التصميم الأمثل والتحكم في الهيكل الخارجي للطرف العلوي

رسالة ماجستير

اسم الباحث : زهراء عبد الاله خليل

اسم المشرف : مسلم محسن علي ;فواز فريد البكري

الكلمات المفتاحية : Human Arm Modelling, Analytical Approach, Analytical controller, Monte Carlo Simulation

الكلية : كلية الهندسة

الاختصاص : الهندسة الميكانيكية

سنة نشر البحث : 2026

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

الخلاصة

تلعب الأطراف الاصطناعية الذكية للذراع دورًا هامًا في تعزيز الحركة والاستقلالية للأشخاص ذوي الإعاقة. تُستخدم هذه الأجهزة الميكانيكية لتوفير حركات وظيفية للذراع البشرية في تطبيقات متنوعة، مثل إعادة التأهيل والرياضة والابتكار التكنولوجي، ومنها الهيكل الخارجي للذراع البشرية. لذا، يصبح من الضروري تقييم الاستجابة الديناميكية للأطراف الاصطناعية البشرية. تركز هذه الدراسة على دراسة الاستجابة الديناميكية لذراع اصطناعية بشرية بخمس درجات حرية.

تم نمذجة نظام الذراع البشري باستخدام طريقة لاغرانج-أويلر، مما أسفر عن خمس معادلات تفاضلية عادية من الرتبة الثانية. ولتسهيل عملية التحسين المطلوبة والحصول على معلمات النظام المثلى محليًا، تم تبسيط النموذج غير الخطي حول نقطة تشغيل محددة. أُجري تحليل مقارن بين استجابات النظام الخطي وغير الخطي للتأكد من قدرة النموذج المبسط على تمثيل ديناميكيات النظام غير الخطي الحقيقي والتعويض عنها بشكل كافٍ.

تم تحديد معلمات الذراع، بما في ذلك الكتل ومعاملات التخميد وقيم الصلابة، باستخدام طريقة تحسين مضاعفات لاغرانج بهدف تحقيق زمن استقرار قصير وتجاوز ضئيل. علاوة على ذلك، استُخدمت دوال أسية ثمانية الحدود لتوليد منحنيات الإزاحة المطلوبة لليد والساعد والمرفق الأفقي والمرفق الرأسي وحركات المرفق الزاوية، مع مراعاة شروط الحدود الأولية والمتوسطة والنهائية، بالإضافة إلى قيود عزم دوران المرفق.

تم حساب عزم دوران الكوع المرجعي تحليليًا بناءً على مسارات الإزاحة المحددة مسبقًا. وللتحقق من صحة المنهجية المقترحة، أُجريت محاكاة عددية باستخدام تقنية محاكاة مونت كارلو ضمن نطاق واسع من الشروط الابتدائية وتغيرات في معلمات النظام بنسبة (_-^+)6% عن القيم الاسمية. أظهرت النتائج المُحَصَّلة تقاربًا سريعًا لجميع أجزاء الذراع، حيث تحققت استجابات الحالة المستقرة في غضون 0.25 ثانية دون أي تجاوز في كل من إزاحات النظام وعزم دوران الكوع. علاوة على ذلك، ظلت أخطاء الحالة المستقرة صغيرة للغاية، حيث بلغ الحد الأقصى للخطأ الزاوي للكوع (4×10−3) درجة، والحد الأدنى لخطأ الإزاحة الرأسية للكوع (−1×10−5) متر في الاتجاه الرأسي، وخطأ عزم دوران الكوع منخفضًا جدًا يصل إلى (-0.4) نيوتن متر عبر 1000 تجربة محاكاة.

Optimal Design and Control of an Upper-Limb Exoskeleton

Abstract

Smart upper limbs prosthetics play a significant role in enhancing mobility and independence for disabilities people with disabilities. These mechanical devices are utilized to provide functional movements of the human arm in various applications such as rehabilitation, sports, and technological innovation, one of these devices is a robotic arm exoskeleton. Therefore, it becomes essential to assess the dynamic response of robotic arm prosthetics. This study focuses on studying the dynamic response of a five-degree-of-freedom (5-DOF) prosthetic robotic arm.
The robotic arm system was modeled by using Lagrange-Euler method, resulting in five-second-order ordinary differential equations. To facilitate the optimization process required and obtain locally optimal system parameters. The nonlinear model was linearized around a specific operating point. A comparative analysis between the linear and nonlinear system responses was conducted to ensure that the linearized model can adequately represent and compensate for the real nonlinear system dynamics.
The arm parameters, including masses, damping coefficients, and stiffness values, were determined using a Lagrange multipliers optimization method with the objective of achieving a short settling time and minimal overshoot. Furthermore, eight-term exponential functions were employed to generate the desired displacement profiles for the hand, forearm, horizontal elbow, vertical elbow, and elbow angular motions while satisfying initial, intermediate, and final boundary conditions as well as elbow torque limitations.
The reference elbow torque was analytically computed based on the predefined displacement trajectories. To validate the proposed approach, numerical simulations were preformed using Monte Carlo simulation technique under a wide range of initial conditions and system parameter variations of (_-^+)6% from the nominal values. The obtained results demonstrated rapid convergence of all arm segments, achieving steady-state responses within 0.25 seconds with zero overshoot in both system displacements and elbow torque. Moreover, the steady-state errors remained extremely small, with a maximum elbow angular error of (4×10−3) degrees, a minimum vertical elbow displacement error of (−1×10−5) m in the vertical, and an elbow torque error as low as (-0.4) N.m across 1000 simulation trials.