Ανάλυση, μοντελοποίηση και έλεγχος τεχνητών πνευματικών μυών
Authors: Ανδρικόπουλος Γεώργιος 
Published: August 2021

Η ερευνητική περιοχή που εξετάζεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή καλύπτει θέματα ανάλυσης, μοντελοποίησης και ελέγχου της λειτουργίας του Τεχνητού Πνευματικού Μυός (ΤΠΜ) ως μονάδα ενεργοποίησης καθώς και ως μέσο ενεργοποίησης πρότυπης πειραματικής διάταξης.Η ερευνητική πορεία ξεκινά με τη βιβλιογραφική αναζήτηση και τη μελέτη άρθρων σχετιζόμενων με θεωρητικές προσεγγίσεις μοντελοποίησης των ΤΠΜ, την ανασκόπηση των στρατηγικών που έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί για τον έλεγχο των βασικών χαρακτηριστικών του ΤΠΜ, καθώς και την παρουσίαση των σημαντικότερων εφαρμογών που έχουν αναπτυχθεί και δημοσιευθεί έως σήμερα, και κάνουν χρήση του συγκεκριμένου πνευματικού μέσου ενεργοποίησης.Στα πλαίσια μελέτης της στατικής και δυναμικής λειτουργίας του ΤΠΜ, πραγματοποιήθηκαν εκτενή πειράματα για την αναγνώριση των στοιχείων που συνθέτουν τη δυναμική εξίσωση που περιγράφει τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του, αναπτύσσοντας και κάνοντας χρήση ειδικής πειραματικής διάταξης για την ανάλυση των μη-γραμμικοτήτων που περιγράφουν τις καταστάσεις λειτουργίας του ενεργοποιητή αυτού. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση της διαδοχικής κίνησης, στο επίπεδο, πολλαπλών σειριακά συνδεδεμένων ΤΠΜ. Ακολούθησε περαιτέρω μελέτη των μη-γραμμικών φαινομένων που περιγράφουν τη λειτουργία του ΤΠΜ, επικεντρώνοντας την ερευνητική προσοχή πάνω στα φαινόμενα υστέρησης που χαρακτηρίζουν τις βασικές ιδιότητές του, ενώ ακολούθησε εκτενής πειραματική μελέτη των φαινομένων που προκαλούν την αύξηση της θερμοκρασίας του ΤΠΜ κατά τη διαρκή λειτουργία του. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε πειραματικά η επίδραση των θερμικών αλλαγών στη λειτουργία του ΤΠΜ, με σκοπό τη συμπερίληψή της στο στατικό μοντέλο που συνδέει τα βασικά στοιχεία του συστήματος (πίεση, μετατόπιση, ελκτική δύναμη).Στο πλαίσιο επέκτασης του θεωρητικού υπόβαθρου μοντελοποίησης του ΤΠΜ, εξετάστηκε η επίδραση της θερμοκρασιακής μεταβολής στα λειτουργικά χαρακτηριστικά του ΤΠΜ και ενσωματώθηκε στη στατική περιγραφή της λειτουργίας του κάνοντας θεωρητική χρήση του φαινομένου της Θερμικής Εξάπλωσης (Thermal Expansion). Το τροποποιημένο μοντέλο στατικής λειτουργίας του ΤΠΜ προσομοιώθηκε για λόγους ανάλυσης της αποτελεσματικότητας του στην εκτίμηση των χαρακτηριστικών του ΤΠΜ μέσω των θερμικών δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά την πειραματική λειτουργία του υπό μελέτη ενεργοποιητή.Στην προσπάθεια θεωρητικής περιγραφής της δυναμικής λειτουργίας του ΤΠΜ, αναπτύχθηκε μία Τμηματικά Συσχετιζόμενη (Piecewise Affine) προσέγγιση μοντελοποίησης, όπου οι δυναμικές μη-γραμμικές εξισώσεις του προσεγγίζονται με διακοπτική εναλλαγή ανάμεσα σε γραμμικοποιημένα υποσυστήματα εκφρασμένα στο χώρο κατάστασης, τα οποία περιγράφουν τη δυναμική συμπεριφορά του ΤΠΜ σε διαφορετικές περιοχές λειτουργίας. Πραγματοποιήθηκε έλεγχος της απόδοσης του προσεγγιστικού μοντέλου μέσω προσομοιώσεων σε προγραμματιστικό περιβάλλον.Πάνω στην τμηματικά συσχετιζόμενη προσέγγιση της δυναμικής λειτουργίας του ΤΠΜ βασίστηκε η ανάπτυξη και εφαρμογή στρατηγικής Ελέγχου Πρόβλεψης Μοντέλου (Model Predictive Control). Μελέτες προσομοίωσης της συγκεκριμένης στρατηγικής για τον έλεγχο της μετατόπισης του ΤΠΜ ακολούθησε πειραματική εφαρμογή και αξιολόγηση της απόδοσης του ελέγχου υπό διαφορετικές συνθήκες επιλογής της διακοπτικής προσέγγισης μοντελοποίησης του ΤΠΜ αλλά και των δομικών παραμέτρων που συνθέτουν το βέλτιστο νόμο ελέγχου.Παράλληλα, αναπτύχθηκε στρατηγική ελέγχου Φραγμένου Βέλτιστου Ελέγχου Πεπερασμένου Χρόνου (Constrained Finite Time Optimal Control) χρησιμοποιώντας ως βάση την προαναφερθείσα τμηματικά συσχετιζόμενη προσέγγιση μοντελοποίησης, με σκοπό τη σύγκριση της απόδοσης και των χαρακτηριστικών ελέγχου με αυτή του Ελέγχου Πρόβλεψης Μοντέλου. Η αξιολόγηση της συμπεριφοράς του συστήματος κλειστού βρόχου και των χαρακτηριστικών που συνθέτουν τη συγκεκριμένη δομή πραγματοποιήθηκαν μέσω εκτενών πειραματικών μελετών.Για τον εμπλουτισμό των πειραματικών αποτελεσμάτων και τη συγκριτική μελέτη των παρουσιαζόμενων ελεγκτών, τα χαρακτηριστικά των εφαρμοζόμενων ελεγκτών εξετάστηκαν σε βάθος και συγκρίθηκαν εκτενώς μέσω πειραματικής εφαρμογής του κλασικού PID νόμου ελέγχου στην πειραματική διάταξη. Η ερευνητική πορεία συνέχισε με την προσαρμογή της αρχικής πειραματικής διάταξης ώστε να μελετηθεί η ανταγωνιστική λειτουργία δύο ή περισσότερων μυών καθώς και η δυναμική μελέτη της απόκρισης ενός ΤΠΜ κάνοντας χρήση των ανταγωνιστικών μυών ως εξωτερικό φορτίο. Ακολούθησε ανάπτυξη και εφαρμογή μιας στρατηγικής Προσαρμοστικού ελέγχου Εσωτερικού Μοντέλου (Internal Model Control) της μονής και της ανταγωνιστικής λειτουργίας των ΤΠΜ. Το σύστημα ελέγχου τροποποιήθηκε και βελτιώθηκε κάνοντας χρήση αναδρομικών ελαχίστων τετραγώνων για την αναγνώριση των παραμέτρων του προς έλεγχο συστήματος, δίνοντας στη δομή ελέγχου την απαραίτητη προσαρμοστικότητα στις μη-γραμμικές αλλαγές που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια λειτουργίας των ΤΠΜ. Πραγματοποιήθηκαν εκτενή πειράματα για την επιβεβαίωση της σωστής λειτουργίας καθώς και εξέταση της σθεναρότητας και προσαρμοστικότητας του συγκεκριμένου νόμου ελέγχου.Ακόμα, μελετήθηκαν μη-γραμμικοί τρόποι ελέγχου της μονής και της ανταγωνιστικής λειτουργίας των ΤΠΜ ενώ, συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένας Προηγμένος Μη-Γραμμικός PID νόμος ελέγχου (Advanced Non-linear PID Control) ο οποίος περιλάμβανε χαρακτηριστικά όπως δύο βαθμούς ελευθερίας, τετραγωνική προσαρμογή σφάλματος, τραπεζοειδή ολοκλήρωση και μερική παραγώγιση για γρήγορο, σθεναρό και ομαλό έλεγχο των ΤΠΜ. Πραγματοποιήθηκε πειραματική εφαρμογή του νόμου ελέγχου στη διάταξη μελέτης, η οποία επιβεβαίωσε την επιτυχή λειτουργία καθώς και τα πλεονεκτήματα του εφαρμοζόμενου ελεγκτή μέσω πειραματικής σύγκρισης με τον κλασικό PID νόμο ελέγχου.Τέλος, η ερευνητική πορεία ανάλυσης, μοντελοποίησης και ελέγχου των ΤΠΜ κατέληξε στο σχεδιασμό, τη μελέτη και τον έλεγχο ενός πρωτότυπου εξωσκελετικού μηχανισμού για την υποβοήθηση της κίνησης του ανθρώπινου καρπού, κάνοντας χρήση των ΤΠΜ ως μέσο ενεργοποίησης. Αναλύθηκαν οι στρατηγικές σχεδιασμού, μελετήθηκε η χρήση εναλλακτικών αισθητήριων συστημάτων για την κατάστρωση διαδεδομένων φυσιοθεραπευτικών στρατηγικών χρήσης ενώ πραγματοποιήθηκε πειραματικός έλεγχος της διάταξης κάνοντας χρήση του συμβατικού PID αλγορίθμου και του Προηγμένου Μη-Γραμμικού PID που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής.Τα ερευνητικά αποτελέσματα που προέκυψαν, παρουσιάστηκαν σε διεθνή επιστημονικά συνέδρια και περιοδικά, το σύνολο των οποίων παρουσιάζεται στο Παράρτημα.