CONTROL DE FUERZA DEL
ROBOT DE REHABILITACIÓN UHP
Aitziber Mancisidor, Asier Zubizarreta y Itziar Cabanes
Programa de Doctorado en Ingeniería de Control, Automatización y Robótica
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
Escuela de Ingeniería de Bilbao, UPV/EHU
12 de Julio de 2016
UPV/EHUko I. Doktorego Jardunaldiak
I Jornadas Doctorales de la UPV/EHU
15millones de
ataques/añoSobreviven
2/3
60% sufre alguna
minusvalía
La rehabilitación es
imprescindible120.000
en España
MOTIVACIÓN DEL TRABAJO 1.Motivación
2. UHP
3. Controlador
4. Validación
5. Conclusiones El Ictus: Una de las enfermedades más comunes.
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Robots de rehabilitación
Mayor precisión y frecuencia
Capacidad de medir y evaluar
Incremento de motivación
Se precisa un control
adecuado y robusto
Se presenta un Controlador de Fuerza para el
robot UHP
UHP: Robot de rehabilitación de los miembros superiores.
0
XCont
FCont
XTrans
FTrans
ROBOT HÁPTICO UHP1. Motivación
2.UHP
3. Controlador
4. Validación
5. Conclusiones
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SISTEMA DE ACCIONAMIENTO SEA
PANTÓGRAFO
AGARRE
CONTROL DE FUERZA
CONTROL DE POSICIÓN
CONTROL DE VELOCIDAD
ESTIMADOR DE qm
COMPESACIÓN NO LINEAL DE LA
DINÁMICA DE LOS MOTORES
ESTIMADOR DE FUERZA
FRef qEs qEs τEs τm
FUsuario
FCont XTrans qm qm τCm
XTrans, nM
XTrans nM
FDes
CONTROLADOR1. Motivación
2. UHP
3.Controlador
4. Validación
5. Conclusiones
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UHP
SW DE REHABILATACIÓN
CONTROLADOR
Diseño
Implementación
Validación
0 5 10 15-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
Time (s)
Forc
e (
N)
FTr
x
P. Wrist model
FTr
y
P. Wrist model
FTr
x
SEA model
FTr
y
SEA model0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-30
-20
-10
0
10
20
30
Positio
n (
mm
)
Time (s)
xCn
real
yCn
real
xCn
model
yCn
model
FDes
xCont
τm
xTrans
nM
qm
Es imprescindible poseer un controlador adecuado y robusto.
CONTROLADOR1. Motivación
2. UHP
3.Controlador
4. Validación
5. Conclusiones
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Para el diseño del controlador se precisa un modelo.
MODELO DEL SISTEMA DE ACCIONAMIENTO SEA
MODELO DEL PANTÓGRAFO
Modelo de los Actuadores
Modelo de los Muelles
FTr
XTr
FCn
XCn
τm
Dinámica del Punto de Transmisión
qm
nMA
nMB
τm
FTr
XTr
SISTEMA DE ACCIONAMIENTO PANTÓGRAFO
PTr
x
y
CONTROL DE FUERZA
CONTROL DE POSICIÓN
CONTROL DE VELOCIDAD
ESTIMADOR DE qm
COMPESACIÓN NO LINEAL DE LA
DINÁMICA DE LOS MOTORES
ESTIMADOR DE FUERZA
FRef qEs qEs τEs τm
FUsuario
FCont XTrans qm qm τCm
XTrans, nM
XTrans nM
FDes
Se diseña un controlador en cascada: Control de Velocidad (PI) con compensación de la
dinámica de los motores. Control de Posición (P). Control Fuerza (PI) con estimaciónde 𝑭𝑪𝒐𝒏𝒕 y 𝒒𝒎.
DISEÑO DEL CONTROLADOR1. Motivación
2. UHP
3.Controlador
4. Validación
5. Conclusiones
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τmFDes
SIMULACIÓN DE LA ITERACIÓN
CONTROL CTC
CONTROL DE FUERZA
FUsuario
XUsuario
XTrans
XTrans, qm, nM
MODELO DEL UHP
VALIDACIÓN DEL CONTROLADOR1. Motivación
2. UHP
3. Controlador
4.Validación
5. Conclusiones Se realizan diferentes simulaciones (Matlab/Simulink)
y ensayos experimentales (Prototipo real):
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-6
-4
-2
0
Tiempo (s)
Fu
erz
a (
N)
FDesx
FContx
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
1
2
3
4
Tiempo (s)
Fu
erz
a (
N)
FDesy
FConty
CONCLUSIONES1. Motivación
2. UHP
3. Controlador
4. Validación
5. Conclusiones Se ha diseñado una nueva estructura de Control de Fuerza para el robot de rehabilitación UHP.
Se basa en una arquitectura en cascada: Las ecuaciones no lineales del SEA están desacopladas utilizando un
enfoque de retroalimentación no lineal. La posición de los actuadores se controla a través de dos lazos de
velocidad y posición. El ángulo de rotación deseada de los motores y la fuerza de contacto
real se estiman a partir del modelo dinámico del robot.
Cumple con los requisitos de controladores de
Robots de Rehabilitación
Sigue a la referencia de Fuerza
Con error medio de 0.1N
Sin sobreimpulsos
Sin movimientos bruscos
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CONTROL DE FUERZA DEL
ROBOT DE REHABILITACIÓN UHP
Aitziber Mancisidor, Asier Zubizarreta y Itziar Cabanes
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