شبیه سازی کنترل تطبیقی و مقاوم حرکت بازوی انسان
چکیده
با توجه به پیشرفت¬های علم پزشکی، هنوز درمان قطعی برای افراد معلول حاصل نشده است. بنابراین مهندسین نیز در تلاش¬اند تا با ایجاد روش¬های الکتریکی و حتی مکانیکی، بازتوانی در عضو فلج این بیماران پدید آوردند و انجام امور روزمره زندگی آن¬ها را بهبود بخشند. از جمله این روش¬ها، تحریک الکتریکی عملکردی (fes) است که آینده¬ای روشن به روی پیشرفت¬های مهندسی در توانبخشی و بازتوانی حرکت افراد معلول ایجاد نموده است. با این¬حال، سیستم کنترلی fes که در عمل بتواند با عدم قطعیت¬های سیستم عضلانی – اسکلتی و تغییرات روز به روز و فرد به فرد آن و نیز اغتشاشات محدود محیطی مقاوم و تطبیق¬پذیر باشد، هنوز به عنوان مسأله¬ای اساسی در پژوهش¬های علمی مطرح می-باشد. ما در این تحقیق، با هدف بازتوانی حرکت در بازوی فلج برای انجام reaching، کنترل تطبیقی- فازی ترمینال پیوسته مد لغزشی را به عنوان کنترلی مقاوم و تطبیق¬پذیر طراحی کرده¬ایم. این کنترل، با بکارگیری سیستم تقریب زننده فازی بدون نیاز به هرگونه بازشناسی اولیه از سیستم تحت کنترل، قادر است تا الگوهای تحریک مناسب را برای انجام حرکت مطلوب تولید کند. اما بدلیل وجود پدیده چترینگ، در عمل منجر به تحریک دینامیک¬های فرکانس بالای مدل نشده سیستم خواهد شده که امکان ناپایداری غیر قابل پیشگوئی را فراهم می¬سازد. از این¬رو، با استفاده از روش لایه مرزی و بکارگیری قانون تصمیم در ترکیب دو کنترل شبکه عصبی و ترمینال پیوسته، توانسته¬ایم تا حد مطلوبی چترینگ را کاهش دهیم. بازوی انسان به صورت سه لینکه با سه درجه آزادی برای حرکت در صفحه و دو لینکه با چهار درجه آزادی برای حرکت در فضای سه بعدی، به عنوان بیمار مجازی مدل شده است. با توجه به اینکه درفضاهای کاری ذکر شده، هر دو مدل دارای افزونگی سینماتیکی در انجام حرکات خود می¬باشند، تعیین مسیر واحدی برای مفاصل در تولید یک حرکت خاص، نیازمند بکارگیری روش¬های بهینه¬سازی است. با هدف ایجاد مسیرهای مطلوب به صورت برخط و اعمال آن¬ها به کنترل کننده، از شبکه عصبی بازگشتی برای حل برخط مسائل بهینه¬سازی استفاده نموده¬ایم. تابع هزینه از نوع qp برای حداقل انرژی در انجام حرکت تعریف شده که امکان در نظر گرفتن محدودیت¬های فیزیکی مفاصل را نیز فراهم می¬سازد. نتایج نشان داده¬اند که الگوریتم بهینه¬سازی برخط در تعامل مطلوبی با کنترل کننده ترکیبی شبکه عصبی – ترمینال پیوسته، حتی در حضور نویز و اغتشاش از نوع گشتاور، خطاهای بسیار کمی را در ردیابی مسیرهای مطلوب ایجاد نموده و کار هدفمند reaching با خطای بسیار کمی از نقطه شروع تا نقطه هدف عملگرنهایی انجام شده است. با هدف بازیابی حرکت در بازوی افراد فلج، نیاز به طراحی کنترل مقاوم و تطبیق پذیر با عدم قطعیت های سیستم بیولوژیکی و اغتشاشات محیطی وجود دارد که از این رو با طراحی کنترل ترکیبی شبکه عصبی-ترمینال پیوسته در صدد کنترل حرکت reaching بازوی انسان بر آمدیم از طرفی با توجه به افزونگی سینماتیکی در بازوی انسان مسیرهای واحدی برای مفاصل در حرکت reaching وجود ندارند و با توجه به اینکه reaching یک حرکت هدفمند است در این تحقیق الگوریتم بهینه سازی برخطی را با کنترل کننده همراه نموده ایم تا مسیرهای مطلوب را بصورت برخط برای کنترل کننده فراهم نماید و با مدل کردن بازوی انسان با سه و جهار درجه آزادی در حکم بیمار مجازی عملکرد توام کنترل کننده و الگوریتم مسیریابی برخط را در برابر نویز، اعتشاش و تغییرات پارامتری مدل نشان داده ایم.