Design and implementation of a robust control scheme for a smart joint

Abstract

The invention of biomedical tools has made medical treatments more convenient; however, manual insertion of these tools requires years of practice and erroneous insertion into the body may cause ruptures and bleeding. Employing medical tools with smart joints can improve the medical procedures making them less traumatic. In this work, a shape memory alloy (SMA) actuator based joint, also known as smart joint, is controlled using a discrete-time integral sliding mode (DISM) control to guide the motion of a smart joint. Two Nitinol based SMA actuators are used in an antagonistic arrangement to provide bending motion. The controller is designed on the base of a simplified physical model of a single SMA actuator which eliminates the necessity of obtaining an accurate model. A disturbance observer (DOB) is integrated to the controller to compensate the model uncertainties and external disturbances to the system. The bandwidth of SMA actuator is relatively low. Due to the high sampling time of the hardware that is used, a discrete-time controller was designed. An experimental setup is designed to test the proposed controller with position feedback. In experimental results, DISM controller with DOB is shown to be robust against system model uncertainties and external disturbances. Different frequency responses are compared and it is shown that the response of 0.04 Hz can be achieved with RMS tracking error of 0.0112 radians. Multiple joints connected with rigid links are successfully tracked using Electromagnetic Tracking system as the position sensor.Biomedikal ekipmanlardaki gelişmeler tıbbi uygulamaları daha elverişli bir hale getirmiştir. Ancak bu ekipmanların vücut üzerinde kullanımı uzun süreli pratiğe gerek duymakla birlikte vücuda sokulma sırasında yapılan hatalı uygulamalar yırtık ve kanamalara sebebiyet verebilmektedir. Akıllı eklemlere sahip medikal ekipmanlar kullanılarak, tıbbi müdahaleler iyileştirilebilir ve hastalarda görülen travmalar azaltılabilir. Bu çalışmada, Biçim Bellekli Alaşım (BBA) eyleyicili eklemin (akıllı eklem), Ayrık Zamanlı İntegral Kayan Kipli Denetim (AZİKKD) ile hareket denetimi sağlanmıştır. Bükme hareketi oluşturmak amacıyla antagonistik düzende bulunan iki Nitinol tabanlı BBA eyleyici kullanılmıştır. Denetleyici BBA eyleyicinin basitleştirilmiş fiziksel modeli üzerine tasarlanmıştır ve hassas bir modele duyulan gereksinimi de ortadan kaldırmıştır. Model belirsizliklerini ve sistem üzerindeki dış kaynaklı bozan-etkenleri karşılamak amacıyla denetleyiciye bir bozan-etken gözlemcisi (BEG) eklenmiştir. BBA eyleyicinin bant genişliği görece düşüktür. Kullanılan onanımın düşük örnekleme frekansından dolayı ayrık-zamanlı bir eyleyici tasarlanmıştır. Önerilen denetleyiciyi test etmek üzere pozisyon geri-beslemeli bir deney düzeneği tasarlanmıştır. Elde edilen sonuçlarda AZİKKD denetleyicisinin BEG ile birlikte sistemdeki belirsizlikler ve dış bozuklulara karşı gürbüz olduğu görülmüştür. Farklı frekans cevapları karşılaştırılmış ve 0.04 Hz'lik bir yanıtın 0.0112 radyanlık bir kare ortalama karakök (KOK) takip hatası ile sağlandığı görülmüştür. Esnemez bağlantılar ile birleştirilmiş çok sayıda eklem, pozisyon sensörü olarak Elektromanyetik Takip sistemi kullanılarak başarıyla takip edilmiştir.