Control automático de un exoesqueleto de marcha para pacientes con discapacidad motora

Abstract

El objetivo de esta tesis es desarrollar una estrategia de control multivariable para el movimiento de un exoesqueleto de marcha. El propósito del exoesqueleto es asistir la caminata de un sujeto con discapacidad motora. En este trabajo se modela la dinámica multicuerpos del sistema sujeto exoesqueleto. El modelo de la dinámica multicuerpos es construido en SimMechanics de Matlab. El modelado y la simulación de la caminata incluye dos fases de operación: apoyo simple y apoyo doble. La dinámica de sistema sujeto-exoesqueleto tiene características no lineales, por tanto el modelo es linealizado alrededor de puntos de equilibrio dentro de cada fase de operación. Para la aproximación lineal del sistema se sintonizan controladores PI Vectorial, LQR y GPI. Los controladores permiten realizar el seguimiento de una trayectoria de referencia, garantizando la estabilidad del sistema a lo largo de toda la trayectoria de marcha. Este trabajo evalúa el seguimiento de trayectorias, rechazo de perturbaciones y variación de parámetros. Las evaluaciones de los controladores se realizan en el sistema no lineal construido en el modelo multicuerpos. Los resultados permiten concluir que los controladores GPI tienen el mejor desempeño para cada fase de apoyo, además tienen desempeño robusto a perturbaciones de alta frecuencia en la entrada de control y a variación de parámetros del sujeto.

Abstract. The objective of this work is to develop a multivariable control to drive a gait exoskeleton. The purpose of the exoskeleton is to assist a person with walking disabilities. In this work the multibody dynamics model of both the person and the exoskeleton is developed. The model is built in SimMechanics of Matlab. The gait simulation consists of two operation stages: single support and double support. The dynamic of the person-exoskeleton is a nonlinear system, for that reason the model is linearized in a equilibrium point in each operation stages. With the linear approximation the PI Vectorial, LQR and GPI controllers are designed. The controllers allow to make tracking of trajectories with the warranty of that the system is stable and has robust performance. Trajectory tracking, disturbance rejection, and system parameter variations are evaluated. The results demonstrate that the GPI controllers to single and double support have the best performance and robustness indexes.