Sliding mode control of antagonistically coupled pneumatic artificial muscles using radial basis neural network function
- 1. Hanoi University of Science and Technology
- 2. Shibaura Institute of Technology
Description
Abstract This study presents a novel approach to enhance the control of Pneumatic Artificial Muscle (PAM) systems by combining Sliding Mode Control (SMC) with the Radial Basis Function Neural Network (RBFNN) algorithm. PAMs, when configured antagonistically, offer several advantages in creating human-like actuators. However, their inherent nonlinearity and uncertainty pose challenges for achieving precise control, especially in rehabilitation applications where control quality is crucial for safety and efficacy. To address these challenges, we propose an RBF-SMC approach that leverages the nonlinear elimination capability of SMC and the adaptive learning ability of RBFNN. The integration of these two techniques aims to develop a robust controller capable of effectively dealing with the inherent disadvantages of PAM systems under various operating conditions. The suggested RBF-SMC approach is theoretically verified using the Lyapunov stability theory, providing a solid foundation for its effectiveness. To validate its performance, extensive multi-scenario experiments were conducted, serving as a significant contribution of this research. The results demonstrate the superior performance of the proposed controller compared to conventional controllers in terms of convergence time, robustness, and stability. This research offers a significant contribution to the field of PAM system control, particularly in the context of rehabilitation. The developed RBF-SMC approach provides an efficient and reliable solution to overcome the challenges posed by PAMs' nonlinearity and uncertainty, enhancing control quality and ensuring the safety and efficacy of these systems in practical applications.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا لتعزيز التحكم في أنظمة العضلات الاصطناعية الهوائية (PAM) من خلال الجمع بين التحكم في الوضع المنزلق (SMC) وخوارزمية الشبكة العصبية لوظيفة الأساس الشعاعي (RBFNN). توفر PAMS، عند تكوينها بشكل عدائي، العديد من المزايا في إنشاء مشغلات شبيهة بالبشر. ومع ذلك، فإن عدم خطيتهم المتأصلة وعدم اليقين يشكلان تحديات لتحقيق التحكم الدقيق، خاصة في تطبيقات إعادة التأهيل حيث تكون جودة التحكم ضرورية للسلامة والفعالية. لمواجهة هذه التحديات، نقترح نهج RBF - SMC الذي يستفيد من قدرة القضاء غير الخطية لـ SMC وقدرة التعلم التكيفي لـ RBFNN. يهدف دمج هاتين التقنيتين إلى تطوير وحدة تحكم قوية قادرة على التعامل بفعالية مع العيوب الكامنة في أنظمة PAM في ظل ظروف التشغيل المختلفة. يتم التحقق نظريًا من نهج RBF - SMC المقترح باستخدام نظرية استقرار Lyapunov، مما يوفر أساسًا متينًا لفعاليته. وللتحقق من صحة أدائها، أجريت تجارب مكثفة متعددة السيناريوهات، كانت بمثابة مساهمة كبيرة في هذا البحث. تُظهر النتائج الأداء المتفوق لوحدة التحكم المقترحة مقارنة بوحدات التحكم التقليدية من حيث وقت التقارب والمتانة والاستقرار. يقدم هذا البحث مساهمة كبيرة في مجال التحكم في نظام PAM، لا سيما في سياق إعادة التأهيل. يوفر نهج RBF - SMC المطور حلاً فعالًا وموثوقًا للتغلب على التحديات التي تفرضها عدم الخطية وعدم اليقين لدى PAMS، مما يعزز جودة التحكم ويضمن سلامة وفعالية هذه الأنظمة في التطبيقات العملية.Translated Description (French)
Résumé Cette étude présente une nouvelle approche pour améliorer le contrôle des systèmes de muscles artificiels pneumatiques (PAM) en combinant le contrôle en mode glissant (SMC) avec l'algorithme Radial Basis Function Neural Network (RBFNN). Les PAM, lorsqu'ils sont configurés de manière antagoniste, offrent plusieurs avantages dans la création d'actionneurs de type humain. Cependant, leur non-linéarité inhérente et leur incertitude posent des défis pour obtenir un contrôle précis, en particulier dans les applications de réhabilitation où la qualité du contrôle est cruciale pour la sécurité et l'efficacité. Pour relever ces défis, nous proposons une approche RBF-SMC qui tire parti de la capacité d'élimination non linéaire de SMC et de la capacité d'apprentissage adaptatif de RBFNN. L'intégration de ces deux techniques vise à développer un contrôleur robuste capable de traiter efficacement les inconvénients inhérents aux systèmes PAM dans diverses conditions de fonctionnement. L'approche RBF-SMC suggérée est théoriquement vérifiée à l'aide de la théorie de la stabilité de Lyapunov, fournissant une base solide pour son efficacité. Pour valider ses performances, de vastes expériences multi-scénarios ont été menées, constituant une contribution significative de cette recherche. Les résultats démontrent les performances supérieures du contrôleur proposé par rapport aux contrôleurs conventionnels en termes de temps de convergence, de robustesse et de stabilité. Cette recherche offre une contribution significative au domaine du contrôle du système PAM, en particulier dans le contexte de la réadaptation. L'approche RBF-SMC développée fournit une solution efficace et fiable pour surmonter les défis posés par la non-linéarité et l'incertitude des PAM, améliorant la qualité du contrôle et assurant la sécurité et l'efficacité de ces systèmes dans des applications pratiques.Translated Description (Spanish)
Resumen Este estudio presenta un enfoque novedoso para mejorar el control de los sistemas de músculo artificial neumático (PAM) mediante la combinación de control de modo deslizante (SMC) con el algoritmo de red neuronal de función de base radial (RBFNN). Los Pam, cuando se configuran de forma antagónica, ofrecen varias ventajas en la creación de actuadores similares a los humanos. Sin embargo, su no linealidad e incertidumbre inherentes plantean desafíos para lograr un control preciso, especialmente en aplicaciones de rehabilitación donde la calidad del control es crucial para la seguridad y la eficacia. Para abordar estos desafíos, proponemos un enfoque RBF-SMC que aprovecha la capacidad de eliminación no lineal de SMC y la capacidad de aprendizaje adaptativo de RBFNN. La integración de estas dos técnicas tiene como objetivo desarrollar un controlador robusto capaz de hacer frente eficazmente a las desventajas inherentes de los sistemas Pam en diversas condiciones de funcionamiento. El enfoque sugerido de RBF-SMC se verifica teóricamente utilizando la teoría de estabilidad de Lyapunov, proporcionando una base sólida para su efectividad. Para validar su desempeño, se realizaron extensos experimentos multiescenario, que sirvieron como una contribución significativa de esta investigación. Los resultados demuestran el rendimiento superior del controlador propuesto en comparación con los controladores convencionales en términos de tiempo de convergencia, robustez y estabilidad. Esta investigación ofrece una contribución significativa al campo del control del sistema Pam, particularmente en el contexto de la rehabilitación. El enfoque RBF-SMC desarrollado proporciona una solución eficiente y confiable para superar los desafíos planteados por la no linealidad e incertidumbre de los Pam, mejorando la calidad del control y garantizando la seguridad y eficacia de estos sistemas en aplicaciones prácticas.Files
      
        s42452-023-05475-9.pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (2.5 MB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| md5:9ff65054d04d64838a635f06dc8db6ba | 2.5 MB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التحكم في الوضع الانزلاقي للعضلات الاصطناعية الهوائية المقترنة بشكل متناقض باستخدام وظيفة الشبكة العصبية ذات الأساس الشعاعي
- Translated title (French)
- Contrôle du mode coulissant des muscles artificiels pneumatiques couplés de manière antagoniste à l'aide de la fonction de réseau neuronal à base radiale
- Translated title (Spanish)
- Control del modo deslizante de músculos artificiales neumáticos acoplados antagónicamente utilizando la función de red neuronal de base radial
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4386054863
- DOI
- 10.1007/s42452-023-05475-9
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1487127700
- https://openalex.org/W1986024064
- https://openalex.org/W2000795873
- https://openalex.org/W2028402719
- https://openalex.org/W2049430336
- https://openalex.org/W2081532724
- https://openalex.org/W2114196201
- https://openalex.org/W2137457856
- https://openalex.org/W2144487083
- https://openalex.org/W2150137810
- https://openalex.org/W2744055356
- https://openalex.org/W2752879615
- https://openalex.org/W2755780917
- https://openalex.org/W2786389559
- https://openalex.org/W2904149174
- https://openalex.org/W2954807447
- https://openalex.org/W2976468093
- https://openalex.org/W3049465092
- https://openalex.org/W3090882266
- https://openalex.org/W3200710333
- https://openalex.org/W3211303669
- https://openalex.org/W4206149507
- https://openalex.org/W4211209371
- https://openalex.org/W4214523097
- https://openalex.org/W4297903835
- https://openalex.org/W4319322170
- https://openalex.org/W4319754794
- https://openalex.org/W4377289917
- https://openalex.org/W4380551766
- https://openalex.org/W4384525335