義肢膝の性能のための非線形コントローラ設計の革新的なアプローチ

科学分野:

• ロボット工学およびバイオメカトロニクス
• 制御システム工学
• 生体医工学

背景:

• 義肢膝関節は、下肢切断者の移動能力を回復するために不可欠である。
• 既存の義肢膝は、歩行中の非線形ダイナミクス、外乱、および不確実性に対処する上で課題に直面している。
• 義肢歩行の自然さと適応性を向上させるためには、高度な制御戦略が必要である。

研究 の 目的:

• 2自由度義肢膝関節のための新しい非線形制御戦略を開発および評価すること。
• Red Fox最適化アルゴリズムを使用してコントローラパラメータを最適化すること。
• シミュレーションおよびハードウェアインループテストを通じて提案された制御フレームワークを検証すること。

主な方法:

• 義肢膝の包括的な非線形動的モデルの開発。
• 3つの堅牢な非線形コントローラの実装：積分スライディングモード制御、条件付き超急峻スライディングモード制御、および条件付き適応半正定バリア関数ベーススライディングモード制御（CoBA）。
• Red Fox最適化を使用したパラメータ最適化とリアプノフ理論による安定性解析。
• MATLAB/SimulinkでのシミュレーションとC2000 Delfino F28379Dマイクロコントローラを使用したハードウェアインループ検証。

主要な成果:

• CoBAベースのコントローラは、他の手法と比較して、優れた追跡精度、より速い収束、およびより滑らかなトルクプロファイルを示した。
• 安定性解析により、さまざまな条件下でのコントローラの堅牢性が確認された。
• シミュレーションとハードウェア実験は密接な一致を示し、制御フレームワークの実用的な適用性を検証した。

結論:

• 提案された非線形制御戦略、特にCoBAアプローチは、義肢膝制御において重要な進歩を提供する。
• Red Fox最適化アルゴリズムは、パフォーマンスを向上させるためにコントローラパラメータを効果的に調整した。
• 検証された制御フレームワークは、インテリジェントで適応性のある義肢膝システムを開発するための有望な基盤を提供する。