Utafiti huu unalinganisha, ndani ya mfumo mmoja wa modeli, mbinu tatu za udhibiti katika ngazi ya torque kwa goti bandia la transfemoral linalotumia kipunguza mtikisiko cha kioevu cha magnetorheological (MR): udhibiti wa feedforward unaotegemea modeli, udhibiti wa robust inverse-dynamics na udhibiti wa adaptive inverse-dynamics. Katika kazi hii, modeli tambarare ya mguu wenye viungo viwili imeundwa kwa njia ya Lagrange, polinomi ya daraja la tatu imetengenezwa ili kukadiria pembe ya goti inayotakiwa kutoka kwenye mwendo wa nyonga, na ubadilishaji wa nguvu ya MR damper kuwa torque ya kiungo cha goti umetolewa kijiometria. Katika simuleringar, adaptive inverse-dynamics ilitoa kosa dogo zaidi la ufuatiliaji wa pembe ya goti, lakini ilihitaji juhudi kubwa zaidi ya udhibiti; robust inverse-dynamics, kwa mujibu wa ripoti ya watafiti, ilitoa utendaji wa ufuatiliaji ulio karibu na mbinu ya adaptive kwa kutumia takribani 12% chini ya nishati ya udhibiti, hivyo ikaonyesha maelewano yenye uwiano bora zaidi kati ya usahihi na juhudi. Matokeo haya hayakutokana na protezi ya kimwili au jaribio la mwendo wa binadamu, bali yalitokana na uundaji wa modeli na simuleringar.

Katika tathmini ya actuuation ya kazi hii, MR damper hutumika kama kipengele kikuu cha nusu-tendaji kinachotoa upinzani unaoweza kurekebishwa dhidi ya mwendo wa goti. Kwa sababu MR damper haiwezi kutoa nishati chanya kwa mfumo wa kimitambo, pale torque inayotakiwa na mdhibiti haiendani na hali ya kazi ya damper ya kusambaza/kuondoa nishati au inapozidi uwezo wa damper, motor msaidizi ya DC hutoa torque iliyobaki. Kwa hiyo kazi hii inatathmini mbinu ya actuuation ya mseto inayogawanya kazi kati ya MR damper na motor tendaji kulingana na majukumu yao ya kimwili.

Chanzo kimeunda vikadiriaji tofauti vya cubic hip-to-knee kwa awamu za stance na swing kwa kutumia pembe za nyonga na goti katika data ya mwendo. Watafiti walilinganisha polinomi kuanzia daraja la kwanza hadi la sita kwa kutumia RMSE, na kwa sababu faida baada ya daraja la tatu ilikuwa ndogo, walichagua modeli ya cubic. Katika tathmini iliyofuata ya udhibiti, gains za pamoja \(k_p=k_d=10\) zilitumiwa kwa vidhibiti vyote vitatu; uchaguzi huu uliungwa mkono na uchanganuzi wa unyeti ulioshughulikia jozi 25 tofauti za gains.

Katika Kielelezo 17, kosa la RMS la pembe ya goti kwa udhibiti wa feedforward liko karibu 2°, wakati makosa ya vidhibiti vya robust na adaptive yako karibu 1,5°. Katika Kielelezo 18, mdhibiti wa adaptive unaonyesha nishati ya udhibiti iliyosanifishwa iliyo juu zaidi, huku mdhibiti wa robust ukionyesha thamani ya chini zaidi. Kulingana na sehemu ya hitimisho ya chanzo, nishati ya udhibiti ya mbinu ya robust ni takribani 12% chini kuliko ile ya mbinu ya adaptive.

Tathmini kwa mtazamo wa Uturuki: Mbinu ya kazi hii inaweza kutoa mfumo muhimu wa uundaji-modeli na udhibiti kwa timu za utafiti za kitaaluma au viwandani nchini Uturuki zinazofanya kazi juu ya magoti bandia, robotiki ya ukarabati, actuators zinazotegemea nyenzo mahiri na mifumo ya mekatroniki inayovaliwa. Kutathmini kwa pamoja MR damper inayozalisha upinzani wa nusu-tendaji wenye nguvu ndogo na motor msaidizi inayofanya kazi pale tu inapohitajika ni muhimu katika kuchunguza maelewano ya usanifu kati ya matumizi ya nishati na uzito wa kifaa. Hata hivyo, kazi hii haijajaribiwa kwa mtumiaji halisi, nguvu halisi ya mwitikio wa ardhi, mwingiliano wa socket–residual limb, kelele za sensa, ucheleweshaji wa mawasiliano, maisha ya betri na mipaka ya joto. Kwa hiyo, mafanikio ya kliniki, mwendo salama au muda halisi wa matumizi haviwezi kuhitimishwa moja kwa moja kutoka kwa matokeo haya.

Swali kuu la utafiti ni nini?

Swali la wazi la utafiti ni kama, chini ya modeli ileile ya goti bandia lenye MR damper, udhibiti wa robust inverse-dynamics unaweza kutoa maelewano bora zaidi kati ya usahihi wa ufuatiliaji na juhudi ya actuator kuliko nafasi ya kati kati ya feedforward na adaptive inverse-dynamics.

Nadharia-kazi ya watafiti ina sehemu mbili. Inatarajiwa kuwa udhibiti wa adaptive inverse-dynamics, kwa sababu ya kusasisha vigezo mtandaoni, utatoa kosa dogo zaidi la ufuatiliaji. Pia inatarajiwa kuwa robust inverse-dynamics, kupitia fidia ya bounded-uncertainty, itatoa usahihi ulio karibu na mbinu ya adaptive kwa juhudi ndogo zaidi ya udhibiti.

Makala haya hayadai kuendeleza nadharia mpya ya udhibiti wa inverse-dynamics. Mchango wa kisayansi ni kulinganisha mbinu tatu zilizoanzishwa za udhibiti ndani ya modeli ileile ya protezi, trajectory ileile ya rejea, uteuzi uleule wa gain za msingi na mfumo wa pamoja wa upembuzi wa actuator.

Kwa nini MR damper inatumika?

Vimiminika vya magnetorheological ni vimiminika vyenye chembe za ferromagnetic ambavyo sifa zake za rheolojia hubadilika haraka pale uwanja wa sumaku unapotumika. Katika MR damper, mkondo wa coil hubadilishwa ili kurekebisha upinzani ambao damper hutengeneza dhidi ya mwendo.

Sifa hii hutoa faida mbili kwa goti bandia: upinzani wa mwendo unaweza kubadilishwa katika hatua tofauti za mzunguko wa mwendo, na marekebisho haya hayahitaji motor tendaji kufanya kazi ya kimitambo mfululizo.

Hata hivyo, kikomo muhimu cha kimwili cha MR damper ni kwamba ni kipengele cha kusambaza/kuondoa nishati. Kinaweza kuondoa nishati ya kimitambo kutoka kwenye mfumo, lakini hakiwezi kutoa kazi tendaji kwenye kiungo pale inapohitajika. Hii ndiyo sababu kuu ya kuongeza motor msaidizi ya DC katika kazi hii.

Mzunguko wa mwendo ulishughulikiwaje?

Katika modeli ya chanzo, takribani 55% ya mzunguko wa mwendo imechukuliwa kama stance, na 45% iliyobaki kama swing. Katika Kielelezo 1 cha utafiti, matukio ya heel contact, foot flat, mid-stance, heel-off, toe-off na mid-swing yanaonyeshwa; mpaka wa stance–swing hufafanuliwa karibu na nukta ya 55% ya mzunguko.

Mgawanyo huu wa awamu unachukuliwa kuwa unajulikana kabla katika kulinganisha udhibiti. Ingawa kanuni rahisi ya kizingiti inayotegemea pembe ya nyonga inapendekezwa kwa matumizi ya muda halisi, utaratibu huu wa kutambua awamu haukuthibitishwa katika kazi hii dhidi ya kelele za sensa, kuchelewa au uainishaji usio sahihi.

Trajectory ya rejea ya goti ilipatikana vipi?

Kwa kuwa haiwezekani kutumia moja kwa moja mwendo wa goti la kibaolojia kwa mtumiaji wa transfemoral, kazi hii hutumia mbinu ya polinomi inayokadiria pembe ya goti kutoka pembe ya nyonga. Data ya rejea ya mwendo wa nyonga na goti ilichukuliwa kutoka kazi ya awali; lakini daraja la polinomi na coefficients ziliamuliwa upya katika kazi hii.

Pembe ya goti ilimodeliwa kama:

\[ \hat{\theta}_2= \sum_{i=0}^{n}c_i\theta_1^i = C^T\Phi(\theta_1) \]

Hapa \(\theta_1\) inawakilisha pembe ya nyonga, \(\hat{\theta}_2\) pembe ya goti iliyokadiriwa, \(c_i\) coefficients za polinomi, na \(n\) daraja la polinomi.

Coefficients ziliamuliwa kwa suluhisho la least-squares linalopunguza kosa la L2 kati ya pembe ya goti iliyopimwa na pembe ya goti iliyokadiriwa.

Kwa nini polinomi ya daraja la tatu ilichaguliwa?

Katika Kielelezo 2 cha kazi, thamani za RMSE kwa stance na swing zililinganishwa wakati daraja la polinomi lilipoongezwa kutoka 1 hadi 6. Kosa hupungua kwa uwazi hasa kati ya madaraja matatu ya kwanza, na faida huwa ndogo baada ya daraja la tatu.

Kwa hiyo watafiti walichagua modeli rahisi ya daraja la tatu badala ya kutumia modeli za daraja la juu ambazo hutoa kupungua kidogo tu kwa kosa.

Katika chanzo, pembe za nyonga na goti katika jedwali hili la coefficients ziko katika radians.

Trajectory ya goti iliyokadiriwa ilifuata data ya rejea kwa kiwango gani?

Katika Kielelezo 4, pembe halisi ya goti ya rejea na utabiri wa modeli ya cubic hutembea karibu kwa karibu katika gait cycle yote. Hasa wakati wa swing, wasifu mkubwa wa knee flexion unaozidi 50° pia unafuatiliwa na modeli.

Katika Kielelezo 5, uhusiano huo huo unaonyeshwa katika ndege ya hip angle–knee angle, na inaonekana kuwa mizunguko tofauti ya stance na swing inafuatiliwa kwa ujumla na mikunjo iliyokadiriwa.

Matokeo haya yanaonyesha kuwa mkadiriaji wa trajectory alionekana kuwa wa kutosha kwa kuzalisha rejea katika simuleringar ya udhibiti wa kazi hii; si uthibitisho huru uliopatikana kutoka sensa za protezi katika muda halisi.

Modeli ya kidinamiki ya mguu bandia iliundwaje?

Modeli ni ya tambarare na ina viungo viwili. Kuratibu za jumla ni pembe ya nyonga \(\theta_1\) na pembe ya goti \(\theta_2\). Mfumo umemodeliwa kwa njia ya nishati ya Lagrange:

\[ L=T-V \]

na mlinganyo mkuu wa mwendo umeandikwa kama:

\[ \frac{\partial L}{\partial q_i} - \frac{d}{dt} \left( \frac{\partial L}{\partial \dot{q}_i} \right) + F_i=0 \]

Milinganyo ya mwendo kwa viungo viwili imeelezwa kwa umbo la matriki kama:

\[ \begin{bmatrix} M_{11} & M_{12}\\ M_{21} & M_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \ddot{\theta}_1\\ \ddot{\theta}_2 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} C_1\\ C_2 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} G_1\\ G_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & -1\\ 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \tau_1\\ \tau_2 \end{bmatrix} \]

.

Kwa nini tatizo la udhibiti linapunguzwa hadi mlinganyo wa goti pekee?

Kazi hii inadhania kuwa mtumiaji mwenyewe hutoa mwendo wa nyonga kwa namna inayounda typical gait pattern. Kwa hiyo kigezo kinachodhibitiwa moja kwa moja na protezi ni torque ya goti.

Mlinganyo wa pili wa mwendo hupunguzwa kuwa:

\[ M_{12}\ddot{\theta}_1 + M_{22}\ddot{\theta}_2 + C_2 + G_2 = \tau_{MR}+\tau_{DC} = \tau_c \]

Hapa \(\tau_{MR}\) ni torque ya nusu-tendaji inayozalishwa na MR damper, \(\tau_{DC}\) ni torque ya motor msaidizi ya DC, na \(\tau_c\) ni torque ya jumla ya udhibiti wa goti.

Nguvu ya MR damper hubadilishwa vipi kuwa torque ya goti?

Kazi haijachukulia nguvu ya MR damper moja kwa moja kama torque ya goti; imezingatia jiometri ya utaratibu.

Uhusiano msingi ni:

\[ \tau_{MR} = r_{eff}F_{MR}\sin(\alpha_{MR}) \]

Ukitumia mahusiano ya pembetatu ya kijiometri, umbo funge linapatikana kama:

\[ \tau_{MR} = \frac{ r_{eff}l_s\cos(\delta\theta) }{ \sqrt{ r_{eff}^2+l_s^2- 2r_{eff}l_s\sin(\delta\theta) } } F_{MR} \]

Hapa \(r_{eff}\) ni mkono wa momenti unaofaa, \(l_s\) ni urefu wa kiungo katika jiometri ya utaratibu, \(\delta\theta=\theta_2-\theta_1\) ni pembe ya pamoja ya jamaa, na \(F_{MR}\) ni nguvu ya damper.

Udhibiti wa feedforward hufanyaje kazi?

Udhibiti wa feedforward huhesabu mapema torque inayohitajika kwa kutumia dynamics iliyokadiriwa ya protezi:

\[ \tau_{ff} = \hat{M}_{12}\ddot{\theta}_1 + \hat{M}_{22}\ddot{\theta}_2^d + \hat{C}_2 + \hat{G}_2 \]

Feedback ya PD huongezwa kwenye sehemu hii:

\[ \tau= \tau_{ff} + k_p(\theta_2^d-\theta_2) + k_d(\dot{\theta}_2^d-\dot{\theta}_2) \]

Ikiwa modeli iko karibu vya kutosha na uhalisia, kosa la udhibiti linaweza kupungua. Hata hivyo udhaifu mkuu wa mbinu ya feedforward ni utegemezi wake kwa kujua kwa usahihi vigezo vya dynamics. Chanzo hasa kinaeleza kuwa Coulomb friction, backlash na athari nyingine zisizomodeliwa zinaweza kuharibu utendaji.

Udhibiti wa robust inverse-dynamics unafanya nini tofauti?

Mbinu ya robust hudumisha muundo wa modeli ya nominal, lakini huongeza marekebisho ya ziada \(\delta_a\) kwenye kasi ya kuongeza ya rejea ili kukandamiza athari ya kutokuwa na uhakika:

\[ \ddot{\theta}_2^r = \ddot{\theta}_2^d + \delta_a + k_d\dot{e} + k_pe \]

Torque ya udhibiti huhesabiwa kama:

\[ \tau= \tau_{fl} + \hat{M}_{22}\ddot{\theta}_2^r \]

Kwa fidia ya kutokuwa na uhakika, mpaka wa juu \(\rho\) hutumiwa. Katika jaribio la robust control, norm ya lumped parameter error imetolewa kama 1,1321, na mpaka wa kutokuwa na uhakika uliochaguliwa ni:

\[ \rho=3 \]

Hivyo sharti la bounded-uncertainty lililotumiwa kwenye chanzo, \(\rho\geq\|\pi_{true}-\pi_{estim}\|_2\), linatimizwa.

Udhibiti wa adaptive inverse-dynamics hufanya nini?

Mbinu ya adaptive haisukumi tu makadirio ya vigezo yenye kosa la kudumu kwa kutumia sehemu ya robust; badala yake husasisha makadirio ya vigezo vya dynamics wakati wa udhibiti.

Dynamics ya roboti huandikwa kwa umbo la mstari kulingana na vigezo:

\[ M(\Theta)\ddot{\Theta} + C(\Theta,\dot{\Theta}) + G(\Theta) = Y(\Theta,\dot{\Theta},\ddot{\Theta})\Pi \]

Kwa protezi, vector ya vigezo ni:

\[ \Pi= \begin{bmatrix} M_2a_2l_1\\ I_2+M_2a_2^2\\ M_2a_2l_1\\ M_2a_2 \end{bmatrix} \]

Adaptive control husasisha makadirio ya vigezo katika kila hatua ya udhibiti ili kuboresha makadirio ya moja kwa moja ya kutokuwa na uhakika.

Gains za vidhibiti zilichaguliwa vipi kwa haki?

Watafiti hawakuchagua moja kwa moja thamani za \(k_p\) na \(k_d\) kwa bahati au kwa trial-and-error pekee. Gains zote mbili zilichunguzwa juu ya seti:

\[ \{2,5,10,20,50\} \]

na kwa kila mdhibiti jumla ya:

\[ 5\times5=25 \]

mchanganyiko wa gains ulitathminiwa.

Katika kila mchanganyiko vigezo viwili vilihesabiwa:

• kosa la RMS la ufuatiliaji wa pembe ya goti,
• nishati ya udhibiti iliyojumlishwa.

Alama ya pamoja ya trade-off ilifafanuliwa kama:

\[ S(k_p,k_d) = \frac{RMS(k_p,k_d)} {\max RMS} \times \frac{E(k_p,k_d)} {\max E} \]

Alama ndogo inaonyesha kuwa kosa dogo na juhudi ndogo ya udhibiti vimepatikana pamoja.

Heat maps katika Vielelezo 11–13 zinaonyesha kuwa chaguo la \(k_p=k_d=10\) liko katika eneo la trade-off la gharama ndogo kwa vidhibiti vyote vitatu. Ili kuepuka faida ya controller-specific tuning katika ulinganisho, gains zilezile zilibaki kwa vidhibiti vyote.

Je, hali za kutokuwa na uhakika zilikuwa sawa?

Sio kabisa. Hili ni jambo muhimu wakati wa kutafsiri matokeo ya kazi.

Norm ya awali ya lumped parameter error kwa mdhibiti wa adaptive imetolewa kama:

\[ \|\pi_{true}-\pi_{estim}\|_2=0,0253 \]

Kwa mdhibiti wa robust, imetumiwa:

\[ \|\pi_{true}-\pi_{estim}\|_2=1,1321 \]

Watafiti wanaeleza wazi kuwa adaptive control ilitathminiwa chini ya “moderate initial parameter mismatch”, wakati robust control ilitathminiwa chini ya bounded uncertainty kubwa zaidi. Kwa hiyo, ingawa matokeo yalitolewa kwa reference trajectory ileile na gains za pamoja, ukubwa wa kutokuwa na uhakika wa vigezo ambao vidhibiti vilikabiliana nao si uleule kabisa.

Ufuatiliaji wa pembe ya goti ulionyesha nini?

Katika Kielelezo 14, pembe ya goti inayotakiwa na trajectories zinazozalishwa na vidhibiti vitatu zinalinganishwa katika mzunguko wote wa mwendo. Ingawa mikunjo ya feedforward, robust na adaptive inafuata umbo la jumla la gait, inaonekana kuwa vidhibiti vya robust na adaptive vinabaki karibu zaidi na reference trajectory.

Katika Kielelezo 17, kosa la RMS la feedforward control linaonyeshwa karibu 2°, wakati robust na adaptive methods ziko karibu 1,5°. Mdhibiti wa adaptive ulitoa kosa dogo zaidi la RMS kati ya mbinu tatu.

Katika sehemu ya hitimisho ya chanzo, inasemwa kuwa utendaji wa ufuatiliaji wa robust control ulibaki ndani ya 2,5% ya adaptive method. Kwa kuwa thamani kamili za RMS hazikutolewa katika jedwali tofauti la nambari, asilimia hii inapaswa kuchukuliwa kama matokeo ya ulinganisho yaliyoripotiwa na waandishi.

Kwa nini nishati ya udhibiti ilipimwa tofauti?

Kosa dogo la pembe ya goti peke yake si kipimo cha kutosha cha utendaji kwa protezi inayovaliwa. Hatua za udhibiti zilizo kali zaidi zinaweza kuhitaji nishati zaidi kutoka kwa motor, driver na betri.

Kazi inafafanua juhudi ya udhibiti kama:

\[ E_{control} = \int_0^T\tau^2dt \]

Katika Kielelezo 18, nishati ya udhibiti iliyosanifishwa ya mdhibiti wa adaptive iko juu zaidi, na ile ya mdhibiti wa robust iko chini zaidi. Watafiti wanaripoti kuwa robust control huhitaji takribani 12% chini ya nishati ya udhibiti ikilinganishwa na adaptive method.

Kwa nini robust control ilitathminiwa kama “maelewano bora zaidi”?

Adaptive control ilitoa kosa dogo zaidi la ufuatiliaji, lakini uboreshaji huu ulipatikana kwa nishati kubwa zaidi ya udhibiti. Robust control, kulingana na matokeo yaliyoripotiwa katika chanzo, ilitoa utendaji wa ufuatiliaji ulio karibu na adaptive method kwa juhudi ndogo zaidi ya actuator.

Kwa hiyo neno “bora zaidi” katika kazi hii halimaanishi kosa dogo zaidi pekee. Watafiti walipotathmini kwa pamoja vigezo viwili vya uhandisi, walitafsiri robust inverse-dynamics control kama accuracy–effort compromise inayofaa zaidi.

Hitimisho hili linatumika tu kwa modeli iliyotumiwa, gains, kutokuwa na uhakika wa vigezo na masharti ya reference gait trajectory.

Je, MR damper inaweza kutoa torque yote ya mwendo?

Hapana. Kwa sababu MR damper inaweza kutoa torque ya kusambaza/kuondoa nishati tu, haiwezi peke yake kutoa torque ya goti inayohitajika katika sehemu zote za mzunguko wa mwendo.

Katika kazi hii, hali ambapo MR damper inaweza kutumiwa imefafanuliwa kwa mantiki ya ishara kama:

\[ \tau_{cmd}\dot{\theta}_2>0 \]

Sharti hili likitimia, damper huchukua torque inayotakiwa kwa kadiri uwezo wake unavyoruhusu. Sharti lisipotimia, torque ya MR hupunguzwa hadi sifuri na torque inayohitajika hutolewa na motor msaidizi.

Sheria ya mgawanyo imetolewa kama:

\[ \tau_{MR} = \begin{cases} \operatorname{sgn}(\tau_{cmd}) \min(|\tau_{cmd}|,|\tau_{MR,max}|), & \tau_{cmd}\dot{\theta}_2>0 \\ 0, & \tau_{cmd}\dot{\theta}_2\leq0 \end{cases} \]

na:

\[ \tau_{DC} = \tau_{cmd}-\tau_{MR} \]

.

Mahitaji ya nguvu ya MR damper yalikuwa yapi?

Katika Kielelezo 16, nguvu sawa ya damper inayohitajika na vidhibiti vitatu inaonyeshwa katika mzunguko wote wa mwendo. Watafiti wanaeleza kuwa wakati wa stance, hitaji la kilele la takribani 120 N liko ndani ya masafa ya nguvu yanayoweza kufikiwa na muundo wa MR damper ulioboreshwa hapo awali.

Hata hivyo, tathmini hii ya feasibility haikutegemea jaribio la damper ya kimwili iliyotengenezwa na kujaribiwa upya katika kazi hii; ilitegemea ulinganisho wa modeli na sifa za muundo wa awali wa damper.

Mkondo wa coil ya MR damper huamuliwaje?

Katika kazi, kalibresheni ya yield-torque ya MR damper inayotegemea mkondo imetolewa kama:

\[ \tau_y(I) = -2,2836I^2 + 20,6303I \]

Uhusiano huu umefafanuliwa kwenye chanzo kwa masafa \(0\leq I\leq I_{max}\). Kielelezo 20 kinaonyesha kuwa mkondo unaohitajika wa coil ya MR damper hubadilika katika mwendo, hasa katika sehemu ya stance.

Motor ya DC huingia lini kazini?

Katika Kielelezo 19, torque ya MR damper na motor inaonyeshwa kando. MR damper hutoa upinzani hasa katika eneo la kazi la kusambaza/kuondoa nishati, wakati motor ya DC huingia kazini katika vipindi ambavyo damper haiwezi kimwili kutoa torque.

Kulingana na tafsiri ya kazi, hitaji la motor msaidizi linaonekana hasa katika awamu ya swing na katika vipindi ambavyo mfumo unahitaji kupewa nishati ya kimitambo tendaji.

Katika utaratibu wa motor uliochaguliwa, uwiano wa gia 156:1 umetumiwa. Kielelezo 21 kinaonyesha wasifu wa kasi ya pembe ya motor chini ya uwiano huu.

Gharama ya usanifu wa mseto ni nini?

Kutumia MR damper kwa kipaumbele kunaweza kupunguza hitaji la torque ya motor tendaji ya kudumu. Hata hivyo, kuongeza motor ya DC kwenye mfumo kunahitaji vipengele vya ziada kama:

• motor,
• reducer,
• driver ya motor,
• power electronics,
• mzigo wa betri,
• uratibu wa udhibiti

.

Kwa sababu hiyo watafiti hawawasilishi muundo huu kama “protezi ya nusu-tendaji ya gharama ndogo” pekee. Uzito, gharama, uvaliwaji, matengenezo, uaminifu na uimara wa betri vinapaswa kutathminiwa tofauti katika ngazi ya prototypu ya kimwili.

Matokeo yanayoungwa mkono na kazi

• Modeli ya cubic hip-to-knee iliweza kuwakilisha kwa ukaribu trajectory ya goti katika data ya reference gait iliyotumiwa kwa madhumuni ya simuleringar.
• Feedforward, robust inverse-dynamics na adaptive inverse-dynamics control ziliweza kutumika juu ya modeli ileile ya msingi ya dynamics ya protezi.
• Adaptive inverse-dynamics ilitoa kosa dogo zaidi la RMS la ufuatiliaji kati ya mbinu tatu katika kazi.
• Adaptive inverse-dynamics pia ilihitaji nishati kubwa zaidi ya udhibiti.
• Robust inverse-dynamics iliripotiwa kwenye chanzo kuwa na utendaji wa ufuatiliaji ulio karibu na adaptive method na takribani 12% chini ya nishati ya udhibiti.
• MR damper haiwezi kimwili kukidhi peke yake hitaji la torque katika mzunguko mzima wa mwendo.
• Katika mgawanyo wa torque wa MR-priority, motor msaidizi ya DC hukamilisha torque ambayo haiendani na hali ya kazi ya kusambaza nishati ya damper au inayozidi uwezo wake.
• Wakati wa stance, nguvu ya kilele ya damper ya takribani 120 N ilionekana kuendana na uwezo wa MR damper uliotumiwa awali na watafiti.

Matokeo ambayo kazi haiungi mkono au haijajaribu

• Haijaonyeshwa kuwa robust inverse-dynamics control ni bora kliniki kwa watumiaji halisi wa protezi.
• Hakujafanywa jaribio la mwendo juu ya prototypu halisi ya mguu bandia.
• Hakujafanywa jaribio kwa mshiriki binadamu au mtumiaji aliyekatwa mguu.
• Stumble recovery, hatari ya kuanguka au usalama wa kliniki haukupimwa.
• Ubadilikaji wa ground-reaction force haukujumuishwa kwenye modeli.
• Mwingiliano wa socket–residual limb haukumodeliwa.
• Kelele za sensa na ucheleweshaji wa sensa hazikujumuishwa katika ulinganisho wa udhibiti.
• Athari ya makosa ya uainishaji wa gait-phase katika muda halisi haikujaribiwa.
• Dynamics ya actuator saturation haikuthibitishwa kwenye vifaa vya kimwili.
• Uimara wa betri na matumizi halisi ya nishati ya umeme hayakupimwa.
• Tabia ya joto ya motor na coil ya MR haikuchunguzwa kwa majaribio.
• Matokeo ya chanzo hayajajumlishwa kwa kasi zote za mwendo au anthropometry zote za watumiaji.

Mbinu na Matokeo ya Kazi

Mtiririko wa utafiti

Dhana kuu za kazi

Gains za pamoja za udhibiti

Katika Vielelezo 11–13, jozi ya gain \(10,10\) imewekewa kisanduku chekundu na inaonyeshwa katika eneo la trade-off la chini kwa vidhibiti vyote.

Seti kuu za vigezo vya kimwili zilizotolewa kwenye chanzo

Kwa kurudiwa kwa kazi, jambo la kuzingatia ni kwamba Jedwali 4 na majedwali ya kutokuwa na uhakika yana thamani tofauti za vigezo vya kimwili.

Chanzo hakielezi wazi mpito kati ya vigezo vya Jedwali 4 na thamani za “true” plant katika majedwali ya baadaye ya kutokuwa na uhakika. Kwa hiyo seti hizi mbili za vigezo hazipaswi kuunganishwa kimya kimya kama seti moja ya uhakika.

Kutokuwa na uhakika wa awali kwa adaptive control

Katika chanzo, norm ya awali ya lumped parameter estimation error kwa adaptive imetolewa kama 0,0253.

Kutokuwa na uhakika kwa robust control

Kwa robust control, norm ya lumped uncertainty 1,1321 na robust bound \(\rho=3\) zilitumiwa.

Muhtasari wa kosa la ufuatiliaji na juhudi ya udhibiti

Thamani za RMS zinatokana na Kielelezo 17 na maelezo ya makadirio katika maandishi ya chanzo; chanzo hakitoi thamani kamili za RMS katika jedwali tofauti la nambari.

Feasibility ya actuator

Maana ya kliniki ya vigezo vya uhandisi iliwekewa mipaka vipi?

Mapungufu makuu ya kimethodolojia

• Ulinganisho wa udhibiti unategemea simuleringar.
• Data asili ya gait haikukusanywa katika kazi hii, bali ilichukuliwa kutoka chanzo cha awali.
• Ishara bora za hip na knee angle zilitumiwa.
• Sensor noise haikumodeliwa.
• Communication na computation latency hazikumodeliwa.
• Makosa ya uainishaji wa stance/swing katika muda halisi hayakujaribiwa.
• Athari za socket, ground-reaction na neuromuscular adaptation ya mtumiaji ziko nje ya wigo.
• Ukubwa wa kutokuwa na uhakika kwa vidhibiti vya adaptive na robust si sawa.
• Kuna tofauti isiyoelezwa kati ya physical parameter set za Jedwali 4 na majedwali ya kutokuwa na uhakika.
• Majina ya segment ya I1/I2 si thabiti ndani ya chanzo.
• MR damper na DC motor zilitathminiwa tu katika kiwango cha force/torque feasibility.
• Actuator saturation dynamics haikujaribiwa kwenye vifaa vya kimwili.
• Battery endurance na thermal limitations hazikutathminiwa.
• Majaribio ya kimwili ya benchtop, hardware-in-the-loop na human-subject yaliachwa kama kazi ya baadaye.

Tanbihi ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la kazi asili: Evaluation of Control Methodologies for an MR Damper Prosthetic Leg with Auxiliary Active Torque

Waandishi: Afrouz Hajimoradi, Hossein Vatandoost, Masoud Roudneshin na Ramin Sedaghati.

Waandishi wa mawasiliano: Afrouz Hajimoradi na Hossein Vatandoost.

Mchango sawa/uandishi wa kwanza sawa: Hakuna tamko kama hilo kwenye chanzo.

Taasisi:

1. Department of Mechanical Engineering, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.
2. Department of Mechanical Engineering, McGill University, Montreal, Quebec, Canada.
3. Department of Electrical Engineering, Concordia University, Montreal, Quebec, Canada.

Jarida: Actuators.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Taarifa za bibliografia: Actuators 2026, 15(6), 302.

DOI:10.3390/act15060302

Kiungo rasmi cha uchapishaji:MDPI – Actuators 15(6), 302

Tarehe ya kuchapishwa: 31 Mei 2026. Kazi ilipokelewa tarehe 29 Machi 2026, ikarekebishwa tarehe 16 Mei 2026 na ikakubaliwa tarehe 26 Mei 2026.

Aina ya chanzo na hali ya peer review: Ni makala ya utafiti iliyokubaliwa na kuchapishwa katika jarida la Actuators baada ya peer review. Kimaudhui ya kisayansi, kazi inategemea hasa uundaji wa modeli za dynamics, udhibiti na tathmini ya simuleringar.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Uhusiano na uchapishaji wa awali: Kazi hii ni toleo lililorekebishwa na kupanuliwa kikamilifu la kazi ya mkutano “Performance Evaluation of Control Approaches for An MR Damper Prosthetic Leg” iliyowasilishwa katika 19th ERMR Conference huko Montreal tarehe 7–10 Julai 2025.

Ufadhili: Imetajwa kuwa ilipata msaada wa Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), Grant No. RGPIN-2021-03482.

Bodi ya maadili: Haitumiki. Kazi haijumuishi mshiriki binadamu au jaribio la wanyama.

Ridhaa ya ufahamu: Haitumiki. Hakukutumiwa mshiriki binadamu, data ya mgonjwa au taarifa zinazoweza kumtambulisha mtu binafsi.

Upatikanaji wa data: Waandishi wanasema kuwa data zote zinazounga mkono matokeo ya kazi zimo ndani ya makala.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wanatangaza kuwa hakuna mgongano wa maslahi unaoweza kutokea kuhusiana na utafiti, uandishi au uchapishaji.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana ulifanywa na Afrouz Hajimoradi na Ramin Sedaghati; metodolojia na Afrouz Hajimoradi, Hossein Vatandoost na Masoud Roudneshin; programu na Afrouz Hajimoradi; uthibitishaji na Afrouz Hajimoradi, Masoud Roudneshin na Ramin Sedaghati; uchanganuzi rasmi na Afrouz Hajimoradi; utafiti na Afrouz Hajimoradi, Hossein Vatandoost na Masoud Roudneshin; upangaji wa data na Afrouz Hajimoradi na Masoud Roudneshin; rasimu ya kwanza na Afrouz Hajimoradi na Hossein Vatandoost; mapitio na uhariri na Ramin Sedaghati, Hossein Vatandoost na Masoud Roudneshin; visualization na Afrouz Hajimoradi; ushauri, usimamizi wa mradi na upatikanaji wa fedha na Ramin Sedaghati.

Wigo wa kisayansi: Kazi inalinganisha mikakati ya feedforward, robust inverse-dynamics na adaptive inverse-dynamics control kwa goti bandia la transfemoral lenye MR damper chini ya modeli ya dynamics ya pamoja. Mchango wa kazi si kuendeleza sheria mpya ya udhibiti, bali kutathmini mbinu zilizopo ndani ya mfumo wa pamoja wa gait trajectory, modeli ya dynamics, gain-selection na actuator-feasibility.

Kikomo cha kliniki: Kazi haikutathmini gait restoration, faraja ya mtumiaji, usalama dhidi ya kuanguka au utendaji wa kliniki wa protezi kwa binadamu. Kosa la RMS la ufuatiliaji na nishati ya udhibiti ni vigezo vya ulinganisho katika kiwango cha uhandisi tu.

Kikomo cha actuuation: MR damper imemodeliwa kama kipengele cha nusu-tendaji na dissipative; haiwezi kutoa nishati chanya ya kimitambo kwa mfumo. Pale torque inayohitajika haiendani na hali ya kazi ya kimwili ya damper au uwezo wake, torque iliyobaki hutolewa na motor msaidizi ya DC.

Tanbihi ya kulinganisha kutokuwa na uhakika: Ingawa chanzo kinawasilisha vidhibiti ndani ya mfumo wa pamoja wa ulinganisho, norm ya lumped parameter error kwa adaptive controller ni 0,0253, na kwa robust controller ni 1,1321. Kwa hiyo mbinu hazikujaribiwa chini ya parameter uncertainty yenye ukubwa uleule.

Tanbihi ya kutolingana kwa vigezo: Vigezo vya kimwili vya msingi katika Jedwali 4 vinatofautiana kwa kiasi kikubwa na vigezo vya plant katika safu ya “True Value” ya Majedwali 5 na 7. Kwa mfano, uzito wa paja umetolewa kama 1,02 kg na 5,60 kg, na uzito wa shank/protezi kama 2,36 kg na 4,80 kg katika namna mbili tofauti. Chanzo hakielezi wazi uhusiano wa seti hizi mbili za vigezo.

Tanbihi ya majina ya inertia: Maelezo ya segment yanayotumiwa kwa I1 na I2 katika Jedwali 4 hayaendani na milinganyo ya dynamics na ufafanuzi wa I1/I2 katika majedwali ya baadaye ya kutokuwa na uhakika. Thamani za nambari zimehifadhiwa bila kubadilishwa kama tofauti ya majina ndani ya chanzo.

Tanbihi ya utendaji wa ufuatiliaji: Katika sehemu ya hitimisho ya chanzo, inaelezwa kuwa tracking performance ya robust control iko ndani ya 2,5% ya adaptive control. Kwa kuwa thamani za RMS error hazikutolewa katika jedwali sahihi la nambari, uwiano huu umehamishwa kama matokeo yaliyoripotiwa na waandishi; thamani kamili ya RMS haijatolewa kutoka Kielelezo 17.

Hitaji la uthibitishaji wa baadaye: Waandishi wanataja benchtop testing, hardware-in-the-loop validation na human-subject evaluation kama hatua za baadaye. Actuator saturation, battery endurance, device mass, cost, maintainability, reliability, sensor-noise robustness, latency, socket interaction, user comfort na kasi mbalimbali za gait bado hazijathibitishwa kimwili.

Matokeo ya kisayansi, thamani za nambari na maelezo ya mbinu katika maudhui haya ya Verianla yanategemea kazi iliyochunguzwa. Chanzo cha nje kilitumiwa tu kuthibitisha utambulisho wa bibliografia wa uchapishaji; hakuna matokeo mapya ya kliniki, majaribio au utendaji wa udhibiti yaliyoongezwa kwenye maudhui makuu kutoka nje.