Nonlinear control of a seven degrees-of-freedom exoskeleton robot arm

Ochoa Luna, Cristóbal (2016). Nonlinear control of a seven degrees-of-freedom exoskeleton robot arm. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Advances in the field of robotics have allowed increasingly integrating robotic devices for rehabilitation of physical disabilities. This research work is encompassed into the field of rehabilitation robotics; it presents the development of the robot ETS-MARSE, a seven degrees-of-freedom exoskeleton designed to be worn in the human arm. The developments include the study and implementation of a relatively novel nonlinear control approach, as well as different rehabilitation schemes.

One of the characteristics of a rehabilitation robot is that it deals with a wide number of patients that have different biomechanical and physiological conditions. The implementation of the nonlinear control technique known as Virtual Decomposition Control addresses this issue with its internal parameters’ adaptation that presents a robust behavior to different characteristics of the robot users. Besides, this technique simplifies the complexity of high degree-of-freedom robots by its innovative sub-systems decomposition. All of above, while ensuring the system asymptotic stability and excellent trajectory tracking.

Between the different rehabilitation schemes, we can mention: passive, active-assistive and active rehabilitation. The first one follows predefined trajectories and relies on the efficiency of the controller. The two other schemes require understanding the user’s intention of movement and take an action in order to guide, restrain, correct or follow it. For this purpose, we present an approach that utilizes a force sensor as the human-robot interface in order to transform, via an admittance function, the forces that the user exert to the robot end-effector (handle), and execute active-assisted or active rehabilitation. Finally among the main developments of this work, an approach is presented in which the need of a force sensor to perform some active rehabilitation tasks is removed. By means of a nonlinear observer, the interaction forces are estimated and the user’s intention of movement followed. Experimental results show the effectiveness of all the proposed approaches. All the tests involving humans were tested with healthy subjects.

Trajectory tracking of the robot is executed in joint space; some trajectories are given in Cartesian space and transformed to joint space by means of the pseudoinverse of the Jacobian technique. However this option is limited; a mandatory next step to improve many functionalities of the robot is to solve its inverse kinematics. Between other progresses that are in development, is an approach to process electromyographic signals in order to obtain information from the robot’s users. First results on this methodology are presented. Teleoperation and haptic capabilities are also in the initial stage of development.

Titre traduit

Commande non linéaire d'un bras exosquelette robotique à sept degrés de liberté

Résumé traduit

Les progrès dans le domaine de la robotique ont permis l’intégration de plus en plus de dispositifs robotisés pour la réadaptation des personnes avec un handicap physique. Ce travail de recherche englobe tout le domaine de la robotique de réadaptation; il présente l’évolution du robot ETS-MARSE, un exosquelette à sept degrés de liberté destiné à être porté par le bras humain. Les développements incluent l’étude et l’implémentation d’une approche de contrôle non linéaire relativement nouvelle, ainsi que différents programmes de réadaptation.

Une des caractéristiques d’un robot de réadaptation est qu’il est utilisé par un grand nombre de patients qui ont des conditions physiologiques et biomécaniques diverses. L’implémentation de la technique de contrôle non linéaire, connue sous le nom de Virtual Decomposition Control, atteint cette exigence grâce à son adaptation de paramètres internes qui présente un comportement robuste pour les différentes caractéristiques des utilisateurs de robot. En outre, cette technique simplifie la complexité des robots possédant de hauts degrés de liberté par son innovante décomposition du système. De plus, elle lui assure une stabilité asymptotique et un excellent suivi de trajectoires.

Parmi les différents programmes de réadaptation, nous pouvons nommer : la réadaptation passive, la réadaptation active-assistée et la réadaptation active. La première suit des trajectoires prédéfinies et s’appuie sur l’efficacité du dispositif de commande. Les deux autres programmes ont besoin d’une méthode de compréhension de l’intention du mouvement de l’utilisateur; ils peuvent donc prendre une action de suivre, guider, retenir ou corriger le mouvement. À cet effet, notre première approche utilise un capteur de force comme l’interface humain-robot afin de transformer, par l’intermédiaire d’une fonction d’admittance, les forces que l’utilisateur exerce sur l’effecteur du robot et exécuter la réadaptation active-assistée ou la réadaptation active. Enfin, entre les principaux développements de ce travail, une approche est présentée, dans laquelle la nécessité d’un capteur de force pour effectuer certaines tâches de réadaptation active est supprimée. Au moyen d’un observateur non linéaire, les forces d’interaction sont estimées et l’intention de mouvement de l’utilisateur s’ensuit. Les résultats expérimentaux montrent l’efficacité de toutes les approches proposées. Tous les essais qui ont été faits sur des humains ont été testés avec des sujets qui ne présentent aucun handicap.

Le suivi de trajectoires du robot est exécuté dans l’espace articulaire; certaines trajectoires sont données dans l’espace cartésien et transformées à l’espace articulaire en utilisant la technique du pseudo-inverse de la matrice jacobienne. Cependant, cette option est limitée; la prochaine étape obligatoire pour améliorer les nombreuses fonctions du robot est de résoudre sa cinématique inverse. Parmi les autres progrès qui sont en développement, l’une d’entre elle est une approche pour la classification et la modélisation des signaux électromyographiques afin d’obtenir des informations auprès des utilisateurs du robot. Les premiers résultats utilisant cette méthodologie sont présentés. La téléopération et les capacités haptiques sont également dans la phase initiale de développement.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy" Bibliographie : pages 121-134.
Mots-clés libres:	Exosquelettes (Cybernétique) Technologie de la réadaptation. Commande non linéaire. Robots Mouvements. Handicapés Réadaptation. Robotique en médecine. bras, robotique, 7DDL réadaptation exosquelette, Virtual Decomposition Control, réadaptation active-assistée, observateur non linéaire
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Saad, Maarouf
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 mai 2016 18:25
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1666

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