Przeprowadzone badania symulacyjne i laboratoryjne udowodniły postawioną tezę rozprawy z rozdziału 2. W pracy zaprezentowano autorski system do rehabilitacji kończyn dolnych człowieka jako obiektu regulacji. W systemie sygnałami zadawanymi były sygnały pochodzące ze stanowiska umożliwiającego pomiar przemieszczeń w stawach kończyn dolnych człowieka w płaszczyźnie strzałkowej montowanych na osobie „instruktora rehabilitacji”. System ten został zweryfikowany pod względem wprowadzanych ograniczeń przemieszczeń w odpowiednich stawach kończyny dolnej człowieka oraz pod względem wpływu układu na rozkład sił wywieranych na stopę człowieka. Otrzymane wyniki udowodniły prawidłowy dobór struktury mechanicznej, elektronicznej oraz zastosowanej metodyki pomiaru sygnałów w postaci przemieszczeń kątowych w stawach kończyny dolnej człowieka.
Drugą grupą sygnałów były sygnały, które stanowiły odpowiedź obiektu na zadane wymuszenia. W układzie regulacji sygnały te umożliwiają wyznaczenie sprzężeń zwrotnych. Pochodzą one z układu wymuszającego ruch kończyny dolnej osoby „pacjenta” w postaci przemieszczeń tłoczysk siłowników elektrycznych. Projekt oraz wybór struktury układu wspomagania został wykonany na podstawie analizy dynamiki chodu człowieka, które zostały oparte na własnych badaniach laboratoryjnych oraz na podstawie materiałów literaturowych. Badania te miały na celu wyznaczenie skrajnych przemieszczeń oraz znalezienie zależności kinematycznych podczas wykonywania podstawowych czynności. Projekt mechaniczny konstrukcji został oparty na strukturze równoległo – szeregowej. Taka konfiguracja umożliwia zwiększenie zakresu realizowanych przemieszczeń podczas wykonywania podstawowych czynności przez człowieka, np. siadania, wstawania, chodu. System został również zaprojektowany tak, aby miał możliwość dostosowywania się
automatycznego do wzrostu pacjenta po podaniu charakterystycznych parametrów opisujących kończynę dolną pacjenta.
W pracy zaprezentowano autorskie podejście umożliwiające synchronizację układów napędowych. Jest ono wymagane ze względu na ograniczenia dynamiki samych układów napędowych w postaci ograniczeń siłowych oraz dodatkowo wprowadzanych limitów
realizowanych zakresów pozycji, prędkości oraz przyśpieszeń.
W zaprojektowanym systemie sygnały zadawane w postaci przemieszczeń przez instruktora oraz wyznaczanych prędkości są ograniczane do zadanych zakresów oraz kolejkowane w buforze. Następnie na podstawie uchybów powstających pomiędzy zadanymi wartościami z bufora oraz aktualną pozycją i prędkością kątową układu wykonawczego wyznaczane są trajektorie przemieszczenia. Błędy pozycji pomiędzy poszczególnymi napędami niwelowane są przez algorytmy przedstawione w punkcie 5.
W celu wyznaczenia struktury układów sterowania oraz przeprowadzenia testów wyznaczony został model dynamiczny układu wykonawczego. Model ze względu na skomplikowaną strukturę kinematyczną obiektu został podzielony na dwa podsystemy. Pierwszy podsystem opisuje dynamikę układów napędowych (siłowników elektrycznych), który został wyznaczony w procesie identyfikacji oraz na podstawie danych literaturowych. Drugi podsystem został otrzymany na podstawie rozwiązania równań Lagrange’a oraz na podstawie identyfikacji utworzonego modelu bryłowego obiektu w środowisku projektowania 3D.
Opracowano również autorski algorytm, który został oparty na zależnościach kinematycznych pomiędzy dwoma systemami (pomiarowym oraz wykonawczym). Algorytm umożliwia wyznaczanie przemieszczeń w stawie biodrowym, kolanowym oraz skokowym pacjenta na podstawie przemieszczeń układów wykonawczych. Algorytm umożliwia również wyznaczenie wymaganych przemieszczeń bazowych siłowników w celu dostosowania konstrukcji mechanicznej do pacjenta. Trzecią funkcją tego algorytmu jest możliwość wyznaczenia strefy roboczej układu, a mianowicie maksymalnych zakresów przemieszczeń realizowanych przez układ wykonawczy. Ze względu na możliwość dostosowywania się konstrukcji do pacjenta zakresy robocze są różne i zależne od wzrostu pacjenta.
W pracy zaproponowano również autorski układ sterowania, który oparty został na strukturze dwupętlowej. Pętla pierwsza (wewnętrzna) realizuje sterowanie układami napędowymi na podstawie uchybów pozycji oraz prędkości. Pozycja oraz prędkość zadana dla tej pętli pochodzi od odpowiedzi modelu matematycznego. Druga pętla sterowania (zewnętrzna) realizuje sterowanie zadaną pozycją kątową poszczególnych stawów. Sygnałami wejściowymi w tym układzie są sygnały uchybów wyznaczonych z algorytmu synchronizacji. Sygnały sterujące w tej pętli generują wymuszenia zadawane na model matematyczny siłowników. Sygnałami wyjściowymi z tej pętli są pozycje oraz prędkości generowane przez model. Dzięki zastosowaniu takiej struktury układu sterowania możliwa jest kontrola pozycji oraz prędkości poszczególnych siłowników układu wykonawczego. Struktura dwupętlowej regulacji zmniejsza wrażliwość układu na zakłócenia.
W przyszłych badaniach synchronizacji układów oraz wymuszania ruchów kończyn dolnych człowieka zostaną zaprojektowane inne układy sterowania. Będą one bazować nie tylko na zadawanym przemieszczeniu, ale również zostaną przebadane układy sterowania ze sprzężeniem siłowym generowanym przez kończynę dolną człowieka. W tym celu zostanie zastosowany pomiar rozkładu sił na stopie człowieka. Zaprezentowany model matematyczny układu zamocowanego na pacjencie został już wyznaczony w sposób umożliwiający podłączenie zewnętrznych sił generowanych przez stopę. Dzięki tym modyfikacjom układ sterowania będzie umożliwiał zmianę trybu pracy systemu. Funkcjonalność w postaci naśladowania ruchów człowieka będzie wzbogacona przez możliwość wspomagania przemieszczeń kończyny pacjenta, gdzie ruch będzie wymuszany przez samego pacjenta. Układ będzie miał również możliwość wymuszania przemieszczeń w odpowiednich stawach z zadanym maksymalnym momentem oddziaływania na poszczególny staw. Doposażenie systemu sterowania o przedstawioną funkcjonalność będzie umożliwiało zbudowanie finalnego produktu przeznaczonego na rynek konsumencki po uprzednich testach na docelowych grupach badawczych.
LITERATURA
1. Hanson D., Bar-Cohen Y.: The Coming Robot Revolution. Expectations and Fears
About Emerging Intelligent, Humanlike Machines, Springer-Verlag, New York 2009.
2. Khalil W., Dombre E.: Modeling, Identification and Control of Robots, Elsevier, 2014, pp. 1-12.
3. www.fanucrobotics.com.
4. Alazard D., Chretien J. P.: Dexterous External Space Manipulation: Serial Or Parallel
Concepts Comparison, Proceedings of the IFAC Automatic Control in Aerospace 94,
Palo Alto (CA), USA, 1994. 5. www.fanuc.co.jp.
6. Leniowski R.: Generowanie przestrzennej trajektorii robota chirurgicznego za pomocą
półprzewodnikowego sensora ruchu o 6 stopniach swobody, Pomiary Automatyka
Robotyka, Vol. 2, 2012, s. 410-415.
7. Wavering A A. J.: Parallel kinematic machine research at NIST: past, present and
future, for Parallel Kinematic Machines, Advanced Manufacturing Series, Springer,
1999, pp. 17–31.
8. Rauf A., Kim S.-G., Ryu J.: A new measurement device for complete parameter
identification of parallel manipulators with partial pose measurements, The 4th
Chemnitz Parallel Kinematics Seminar, Chemnitz, Germany, 2004, pp. 89–106.
9. Song J., Mou J.-I, King C.: Error modeling and compensation for parallel kinematic
machines for Parallel Kinematic Machines, Advanced Manufacturing Series, Springer,
London, 1999, pp. 171–187.
10. Guan L., Yun Y., Wang J. , Wang L.: Kinematics of a Tricept-like parallel robot, IEEE
11. Merlet J.-P.: Parallel Robots, Springer, 2006, pp. 4–7.
12. Schütz D., Wahl F. M.: Robotic Systems for Handling and Assembly, Springer, Vol. 67, 2011, pp. 18-20.
13. Hunt, K.H.: Structural kinematics of in-parallel-actuated structure-arms. Journal of
Mechanisms, Transmissions and Automation in Design Vol. 105, Nr. 4, 1986, pp. 705–
712.
14. Pierrot, F., Dauchez, P., Fournier, A.: Towards a fully-parallel 6 DOF robot for high
speed applications. IEEE International Conference on Robotics and Automation,1991,
pp. 1288–1293.
15. Gough, V.E., Whitehall, S.G.: Universal tire test machine, 9th International Technical Congress F.I.S.I.T.A., 1962, pp. 117–135
16. Griffis, M., Crane, C., Duffy, J.: A smart kinestatic interactive platform. Advances in
Structure Kinematics and Computational Geometry, Kluwer Academic Publishers,
Dordrecht (1994), pp. 459–464.
17. Hebsacker, M.: Effektiver Fräsen mit sechs Beinen, Schweizer Präzisions-Fertigungstechnik, 1997, pp. 28–30.
18. Merlet, J.-P., Gosselin, C.M.: Nouvelle architecture pour un manipulateur parallèle à
6 degrés de libertè. Mechanism and Machine Theory 26(1), 1991, pp.77–90.
19. Pandilov Z., Dukovski V.: Comparison of the characteristics between serial and
parallel robots, Acta Technica Corviniensis – Bulletin of Engineering, Vol. VII, 2014.
20. Maxwell J. C.: The Scientific Papers of James Clerk Maxwell, New York, Dover Publications 1890.
21. Gough V. E., Whitehall S. G.: Universal tyre test machine, Proceedings of the FISITA Ninth International Technical Congress, May 1963, s. 117-137.
22. Li K., Chen j., Xiso Z., Xu M.: An electrohydraulic system for synchronized roof rerection. Automation in Construction 2003, No 12, pp. 29-42.
23. EVO-Series. Synchronous Lifting Systems Evo Enerpac, Management of lifting
operations from a central control system improves safety and operational productivity.
Enerpac 2014.
24. Materiały techniczne IRB 360 Data sheet, ABB 2013.
25. Stanowisko pt. Bending cell with two robots working simultaneously, materiały reklamowe firmy Starmatik, 2012.
26. Banala S.K., Kim S.H., Agrawal S.K., Scholz J.P.: Robot assisted gait training with
active leg exoskeleton (ALEX), IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng.,Vol. 17, 2009,
pp. 2–8.
27. Asbeck, A.T., De Rossi, S.M.M., Galiana, I., Ye Ding, Walsh, C.J.: Stronger, Smarter,
Softer: NextGeneration Wearable Robots, Robotics & Automation Magazine, IEEE ,
Vol. 21, No.4, 2014, pp.22-33.
28. Ekkelenkamp R., Veneman J., van der Kooij H.: LOPES: a lower extremity powered
exoskeleton, Robotics and Automation, IEEE International Conference 2007, pp.
3132-3133.
29. Roy A., et al: Robot-aided neurorehabilitation: a novel robot for ankle rehabilitation. IEEE Trans Robot. 2009, pp. 569–582.
30. Kazerooni H., Steger R.: The Berkeley Lower Extremity Exoskeletons, ASME Journal of Dynamics Systems, Measurements and Control, Vol. 128, 2006, pp. 14-25.
31. Kim J-H., Han J. W., Kim D. Y., Baek Y. S.: Design of a Walking Assistance Lower
Limb Exoskeleton for Paraplegic Patients and Hardware Validation Using CoP,
International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 10, 2013.
32. Hayashi Y., Kiguchi K.: Stairs-Ascending/Descending Assist for a Lower-Limb
Power-Assist Robot Considering ZMP, 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent
Robots and Systems, San Francisco, CA, USA 2011.
33. Dzahir M. A. M., Yamamoto S-I: Design and Evaluation of the AIRGAIT Exoskeleton:
Leg Orthosis Control for Assistive Gait Rehabilitation, Journal of Robotics, 2013.
34. Belforte G., Eula G., Sirolli S., et al.: Bra.Di.P.O. and P.I.G.R.O.: Innovative Devices
for Motor Learning Programs, Journal of Robotics, 2014.
35. Pietrusinski M., Cajigas I., Severini G., Bonato P., Mavroidis, C.: Robotic gait
rehabilitation trainer, IEEE/ASME Mechatronic, Vol. 19, 2014, pp. 490–499.
36. Davis R.B., Ounpuu S. DeLuca P.A.: Analysis of Gait, Biomechanics, Principles and
application, CRC Press, 2008.
37. Michnik R., Jurkojć J., Guzik A., Tejszerska D.: Analysis of loads of the lower limb
during gait, carried aut with the use of the mathematical model, made for patients during rechabilitation progress, Eccomas conference „Multibody Dynamics 2007”
Conference Information Booklet & Book of Abstracts, Milano 2007.
38. Kiguchi K., Yokomine Y.: Walking Assist for a Stroke Survivor with a Power-Assist
Exoskeleton, 2014 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics
39. Pratt J.E., Krupp B.T., Morse C.J., Collins S.H.: The RoboKnee: An Exoskeleton for
Enhancing Strength and Endurance During Walking, Proc, IEEE International
Conference on Robotics and Automation (New Orleans), 2004, pp. 2430–2435.
40. Zoss A., Kazerooni H., Chu A.: On the mechanical Design of the Berkeley Lower
Extremity Exoskeleton (BLEEX), IEEE/RSJ International Conference on Intelligent
Robots and Systems, 2005.
41. Beyl P., Damme M., Ham R., Vanderborght B., Lefeber D.: Design and control of a
lower limb exoskeleton for robot-assisted gait training. Applied Bionics and Biomechanics, Vol. 6, No. 2, 2009, pp. 229–243.
42. Schmitt C., Metrailler P., Al-Khodairy A.: The motion maker: a rehabilitation system
combining an orthosis with closed-loop electrical muscle stimulation, The 8th Vienna
International Workshop on Functional Electrical Stimulation, Austria, 2004, pp. 117– 120.
43. Getting Started with CompactRIO - Performing Basic Control. Materiały szkoleniowe National Instruments, 2013.
44. Ostaszewski M., Siemieniako F.: Laboratory Station for Research on Angular
Translocation in Human Lower Limbs, Solid State Phenomena 2013, Vol. 199, pp.
326-331.
45. Pauk J., Kuzmierowski T., Ostaszewski M.: Wearable Mechatronic Motion Capture
System for Angle Meas-urement and its impact on foot loading during walking,
Mechanika, 2015, Vol. 21, nr 5 , pp. 8-11.
46. Sobotach D., Kecskemethy A., Steinwender G., B. Zwick: A simplified approach for
rough identification of muscle activation profiles via optimization and smooth profile patches, ECCOMAS, Madrid Spain, 2005.
47. Świtoński E, Gzika A: BIOMECHANIKA narządu ruchu człowieka, Katedra Mechaniki Stosowanej, Wydział Mechaniczno-Techniczny, Politechnika Śląska, Gliwice 2011, s.351-353, 409-411.
48. Ostaszewski M., Siemieniako F.: Kinematic model of a mechanical devise for the
support human lower limb. Engineering Mechanics’2014 : 20’th International
Conference, 2014, pp. 464-467.
49. Ostaszewski M., Siemieniako F.: Identification of in-line electric actuator. 14th International Carpathian Control Conference (ICCC), 2013 , pp.280-283.
50. Materiały techniczne firmy Concens: Concens excellent electric actuators. Data Sheet
51. Isermann R.: Mechatronic Systems: Fundaments, London, Springer, New York , 2005. 52. Kowal J.: Podstawy Automatyki - tom 1, UWND, Kraków 2006, s. 229-231.
53. Materiały techniczne Data Translation: DT-LV Link Getting Started Manual, Fifth Edition December, 2004.
54. Zieliński T. P.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów od teorii do zastosowań. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności Warszawa, Warszawa 2005, s. 408-413. 55. Zarchan P.: Progress In Astronautics and Aeronautics: Fundamentals of Kalman
Filtering:
A Practical Approach. American Institute of Aeronautics & Astronautics, 2005, pp.
129-156.
56. Ascher U. M., Petzold L. R.: Computer Methods for Ordinary Differential Equations
and Differential-Algebraic Equations, SIAM, 1998, pp. 129.
57. Süli E., Mayers D.: An Introduction to Numerical Analysis, Cambridge University Press, 2003, pp. 349.
58. Smith S. W.: Digital Signal Processing, Elsevier, 2003, pp. 277-284.
59. Yamaguchi F.: Curves and Surfaces in Computer Aided Geometric Design, Springer-Verlag,1988, pp. 72-77.
60. Farouki R. T.: Pythagorean-Hodograph Curves: Algebra and Geometry Inseparable, Springer-Verlag, 2008, pp. 31-35.
61. Ostaszewski M., Kuźmierowski T.: Frequency fitting algorithm of control signals based
on Hermite curves, Proceedings of the 16th International Carpathian Control
Conference : ICCC’2015, Węgry, 2015, pp. 355-359.
62. Skoczowski S., Domek S., Pietrusewicz K., Broel-Plater B.: A method for improving
the robustness of PID control, IEEE Trans. Industrial Electronics, Vol. 52, No. 6, 2005, pp. 1669-1676.
63. Milecki A., Rybarczyk D., Owczarek P.: Application of the MFC Method in
Electrohydraulic Servo Drive with a Valve Controlled by Synchronous Motor, Recent
Advances in Automation, Robotics and Measuring Techniques, Springer, 2014, pp. 167-174.
64. Fritsch F. N., Carlson R. E.: Monotone piecewise cubic interpolation. SIAM Journal on Numerical Analysis, Vol. 17(2).
65. Fritsch F. N., Butland J.: A method for constructing local monotone piecewise cubic
interpolants, SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing, Vol. 5(2), 1984,
ZAŁĄCZNIKI
Załącznik 1. Prędkości oraz przyspieszenia kątowe w charakterystycznych