Controle dinâmico de um punho para prótese transradial usando controlador PID, Lógica Fuzzy e otimização por enxame de partículas
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Lazaro Valentim Donadon
Pedro Americo Almeida Magalhaes Junior
Pedro Americo Almeida Magalhaes Junior
Resumo
Este estudo apresenta o desenvolvimento de um sistema de controle inteligente híbrido para o punho de uma prótese transradial, integrando controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID), Lógica Fuzzy e Otimização por Enxame de Partículas (PSO). A prótese, projetada pelo Labbio, incorpora um motor, redutor harmônico e freio magnetoreológico (MR) para permitir um controle preciso de torque. Foram considerados três cenários distintos de operação: movimento abrupto, movimento suave de alta precisão e um modo híbrido alternando entre ambos. Foi formulado um modelo matemático do mecanismo do punho, relacionando as entradas elétricas do motor e do freio ao torque de saída, respeitando as restrições mecânicas. Para cada cenário, curvas de referência de torque foram definidas, e os parâmetros PID foram otimizados automaticamente utilizando PSO. Para permitir adaptabilidade em tempo real, um sistema de Lógica Fuzzy seleciona dinamicamente os ganhos PID mais apropriados com base no regime de movimento. Os resultados da simulação demonstram que o sistema de controle híbrido alcança um desempenho estável e responsivo em todos os cenários. A abordagem Fuzzy-PSO-PID possibilita transições suaves entre os tipos de movimento, reduzindo o overshoot e o atraso, enquanto melhora a precisão e o conforto do usuário. Este trabalho destaca o potencial de combinar controle clássico, computação suave e técnicas de otimização bioinspiradas para resolver desafios não lineares e variáveis no tempo em aplicações biomédicas de próteses.
Abstract
This study presents the development of a hybrid intelligent control system for a transradial prosthetic wrist, integrating Proportional-Integral-Derivative (PID) control, Fuzzy Logic, and Particle Swarm Optimization (PSO). The prosthesis, designed by Labbio, incorporates a motor, harmonic reducer, and magnetorheological (MR) brake to enable precise torque control. Three distinct operation scenarios were considered: abrupt motion, smooth high-precision movement, and a hybrid mode alternating between both. A mathematical model of the wrist mechanism was formulated, relating motor and brake electrical inputs to the output torque while respecting mechanical constraints. For each scenario, torque reference curves were defined, and PID parameters were automatically optimized using PSO. To enable real-time adaptability, a Fuzzy Logic system dynamically selects the most appropriate PID gains based on the movement regime. Simulation results demonstrate that the hybrid control system achieves stable and responsive performance across all scenarios. The Fuzzy-PSO-PID approach enables smooth transitions between motion types, reducing overshoot and delay while enhancing precision and user comfort. This work highlights the potential of combining classical control, soft computing, and bio-inspired optimization techniques to address nonlinear and time-varying challenges in biomedical prosthetic applications.
Assunto
Engenharia mecânica, Articulação do punho, Prótese, Lógica Fuzzy, Magnetismo
Palavras-chave
Punho prostético, Controle inteligente, Otimização por Enxame de Partículas (PSO), Lógica Fuzzy, Magnetoreológico (MR)
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