Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2018.tde-14052024-085727
Document
Author
Full name
Wilian Miranda dos Santos
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2018
Supervisor
Committee
Siqueira, Adriano Almeida Gonçalves (President)
Caurin, Glauco Augusto de Paula
Lima, Eduardo Rocon de
Pazelli, Tatiana de Figueiredo Pereira Alves Taveira
Terra, Marco Henrique
Title in Portuguese
Controle de impedância ótimo aplicado à reabilitação robótica do caminhar
Keywords in Portuguese
controle ótimo
controle preditivo
estimativa de parâmetros
exoesqueleto
filtro de Kalman
impedância variável
reabilitação robótica
Abstract in Portuguese
Neste trabalho, é desenvolvido um exoesqueleto para reabilitação de membros inferiores, projetado para atender as características de modularidade de configuração e de atuação. A modularidade de configuração está relacionada ao número de articulações do paciente a serem tratadas, isto é, o exoesqueleto pode ser configurado para tratar uma ou mais articulações do paciente. A modularidade de atuação está relacionada ao tipo de atuação que pode ser realizada, de forma passiva, por meio de molas e amortecedores, ou de forma ativa através de atuadores. Além disso, é desenvolvido um controlador de impedância ótimo para exoesqueletos, projetado para promover a reabilitação do caminhar. A estratégia de controle proposta baseia-se na estimativa dos parârnetros de torque e impedância do paciente durante a marcha. Um observador de distúrbios baseado no momento generalisado, associado com o algoritmo do filtro de Kalman, é utilizado para estimar o torque do paciente. Os parâmetros de rigides e amortecimento são determinados pelo Método dos Mínimos Quadrados, considerando-se o controle motor do paciente modelado como um controle de impedância, com um padrão de marcha pré-definido. Duas estratégias ótimas de controle são consideradas: a primeira estratégia trata-se de um processo de otimização realizado depois de cada passo para obtenção dos parâmetros ótimos de impedâncía dos atuadores para o passo seguinte, e a segunda estratégia consisto em um controlador preditivo baseado em modelo para obtenção dos parâmetros ótimos de impedância ao longo do passo. Para validar as estratégtas, resultados simulados e experimentais com o exoesqueleto proposto são apresentados
Title in English
Optimal impedance control applied to robotic rehabilitation of walking
Keywords in English
exoskeleton
Kalman filter
optimal control
parameter estimation
predictive control
robotic rehabilitation
variable impedance
Abstract in English
In this work, it is developed an exoskeleton for the rehabilitation of lower limbs, designed to meet configuration and actuation modularity characteristics. The configuration modularity is related to the number of patient joints to be treated, i.e., the exoskeleton can be configurated to treat one or more patient joints. The actuation modularity is related to the type of actuation that can be carried out, passively, by means of springs and dampers, or actively by means of actuators. In addition, it is developed an optimal impedance controller for exoskeletons, designed to promote the rehabilitation of walking. The proposed control strategy is based on the estimation of patient torque and impedance parameters during gait. A disturbance observer based on the generalized momentum based, associated with the Kalman filter algorithm, is used to estimate the patient's torque. The parameters of stiffness and damping are determined by the least squares method, considering that the motor control of the patient is modeled as an impedance control, with a predefined gait pattern. Two optimal control strategies are considered: the first strategy is an optimization process performed after each step to obtain the optimum impedance parameters of the actuators for the next step, and the second strategy consists of a model-based predictive controller to obtain the optimal parameters of impedance along the step. To validate the strategies simulated and experimental results with the proposed exoskeleton are presented
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Publishing Date
2024-05-14