A simulation study for position control of VSAnkleExo in MATLAB/SimMechanics environment
Hasbi Kızılhan1, Bahri Şekerci2, Ergin Kılıç1, Özgür Başer11Department of Mechanical Engineering, Suleyman Demirel University, Isparta, TURKEY2Innovative Technologies Application and Research Center, Suleyman Demirel University, Isparta, TURKEY
According to human biomechanics study, ankle musculoskeletal structure constantly changes joint stiffness during walking. Being inspired by human biomechanics, an ankle exoskeleton robot with an adjustable stiffness, named VSAnkleExo was designed and by using Simulation Environment MATLAB/SimMechanics, its position tracking simulation tests were carried out in this study. VSAnkleExo is intended to be used for the purposes of walking aid and rehabilitation. An effective position control of the robot is required for these purposes. Therefore, in this study, before testing the recommended controllers on the real robot, the position control simulations were applied on MATLAB/SimMechanics model of the robot. It is not easy to obtain the mathematical model of the robot because VSAnkleExo has a complex structure. For this reason, the control methods that do not need the mathematical model of the robot are tested here. In this study, firstly, a model of the robot was established by using MATLAB/SimMechanics. Then, trajectory tracking experiments and response experiments with disturbance were conducted on the model in order to reveal the effectiveness of proposed adaptive fuzzy controllers. Besides, these experiments were performed with conventional PID and the all experiment results were compared. Experimental results show that proposed fuzzy PD+PID controllers can effectively reduce trajectory tracking errors and achieve favorable control performance. Furthermore, it is robust against external disturbances.
Keywords: Fuzzy PD+PID, ZTS Fuzzy PD, Adaptive Fuzzy Controller, Variable Stiffness Actuators, Wearable Ankle RobotMATLAB/Simmechanics ortamında VSAnkleExo’nun konum kontrolü için bir simülasyon çalışması
Hasbi Kızılhan1, Bahri Şekerci2, Ergin Kılıç1, Özgür Başer11Süleyman Demirel Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Isparta, Türkiye2Süleyman Demirel Üniversitesi, Yenilikçi Teknolojiler Uygulama ve Araştırma Merkezi, Isparta, Türkiye
İnsan biyomekanik çalışmalarına göre, ayak bileği kas-iskelet yapısı yürüme esnasında eklem sertliğini sürekli olarak değiştirmektedir. İnsanın vücudunun bu biyomekaniğinden esinlenilerek, VS-AnkleExo isimli ayarlanabilir sertliğe sahip bir dış iskelet robot tasarlanmış ve bu çalışmada MATLAB/SimMechanics simülasyon ortamı kullanılarak robotun pozisyon takip simülasyon testleri gerçekleştirilmiştir. VS-AnkleExo yürüme yardımı ve rehabilitasyon amaçları için kullanılması düşünülmektedir. Robotun bu amaçları yerine getirebilmesi için etkili bir pozisyon kontrolü gerekmektedir. Bu nedenle, gerçek robot üzerinde önerilen kontrolcüleri test etmeden önce, robotun MATLAB/SimMechanics modeli üzerinde pozisyon kontrol simülasyonları bu çalışmada sunulmuştur. VS-AnkleExo kompleks bir yapıya sahiptir. Bu yüzden robotun matematiksel modeline ihtiyaç duymayan kontrol yöntemleri burada test edilmiştir. Çalışmada ilk olarak MATLAB/SimMechanics kullanılarak robot modeli kurulmuştur. Daha sonra, önerilen bulanık kontrolcülerin etkinliğini ortaya koymak için yörünge takip ve bozuculu cevap deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca deneyler geleneksel PID kontrolcü ile de gerçekleştirilmiş ve deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Deney sonuçları, önerilen bulanık PD+PID kontrolcünün etkili bir şekilde pozisyon takip hatasını azaltabildiğini ve uygun kontrol performansı sunduğunu göstermiştir. Ayrıca önerilen kontrolcü bozuculara karşı sağlamdır.
Anahtar Kelimeler: Bulanık PD+PID, ZTS Bulanık PD, Adaptif Bulanık Kontrolcü, Sertliği Değiştirilebilir Eyleyici, Giyilebilir Ayak Bileği RobotCorresponding Author: Hasbi Kızılhan, Türkiye
Manuscript Language: English