Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi
Yıl: 2020 Cilt: 35 Sayı: 3 Sayfa Aralığı: 1551 - 1563 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.520680 İndeks Tarihi: 13-01-2021
Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi
Öz: Ayak bileği kas-iskelet sistemi yürüme esnasında sürekli olarak eklem sertliğini değiştirmektedir. Bubiyomekanik davranıştan esinlenerek, VS-AnkleExo isimli değişken sertliğe sahip bir eyleyiciyle tahrikedilen ayak bileği dış iskelet robot tasarımı ortaya koyulmuştur. Sertliği değiştirilebilir bir bilek eklemitasarımıyla esnek, güvenli ve biyomimetik bir hareket kabiliyeti sağlamasına karşın dış etkiler altında kararlıve hassas pozisyon takibinin zorluğu bu tür yumuşak eyleyicilerin en büyük problemidir. Bu makalede, VSAnkleExo üzerinde geleneksel Oransal İntegral Türev (Proportional Derivative Integral-PID ) kontrolyönteminin ve bulanık mantık teorisinin farklı tiplerde kombine edilmesi ile oluşturulan karmakontrolcülerin pozisyon takip performansı ve dış bozuculara karşı duyarlılıkları deneysel olarakdeğerlendirilmiştir. VS-AnkleExo rehabilitasyon ve yürüme yardımı gibi uygulamalar için kullanılacaktır.Bu uygulamalarda ise genellikle pozisyon takibine dayanan tekrarlı hareket egzersizleri kullanılmaktadır. Bukapsamda, çalışmada ilk olarak bozucu etkiler olmadan farklı referanslar için geleneksel PID, Bulanık PD,Bulanık PD+I, Bulanık PD+PID ve ZTS (Z, T ve S tip üyelik fonksiyonlu) Bulanık PD kontrolcülerinpozisyon takip performansı değerlendirilmiştir. Çalışmanın devamında ise, bozucu kuvvetler karşısındaönerilen kontrolcülerin duyarlılığını test etmek için bozuculu basamak ve sinüs eğrisi cevap deneylerigerçekleştirilmiştir. Elde edilen deney sonuçları, diğer kontrolcülere göre Bulanık PD+PID kontrolcününpozisyon izleme hatalarını daha etkili azaltabildiğini ve dışarıdan uygulanan bozuculara karşı daha sağlamolduğunu göstermiştir.
Anahtar Kelime: Evaluation of position tracking control performance of a variable stiffness ankle exoskeleton robot with various controller types
Öz: The ankle musculoskeletal system continuously changes the joint stiffness during walking. Inspired by this biomechanical behavior, a variable stiffness ankle exoskeleton robot called as VS-AnkleExo was introduced. Although a variable stiffness ankle joint design provides a flexible, safe and biomimetic, the difficulty of stable and precise position tracking under external disturbances is the biggest problem of such soft actuators. In this paper, the position control performance and sensitivity to external disturbances of hybrid controllers created by combining different types of fuzzy logic theory and classical Proportional Integral Derivative (PID) control method implemented on VS-AnkleExo were evaluated experimentally. VS-AnkleExo will be used for applications such as rehabilitation and walking assistance. In this study, firstly, PID, Fuzzy PD, Fuzzy PD+I, Fuzzy PD+PID and ZTS (Z, T and S type membership functions) Fuzzy PD controllers position tracking performances were evaluated for different references without disturbances. In the continuation of the study, the experiments of step and sine inputs response with disturbances were carried out to test the sensitivity of the proposed controllers against the disturbing forces. The test results showed that the Fuzzy PD+PID controller could reduce position tracking errors more effectively than other controllers and was more robust against externally applied disturbances.
Anahtar Kelime: Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
- 1. Kazerooni H., Steger R., Huang L., Hybrid control of the Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX), The International Journal of Robotics Research, 25 (5- 6), 561-573, 2006.
- 2. Neuhaus P.D., Noorden J.H., Craig T.J., Torres T., Kirschbaum J., Pratt J.E., Design and evaluation of Mina: A robotic orthosis for paraplegics, In Rehabilitation Robotics (ICORR), 2011 IEEE International Conference on 1-8, 2011.
- 3. Suzuki K., Mito G., Kawamoto H., Hasegawa Y., Sankai Y., Intention-based walking support for paraplegia patients with Robot Suit HAL, Advanced Robotics, 21 (12), 1441-1469, 2007.
- 4. Veneman J.F., Kruidhof R., Hekman E.E., Ekkelenkamp R., Van Asseldonk E.H., Van Der Kooij H., Design and evaluation of the LOPES exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 15 (3), 379-386, 2007.
- 5. Van Ham R., Sugar T.G., Vanderborght B., Hollander K.W., Lefeber D., Compliant actuator designs, IEEE Robotics & Automation Magazine, 16 (3), 2009.
- 6. Migliore S.A., Brown E.A., DeWeerth S.P., Biologically inspired joint stiffness control, In Robotics and Automation, Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on, 4508-4513, 2005
- 7. Wang S., Wang L., Meijneke C., Van Asseldonk E., Hoellinger T., Cheron G., Tamburella F., Design and control of the MINDWALKER exoskeleton, IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering, 23 (2), 277-286, 2015.
- 8. Kwa H.K., Noorden J.H., Missel M., Craig T., Pratt J.E., Neuhaus P.D., Development of the IHMC mobility assist exoskeleton, In Robotics and Automation, IEEE International Conference on, 2556-2562, 2009.
- 9. Pratt J.E., Krupp B.T., Morse C.J., Collins S.H., The RoboKnee: an exoskeleton for enhancing strength and endurance during walking, IEEE international conference on robotics and automation, proceedings, 3, 2430–2435, 2004.
- 10. Cestari M., Sanz-Merodio D., Arevalo J.C., Garcia E., ARES a variable stiffness actuator with embedded force sensor for the ATLAS exoskeleton, Industrial Robot: An International Journal, 41 (6), 518-526, 2014.
- 11. Cestari M., Sanz-Merodio D., Arevalo J. C., Garcia E., An adjustable compliant joint for lower-limb exoskeletons, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 20 (2), 889-898, 2015.
- 12. Zhu J., Wang Y., Jiang J., Sun B., Cao H., Unidirectional variable stiffness hydraulic actuator for load-carrying knee exoskeleton, International Journal of Advanced Robotic Systems, 14 (1), 1729881416686955, 2017.
- 13. Vanderborght B., Tsagarakis N. G., Semini C., Van Ham R., Caldwell D.G., MACCEPA 2.0: Adjustable compliant actuator with stiffening characteristic for energy efficient hopping, In Robotics and Automation, 2009. ICRA'09. IEEE International Conference on, IEEE, 544-549, 2009.
- 14. Jafari A., Tsagarakis N. G., Sardellitti I., Caldwell D.G., A new actuator with adjustable stiffness based on a variable ratio lever mechanism, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 19 (1), 55-63, 2014.
- 15. Liu L., Leonhardt S. ve Misgel B.J., Design and control of a mechanical rotary variable impedance actuator, Mechatronics, 39, 226-236, 2016.
- 16. Sun J., Zhang Y., Zhang C., Guo Z., Xiao X., Mechanical design of a compact Serial Variable Stiffness Actuator (SVSA) based on lever mechanism, In Robotics and Automation (ICRA), 2017 IEEE International Conference on, IEEE, 33-38, 2017.
- 17. Tsagarakis N.G., Sardellitti I., Caldwell D. G., A new variable stiffness actuator (CompAct-VSA): Design and modelling, In Intelligent Robots and Systems (IROS), 2011 IEEE/RSJ International Conference on, IEEE, 378-383, 2011.
- 18. Dežman M., Gams A. Rotatable cam-based variableratio lever compliant actuator for wearable devices, Mechanism and Machine Theory, 130, 508-522, 2018.
- 19. Wolf S., Hirzinger G., A new variable stiffness design: Matching requirements of the next robot generation, In Robotics and Automation, IEEE International Conference on, 1741-1746, 2008.
- 20. Baser O., Kizilhan H., Mechanical design and preliminary tests of VS-AnkleExo, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 40 (442), 1-16, 2018.
- 21. Sun J., Guo Z., Sun D., He S., Xiao X., Design, modeling and control of a novel compact, energyefficient, and rotational serial variable stiffness actuator (SVSA-II), Mechanism and Machine Theory, 130, 123- 136, 2018.
- 22. Schiavi R., Grioli G., Sen S., Bicchi A., VSA-II: A novel prototype of variable stiffness actuator for safe and performing robots interacting with humans, In Robotics and Automation, 2008, IEEE International Conference on, 2171-2176, 2008.
- 23. Kim B.S., Song J.B., Design and Control of a Variable Stiffness Actuator Based on Adjustable Moment Arm, IEEE Trans. Robotics, 28 (5), 1145-1151, 2012.
- 24. Ayasun S., Sönmez Ş., Gain and phase margin based stability analysis of time delayed single area load frequency control system with fractional order PI controller, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34 (2), 945-959, 2019.
- 25. Gündüz H., Ayasun S., Sönmez Ş., Gain and phase margins based stability analysis of micro grid systems with time delay by using Rekasius substitution, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34 (1) 553-567, 2019.
- 26. Zhang C., Liu G., Li C., Zhao J., Yu H., Zhu Y., Development of a lower limb rehabilitation exoskeleton based on real-time gait detection and gait tracking, Advances in Mechanical Engineering, 8 (1), 1687814015627982, 2016.
- 27. Madani T., Daachi B., Djouani K., Non-singular terminal sliding mode controller: Application to an actuated exoskeleton, Mechatronics, 33, 136-145, 2016.
- 28. Cao F., Li C., Li Y., Robust sliding mode adaptive control for lower extremity exoskeleton, In Chinese Automation Congress (CAC), 2015, 400-405, 2015.
- 29. Guo Z., Pan Y., Sun T., Zhang Y., Xiao X., Adaptive neural network control of serial variable stiffness actuators, Complexity, 2017.
- 30. Shi P., Lei C., Zhang Y., Wang Y., Wang F., PID control of the mechanical legs based on fuzzy adaptive, In Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER), 2015 IEEE International Conference on,1965-1970, 2015.
- 31. Khosla A., Leena G., Soni M.K., Performance evaluation of various control techniques for inverted pendulum, Performance Evaluation, 3 (4), 1096-1102, 2013.
- 32. Shamaei K., Sawicki G.S., Dollar A.M., Estimation of quasi-stiffness and propulsive work of the human ankle in the stance phase of walking, PloS one 2013, 8 (3), e59935, 2013.
- 33. Kizilhan H., Baser O., Kilic E., Ulusoy N., Comparison of controllable transmission ratio type variable stiffness actuator with antagonistic and pre-tension type actuators for the joints exoskeleton robots, In 12th international conference on informatics in control, automation and robotics (ICINCO), 2, 188–195, 2015.
- 34. Pan D., Gao F., Miao Y., Cao R., Co-simulation research of a novel exoskeleton-human robot system on humanoid gaits with fuzzy-PID/PID algorithms, Advances in Engineering Software, 79, 36-46, 2015.
- 35. Bovi G., Rabuffetti M., Mazzoleni P., Ferrarin M., A multiple-task gait analysis approach: kinematic, kinetic and EMG reference data for healthy young and adult subjects, Gait & posture, 33 (1), 6-13, 2011.
| APA | Kilic E, Şekerci B, Kızılhan H, başer ö (2020). Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi. , 1551 - 1563. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| Chicago | Kilic Ergin,Şekerci Bahri,Kızılhan Hasbi,başer özgür Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi. (2020): 1551 - 1563. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| MLA | Kilic Ergin,Şekerci Bahri,Kızılhan Hasbi,başer özgür Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi. , 2020, ss.1551 - 1563. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| AMA | Kilic E,Şekerci B,Kızılhan H,başer ö Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi. . 2020; 1551 - 1563. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| Vancouver | Kilic E,Şekerci B,Kızılhan H,başer ö Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi. . 2020; 1551 - 1563. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| IEEE | Kilic E,Şekerci B,Kızılhan H,başer ö "Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi." , ss.1551 - 1563, 2020. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| ISNAD | Kilic, Ergin vd. "Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi". (2020), 1551-1563. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.520680 |
| APA | Kilic E, Şekerci B, Kızılhan H, başer ö (2020). Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 35(3), 1551 - 1563. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| Chicago | Kilic Ergin,Şekerci Bahri,Kızılhan Hasbi,başer özgür Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 35, no.3 (2020): 1551 - 1563. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| MLA | Kilic Ergin,Şekerci Bahri,Kızılhan Hasbi,başer özgür Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.35, no.3, 2020, ss.1551 - 1563. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| AMA | Kilic E,Şekerci B,Kızılhan H,başer ö Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2020; 35(3): 1551 - 1563. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| Vancouver | Kilic E,Şekerci B,Kızılhan H,başer ö Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2020; 35(3): 1551 - 1563. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| IEEE | Kilic E,Şekerci B,Kızılhan H,başer ö "Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 35, ss.1551 - 1563, 2020. 10.17341/gazimmfd.520680 |
| ISNAD | Kilic, Ergin vd. "Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun çeşitli kontrolcüler ile pozisyon takibi kontrol performansının değerlendirilmesi". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 35/3 (2020), 1551-1563. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.520680 |
