Desarrollo de un sistema de control centralizado aplicado a la marcha bípeda de un exoesqueleto robótico de extremidades inferiores
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Date
2025-05-05
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Publisher
Universidad de Cuenca
Abstract
The development of robotic exoskeletons has experienced remarkable progress in recent years, beco-ming a key technology for the assistance and rehabilitation of people with reduced mobility. However, one of the main challenges remains ensuring a stable and natural bipedal gait. This requires the design of robust and accurate control algorithms, as well as the efficient integration of sensors and actuators for real-time estimation and control. In this work, a centralized nonlinear model predictive control (NMPC) system was simulated and validated. Multibody modeling in Simulink was used to represent the exos-keleton’s dynamics. Additionally, experimental validation of inertial sensors designed by the Research Group on Electronics and Control at the University of Cuenca was carried out. The results show that the NMPC controller significantly outperforms the PID controller in tracking the hip and knee joint references, achieving lower values for mean squared error (MSE), mean absolute error (MAE), and cumulative error metrics (IAE and ISE). Notably, NMPC demonstrated greater adaptability to temporal variations in the gait cycle, maintaining high accuracy even under demanding conditions, which highlights its potential for future applications in real-world environments.
Resumen
El desarrollo de exoesqueletos robóticos ha experimentado avances significativos en los últimos años, consolidándose como una tecnología clave para la asistencia y rehabilitación de personas con movili-dad reducida. Sin embargo, uno de los principales desafíos sigue siendo garantizar una marcha bípeda estable y natural. Esto requiere el diseño de algoritmos de control robustos y precisos, así como la inte-gración eficiente de sensores y actuadores para la estimación y control en tiempo real. En este trabajo, se simuló y validó un sistema de control predictivo no lineal centralizado (NMPC). Además, se detalla el desarrollo del modelo dinámico de un exoesqueleto robótico para extremidades inferiores utilizando Simulink de MATLAB. Por otro lado, se realizó una validación experimental para sensores inerciales diseñados por el Grupo de Investigación en Electrónica y Control de la Universidad de Cuenca. Los resultados muestran que el controlador NMPC supera significativamente a una arquitectura de control distribuido, donde los controladores PID gestionan el seguimiento de las referencias de las articulacio-nes de la cadera y la rodilla, logrando valores más bajos de error cuadrático medio (MSE), error absoluto medio (MAE) y error acumulativo (IAE e ISE). En particular, el NMPC demostró una mayor adaptabili-dad a las variaciones temporales en la marcha, manteniendo una alta precisión incluso en condiciones exigentes, lo que refuerza su potencial para futuras aplicaciones en entornos reales.
Keywords
Ingeniería, Sensores inerciales, Asistencia física
Citation
Código de tesis
TM4; 2610
Código de tesis
Grado Académico
Magíster en Ingeniería Eléctrica con mención en Procesamiento de Señales y Comunicaciones