طراحي شبكه موجك فازي پيش‌بين براي حركت مفصل زانو به منظور كاهش مصرف انرژي متابوليكي در استفاده از اسكلت خارجي نيم‌تنه پاييني

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي برق

كارشناسي ارشد

اسكلت‌هاي خارجي فعال اندام تحتاني به منظور تقويت توان فيزيكي و كاهش هزينه متابوليك راه رفتن توسعه يافته‌اند. با اين حال، وجود تأخيرهاي زماني ذاتي ناشي از پردازش حسگري، محاسبات الگوريتمي و پاسخ الكترومكانيكي عملگرها، موجب ايجاد اختلاف فاز ميان قصد حركتي كاربر و گشتاور كمكي ربات شده و در نتيجه كارايي سيستم را كاهش مي‌دهد. هدف از اين پژوهش، توسعه يك ساختار پيش‌بين سبك و تطبيق‌پذير جهت جبران تأخير حلقه كنترل و بررسي كمي اثر آن بر مصرف انرژي متابوليكي است. بدين منظور در فاز نخست، يك مدل پيش‌بين كوتاه‌مدت بر پايه شبكه عصبي موجك–فازي تركيب‌شده با لايه خودبازگشتي خطي (FWNN-AR) طراحي شد كه زاويه مفصل زانو را با بهره‌گيري از داده‌هاي گذشته زاويه و سرعت زاويه‌اي در افق زماني 50 ميلي‌ثانيه پيش‌بيني مي‌كند. به منظور انطباق بلادرنگ با تغييرات بيومكانيكي كاربر و كاهش حجم پردازش، سازوكار يادگيري برخط مبتني بر روش «قانون برنده» با 32 قانون فازي به كار گرفته شد. ارزيابي دقت مدل بر روي پايگاه‌داده بيومكانيكي Camargo با معيارهاي RMSE وMAE نشان داد كه در سناريوي چندفردي و الگوهاي تركيبي حركتي، خطاي پيش‌بيني زاويه به 1/32 درجه كاهش يافته و زمان پاسخ‌دهي آن به 2/06 ميلي‌ثانيه مي‌رسد كه كاملاً در محدوده بودجه زماني بلادرنگ است. در فاز دوم، يك كنترل‌كننده تناسبي-مشتق‌گير پيش‌بين در نرم‌افزار اپن‌سيم بر روي مدل اسكلتي–عضلاني Gait2392 پياده‌سازي شد. اثر اعمال گشتاورهاي كمكي در حضور سطوح تأخير زماني 0 تا 100 ميلي‌ثانيه با استفاده از ابزار كنترل عضلاني محاسبه‌شده (CMC) شبيه‌سازي گرديد و ميزان تغيير مصرف توان متابوليكي 26 عضله كليدي اندام تحتاني با پراب متابوليك آمبرگر و اعتبارسنجي كيفي با گشتاور محرك‌هاي رزرو ارزيابي شد. نتايج شبيه‌سازي براي 10 آزمودني نشان داد كه اسكلت خارجي در شرايط بدون تأخير موجب كاهش ميانگين 11/14 درصدي توان متابوليكي مي‌شود. با افزايش تأخير به 50 ميلي‌ثانيه (معادل افق پيش‌بيني)، سيستم با خنثي‌سازي تأخير همچنان كاهش 11/20 درصدي مصرف توان متابوليكي را حفظ مي‌كند، در حالي كه در تأخير 100 ميلي‌ثانيه كارايي سيستم افت كرده و منجر به افزايش 0/45 درصدي مصرف توان متابوليكي مي‌گردد. اين نتايج اثبات مي‌كند كه بهره‌گيري از مدل پيش‌بين برخط، راه‌حلي كارآمد براي حفظ همگامي بيومكانيكي و بهبود راندمان مصرف توان متابوليكي اسكلت‌هاي خارجي در شرايط تأخير عملياتي است.

238516

كنترل

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان