Rehabilitation robot human-machine interaction control based on adaptive impedance

Muscle-related disorders severely impact patient mobility and quality of life, and have the greatest rehabilitation needs in the world. Mechanical stimulation therapies such as massage have been shown to promote muscle tissue recovery, and rehabilitation massage robots are widely used for muscle rehabilitation of patients due to their convenience and effectiveness. This thesis takes the rehabilitation robot as the control object, and the main research content is the force tracking problem at the end of the robot, that is, the force control of massage rehabilitation. Due to the complexity of the human body surface and the varying stiffness of muscle tissue, an adaptive impedance-based compliance control strategy is employed. The main work completed in this thesis includes the following three aspects: For patients with rehabilitation needs, the biomechanical characteristics of the patient's muscles are studied; for the control object, the body of the rehabilitation robot is modeled. Classify skeletal muscle-related diseases, establish a muscle model based on Hill's three elements, and draw a muscle tension-length curve, analyze an example of a gastrocnemius muscle stretching test, and fit the elastic modulus-muscle length curve according to the test data , to get the passive elastic coefficient. The finite element analysis of muscle force provides guidance for rehabilitation massage. Using the improved D-H parameter method to build the system, the analytical solutions of the forward and inverse kinematics are obtained, the Jacobian matrix is calculated, and the Newton-Eulerian dynamic modeling is described. MATLAB is used to verify the accuracy of the modeling and carry out simple trajectory planning. Aiming at the different stiffness of muscle tissue and the change of the contact position of human body surface during massage, a force tracking control strategy based on adaptive impedance is designed. The impedance control framework based on the position inner loop is established, the adaptive impedance control law is designed and the stability analysis is carried out. Aiming at the force oscillation problem in adaptive impedance control, the update rate is weighted, and the adaptive law is improved to reduce the influence of force oscillation. Simulink is used to simulate the control strategy to verify the force tracking effect under different stiffness coefficients, slopes and surfaces. Use Multibody for comprehensive simulation to get the animation demonstration of the robotic arm. In order to verify the adaptive impedance control strategy and meet the needs of rehabilitation massage, a rehabilitation robot test platform was designed and built. According to the control interface of the UR3 manipulator, the control program is written in Python, and the six-dimensional force sensor is used to collect and transmit the terminal force signal data in real time, and the communication of the entire platform is constructed by using the wireless router and TCP/IP protocol. In the case of changes in muscle stiffness and contact position, experiments were conducted to verify the adaptive impedance control strategy of end force tracking, and it was proved that the improved adaptive impedance law can achieve the function of force tracking and reduce force oscillations. Rehabilitation massage tests are carried out for different recovery periods of patients, and the intensity threshold is set to ensure safety, and the tests are carried out on the human body. Finally, it is verified that the rehabilitation robot in this thesis can effectively realize the function of rehabilitation massage. The research activity reported in this thesis has been carried out under the supervision of Prof. Xingjian Wang at Beihang University within the framework of the double Ms.c. degree programme in Electrical Engineering between Beihang University and Politecnico di Milano.

I disturbi muscolari influiscono gravemente sulla mobilità del paziente e sulla qualità della vita e hanno le maggiori esigenze di riabilitazione al mondo. È stato dimostrato che le terapie di stimolazione meccanica come il massaggio promuovono il recupero del tessuto muscolare e i robot per massaggi riabilitativi sono ampiamente utilizzati per la riabilitazione muscolare dei pazienti grazie alla loro praticità ed efficacia. Questo articolo considera il robot per la riabilitazione come oggetto di controllo e il principale contenuto della ricerca è il problema del tracciamento ovvero il controllo della forza del robot per la riabilitazione durante il massaggio. A causa della complessità della superficie del corpo umano e della rigidità variabile del tessuto muscolare, viene impiegata una strategia di controllo della conformità basata sull'impedenza adattativa. Il lavoro principale svolto in questa tesi comprende i seguenti tre aspetti. Per i pazienti con esigenze riabilitative si studiano le caratteristiche biomeccaniche dei muscoli del paziente; per l'oggetto di controllo viene modellato il corpo del robot riabilitativo. Si classificano le malattie legate ai muscoli scheletrici, si stabilisce un modello muscolare basato sui tre elementi di Hill e si disegna una curva tensione-lunghezza muscolare. Si analizza un esempio di test di allungamento del muscolo gastrocnemio e si adatta la curva modulo elastico-lunghezza muscolare in base ai dati del test per ottenere il coefficiente elastico passivo. L'analisi agli elementi finiti della forza muscolare fornisce una guida per il massaggio riabilitativo. Utilizzando il metodo dei parametri D-H migliorato per costruire il sistema, si ottengono le soluzioni analitiche della cinematica diretta e inversa, si calcola la matrice Jacobiana e si descrive la modellazione dinamica Newton-Euleriana. MATLAB viene utilizzato per verificare l'accuratezza della modellazione ed eseguire una semplice pianificazione della traiettoria. Considerando la diversa rigidità del tessuto muscolare e il cambiamento della posizione di contatto della superficie del corpo umano durante il massaggio, viene progettata una strategia di controllo del tracciamento della forza basata sull'impedenza adattiva. Viene stabilito il quadro di controllo dell'impedenza basato sull'anello interno della posizione, viene progettata la legge di controllo dell'impedenza adattativa e viene eseguita l'analisi di stabilità. Per quanto riguarda il problema dell'oscillazione della forza nel controllo adattivo dell'impedenza, la velocità di aggiornamento viene ponderata e la legge adattiva viene migliorata per ridurre l'influenza dell'oscillazione della forza. Simulink viene utilizzato per simulare la strategia di controllo per verificare l'effetto di tracciamento della forza sotto diversi coefficienti di rigidità, pendenze e superfici. Mediante Multibody si effettua una simulazione completa e visualizzare l'animazione del braccio robotico. Al fine di verificare la strategia di controllo dell'impedenza adattiva e soddisfare le esigenze del massaggio riabilitativo, è stata progettata e realizzata una piattaforma di test per robot riabilitativi. Secondo l'interfaccia di controllo del manipolatore UR3, il programma di controllo è scritto in Python e il sensore di forza a sei dimensioni viene utilizzato per raccogliere e trasmettere i dati del segnale di forza terminale in tempo reale e la comunicazione dell'intera piattaforma è costruita da utilizzando il router wireless e il protocollo TCP/IP. Nel caso di cambiamenti nella rigidità muscolare e nella posizione di contatto, sono stati condotti esperimenti per verificare la strategia di controllo dell'impedenza adattativa del tracciamento della forza finale ed è stato dimostrato che la legge dell'impedenza adattativa migliorata può svolgere la funzione di tracciamento della forza e ridurre le oscillazioni della forza. I test di massaggio riabilitativo vengono eseguiti per diversi periodi di recupero dei pazienti e la soglia di intensità è impostata per garantire la sicurezza e i test vengono eseguiti sul corpo umano. Infine, si verifica che il robot riabilitativo in questo lavoro può realizzare efficacemente la funzione del massaggio riabilitativo. L'attività di ricerca riportata in questa tesi è stata svolta sotto la supervisione del prof. Xingjian Wang presso l’Università Beihang nell'ambito del programma di doppia laurea magistrale in Ingegneria Elettrica tra l’Università Beihang e il Politecnico di Milano.