Publicação
Human-in-the-loop control for lower limb assistance driven by exoskeleton
| Resumo: | Atualmente, as lesões musculosqueléticas relacionadas com o trabalho (LMERTs) afetam aproximadamente 60% dos trabalhadores europeus (1). Permanecer de pé durante longos períodos e carregar e levantar objetos pesados são atividades que introduzem uma carga significativa nas pernas dos trabalhadores (1). Nem todos os processos industriais podem ser completamente automatizados e, portanto, é ainda necessário que os trabalhadores executem tarefas repetitivas (2). Os exoesqueletos podem ser utilizados para aumentar a capacidade física e diminuir a tensão física nos músculos dos utilizadores, contudo, os exoesqueletos atuais ainda não sincronizam os seus movimentos com a intenção do humano nem assistem cada trabalhador de forma individualizada (2). O principal objetivo desta dissertação foi o desenvolvimento e validação de um controlo human-in-the loop (HITL) para um exoesqueleto de membros inferiores. O propósito do controlo foi a otimização, em tempo-real, do perfil de torque do exoesqueleto, para um perfil que minimizasse o esforço do utilizador, avaliado pelo seu custo metabólico (CM) e torque de interação. Primeiramente, um modelo regressor capaz de estimar o CM de uma pessoa, em tempo-real, com base em dados de quatro sensores inerciais foi desenvolvido e integrado no exoesqueleto. O modelo foi treinado com dados de três atividades: (i) estar de pé; (ii) andar; e (iii) estar sentado. Durante uma validação experimental, o modelo alcançou um erro quadrático médio de 0.66 W/kg. De seguida, foi desenvolvido um controlo de torque que permitiu a manipulação dos atuadores do dispositivo para seguirem um perfil de torque gerado por interpolação polinomial. Este foi formado por um controlador de nível médio que estima a fase da marcha e obtém a referência de torque, e um controlador de nível baixo usado para movimentar o atuador de acordo com a referência e fase da marcha. Uma validação conceptual do controlo mostrou que este foi capaz de assistir o utilizador com sucesso. Por fim, um controlo HITL foi desenvolvido, pela integração do modelo regressor e o controlo de torque com um algoritmo otimizador. O otimizador adaptou o perfil de torque, em tempo-real, para minimizar o esforço do utilizador. Uma validação conceptual do otimizador demonstrou que a assistência otimizada resultou numa redução de 8.7% e 54.6% do CM e torque de interação do utilizador, respetivamente, comparativamente com a utilização do dispositivo em modo transparente. O controlo HITL foi desenvolvido e integrado no exoesqueleto com sucesso. Os resultados de uma prova de conceito revelaram que este foi eficaz na redução do esforço do utilizador. |
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| Autores principais: | Monteiro, Sara Margarida Alves |
| Assunto: | Controlo human-in-the-loop Estimação do custo metabólico Exoesqueletos Lesões musculosqueléticas relacionadas com o trabalho Trabalho assistido Assisted working Exoskeletons Human-in-the-loop control Metabolic cost estimation Work-related musculoskeletal disorder |
| Ano: | 2023 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | dissertação de mestrado |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Resumo: | Atualmente, as lesões musculosqueléticas relacionadas com o trabalho (LMERTs) afetam aproximadamente 60% dos trabalhadores europeus (1). Permanecer de pé durante longos períodos e carregar e levantar objetos pesados são atividades que introduzem uma carga significativa nas pernas dos trabalhadores (1). Nem todos os processos industriais podem ser completamente automatizados e, portanto, é ainda necessário que os trabalhadores executem tarefas repetitivas (2). Os exoesqueletos podem ser utilizados para aumentar a capacidade física e diminuir a tensão física nos músculos dos utilizadores, contudo, os exoesqueletos atuais ainda não sincronizam os seus movimentos com a intenção do humano nem assistem cada trabalhador de forma individualizada (2). O principal objetivo desta dissertação foi o desenvolvimento e validação de um controlo human-in-the loop (HITL) para um exoesqueleto de membros inferiores. O propósito do controlo foi a otimização, em tempo-real, do perfil de torque do exoesqueleto, para um perfil que minimizasse o esforço do utilizador, avaliado pelo seu custo metabólico (CM) e torque de interação. Primeiramente, um modelo regressor capaz de estimar o CM de uma pessoa, em tempo-real, com base em dados de quatro sensores inerciais foi desenvolvido e integrado no exoesqueleto. O modelo foi treinado com dados de três atividades: (i) estar de pé; (ii) andar; e (iii) estar sentado. Durante uma validação experimental, o modelo alcançou um erro quadrático médio de 0.66 W/kg. De seguida, foi desenvolvido um controlo de torque que permitiu a manipulação dos atuadores do dispositivo para seguirem um perfil de torque gerado por interpolação polinomial. Este foi formado por um controlador de nível médio que estima a fase da marcha e obtém a referência de torque, e um controlador de nível baixo usado para movimentar o atuador de acordo com a referência e fase da marcha. Uma validação conceptual do controlo mostrou que este foi capaz de assistir o utilizador com sucesso. Por fim, um controlo HITL foi desenvolvido, pela integração do modelo regressor e o controlo de torque com um algoritmo otimizador. O otimizador adaptou o perfil de torque, em tempo-real, para minimizar o esforço do utilizador. Uma validação conceptual do otimizador demonstrou que a assistência otimizada resultou numa redução de 8.7% e 54.6% do CM e torque de interação do utilizador, respetivamente, comparativamente com a utilização do dispositivo em modo transparente. O controlo HITL foi desenvolvido e integrado no exoesqueleto com sucesso. Os resultados de uma prova de conceito revelaram que este foi eficaz na redução do esforço do utilizador. |
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