Realizzazione e controllo di un dispositivo di contenimento di atteggiamenti posturali involontari

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA “TOR VERGATA” CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA DELL’AUTOMAZIONE A.A. 2010/2011 Realizzazione e controllo di un dispositivo di contenimento di atteggiamenti posturali involontari FACOLTÀ DI INGEGNERIA Relatore Ing. Daniele Carnevale Correlatore Ing Paolo Mondini Candidato Roberto Vollaro

2. Introduzione al problema Il lavoro svolto si colloca nell’ambito del contenimento di pazienti affetti da del movimento • atti distonici involontari in grado di danneggiare l’apparato muscolo scheletrico • Incapacità di riposizionamento Realizzare un supporto contenitivo che sia di ausilio a persone affette da tali patologie

3. Introduzione al problema Realizzazione e controllo di un supporto contenitivo per l’arto inferiore • Supporto mobile motorizzato • Asservimento di posizione • Assecondare un eventuale spasmo • muscolare contenendone la forza

4. Introduzione al problema Profilo ingegneristico • Passivitybasedcontrol • Osservatori ad alto guadagno • Supervisorcrontroller

5. Progettazione del prototipo • Link mobile collegato ad una • cremagliera

6. Progettazione del prototipo • Link mobile collegato ad una • cremagliera • Sensore di posizione e • sensore di forza

7. Progettazione del prototipo • Link mobile collegato ad una • cremagliera • Sensore di posizione e • sensore di forza • Trasmissione del moto dal • motore al link tramite • ingranaggi

8. Sistemi passivi Teoria della passività

9. Sistemi passivi V(x) corrisponde ad una funzione che descrive l’energia immagazzinata dal sistema Il sistema Il prodotto tra ingresso e uscita corrisponde all’energia assorbitadal sistema È passivo se esiste una funzione di storage V(x) semidefinita positiva, continua e differenziabile tale che: (1)

10. Sistemi passivi Teorema: Se un sistema del tipo risulta: • passivo con una funzione V(x) radialmente illimitata e definita positiva • detectabile

11. Sistemi passivi Teorema: Se un sistema del tipo allora: l’origine x=0 può essere stabilizzata globalmente e asintoticamente da dove:

12. Sistemi passivi Possibilità di estendere metodi basati sulla passività a sistemi che non sono passivi: Scelta dell’uscita Feedback passivizzante

13. Sintesi del controllo (2) (3)

14. Sintesi del controllo (2) (3)

15. Sintesi del controllo Si studia la passività del sistema trovato

16. Sintesi del controllo Si studia la passività del sistema trovato

17. Sintesi del controllo Si studia la passività del sistema trovato Definendo l’errore di posizione per una posizione di riferimento costante :

18. Sintesi del controllo Si studia la passività del sistema trovato Definendo l’errore di posizione per una posizione di riferimento costante :

19. Sintesi del controllo . Il punto di equilibrio desiderato e=0 e=0 non è punto di equilibrio per il sistema descritto

20. Sintesi del controllo . Il punto di equilibrio desiderato e=0 e=0 non è punto di equilibrio per il sistema descritto Feedback:

21. Sintesi del controllo . Il punto di equilibrio desiderato e=0 e=0 non è punto di equilibrio per il sistema descritto Feedback:

22. Sintesi del controllo . Utilizzando V(e,e) come funzione di storage, si va a studiare la passività del sistema:

23. Sintesi del controllo . Utilizzando V(e,e) come funzione di storage, si va a studiare la passività del sistema: La cui derivata risulta: (4) . (5)

24. Sintesi del controllo . Utilizzando V(e,e) come funzione di storage, si va a studiare la passività del sistema: La cui derivata risulta: (4) Il sistema è passivo rispetto all’uscita e el’ingresso v . (5)

25. Sintesi del controllo Le ipotesi del teorema per la sintesi di un controllo che stabilizzi asintoticamente il sistema sono soddisfatte: • passivo con una funzione V(x) radialmente illimitata e definita positiva

26. Sintesi del controllo Le ipotesi del teorema per la sintesi di un controllo che stabilizzi asintoticamente il sistema sono soddisfatte: • passivo con una funzione V(x) radialmente illimitata e definita positiva

27. Sintesi del controllo Le ipotesi del teorema per la sintesi di un controllo che stabilizzi asintoticamente il sistema sono soddisfatte: • passivo con una funzione V(x) radialmente illimitata e definita positiva • detectabile

28. Sintesi del controllo Le ipotesi del teorema per la sintesi di un controllo che stabilizzi asintoticamente il sistema sono soddisfatte: • passivo con una funzione V(x) radialmente illimitata e definita positiva • detectabile

29. Sintesi del controllo Le ipotesi del teorema per la sintesi di un controllo che stabilizzi asintoticamente il sistema sono soddisfatte: • passivo con una funzione V(x) radialmente illimitata e definita positiva • detectabile Un controllo in retroazione dall’uscita y=e stabilizza asintoticamente il sistema .

30. Sintesi del controllo Le ipotesi del teorema per la sintesi di un controllo che stabilizzi asintoticamente il sistema sono soddisfatte: • passivo con una funzione V(x) radialmente illimitata e definita positiva • detectabile Un controllo in retroazione dall’uscita y=e stabilizza asintoticamente il sistema .

31. Sintesi del controllo Le ipotesi del teorema per la sintesi di un controllo che stabilizzi asintoticamente il sistema sono soddisfatte: • passivo con una funzione V(x) radialmente illimitata e definita positiva • detectabile Un controllo in retroazione dall’uscita y=e stabilizza asintoticamente il sistema .

32. Sintesi del controllo Per il controllo progettato occorre conoscere l’intero stato OSSERVATORE AD ALTO GUADAGNO

33. Sintesi del controllo Per il controllo progettato occorre conoscere l’intero stato OSSERVATORE AD ALTO GUADAGNO Sistema

34. Sintesi del controllo Per il controllo progettato occorre conoscere l’intero stato OSSERVATORE AD ALTO GUADAGNO Sistema Osservatore

35. Sintesi del controllo Per il controllo progettato occorre conoscere l’intero stato OSSERVATORE AD ALTO GUADAGNO Sistema Osservatore

36. Sintesi del controllo Contenere la forza tra link e arto del paziente entro valori limite

37. Sintesi del controllo Contenere la forza tra link e arto del paziente entro valori limite Nel caso in cui la coppia misurata sia maggiore di quella massima prevista

38. Sintesi del controllo Contenere la forza tra link e arto del paziente entro valori limite Nel caso in cui la coppia misurata sia maggiore di quella massima prevista Il motore fornisce una coppia di compensazione che faccia muovere il link nella direzione concorde a quella della coppia misurata

39. Sintesi del controllo Commutazione dei controlli Introduzione di una funzione non lineare che sulla base della coppia permetta la commutazione tra due controlli Regola la pendenza di salita Regola la dead zone

40. Sintesi del controllo Commutazione dei controlli Introduzione di una funzione non lineare che sulla base della coppia permetta la commutazione tra due controlli

41. Realizzazione del prototipo

42. Realizzazione del prototipo

43. Realizzazione del prototipo Motore 12 volt DC 32 W Driver motore

44. Realizzazione del prototipo Scheda di controllo • STm32 VL Discovery • processore ARM cortex-M3 • 24 Mhz • grande varietà di periferiche • costo contenuto

45. Realizzazione del prototipo Scheda di controllo S3C6410

46. Risultati sperimentali Dall’implementazione della legge di controllo sul prototipo realizzato si ottengo i seguenti risultati

47. Risultati sperimentali Dall’implementazione della legge di controllo sul prototipo realizzato si ottengo i seguenti risultati

48. Risultati sperimentali Dall’implementazione della legge di controllo sul prototipo realizzato si ottengo i seguenti risultati Caso simulato (solo controllo in posizione):

49. Risultati sperimentali Dall’implementazione della legge di controllo sul prototipo realizzato si ottengo i seguenti risultati Caso sperimentale (solo controllo in posizione):

50. Risultati sperimentali Dall’implementazione della legge di controllo sul prototipo realizzato si ottengo i seguenti risultati Caso sperimentale (solo controllo in posizione):