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

Grandas Franco, Jean Carlo

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	info:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.accessrights	info:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.coar	http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.creativecommons	Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
dc.rights.license	Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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
dspace.entity.type