Enfoque innovador de diseño de controladores no lineales para el rendimiento de rodillas protésicas

Área de la Ciencia:

• Robótica y biomecatrónica
• Ingeniería de sistemas de control
• Ingeniería biomédica

Sus antecedentes:

• Las articulaciones de rodilla protésicas son cruciales para restaurar la movilidad en personas con pérdida de extremidades inferiores.
• Las rodillas protésicas existentes enfrentan desafíos con la dinámica no lineal, las perturbaciones y las incertidumbres durante la locomoción.
• Se necesitan estrategias de control avanzadas para mejorar la naturalidad y la adaptabilidad de la marcha protésica.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar y evaluar estrategias novedosas de control no lineal para una articulación de rodilla protésica de dos grados de libertad.
• Optimizar los parámetros del controlador utilizando el algoritmo Red Fox Optimization.
• Validar el marco de control propuesto a través de simulación y pruebas de hardware-in-the-loop.

Principales métodos:

• Desarrollo de un modelo dinámico no lineal integral para una rodilla protésica.
• Implementación de tres controladores no lineales robustos: Control Integral de Modo Deslizante, Control de Modo Deslizante Super-Retorcido Condicional y Control de Modo Deslizante basado en Función de Barrera Adaptativa Positiva Semidefinida Condicional (CoBA).
• Optimización de parámetros utilizando Red Fox Optimization y análisis de estabilidad mediante la teoría de Lyapunov.
• Simulación en MATLAB/Simulink y validación hardware-in-the-loop utilizando un microcontrolador C2000 Delfino F28379D.

Principales resultados:

• El controlador basado en CoBA demostró una precisión de seguimiento superior, una convergencia más rápida y un perfil de par más suave en comparación con otros métodos.
• El análisis de estabilidad confirmó la robustez de los controladores en diversas condiciones.
• Las simulaciones y los experimentos de hardware mostraron una estrecha concordancia, validando la aplicabilidad práctica del marco de control.

Conclusiones:

• Las estrategias de control no lineal propuestas, en particular el enfoque CoBA, ofrecen un avance significativo en el control de rodillas protésicas.
• El algoritmo Red Fox Optimization ajustó eficazmente los parámetros del controlador para un rendimiento mejorado.
• El marco de control validado proporciona una base prometedora para el desarrollo de sistemas de rodilla protésica inteligentes y adaptativos.