Patienten-kooperative Regelung impedanzvariabler Antriebe (PatRiA)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Leonhardt
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 359716418

Ziel des Projektes ist die Erforschung neuartiger Methoden für die Patienten-kooperative Regelung impedanzvariabler Antriebe (VIA). Der Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung eines Methodengerüstes, das die Synthetisierung eines Reglers zur stabilen und sanften Interaktion des Patienten mit dem VIA ermöglicht, bei gleichzeitiger Gewährleistung von Interaktionsstabilität zwischen Roboter und Patient. Das angestrebte Methodengerüst soll dabei bei generellen VIA einsetzbar sein. Auf Ebene des Kraft-/Momentenregelkreises wird neben den zeitvarianten Parametern der Aktuator-Ausgangsimpedanz die Verkopplung der VIA Mehrgrößenregelstrecke berücksichtigt. Der Reglerentwurf soll in einem neuartigen Ansatz über einen Hinf-Optimalregler und lineare Matrix-Ungleichungen mit Interaktionsstabilität als Nebenbedingung gelöst werden. Bei Konvergenzproblemen oder zu konservativem Ergebnis der Optimierung wird alternativ ein Ansatz über eine Cayley-Transformation und nichtglatte Hinf-Optimierung erforscht. Da eine Patienten-kooperative Regelung durch die Bereitstellung eines variablen Unterstützungsgrades ermöglicht wird, soll für die Parameter eines kaskadierten Impedanzreglers ein neues Verfahren zur Parametrierung strukturfester Regler, bei gleichzeitiger Gewährleistung von Interaktionsstabilität, erforscht werden. Es wird ein Ansatz über unsichere Übertragungsfunktionen mittels polynomialer Positivität und dem Bernstein-Erweiterungsalgorithmus verfolgt. Bei dem zu entwickelnden Verfahren soll zudem der resultierende Parameterraum des Impedanzreglers entsprechend der physikalisch eingestellten Ausgangsimpedanz angepasst werden. Weiterhin wird ein Verfahren erforscht, welches die Einstellung der Impedanzparameter (physikalisch und Regler) an den geschätzten Patientenzustand ermöglicht. Die so erarbeiteten Strategien zu Patienten-kooperativen Regelung werden an zwei verschieden VIA-Aktuatoren experimentell erprobt, die als Vorarbeiten am Lehrstuhl für Medizinische Informationstechnik entwickelt wurden. Für die Bestimmung des Patientenzustands steht ein Netzwerk körpernah-getragener Sensoren zur Verfügung. Abschließend werden die erarbeiteten Methoden in einem Prüfstand zur Bewegungsunterstützung des Knies an Probanden erprobt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Berno Misgeld