Ανάλυση, μοντελοποίηση και έλεγχος τεχνητών πνευματικών μυών

Abstract

The research area considered in this doctoral thesis covers matters of analysis, modeling and control of the Pneumatic Artificial Muscle (PAM) as an actuation unit and as a means of actuation of a novel experimental setup. The presented research started with the bibliographical search and study of articles related to the existing theoretical modeling approaches of the PAM’s operation, the review of strategies developed and implemented for the control of the PAM’s basic characteristics, as well as an overview of the most significant PAM-actuated applications. Regarding the study of the PAM’s static and dynamic operation, extensive experimental trials were performed for the identification of the elements that synthesize the dynamic expression, which describes the operating characteristics, via the development and utilization of an experimental setup for the analysis of the non-linear phenomena that describe the operating states of this actuator. The acquired results were utilized for the simulation of a cascaded motion pattern actuated via serially interconnected PAMs. Subsequently, further study of the non-linear phenomena, which describe the PAM’s operation, was performed, while focusing on the hysteretic phenomena that characterize its properties by experimentally studying the factors that cause a temperature increase during the PAM’s continuous operation. In addition, the effect of these thermal changes on the PAM’s operation was also studied from an experimental point of view, in order to incorporate this phenomenon to the static model, which relates the basic elements of this actuator (pressure, displacement, contractile force). In the context of extending the theoretical background of PAM modeling, the effect of the PAM’s surface temperature change was examined and incorporated in the static modeling description via the utilization of the thermal expansion effect. The modified static force model was simulated for the purpose of analyzing the validity of such a theoretical integration and the efficiency of the overall modeling strategy in estimating the PAM’s force-displacement curve by using thermal data acquired from the experimental operation of test PAMs.In an effort of synthesizing a theoretical description of the PAM’s dynamic operation, a Piecewise Affine (PWA) modeling approach was developed, where the dynamic non-linear equations are being approximated by a switching transition between the linearized state-space subsystems, which describe the dynamic behavior of PAMs in different operating regions. Validation of modeling efficiency was performed via simulation studies in a mathematical programming environment.Based on the PWA approach of the PAM’s dynamic operation, a Model Predictive Control (MPC) scheme was developed and applied. Simulation studies of the strategy controlling the PAM’s displacement were followed by the experimental application and evaluation of this method’s efficiency under different conditions regarding the PAM’s switching modeling, as well as the basic parameters that directly affect the performance of the MPC scheme. Furthermore, a Constrained Finite Time Optimal Control (CFTOC) strategy was developed on the basis of the aforementioned PWA modeling approach in order to evaluate its performance and control characteristics in comparison with those of the MPC scheme. The evaluation of the resulting closed-loop system in the PAM’s position control was performed via extensive experimental studies. For a comparative study between the characteristics and attributes of the aforementioned control structures, their experimental results were accompanied by responses acquired via the conventional PID control algorithm.The modification of the initial experimental setup in order to study the antagonistic operation of two or more PAMs, as well as the dynamic response study of a single PAM by using the antagonistic PAMs as an external load, was followed by the development and implementation of an adaptive Internal Model Control (IMC) scheme for the position control during single and antagonistic PAM operation. The conventional IMC was modified and improved via the utilization of a Recursive Least Square (RLS) algorithm for the identification of the system’s parameters, thus providing the control structure with the necessary adaptability in non-linear alterations, which occur during the PAM’s continuous operation. Extensive experimental trials were performed for the performance evaluation of the IMC structure and the examination of its robustness and adaptability.In addition, non-linear approaches for the control of the single and antagonistic operation of PAMs were examined, leading to the development of an Advanced Non-linear PID (ANPID) control algorithm, which included a two degrees of freedom error mechanism, squared error adjustment, trapezoidal integration and partial derivative action for fast, robust and smooth control of PAMs. An experimental application of the ANPID control structure was executed, while the presented results verify the successful position control of a single PAM and angle control of the pulley-based antagonistic PAM configuration, as well as the advantages of the utilization of such a control structure in comparison to the conventional PID control law.Finally, the presented research regarding the analysis, modeling and control of PAMs led to the design, development and control of a novel exoskeletal mechanism for undertaking the motion of the human wrist, which utilizes PAMs as means of actuation. The conceptual design stages are analyzed, as well as the incorporation of different sensorial systems for the reproduction of physiotherapy motion strategies, while the experimental results of the motion control of the exoskeleton via the conventional PID and ANPID structures are presented in detail.The research efforts and the acquired results presented in this PhD thesis were published in a number of international scientific conferences and journals, which are presented in the Appendix.

Η ερευνητική περιοχή που εξετάζεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή καλύπτει θέματα ανάλυσης, μοντελοποίησης και ελέγχου της λειτουργίας του Τεχνητού Πνευματικού Μυός (ΤΠΜ) ως μονάδα ενεργοποίησης καθώς και ως μέσο ενεργοποίησης πρότυπης πειραματικής διάταξης.Η ερευνητική πορεία ξεκινά με τη βιβλιογραφική αναζήτηση και τη μελέτη άρθρων σχετιζόμενων με θεωρητικές προσεγγίσεις μοντελοποίησης των ΤΠΜ, την ανασκόπηση των στρατηγικών που έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί για τον έλεγχο των βασικών χαρακτηριστικών του ΤΠΜ, καθώς και την παρουσίαση των σημαντικότερων εφαρμογών που έχουν αναπτυχθεί και δημοσιευθεί έως σήμερα, και κάνουν χρήση του συγκεκριμένου πνευματικού μέσου ενεργοποίησης.Στα πλαίσια μελέτης της στατικής και δυναμικής λειτουργίας του ΤΠΜ, πραγματοποιήθηκαν εκτενή πειράματα για την αναγνώριση των στοιχείων που συνθέτουν τη δυναμική εξίσωση που περιγράφει τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του, αναπτύσσοντας και κάνοντας χρήση ειδικής πειραματικής διάταξης για την ανάλυση των μη-γραμμικοτήτων που περιγράφουν τις καταστάσεις λειτουργίας του ενεργοποιητή αυτού. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση της διαδοχικής κίνησης, στο επίπεδο, πολλαπλών σειριακά συνδεδεμένων ΤΠΜ. Ακολούθησε περαιτέρω μελέτη των μη-γραμμικών φαινομένων που περιγράφουν τη λειτουργία του ΤΠΜ, επικεντρώνοντας την ερευνητική προσοχή πάνω στα φαινόμενα υστέρησης που χαρακτηρίζουν τις βασικές ιδιότητές του, ενώ ακολούθησε εκτενής πειραματική μελέτη των φαινομένων που προκαλούν την αύξηση της θερμοκρασίας του ΤΠΜ κατά τη διαρκή λειτουργία του. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε πειραματικά η επίδραση των θερμικών αλλαγών στη λειτουργία του ΤΠΜ, με σκοπό τη συμπερίληψή της στο στατικό μοντέλο που συνδέει τα βασικά στοιχεία του συστήματος (πίεση, μετατόπιση, ελκτική δύναμη).Στο πλαίσιο επέκτασης του θεωρητικού υπόβαθρου μοντελοποίησης του ΤΠΜ, εξετάστηκε η επίδραση της θερμοκρασιακής μεταβολής στα λειτουργικά χαρακτηριστικά του ΤΠΜ και ενσωματώθηκε στη στατική περιγραφή της λειτουργίας του κάνοντας θεωρητική χρήση του φαινομένου της Θερμικής Εξάπλωσης (Thermal Expansion). Το τροποποιημένο μοντέλο στατικής λειτουργίας του ΤΠΜ προσομοιώθηκε για λόγους ανάλυσης της αποτελεσματικότητας του στην εκτίμηση των χαρακτηριστικών του ΤΠΜ μέσω των θερμικών δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά την πειραματική λειτουργία του υπό μελέτη ενεργοποιητή.Στην προσπάθεια θεωρητικής περιγραφής της δυναμικής λειτουργίας του ΤΠΜ, αναπτύχθηκε μία Τμηματικά Συσχετιζόμενη (Piecewise Affine) προσέγγιση μοντελοποίησης, όπου οι δυναμικές μη-γραμμικές εξισώσεις του προσεγγίζονται με διακοπτική εναλλαγή ανάμεσα σε γραμμικοποιημένα υποσυστήματα εκφρασμένα στο χώρο κατάστασης, τα οποία περιγράφουν τη δυναμική συμπεριφορά του ΤΠΜ σε διαφορετικές περιοχές λειτουργίας. Πραγματοποιήθηκε έλεγχος της απόδοσης του προσεγγιστικού μοντέλου μέσω προσομοιώσεων σε προγραμματιστικό περιβάλλον.Πάνω στην τμηματικά συσχετιζόμενη προσέγγιση της δυναμικής λειτουργίας του ΤΠΜ βασίστηκε η ανάπτυξη και εφαρμογή στρατηγικής Ελέγχου Πρόβλεψης Μοντέλου (Model Predictive Control). Μελέτες προσομοίωσης της συγκεκριμένης στρατηγικής για τον έλεγχο της μετατόπισης του ΤΠΜ ακολούθησε πειραματική εφαρμογή και αξιολόγηση της απόδοσης του ελέγχου υπό διαφορετικές συνθήκες επιλογής της διακοπτικής προσέγγισης μοντελοποίησης του ΤΠΜ αλλά και των δομικών παραμέτρων που συνθέτουν το βέλτιστο νόμο ελέγχου.Παράλληλα, αναπτύχθηκε στρατηγική ελέγχου Φραγμένου Βέλτιστου Ελέγχου Πεπερασμένου Χρόνου (Constrained Finite Time Optimal Control) χρησιμοποιώντας ως βάση την προαναφερθείσα τμηματικά συσχετιζόμενη προσέγγιση μοντελοποίησης, με σκοπό τη σύγκριση της απόδοσης και των χαρακτηριστικών ελέγχου με αυτή του Ελέγχου Πρόβλεψης Μοντέλου. Η αξιολόγηση της συμπεριφοράς του συστήματος κλειστού βρόχου και των χαρακτηριστικών που συνθέτουν τη συγκεκριμένη δομή πραγματοποιήθηκαν μέσω εκτενών πειραματικών μελετών.Για τον εμπλουτισμό των πειραματικών αποτελεσμάτων και τη συγκριτική μελέτη των παρουσιαζόμενων ελεγκτών, τα χαρακτηριστικά των εφαρμοζόμενων ελεγκτών εξετάστηκαν σε βάθος και συγκρίθηκαν εκτενώς μέσω πειραματικής εφαρμογής του κλασικού PID νόμου ελέγχου στην πειραματική διάταξη. Η ερευνητική πορεία συνέχισε με την προσαρμογή της αρχικής πειραματικής διάταξης ώστε να μελετηθεί η ανταγωνιστική λειτουργία δύο ή περισσότερων μυών καθώς και η δυναμική μελέτη της απόκρισης ενός ΤΠΜ κάνοντας χρήση των ανταγωνιστικών μυών ως εξωτερικό φορτίο. Ακολούθησε ανάπτυξη και εφαρμογή μιας στρατηγικής Προσαρμοστικού ελέγχου Εσωτερικού Μοντέλου (Internal Model Control) της μονής και της ανταγωνιστικής λειτουργίας των ΤΠΜ. Το σύστημα ελέγχου τροποποιήθηκε και βελτιώθηκε κάνοντας χρήση αναδρομικών ελαχίστων τετραγώνων για την αναγνώριση των παραμέτρων του προς έλεγχο συστήματος, δίνοντας στη δομή ελέγχου την απαραίτητη προσαρμοστικότητα στις μη-γραμμικές αλλαγές που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια λειτουργίας των ΤΠΜ. Πραγματοποιήθηκαν εκτενή πειράματα για την επιβεβαίωση της σωστής λειτουργίας καθώς και εξέταση της σθεναρότητας και προσαρμοστικότητας του συγκεκριμένου νόμου ελέγχου.Ακόμα, μελετήθηκαν μη-γραμμικοί τρόποι ελέγχου της μονής και της ανταγωνιστικής λειτουργίας των ΤΠΜ ενώ, συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένας Προηγμένος Μη-Γραμμικός PID νόμος ελέγχου (Advanced Non-linear PID Control) ο οποίος περιλάμβανε χαρακτηριστικά όπως δύο βαθμούς ελευθερίας, τετραγωνική προσαρμογή σφάλματος, τραπεζοειδή ολοκλήρωση και μερική παραγώγιση για γρήγορο, σθεναρό και ομαλό έλεγχο των ΤΠΜ. Πραγματοποιήθηκε πειραματική εφαρμογή του νόμου ελέγχου στη διάταξη μελέτης, η οποία επιβεβαίωσε την επιτυχή λειτουργία καθώς και τα πλεονεκτήματα του εφαρμοζόμενου ελεγκτή μέσω πειραματικής σύγκρισης με τον κλασικό PID νόμο ελέγχου.Τέλος, η ερευνητική πορεία ανάλυσης, μοντελοποίησης και ελέγχου των ΤΠΜ κατέληξε στο σχεδιασμό, τη μελέτη και τον έλεγχο ενός πρωτότυπου εξωσκελετικού μηχανισμού για την υποβοήθηση της κίνησης του ανθρώπινου καρπού, κάνοντας χρήση των ΤΠΜ ως μέσο ενεργοποίησης. Αναλύθηκαν οι στρατηγικές σχεδιασμού, μελετήθηκε η χρήση εναλλακτικών αισθητήριων συστημάτων για την κατάστρωση διαδεδομένων φυσιοθεραπευτικών στρατηγικών χρήσης ενώ πραγματοποιήθηκε πειραματικός έλεγχος της διάταξης κάνοντας χρήση του συμβατικού PID αλγορίθμου και του Προηγμένου Μη-Γραμμικού PID που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής.Τα ερευνητικά αποτελέσματα που προέκυψαν, παρουσιάστηκαν σε διεθνή επιστημονικά συνέδρια και περιοδικά, το σύνολο των οποίων παρουσιάζεται στο Παράρτημα.