Interaction Torque Control of Pneumatically Actuated Wrist/Forearm Rehabilitation Robot


Dağdelen M., Sarıgeçili M. İ., Özbek N. S.

II. International Antalya Scientific Research and Innovative Studies Congress, Antalya, Turkey, 17 - 21 March 2022, pp.546-555

  • Publication Type: Conference Paper / Full Text
  • City: Antalya
  • Country: Turkey
  • Page Numbers: pp.546-555
  • Çukurova University Affiliated: Yes

Abstract

In this study, the control of interaction torque between user and pneumatically driven wrist/forearm rehabilitation robot has been shown for forearm pronation and supination movements. In addition to the rotary encoder, a torque sensor, two pressure sensors, and two separate precise pneumatic proportional pressure regulating valves were utilized for each chamber of the semi-rotary pneumatic cylinder in the control setup. Although the control valves have their own inner control loops, an outer control loop has been designed and integrated into the valves by applying the PID control method to construct a cascade controlled system. With the addition of the PID method to the valves’ default inner controller, the control performance of the system was quite improved. Performance tests were carried out at two different interaction torque levels as high and low torque levels named as hard and soft interaction for both pronation and supination movements. At the end of performance studies, very promising results were obtained. The results were given in the form of real-time interaction torque and the percentage error deviating from the targeted interaction torque during motion. The study also demonstrates how successful pneumatic systems can be in force/torque feedback applications. The findings obtained from this study can be further utilized in pneumatic applications of haptic control. 

Bu çalışmada, önkol iç ve dış rotasyon hareketleri için kullanıcı ile pnömatik tahrikli bilek/önkol rehabilitasyon robotu arasındaki etkileşim torku’nun kontrolü gösterilmiştir. Açısal enkoder’e ek olarak, kontrol düzeneğinde bir tork algılayıcısı, iki basınç algılayıcısı ve yarı döner pnömatik silindirin her basınç odası için iki ayrı hassas pnömatik oransal basınç ayarlama valfi kullanılmıştır. Kontrol valflerinin kendi iç kontrol döngülerine sahip olmasına rağmen, kaskad kontrollü bir sistem oluşturmak için PID kontrol yöntemi uygulanarak valflere bir dış kontrol döngüsü tasarlanmış ve entegre edilmiştir. Valflerin varsayılan iç kontrolcülerine PID yönteminin eklenmesiyle sistemin kontrol performansları oldukça iyileştirilmiştir. Performans testleri, hem iç hem de dış rotasyon hareketleri için sert ve yumuşak etkileşim olarak adlandırılan yüksek ve düşük olmak üzere iki farklı etkileşim tork seviyesinde gerçekleştirilmiştir. Performans çalışmaları sonunda oldukça umut verici sonuçlar elde edilmiştir. Sonuçlar gerçek zamanlı etkileşim tork değeri ve hareket sırasında hedeflenen etkileşim tork değerinden sapma yüzdesi şeklinde verilmiştir. Çalışma ayrıca pnömatik sistemlerin kuvvet/tork geri besleme uygulamalarında ne kadar başarılı olabileceğini göstermektedir. Bu çalışmadan elde edilen bulgular, haptik kontrolün pnömatik uygulamalarında kullanılabilecektir.