

کلیدواژه‌ها English

stroke
Exoskeleton
hand
Wearable robot
1. Masiero S, Carraro E, Ferraro C, Gallina P, Rossi A, Rosati G. Upper limb rehabilitation robotics after stroke: A perspective from the University of Padua, Italy. J Rehabil Med. 2009;41(12):981–5.
2. Uchida H, Murakami T. An approach to power assist hand exoskeleton for patients with paralysis. In: Advanced Motion Control (AMC), 2018 IEEE 15th International Workshop on. IEEE; 2018. p. 657–662.
3. Manna SK, Dubey VN. Comparative study of actuation systems for portable upper limb exoskeletons. Med Eng Phys. 2018 Oct 1;60:1–13.
4. Heo P, Gu GM, Lee S, Rhee K, Kim J. Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering. Int J Precis Eng Manuf. 2012 May;13(5):807–24.
5. Refour E, Sebastian B, Ben-Tzvi P. Two-Digit Robotic Exoskeleton Glove Mechanism: Design and Integration. J Mech Robot. 2018 Jan 29;10(2):025002.
6. Kang BB, Lee H, In H, Jeong U, Chung J, Cho K-J. Development of a polymer-based tendon-driven wearable robotic hand. In: Robotics and Automation (ICRA), 2016 IEEE International Conference on. IEEE; 2016. p. 3750–3755.
7. Yun S-S, Kang BB, Cho K-J. Exo-Glove PM: An Easily Customizable Modularized Pneumatic Assistive Glove. IEEE Robot Autom Lett. 2017 Jul;2(3):1725–32.
8. Dunaway S, Dezsi DB, Perkins J, Tran D, Naft J. Case Report on the Use of a Custom Myoelectric Elbow–Wrist–Hand Orthosis for the Remediation of Upper Extremity Paresis and Loss of Function in Chronic Stroke. Mil Med. 2017 Jul;182(7):e1963–8.
9. Conti R, Allotta B, Meli E, Ridolfi A. Development, design and validation of an assistive device for hand disabilities based on an innovative mechanism. Robotica. 2017 Apr;35(04):892–906.
10. Jo I, Bae J. Design and control of a wearable hand exoskeleton with force-controllable and compact actuator modules. In: Robotics and Automation (ICRA), 2015 IEEE International Conference on. IEEE; 2015. p. 5596–5601.
11. Chiri A, Vitiello N, Giovacchini F, Roccella S, Vecchi F, Carrozza MC. Mechatronic Design and Characterization of the Index Finger Module of a Hand Exoskeleton for Post-Stroke Rehabilitation. IEEEASME Trans Mechatron. 2012 Oct;17(5):884–94.
12. Dehghan Neistanak V, M. Moghaddam M, Abbasi Moshaei AR. Design of a Hand Tendon Injury Rehabilitation System using a DOF Constrainer Mechanism. mdrsjrns. 2020 Jan 1;20(1):1–12.
13. Torres J, Cotelo J, Karl J, Gordon AP. Mechanical Property Optimization of FDM PLA in Shear with Multiple Objectives. JOM. 2015 May;67(5):1183–93.
14. Anam K, Al-Jumaily AA. Active Exoskeleton Control Systems: State of the Art. Procedia Eng. 2012;41:988–94.
15. Shen Y, Sun J, Ma J, Rosen J. Admittance Control Scheme Comparison of EXO-UL8: A Dual-Arm Exoskeleton Robotic System. IEEE Int Conf Rehabil Robot. 2019 Jun;2019:611-617. doi: 10.1109/ICORR.2019.8779545. PMID: 31374698.
16. Z. Qu and J. Dorsey, "Robust tracking control of robots by a linear feedback law", in IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 36, no. 9, pp. 1081-1084, Sept. 1991, doi: 10.1109/9.83543.
17. Leonardis D, Barsotti M, Loconsole C, Solazzi M, Troncossi M, Mazzotti C, et al. An EMG-Controlled Robotic Hand Exoskeleton for Bilateral Rehabilitation. IEEE Trans Haptics. 2015 Apr 1;8(2):140–51.
18. Meng Q, Meng Q, Yu H, Wei X. A survey on sEMG control strategies of wearable hand exoskeleton for rehabilitation. In: Intelligent Robot Systems (ACIRS), 2017 2nd Asia-Pacific Conference on. IEEE; 2017. p. 165–169.
19. Zhang F, Lin L, Yang L, Fu Y. Variable impedance control of finger exoskeleton for hand rehabilitation following stroke. Industrial Robot: the international journal of robotics research and application. 2019.
20. Ying C, Jia-fan Z, Can-jun Y, Bin N. Design and hybrid control of the pneumatic force-feedback systems for Arm-Exoskeleton by using on/off valve. Mechatronics. 2007 Jul;17(6):325–35.
21. Rahman MH, Ouimet TK, Saad M, Kenné JP, Archambault PS. Development and control of a wearable robot for rehabilitation of elbow and shoulder joint movements. In: IECON 2010-36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. IEEE; 2010. p. 1506–1511.
22. Mokhtari M, Taghizadeh M, Mazare M. Optimal Adaptive High-Order Super Twisting Sliding Mode Control of a Lower Limb Exoskeleton Robot. Modares Mech Eng. 2019 Mar 10;19(3):777–87.
23. Moshaii AA, Moghaddam MM, Niestanak VD. Fuzzy sliding mode control of a wearable rehabilitation robot for wrist and finger. Industrial Robot: the international journal of robotics research and application. 2019 Vol. 46 No. 6, pp. 839-850.
24. Abbasi Moshaei AR, Mohammadi Moghaddam M, Dehghan Neistanak V. Analytical Model of Hand Phalanges Desired Trajectory for Rehabilitation and Design a Sliding Mode Controller Based on This Model. Modares Mech Eng. 2020 Jan 10;20(1):129–37.
25. Zheng R, Li J. Kinematics and workspace analysis of an exoskeleton for thumb and index finger rehabilitation. In: Robotics and Biomimetics (ROBIO), 2010 IEEE International Conference on. IEEE; 2010. p. 80–84.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 21، شماره 4
فروردین 1400
صفحه 273-284