Análisis dinámico y control de un brazo robótico de tres grados de libertad usado para fines de rehabilitación en medicina

dc.contributor.advisor Borrás Pinilla, Carlos
dc.contributor.author Grandas Franco, Jean Carlo
dc.contributor.evaluator Duarte Gualdrón, César Antonio
dc.contributor.evaluator Carreño Zagarra, Jose Jorge
dc.date.accessioned 2022-04-21T15:05:13Z
dc.date.available 2022-04-21T15:05:13Z
dc.date.created 2022-02-14
dc.date.issued 2022-03-30
dc.description.abstract El uso de brazos robóticos para la rehabilitación pasiva de pacientes que han sufrido una apoplejía ha ido ganando relevancia, teniendo en cuenta que puede ayudar al personal médico a realizar sus tareas adecuadamente. Sin embargo, cuando se trata de controlar este tipo de dispositivos, normalmente hay que lidiar con las no linealidades resultantes del modelo matemático de los brazos robóticos, como es el caso de un brazo articulado de tres grados de libertad (3DoF). Además, al tratar a pacientes reales, hay que tener en cuenta las incertidumbres y limitaciones eventuales, así como la reducción adecuada de las señales de error. Para el caso de estudio, se implementaron dos estrategias de control: PID y Control de Modo Deslizante. Para ambos casos, se implementó la planta no lineal como sistema a controlar, aunque para el PID no es obligatorio un modelo matemático. Para el SMC, en cambio, este no es el caso, pero proporciona una señal de control robusta que es capaz de operar incluso en presencia de ruido blanco, ya que se añadió un filtro de Kalman extendido. El modelo matemático del brazo robótico 3DOF se derivó de la formulación de Euler-Lagrange, que se basa en ecuaciones de energía. Para ambas estrategias de control, el sistema se implementó en Simulink. Aunque ambas muestran un alto rendimiento en términos de tiempo de establecimiento, el SMC ofrece los mejores resultados en términos de costes de energía, que pueden ser fácilmente establecidos con una combinación de la estrategia de control LQG. Dado que la compensación de peso se consideró para el diseño de la planta "brazo robótico", el control podría aplicarse para un prototipo de robot real y es escalable en términos de parámetros físicos y de las fuerzas de compensación requeridas.
dc.description.abstractenglish The usage of robotic arms for passive rehabilitation of post-stroke patients has been gaining relevance, considering how it can assist medical personal to carry out their tasks properly. However, when it comes to controlling these kinds of devices, it normally has to deal with Non-Linearities resulting from the mathematical model of robotic arms, which is the case for a three -degrees of freedom (3DoF) articulated arm. Besides, while treating real patients, eventual uncertainties and constraints must be considered, as well as proper reduction of error signals. For the given case of study, two control strategies were implemented: PID and Sliding Mode Control. For both cases, the nonlinear plant was implemented as the system to be controlled, even if for PID a mathematical model is not mandatory. For SMC on the other side, this is not the case, but it delivers a robust control signal which is able to operate even in the presence of white noise as an extended Kalman filter was added. The mathematical model of the 3DOF robotic arm was derived from Euler-Lagrange formulation which is based on energy equations. For both control strategies, the system was implemented in Simulink. While both of them show a high performance in terms of settling time, SMC delivers the best results in term of energy costs, which can be easily set up with a combination of LQG control strategy. Since weight compensation was considered for the plant “robotic arm” design, the control could be applied for a real robot prototype and it is scalable in terms of physical parameters and the required compensation forces.
dc.description.degreelevel Maestría
dc.description.degreename Magíster en Ingeniería Mecánica
dc.format.mimetype application/pdf
dc.identifier.instname Universidad Industrial de Santander
dc.identifier.reponame Universidad Industrial de Santander
dc.identifier.repourl https://noesis.uis.edu.co
dc.identifier.uri https://noesis.uis.edu.co/handle/20.500.14071/10121
dc.language.iso eng
dc.publisher Universidad Industrial de Santander
dc.publisher.faculty Facultad de Ingeníerias Fisicomecánicas
dc.publisher.program Maestría en Ingeniería Mecánica
dc.publisher.school Escuela de Ingeniería Mecánica
dc.rights http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.rights.license Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombia (CC BY-NC-ND 2.5 CO)
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/
dc.subject Control modos deslizantes
dc.subject robótica
dc.subject rehabilitación asistida
dc.subject LQG
dc.subject control no lineal
dc.subject control robusto
dc.subject.keyword Robotic arm
dc.subject.keyword robust control
dc.subject.keyword Sliding Mode Control
dc.subject.keyword LQG
dc.subject.keyword PID
dc.subject.keyword robot-assisted arm rehabilitation
dc.title Análisis dinámico y control de un brazo robótico de tres grados de libertad usado para fines de rehabilitación en medicina
dc.title.english On the dynamics and control of a three-degrees-of-freedom robotic arm used for rehabilitation purposes in medicine
dc.type.coar http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc
dc.type.hasversion http://purl.org/coar/version/c_b1a7d7d4d402bcce
dc.type.local Tesis/Trabajo de grado - Monografía - Maestría
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