Arquitectura de control centralizado usando un enfoque cuasi óptimo para la regulación de la marcha bípeda de un exoesqueleto de extremidades inferiores
Los dispositivos robóticos han alcanzado un importante rol en la sociedad actual, donde cada vez es más común su presencia no solo en la industria sino en el uso personal. Específicamente, en el campo de la rehabilitación resulta de gran utilidad contar con dispositivos robóticos que ayuden a la re...
| Main Authors: | , |
|---|---|
| Other Authors: | |
| Format: | bachelorThesis |
| Language: | spa |
| Published: |
Universidad de Cuenca
2021
|
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/35995 |
| _version_ | 1785802480888578048 |
|---|---|
| author | Córdova Cuenca, Andrés Fabricio Morales Guamán, Hernán Augusto |
| author2 | Minchala Ávila, Luis Ismael |
| author_facet | Minchala Ávila, Luis Ismael Córdova Cuenca, Andrés Fabricio Morales Guamán, Hernán Augusto |
| author_sort | Córdova Cuenca, Andrés Fabricio |
| collection | DSpace |
| description | Los dispositivos robóticos han alcanzado un importante rol en la sociedad actual, donde cada vez es más
común su presencia no solo en la industria sino en el uso personal. Específicamente, en el campo de la rehabilitación resulta de gran utilidad contar con dispositivos robóticos que ayuden a la recuperación de ciertas patologías.
Este proyecto presenta el diseño e implementación de una arquitectura de control cuasi óptima para la gestión
de los controladores distribuidos de un exoesqueleto robótico de una extremidad inferior. Para ello, se establece una topología de control y comunicación del exoesqueleto que se basa en un nodo maestro y tres nodos esclavos.
El sistema de comunicación usa el protocolo CAN a través de los Process Data Objects (PDO), que permiten
reducir los tiempos de comunicación al no usar confirmaciones de recibo (ACK). Comparándolo con los Service
Data Objects (SDO) se tiene una mejora significativa, demostrando el potencial de PDO para aprovechar al
máximo el bus CAN. Este sistema es implementado en el nodo central mediante funciones de escritura y lectura
CAN para el manejo de tramas. En este nodo se implementa también el sistema de control, el cual envía las
órdenes correspondientes a cada uno de los controladores distribuidos EPOS4, mismos que disponen de un
controlador de velocidad y posición interno para la gestión de la trayectoria de la caminata. Además, incluye un
optimizador basado en heurística que analiza el error para determinar cuándo es necesario aplicar una corrección
de la señal de control que permita minimizar el error de seguimiento de la trayectoria.
Como resultado se tiene un exoesqueleto funcional para una extremidad inferior con tres articulaciones:
cadera, rodilla y tobillo. Cuyos algoritmos de control y de comunicación mostraron una mejora respecto a
versiones anteriores, en cuanto al tiempo de envío y recepción de datos a través del bus CAN, así como su procesamiento en el nodo central. Esto permite planificar una extensión de los algoritmos para una extremidad adicional.
Este proyecto permite esclarecer las capacidades de los nodos distribuidos para así establecer bases sólidas
para futuras investigaciones con el prototipo. De esta manera los próximos estudios pueden enfocarse en una
mejora del sistema de control y un posible cambio de paradigma del mismo. Esto implicaría que el prototipo
pueda ser probado en el área de la rehabilitación para eventualmente mejorar el estado de salud de las personas
que lo usen, y por ende su calidad de vida. |
| format | bachelorThesis |
| id | oai:dspace.ucuenca.edu.ec:123456789-35995 |
| institution | Universidad de Cuenca |
| language | spa |
| publishDate | 2021 |
| publisher | Universidad de Cuenca |
| record_format | dspace |
| spelling | oai:dspace.ucuenca.edu.ec:123456789-359952021-04-09T23:59:45Z Arquitectura de control centralizado usando un enfoque cuasi óptimo para la regulación de la marcha bípeda de un exoesqueleto de extremidades inferiores Córdova Cuenca, Andrés Fabricio Morales Guamán, Hernán Augusto Minchala Ávila, Luis Ismael Electrónica Comunicación Optimización Diseño de circuitos Los dispositivos robóticos han alcanzado un importante rol en la sociedad actual, donde cada vez es más común su presencia no solo en la industria sino en el uso personal. Específicamente, en el campo de la rehabilitación resulta de gran utilidad contar con dispositivos robóticos que ayuden a la recuperación de ciertas patologías. Este proyecto presenta el diseño e implementación de una arquitectura de control cuasi óptima para la gestión de los controladores distribuidos de un exoesqueleto robótico de una extremidad inferior. Para ello, se establece una topología de control y comunicación del exoesqueleto que se basa en un nodo maestro y tres nodos esclavos. El sistema de comunicación usa el protocolo CAN a través de los Process Data Objects (PDO), que permiten reducir los tiempos de comunicación al no usar confirmaciones de recibo (ACK). Comparándolo con los Service Data Objects (SDO) se tiene una mejora significativa, demostrando el potencial de PDO para aprovechar al máximo el bus CAN. Este sistema es implementado en el nodo central mediante funciones de escritura y lectura CAN para el manejo de tramas. En este nodo se implementa también el sistema de control, el cual envía las órdenes correspondientes a cada uno de los controladores distribuidos EPOS4, mismos que disponen de un controlador de velocidad y posición interno para la gestión de la trayectoria de la caminata. Además, incluye un optimizador basado en heurística que analiza el error para determinar cuándo es necesario aplicar una corrección de la señal de control que permita minimizar el error de seguimiento de la trayectoria. Como resultado se tiene un exoesqueleto funcional para una extremidad inferior con tres articulaciones: cadera, rodilla y tobillo. Cuyos algoritmos de control y de comunicación mostraron una mejora respecto a versiones anteriores, en cuanto al tiempo de envío y recepción de datos a través del bus CAN, así como su procesamiento en el nodo central. Esto permite planificar una extensión de los algoritmos para una extremidad adicional. Este proyecto permite esclarecer las capacidades de los nodos distribuidos para así establecer bases sólidas para futuras investigaciones con el prototipo. De esta manera los próximos estudios pueden enfocarse en una mejora del sistema de control y un posible cambio de paradigma del mismo. Esto implicaría que el prototipo pueda ser probado en el área de la rehabilitación para eventualmente mejorar el estado de salud de las personas que lo usen, y por ende su calidad de vida. Robotic devices have reached an important role in modern society, where their presence is increasingly common in the industry and personal use. Specifically to the rehabilitation field, it is entirely beneficial to have robotic devices that help specific pathologies’ recovery processes. This project introduces the design and implementation of a quasi-optimal control architecture to manage distributed controllers of a single lower limb robotic exoskeleton. To achieve this, a control and communication topology of the exoskeleton is established based on a master node and three slave nodes. The communication system employs CAN protocol with Process Data Objects (PDO), which reduces communication times by not using acknowledgement (ACK). Comparing it with SDO, there is a significant improvement, so it demonstrates the potential of PDO to take full advantage of the CAN bus. This system is implemented in the central node utilizing CAN reading and writing functions for frame management. The control system is also implemented in this node, which sends the necessary orders to each of the EPOS4 distributed controllers with an internal speed and position controller for the application of gait trajectory. Furthermore, it includes a heuristic-based optimizer that analyzes the error to determine when a correction of the control signal is necessary to apply to minimize the trajectory tracking error. The result is a functional single lower limb exoskeleton with three joints: hip, knee, and ankle. Control and communication algorithms showed an improvement over previous versions regarding the time of sending and receiving data through CAN bus, as well as its processing in the central node. In consequence, this allows planning an extension of the algorithms for an additional limb. This project makes it possible to clarify the capabilities of distributed nodes to establish solid bases for future research with the prototype. In this way, the subsequent studies could focus on improving the control system and a possible paradigm change. This would imply performing several tests with the prototype in the rehabilitation area to eventually improve people’s health status and their quality of life. Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones Cuenca 2021-04-07T20:05:19Z 2021-04-07T20:05:19Z 2021-04-07 bachelorThesis http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/35995 spa TET;102 Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ openAccess application/pdf application/pdf Universidad de Cuenca |
| spellingShingle | Electrónica Comunicación Optimización Diseño de circuitos Córdova Cuenca, Andrés Fabricio Morales Guamán, Hernán Augusto Arquitectura de control centralizado usando un enfoque cuasi óptimo para la regulación de la marcha bípeda de un exoesqueleto de extremidades inferiores |
| title | Arquitectura de control centralizado usando un enfoque cuasi óptimo para la regulación de la marcha bípeda de un exoesqueleto de extremidades inferiores |
| title_full | Arquitectura de control centralizado usando un enfoque cuasi óptimo para la regulación de la marcha bípeda de un exoesqueleto de extremidades inferiores |
| title_fullStr | Arquitectura de control centralizado usando un enfoque cuasi óptimo para la regulación de la marcha bípeda de un exoesqueleto de extremidades inferiores |
| title_full_unstemmed | Arquitectura de control centralizado usando un enfoque cuasi óptimo para la regulación de la marcha bípeda de un exoesqueleto de extremidades inferiores |
| title_short | Arquitectura de control centralizado usando un enfoque cuasi óptimo para la regulación de la marcha bípeda de un exoesqueleto de extremidades inferiores |
| title_sort | arquitectura de control centralizado usando un enfoque cuasi óptimo para la regulación de la marcha bípeda de un exoesqueleto de extremidades inferiores |
| topic | Electrónica Comunicación Optimización Diseño de circuitos |
| url | http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/35995 |
| work_keys_str_mv | AT cordovacuencaandresfabricio arquitecturadecontrolcentralizadousandounenfoquecuasioptimoparalaregulaciondelamarchabipedadeunexoesqueletodeextremidadesinferiores AT moralesguamanhernanaugusto arquitecturadecontrolcentralizadousandounenfoquecuasioptimoparalaregulaciondelamarchabipedadeunexoesqueletodeextremidadesinferiores |