Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-11-24T15:54:01Z
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Previous issue date: 2018-05-21 / Nesta pesquisa o modelo de um exoesqueleto do membro inferior direita para melhorar a mobilidade do usuário e seu sistema de controle foram desenvolvidos. O projeto físico do modelo do exoesqueleto consiste em três partes principais: um quadril e a parte superior e inferior da perna conectados um com o outro por juntas revolutas. Cada uma das juntas é atuado por um motor Brushless DC (BLDC) com caixa de redução para aumentar torque. Os motores a serem usados na construção possuem sensores de velocidade e de posição para fornecer os dados necessários para o sistema de controle. Solidworks Computer Aided Design (CAD) software é usado para desenvolver o modelo do exoesqueleto, que é salvo em formato extensible markup language (XML) para depois ser importado em Simmechanics, permitindo a integração de modelos de corpos físicos com componentes de Simulink. A cinemática inversa do exoesqueleto é desenvolvido e projetado em Very high speed integrated circuit Hardware Description Language (VHDL) usando aritmética em ponto flutuante para ser executado a partir de um dispositivo Field Programmable Gate Array (FPGA). Quatro representações diferentes do projeto de hardware do modelo cinematico do exoesqueleto foram desenvolvidos fazendo análise de erro com Mean Square Error (MSE) e Average Relative Error (ARE). Análise de trade-off de desempenho e área em FPGA é feito. A estratégia de controle Proportional-Integrative-Derivative (PID) é escolhido para desenvolver o sistema de controle do exoesqueleto por ser relativamente simples e eficiente para desenvolver e por ser amplamente usado em muitas áreas de aplicação. Duas estratégias de sistemas de controle combinado de posiçaõ e velocidade são desenvolvidos e comparados um com o outro. Cada sistema de controle consiste em dois controladores de velocidade e dois de posição. Os parâmetros PID são calculados usando os métodos de sintonização Ziegler-Nichols e Particle Swarm Optimization (PSO). PSO é um método de sintonização relativamente simples porém eficiente que é aplicado em muitos problemas de otimização. PSO é baseado no comportamento supostamente inteligente de cardumes de peixes e bandos de aves em procura de alimento. O algoritmo, junto com o método Ziegler-Nichols, é usado para achar parâmetros PID apropriados para os blocos de controle nas duas estratégias te controle desenvolvidos. A resposta do sistema de controle é avaliada, analisando a resposta a um step input. Simulação da marcha humana é também feito nos dois modelos de sistema de controle do exoesqueleto fornecendo dados de marcha humana ao modelo e analisando visualmente os movimentos do exoesqueleto em Simulink. Os dados para simulação da marcha humana são extraídos de uma base de dados existente e adaptados para fazer simulações nos modelos de sistema de controle do exoesqueleto. / In this research a model of an exoskeleton of the right lower limb for user mobility enhancement and its control system are designed. The exoskeleton design consists of three major parts: a hip, an upper leg and a lower leg part, connected to one another with revolute joints. The joints will each be actuated by Brushless DC (BLDC) Motors equipped with gearboxes to increase torque. The motors are also equipped with velocity and position sensors which provide the necessary data for the designed control systems. Solidworks Computer Aided Design (CAD) software is used to develop a model of the exoskeleton which is then exported in extensible markup language (XML) format to be imported in Simmechanics, enabling the integration of physical body components with Simulink components. The inverse kinematics of the exoskeleton model is calculated and designed in Very high speed integrated circuit Hardware Description Language (VHDL) using floating-point numbers, to be executed from a Field Programmable Gate Array (FPGA) Device. Four different bit width representations of the hardware design of the kinematics model of the exoskeleton are developed, performing error analysis with the Mean Square Error (MSE) and the Average Relative Error (ARE) approaches. Trade-off analysis is then performed against performance and area on FPGA. The Proportional-Integrative-Derivative (PID) control strategy is chosen to develop the control system for the exoskeleton for its relatively simple design and proven efficient implementation in a very broad range of real life application areas. Two control system strategies are developed and compared to one another. Each control system design is comprised of two velocity- and two position controllers. PID parameters are calculated using the Ziegler-Nichols method and Particle Swarm Optimization (PSO). PSO is a relatively simple yet powerful optimization method that is applied in many optimization problem areas. It is based on the seemingly intelligent behaviour of fish schools and bird flocks in search of food. The algorithm, alongside the Ziegler-Nichols method, is used to find suitable PID parameters for control system blocks in the two designs. The system response of the control systems is evaluated analyzing step response. Human gait simulation is also performed on the developed exoskeleton control systems by observing the exoskeleton model movements in Simulink. The gait simulation data is extracted from a human gait database and adapted to be fed as input to the exoskeleton control system models.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.unb.br:10482/31932 |
| Date | 23 June 2017 |
| Creators | Koendjbiharie, Marlon Winston |
| Contributors | Muñoz Arboleda, Daniel Mauricio |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Inglês |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UnB, instname:Universidade de Brasília, instacron:UNB |
| Rights | A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data., info:eu-repo/semantics/openAccess |
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