Robust Control of the Knee Joint Angle of Paraplegic Patients considering Norm-Bounded Uncertainties

A proposal for the knee position control design of paraplegic patients with functional electrical stimulation (FES) using control systems and considering norm-bounded uncertainties is presented. A state-space representation of the knee joint model of the paraplegic patient with its nonlinearity is also demonstrated. The use of linear matrix inequalities (LMIs) in control systems with norm-bounded uncertainties for asymptotic stability is analyzed. The model was simulated in the Matlab environment. The matrix K of state space feedback was obtained through LMIs

ELECTRONIC SYSTEM TO MEASURE PLANTAR FORCE DISTRIBUTION IN PATIENTS

This article describes an electronic system, projected to measure the force distribution under patients’ foot soles by instrumented soles with sensors. The system is basically composed of load cells installed in the soles, signal conditioning circuit, interfacing circuit and a computer, from which the measurement results can be read. It is possible to measure static and dynamic forces. Data visualization on the computer screen is displayed by a Visual Basic program. The system presents linear response with the applied force, small hysteresis, precision higher than 99.4%, in addition to its simple operation and handling. It could be used by sports and fitness professionals and other health area professionals to assist in the evaluation of specific programs that aim at increasing athletes’ performance

Controle de movimentos de pacientes paraplégicos utilizando modelos fuzzy T-S

Foram realizados estudos, projetos e simulações do controle não-linear da posição da perna de um paraplégico, com eletroestimulação, utilizando modelos fuzzy Takagi- Sugeno (T-S). Nessa pesquisa, foi adotado um modelo matemático que utiliza uma relação empírica do torque do músculo com a largura de pulso, representada por uma função de transferência de primeira ordem. A modelagem da dinâmica do modelo do paciente paraplégico foi realizada com variáveis de estado. Projetou-se um regulador fuzzy (T-S), inicialmente no ponto de operação com a posição da perna em 30o, utilizando-se a teoria de Lyapunov para o estudo da estabilidade dos sistemas dinâmicos e o projeto do controlador baseado em desigualdades matriciais lineares (Linear Matrix Inequalities, LMI). As especificações consideradas neste projeto foram a estabilidade, a taxa de decaimento e restrições nos sinais de entrada e saída. Foi também projetado um observador de estado e regulador com observador de estado, todos não-lineares e contínuos no tempo, para o paciente paraplégico, também baseado em LMI, no ponto de operação com a posição da perna em 60o. Devido a necessidade de implementação em hardware, um modelo discretizado foi proposto, para a obtenção de modelos fuzzy Takagi-Sugeno discretos no tempo, a partir de modelos fuzzy Takagi-Sugeno contínuos no tempo, considerando períodos de amostragem suficientemente pequenos. Análises te´oricas e simulações digitais comprovaram a sua eficácia. Reguladores com observadores contínuos no tempo, considerando o rastreamento da posição da perna de um paraplégico e uso de variáveis virtuais foram também propostos. Neste projeto, pôde-se variar a posição angular desejada sem a necessidade do cálculo do novo ponto de operação e do projeto de um novo controlador para cada ponto de operação. Um método de identificação de modelos locais...This thesis presents studies, designs and simulations about the use of functional electrical stimulation, to control the leg position of a paraplegic patient. The plant is described by a nonlinear system using Takagi-Sugeno fuzzy models and a closed-loop control is presented. A transfer function represents the mathematical model related to the muscle torque and the pulse width. Considering the operation point at 30◦ and all state variables available, then a fuzzy regulator was designed. This design was based on the Lyapunov stability, Linear Matrix Inequalities (LMI), and considered the following specifications: decay rate, and input and output constraints. Moreover, the design of a state observer, also based on LMIs, to obtain a continuous-time regulator with an observer in the operation at 60◦ was presented. Due to the necessity of implementation in hardware, a new method to obtain a discrete-time T-S model of plants described by continuous-time nonlinear T-S models, considering small sampling periods was proposed. Another new methodology was proposed to design continuous-time regulators and observers, through the signal tracking (leg position of paraplegics) and the use of virtual variables. This procedure allows the tracking of the angular position, without the design of a new controller for each operation point. A new method for the identification of T-S local models, where the input is a step and the system operates around the operation point of the wanted local model was proposed. This procedure is based on LMI. Other new method, using state-derivative feedback, was proposed for the control of the leg position of a paraplegic patient, described by a T-S model, using only accelerometers as sensors. All the simulated results in this thesis show that the proposed procedures are efficient and offer good results to this control problem class.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq

Controle robusto aplicado na máquina de indução implementado no Matlab/Simulink

Este trabalho refere-se à abordagem de uma estratégia/metodologia de controle para controle da máquina de indução em alta performance. O método clássico apresentado na literatura [1] compõe-se de controladores PID’s atuando na estratégia de controle da velocidade da máquina. O modelo matemático da máquina de indução após um tratamento adequado, similarmente, conduz ao modelo matemático da máquina de corrente contínua, na qual a estratégia de controle é muito mais simples. A proposta deste trabalho é a utilização de uma nova metodologia de controle que seja mais confiável e principalmente robusta e que atenda os requisitos de desempenho e estabilidade. Será descrito a seguir que o método de Controle Robusto mostrou as condições de robustez, estabilidade e desempenho

Robust control applied induction machine employed of Matlab/ Simulink

This work refers the approach of a control strategy/metodology for control of the induction machine in high performace. The classic method presented in the literature [1], they are composed of controllers PID’s acting in the strategy of control of the speed of the machine. The mathematical model of the induction machine after an appropriate treatment, equaly leads to the mathematical model of the machine of continuous current, which the control strategy is much simpler. The proposal of this work was to use of a new control methodology that is more reliable and mainly robust and that assists the performance requirements and stability. It is be described that the method of Robust Control showed the robustness conditions, stability and performance

Uso do LabView para o Controle de um Veículo

Este artigo aborda a construção de um veículo acionado por motores elétricos inspirado nos artigos (MAZO, 1995; FONSECA SOBRINHO, 2000) e que seja automatizado, ou seja, possa locomover-se dentro de qualquer ambiente sem que seja necessária a intervenção humana. O controle foi feito utilizando o software Labview, com aquisição de dados e geração de sinais de controle. O veículo possui um sistema de sensores infravermelhos que indicam a existência de um obstáculo à frente do veículo, informando que o mesmo deve parar e contorná-lo. O programa implementado é o responsável pelo comando dos motores que fazem o protótipo andar e contornar os objetos. Poder ter o controle de um veículo à distância é importante em situações nas quais seria perigoso para um ser humano. A principal vantagem deste sistema é que pode-se ter total maleabilidade para que se façam alterações no software de comando, sem que seja necessário tocar a parte física do protótipo. Pode-se concluir deste trabalho que o sistema é eficiente, sendo capaz de se movimentar em uma sala com objetos sem tocá-los

Labview Application For A Vehicle Control

This article deals with the construction of a vehicle driven by electric motors and that is automated, that is, that can move anywhere without human intervention. The control was done using the software Labview, with data acquisition and generation of control signs. The vehicle has an infrared sensors system that indicates the existence of an obstacle ahead the vehicle, informing it that it should stop and bypass the obstacle. The program is the responsible for the engine control, making it possible for the prototype to run and bypass the objects that block its way. The possibility of remote-controlling a vehicle is very important is risky situations for human beings, for example in radioactive places. The main advantage of this system is the total flexibility for making alterations in the control software, without being necessary to touch the physical part of the prototype. The conclusion of this work is that the system is efficient and able to move in a room with objects without touching them

Modelo Fuzzy Takagi-Sugeno para controle do ângulo de articulação do joelho de pacientes paraplégicos

Neste trabalho foi elaborado o controle em malha fechada, por meio de estimulação elétrica funcional, para o movimento da perna de um paciente paraplégico. Isto é feito utilizando modelos fuzzy Takagi-Sugeno, os quais resolvem classes de sistemas não lineares. O problema é descrito por desigualdades matriciais lineares (LMI) atendendo a especificações, tais como estabilidade segundo o teorema de Lyapunov, taxa de decaimento e restrição no sinal de entrada. Este controle foi projetado para variar o ângulo de articulação do joelho na faixa de 0º a 45°, mediante a estimulação elétrica no músculo quadríceps. O sinal de realimentação é relacionado ao ângulo de articulação do joelho, estabilizando-o em 45º

Cadeira de rodas controlada por sopros e sucções.

Este projeto consiste    na      criação      de    uma    cadeira     de    rodas   controlada   por   um    sistema microprocessado e acionado por sopros e   sucções   através   de um tubo   plástico,   localizado a altura da boca do  operador da   cadeira.   A  aplicação     direta  dessa  cadeira  seria para o uso de pessoas      tetraplégicas,      e outros casos   de     paralisia     permanente   ou     temporária     dos  membros inferiores e  superiores

Realimentação derivativa e modelo fuzzy Takagi-Sugeno paracontrole da articulação do joelho de pacientes paraplégicos com o uso de acelerômetros

Feedback control systems have been used to move the muscles and joints of the limbs of paraplegic patients. The feedback signal, related to the knee joint angle, can be obtained by using an electrogoniometer. However, the use of accelerometers can help the measurements due the facility of adhering these devices to the skin. Accelerometers are also very suitable for these applications due their small dimensions and weight. In this paper a new method for designing a control system that can vary the knee joint angle using Functional Electrical Stimulation (FES) is presented, as well as a simulation with parameters values available in the literature. The nonlinear control system was represented by a Takagi-Sugeno fuzzy model and the feedback signals were obtained by using accelerometers. The design method considered all plant nonlinearities and was efficient and reliable to control the leg position of a paraplegic patient with the angle of the knee ranging from 0° to 30°, considering electric stimulation at the quadriceps muscle. The proposed method is viable and offers a new alternative for designing control systems of the knee joint angle using more comfortable sensors for the patients