Optimal trajectory generation and adaptive control of an underactuated and self-balancing lower body exoskeleton

Bu çalışma, eksik tahrikli bir dış iskelet robotu kullanılarak 3B dinamik öz-dengeli yürüme hareketi geliştirmek için bir yaklaşım sunmaktadır. Bu yaklaşım, hareketin kütle merkezi ile sağ ve sol ayakların merkez Kartezyen yörüngelerini oluşturmak için sıfır moment noktası (ZMP) kavramını ve bir dizi polinomu kullanmaktadır. Önerilen yaklaşım, bir optimizasyon algoritması ile robotun ters kinematiğini görev önceliklendirme formunda çözmekte ve bu açıdan önemli bir rol oynamaktadır. Söz konusu robotun eksik tarhrikli doğası nedeniyle tüm istenen Kartezyen yörüngeleri tam olarak elde etmek mümkün değildir. Bu nedenle, söz konusu yörüngelere belli bir ölçüye kadar yakın bir ters kinematik çözümü geliştirmek için bir dış bükey optimizasyon algoritması kullanılmaktadır. Bu bağlamda, kütle merkezi yörüngesinin öncelikli olduğu kısıtlamaları içeren hiyerarşik bir yapı ilgili ters kinematik için oluşturulmaktadır. İkinci olarak, daha düşük öncelikli kısıtlamaların (örneğin ayak ve gövde yönelimi) çözümü, yüksek öncelikli kısıtlamaların null uzayına yansıtılarak gerekli denge koşulunu doğrulamaktadır. Karalı hareket için, sıfır moment noktasını baz alan empedans geribeslemeli bir hareket kontrolcüsü ve diğer iki hareket kontrolcüsü (oryantasyon kontrolü ve merkezi momentum kontrolü) önerilen görev önceliklendirme algoritmasına adapte edilmiştir. Bu kontrolcülerin geçerliliğini ve gürbüzlüğünü detaylı bir şekilde karşılaştırmak için MSC ADAMS kullanılarak bir dizi simülasyon deneyi gerçekleştirilmiştir. Bir insan-robot birleşik modeli, 40 kg alt hareketli bir dış iskelet ve 12 farklı antropomorfik insan modelini içermektedir. Sonuç olarak, önerilen görev öncelikli optimizasyon algoritmasıyla birleştirildiğinde, üç kontrolcü de dengeli hareket davranışı için yeterli performans sergilemektedir. Buna mukabil, önerilen sıfır moment noktası bazlı empedans kontrolcüsü, göreli olarak daha gürbüz bir performans göstermiş ve bu veriler istatistiksel olarak irdelenmiştir.. Önerilen hareket kontrolcü yaklaşımları model tabanlı kontrolcüler olduğundan, hareket kontrolcüsünün parametre değişikliklerine karşı uyum sağlayabilmesini iyileştirmek için gerçek zamanlı uygulanabilir bir parametre tanımlama algoritması ihtiyacı hasıl olmuştur. Tanımlama algoritması, tanımlanan hareketli parametrelerin tam fiziksel tutarlılığını garanti edecek şekilde özyinelemeli olarak yarı kesirli programlama algoritması kullanılarak geliştirilmiştir. Ek olarak, tanımlanabilirlik projeksiyon matrisini güncellemek için başka bir özyinelemeli algoritma geliştirilmiş ve yeni edinilen örneklerin eski tanımlanabilir parametrelerle düzenlenmesi icra edilmiştir. Tanımlanabilir parametrelerle ilgili bilgileri kaybetmeden kontak geçişlerinin ve gürültünün etkisini azaltmak için süzülmüş regresör kullanılmaktadır. Önerilen tanımlama algoritmasının geçerliliğini doğrulamak için, yukarıda bahsedilen insan-robot birleşik modeli kullanılarak Raisim simülatörü aracılığıyla bir dizi simülasyon deneyi gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, algoritma, tanımlanan parametrelerin doğruluğu, hesaplama süresi ve tam fiziksel tutarlılık temelinde uygun performans sergilemektedir. Önerilen algoritmayı doğrulamak için, Özyeğin Üniversitesi Biyomekatronik Laboratuvarı bünyesinde inşa edilmiş bir dış iskelet prototipi (Co-Ex) oluşturulmuştur. Sekiz seri elastik eyleyci içeren bu prototip temas kuvvetlerini ölçmek için on altı sensör içerir. Ayrıca, motor açılarıyla yay burulmalarını ölçmek için yüksek çözünürlüklü on altı mutlak kodlayıcı ile donatılmıştır. Eyleyici ve sensörlerle iletişim kurabilmek için bir dizi arayüz devresi ve bir masaüstü bilgisayar kullanılmaktadır. Gerçek zaman kısıtlamalarını doğrulamak için Linux Ubuntu 18.04 OS, Xenomai 3.1 yamasıyla kullanılmaktadır. Gerekli kontrolcüleri programlamak için GNU bilimsel kütüphanesiyle birlikte C dili kullanılmaktadır. Paralel programlama, her iki algoritmayı aynı anda çözebilmek için kullanılmaktadır. Squatting ve swaying hareketleri, Co-Ex kullanılarak deneysel olarak geliştirilmiştir. Deneyler, önerilen algoritmaların ve geliştirilen donanımın gerçek zamanlı uygulanabilirliğini kanıtlamaktadır.