Control difuso de exoesqueleto

Controlador Difuso PID Aplicado al Movimiento de un Exoesqueleto de Miembro Superior
Diego Andrés Monroy Cárdenas*, elson Fernando Velasco Toledo*
*Grupo de Investigación DAVINCI Programa de Ingeniería Mecatrónica Facultad de Ingeniería, Universidad Militar Nueva Granada. Carrera 11 No. 101-80, Bogotá, Colombia.

Abstract: El control de la posición del eslabón que corresponde al antebrazo deun exoesqueleto para miembro superior, se realiza a partir de un controlador difuso PID. La señal de referencia esta dada por un dispositivo de inmersión solidario al miembro superior del usuario. El controlador diseñado e implementado permite que el movimiento del eslabón siga la trayectoria del antebrazo del usuario que tiene colocado el dispositivo de inmersión. En este articulo se presenta elproceso de diseño del algoritmo de control y diversos tipos de repuestas obtenidas al realizar experimentos con el exoesqueleto.

1. Introducción
Los sistemas tipo exoesqueleto se pueden definir como trajes robóticos solidarios al cuerpo humano; tal como una armadura, que debido a su cercana interacción con el usuario están en capacidad de intercambiar información y transferir potencia mecánicaa sus acciones de movimiento. Los sistemas tipo exoesqueleto están enmarcados en la clase de dispositivos tipo órtesis, los cuales consisten en un apoyo o un dispositivo externo aplicado al cuerpo, para modificar aspectos estructurales o funcionales del sistema neuromusculoesquelético, (Gonzales 1997). Estos pueden ser pasivos, por ejemplo para telepresencia, o activos para la amplificación defuerza, aunque también pueden clasificarse según su enfoque de trabajo. Un primer enfoque consiste en la anteriormente mencionada asistencia mecánica para los movimientos del usuario, mediante la amplificación de la fuerza generada para el manejo de cargas, (Kigushi 2004, Rosen 2001). Un segundo enfoque es emplearlos en la arquitectura de sistemas teleoperados, como dispositivo maestro omaestro/esclavo. Un exoesqueleto maestro permite a un operario mover un manipulador industrial, siendo posible que exista una retroalimentación de información por parte del manipulador sobre el exoesqueleto. El último enfoque consiste en su implementación como dispositivos hápticos para interacción con entornos virtuales, simulando las características de forma, textura y dureza de elementos virtuales quemanipula el usuario, mejorando la experiencia de inmersión en el entorno virtual, (Rosen 2001). También existe la posibilidad para usar dispositivos tipo exoesqueleto

para tele-presencia en entornos virtuales, en la que los movimientos corporales del usuario son reproducidos por su personaje virtual dentro del entorno. En el laboratorio de robótica se desarrollo un sistema mecatrónico deexoesqueleto para miembro superior, con el objetivo de asistir mecánicamente el movimiento del antebrazo del usuario por medio de la flexión y extensión del codo a través de transferencia de potencia mecánica, (Gutiérrez 2007). Para controlar el movimiento del antebrazo se desarrollo un controlador difuso, que asegure que el movimiento del eslabón del antebrazo de la estructura del exoesqueleto, siga laindicación de movimiento del antebrazo del usuario, que es medido con un dispositivo de inmersión solidario a su miembro superior, (Monroy 2008). El modelo matemático que describe el comportamiento dinámico del eslabón del antebrazo de la estructura no es lineal, por lo que es preferible aplicar alguna técnica de control no lineal. Sin embargo, dada la característica de la aplicación, seríapreferible conservar un esquema de control que permita ajustar la característica de respuesta del sistema de manera similar al procedimiento que se realiza con los controladores clásicos. Los controladores difusos PID permiten describir lingüísticamente el comportamiento que debe adoptar un proceso de tipo lineal o no lineal, reflejando el conocimiento que un experto tendría sobre el mismo. Además,...