Control difuso PI de un exoesqueleto robótico flexible de rodillas para la rehabilitación de un maniquí de piernas de bebé

Abstract

Espina bífida es una malformación congénita grave que afecta a muchos infantes anualmente, causando la pérdida de la movilidad en miembros inferiores en el peor de los casos. La aplicación de exoesqueletos blandos para la asistencia y rehabilitación ha estado en apogeo en los últimos años, pero se han dejado de lado las soluciones para infantes y recién nacidos. Nuevos estudios indican que los exoesqueletos de rehabilitación blandos pueden ser efectivos en la terapia de infantes con esta condición, sobre todo si se realiza en los primeros meses de vida. Esta tesis se ha enfocado en el diseño e implementación de un controlador PI y un controlador difuso PI que permita controlar el seguimiento de la trayectoria de rehabilitación de ambas piernas de un maniquí, que simula un bebé 6 meses en posición decúbito prono, haciendo uso de un exoesqueleto blando de rodilla. El exoesqueleto blando está confeccionado con tela de algodón y es accionado a través de músculos artificiales neumáticos de vacío, fabricados con materiales de bajo costo. Se lleva a cabo una metodología iterativa para el diseño del controlador difuso PI, que parte de la identificación de un modelo de caja negra, usando los datos de un controlador PI previamente sintonizado, y culmina con una simulación en MATLAB & SIMULINK donde obtenemos los parámetros del controlador difuso PI. El control PI y el control difuso PI fueron evaluados experimentalmente, tomando en cuenta una trayectoria de rehabilitación de 5° a 55° para ambas piernas. Además, para evaluar la robustez del controlador frente a los cambios del sistema, se realizaron múltiples experimentos agregando masas de 40, 60, 80 y 100 gramos en cada pierna. Los resultados indican que el controlador difuso PI presenta mayor robustez frente a los cambios de masa y mejor rendimiento en el seguimiento de la trayectoria, sin embargo, cuenta con mayores oscilaciones durante la fase de extensión. En contraste el controlador PI cuenta con menor oscilación durante la fase de extensión, pero menor robustez frente a los cambios de masa del maniquí, produciendo errores de mayor magnitud.

Spina bifida is a serious congenital malformation that affects many infants each year and, in the worst cases, leads to loss of mobility in the lower limbs. The use of soft exoskeletons for support and rehabilitation has boomed in recent years, but solutions for infants and newborns are left out. New studies suggest that soft rehabilitation exoskeletons may be effective in treating infants with this condition, especially when performed in the first months of life. This work focused on the design and implementation of a PI controller and a Fuzzy-PI controller that allow to control the rehabilitation trajectory of both legs of a dummy, simulating a 6-month-old baby in prone position, using soft knee exoskeleton. The soft exoskeleton is made of cotton fabric and powered by vacuum-pneumatic artificial muscles made of low-cost materials. For the design of Fuzzy-PI controller, an iterative methodology is carried out, starting with the identification of a black box model using data from a previously tuned PI controller and culminating with a simulation in MATLAB & SIMULINK where we obtain the parameters of Fuzzy-PI controller. PI controller and Fuzzy-PI controller were experimentally evaluated considering a rehabilitation trajectory of 5° to 55° for both legs. Additionally, to evaluate the robustness of the controller to system changes, several experiments were conducted in which masses of 40, 60, 80, and 100 grams were added to each leg. The results suggest that Fuzzy-PI controller has greater robustness to mass changes and better trajectory tracking performance, but has larger oscillations during the extension phase. In contrast, PI controller has fewer oscillations during the extension phase but is less robust to changes in the mass of the dummy, leading to larger errors.