Zulikha Ayomikun Adeola-Bello, N. Azlan, Salmah Anim ABU HASSAN
{"title":"Control Strategy for Power Assist Upper Limb Rehabilitation Robot with the Therapist’s Motion Intention Prediction","authors":"Zulikha Ayomikun Adeola-Bello, N. Azlan, Salmah Anim ABU HASSAN","doi":"10.31436/iiumej.v24i1.2604","DOIUrl":null,"url":null,"abstract":"Currently, fully automated rehabilitation robots can assist therapists in providing rehabilitation therapy, hence the patients could get hurt. On the other hand, manual treatment may cause less patient injury but it is tiresome, and there are not enough therapists in most countries. Power assist rehabilitation robots can support the therapists in conducting the treatment and may help to alleviate this problem. The goal of this study is to develop a control strategy for the robot to assist the therapist’s movement in a power assist upper limb rehabilitation treatment. The system combines the advantages of robotic and manual rehabilitation therapy. Torque and position sensors fitted on the power assist upper limb rehabilitation robot arm are used for motion intention estimation. The amount of angular velocity necessary to be delivered to the feedback controller will be determined by predicting the therapist‘s motion intention using the impedance control method. The resulting velocity from the motion intention estimator is incorporated into the Sliding Mode Control - Function Approximation Technique (SMC-FAT) based adaptive controller. The SMC-FAT based adaptive controller in the feedback loop, overcomes the uncertain parameters in the combination of the robot and the human arm. The motion intention estimator forecasts the movement of therapists. The proposed controller is used to regulate elbow flexion and extension motion on a power assist upper limb rehabilitation robot with one degree of freedom (DOF). The proposed control system has been tested using MATLAB simulation and hardware experimental tests. The outcomes demonstrate the effectiveness of the proposed controller in directing the rehabilitation robot to follow the desired trajectory based on the therapist's motion intention, with maximum errors of 0.002rad/sec, 0.005rad/sec and 0.02rad/sec for sinusoidal, constant torque values, and hardware experiment respectively.\nABSTRAK: Pada masa ini, robot rehabilitasi automatik sepenuhnya dapat membantu ahli terapi dalam menyediakan terapi pemulihan, tetapi pesakit berkemungkinan tercedera. Sebaliknya, rawatan manual berkemungkinan mengurangkan kecederaan pesakit tetapi ia memenatkan, dan terdapat kurang ahli terapi yang mencukupi di kebanyakan negara. Robot pembantu rehabilitasi dapat membantu ahli terapi dalam menjalankan pemulihan dan mengurangkan masalah ini. Sistem ini menggabungkan kelebihan terapi pemulihan robotik dan manual. Alat pengesan tork dan kedudukan diletakkan pada anggota atas lengan robot rahabilitasi yang digunakan bagi mengesan anggaran jarak pergerakan ahli terapi. Anggaran halaju sudut diperlukan bagi kawalan gerak balas dan dapat diketahui melalui anggaran niat gerakan ahli terapi menggunakan kaedah kawalan impedans. Halaju yang terhasil daripada anggaran niat gerakan diadaptasi ke dalam pengawal adaptif berasaskan Kawalan Mod Gelongsor - Teknik Anggaran Fungsi (SMC-FAT). Pengawal penyesuaian berasaskan SMC-FAT dalam gelung maklum balas, mengatasi parameter yang tidak pasti dalam gabungan robot dan lengan manusia. Penganggar niat gerakan meramalkan gerakan ahli terapi. Pengawal yang dicadangkan digunakan bagi mengawal lenturan siku dan gerakan lanjutan pada robot rehabilitasi dengan satu darjah kebebasan (DOF). Sistem kawalan yang dicadangkan telah diuji menggunakan simulasi MATLAB dan ujian eksperimen perkakasan. Dapatan kajian menunjukkan keberkesanan pengawal yang dicadangkan dalam mengarahkan robot rehabilitasi mengikut trajektori yang dikehendaki berdasarkan niat gerakan ahli terapi, dengan ralat maksimum masing-masing 0.002rad/s dan 0.005rad/s bagi sinusoidal, nilai tork malar, dan eksperimen perkakasan masing-masing.","PeriodicalId":13439,"journal":{"name":"IIUM Engineering Journal","volume":"22 3 1","pages":""},"PeriodicalIF":0.6000,"publicationDate":"2023-01-04","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":"1","resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":null,"PeriodicalName":"IIUM Engineering Journal","FirstCategoryId":"1085","ListUrlMain":"https://doi.org/10.31436/iiumej.v24i1.2604","RegionNum":0,"RegionCategory":null,"ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":null,"EPubDate":"","PubModel":"","JCR":"Q3","JCRName":"ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY","Score":null,"Total":0}
引用次数: 1
Abstract
Currently, fully automated rehabilitation robots can assist therapists in providing rehabilitation therapy, hence the patients could get hurt. On the other hand, manual treatment may cause less patient injury but it is tiresome, and there are not enough therapists in most countries. Power assist rehabilitation robots can support the therapists in conducting the treatment and may help to alleviate this problem. The goal of this study is to develop a control strategy for the robot to assist the therapist’s movement in a power assist upper limb rehabilitation treatment. The system combines the advantages of robotic and manual rehabilitation therapy. Torque and position sensors fitted on the power assist upper limb rehabilitation robot arm are used for motion intention estimation. The amount of angular velocity necessary to be delivered to the feedback controller will be determined by predicting the therapist‘s motion intention using the impedance control method. The resulting velocity from the motion intention estimator is incorporated into the Sliding Mode Control - Function Approximation Technique (SMC-FAT) based adaptive controller. The SMC-FAT based adaptive controller in the feedback loop, overcomes the uncertain parameters in the combination of the robot and the human arm. The motion intention estimator forecasts the movement of therapists. The proposed controller is used to regulate elbow flexion and extension motion on a power assist upper limb rehabilitation robot with one degree of freedom (DOF). The proposed control system has been tested using MATLAB simulation and hardware experimental tests. The outcomes demonstrate the effectiveness of the proposed controller in directing the rehabilitation robot to follow the desired trajectory based on the therapist's motion intention, with maximum errors of 0.002rad/sec, 0.005rad/sec and 0.02rad/sec for sinusoidal, constant torque values, and hardware experiment respectively.
ABSTRAK: Pada masa ini, robot rehabilitasi automatik sepenuhnya dapat membantu ahli terapi dalam menyediakan terapi pemulihan, tetapi pesakit berkemungkinan tercedera. Sebaliknya, rawatan manual berkemungkinan mengurangkan kecederaan pesakit tetapi ia memenatkan, dan terdapat kurang ahli terapi yang mencukupi di kebanyakan negara. Robot pembantu rehabilitasi dapat membantu ahli terapi dalam menjalankan pemulihan dan mengurangkan masalah ini. Sistem ini menggabungkan kelebihan terapi pemulihan robotik dan manual. Alat pengesan tork dan kedudukan diletakkan pada anggota atas lengan robot rahabilitasi yang digunakan bagi mengesan anggaran jarak pergerakan ahli terapi. Anggaran halaju sudut diperlukan bagi kawalan gerak balas dan dapat diketahui melalui anggaran niat gerakan ahli terapi menggunakan kaedah kawalan impedans. Halaju yang terhasil daripada anggaran niat gerakan diadaptasi ke dalam pengawal adaptif berasaskan Kawalan Mod Gelongsor - Teknik Anggaran Fungsi (SMC-FAT). Pengawal penyesuaian berasaskan SMC-FAT dalam gelung maklum balas, mengatasi parameter yang tidak pasti dalam gabungan robot dan lengan manusia. Penganggar niat gerakan meramalkan gerakan ahli terapi. Pengawal yang dicadangkan digunakan bagi mengawal lenturan siku dan gerakan lanjutan pada robot rehabilitasi dengan satu darjah kebebasan (DOF). Sistem kawalan yang dicadangkan telah diuji menggunakan simulasi MATLAB dan ujian eksperimen perkakasan. Dapatan kajian menunjukkan keberkesanan pengawal yang dicadangkan dalam mengarahkan robot rehabilitasi mengikut trajektori yang dikehendaki berdasarkan niat gerakan ahli terapi, dengan ralat maksimum masing-masing 0.002rad/s dan 0.005rad/s bagi sinusoidal, nilai tork malar, dan eksperimen perkakasan masing-masing.
目前,全自动康复机器人可以辅助治疗师提供康复治疗,因此患者可能会受伤。另一方面,手工治疗可能会减少患者的伤害,但它是令人厌倦的,而且在大多数国家没有足够的治疗师。动力辅助康复机器人可以支持治疗师进行治疗,可能有助于缓解这一问题。本研究的目的是开发一种机器人控制策略,以辅助治疗师在动力辅助上肢康复治疗中的运动。该系统结合了机器人和人工康复治疗的优点。安装在助力上肢康复机器人手臂上的力矩和位置传感器用于运动意图估计。需要传递给反馈控制器的角速度量将通过使用阻抗控制方法预测治疗师的运动意图来确定。由运动意图估计器得到的速度被整合到基于滑模控制函数逼近技术(SMC-FAT)的自适应控制器中。基于SMC-FAT的反馈回路自适应控制器,克服了机器人与人臂结合时参数的不确定性。动作意图估计器预测治疗师的动作。该控制器用于控制单自由度助力上肢康复机器人的肘关节屈伸运动。采用MATLAB仿真和硬件实验对所提出的控制系统进行了测试。实验结果表明,所设计的控制器能够有效地指导康复机器人根据治疗者的运动意图进行运动,正弦值、恒扭矩值和硬件实验的最大误差分别为0.002rad/sec、0.005rad/sec和0.02rad/sec。摘要:机器人康复是指机器人的自动康复,机器人的自动康复是指机器人的自动康复、机器人的自动康复、机器人的自动康复、机器人的自动康复。我想说的是,我想说的是,我想说的是,我想说的是,我想说的是,我想说的是,我想说的是,我想说的是,我想说的是,我想说的是,我想说的是,我想说的是,我想说的是。机器人“pembantu rehabilititasi dapat membantu ahli terapi dalam menjalankan pemulihan dan mengurangkan masalah ini”。系统在孟加邦坎克勒比汉特拉比普里汉机器人丹手册。Alat pengesan tork dan keduukan diletakkan pada anggota数据是一个机器人rahabilitasi yang digunakan bagi mengesan anggaran jarak pergerakan ahli terapi。Anggaran halaju sudut diperlukan bagi kawalan gerak balas danat diketahui melalui Anggaran niat gerakan ahli terapi menggunakan kaedah kawalan impedans。Halaju yang terhasil daripada anggaran niat gerakan diadaptasi ke dalam pengawal adaptif berasaskan Kawalan Mod Gelongsor - Teknik anggaran funsi (SMC-FAT)。彭加瓦尔penyesuaian beraskan SMC-FAT dalam gelung maklum balas, mengatasi参数yang tidak pasti dalam gabungan机器人dan lengan手稿。Penganggar niat gerakan meramalkan gerakan ahli terapi。Pengawal yang dicadangkan digunakan bagi mengawal lenturan siku dangerakan lanjutan pada机器人康复研究(DOF)基于MATLAB的系统分析与仿真研究。Dapatan kajian menunjukkan keberkesanan pengawal yang dicadangkan dalam mengarahkan机器人rehabilititasi mengikut trajektori yang dikehendaki berdasarkan niat gerakan ahli terapi, dengan ralat makmax - masging 0.002rad/s和0.005rad/s bagi正弦,nilai tork malar, dan eksperen perkakasan massing - massing。
期刊介绍:
The IIUM Engineering Journal, published biannually (June and December), is a peer-reviewed open-access journal of the Faculty of Engineering, International Islamic University Malaysia (IIUM). The IIUM Engineering Journal publishes original research findings as regular papers, review papers (by invitation). The Journal provides a platform for Engineers, Researchers, Academicians, and Practitioners who are highly motivated in contributing to the Engineering disciplines, and Applied Sciences. It also welcomes contributions that address solutions to the specific challenges of the developing world, and address science and technology issues from an Islamic and multidisciplinary perspective. Subject areas suitable for publication are as follows: -Chemical and Biotechnology Engineering -Civil and Environmental Engineering -Computer Science and Information Technology -Electrical, Computer, and Communications Engineering -Engineering Mathematics and Applied Science -Materials and Manufacturing Engineering -Mechanical and Aerospace Engineering -Mechatronics and Automation Engineering