يادگيري گشتاور متقارن كمكي براي اسكلت‌هاي بيروني پايين‌تنه با استفاده از يادگيري تقويتي عميق

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي پزشكي

كارشناسي ارشد

اسكلت‌هاي بيروني پوشيدني اندام تحتاني به‌طور سنتي با يك تعارض بنيادين ميان پايداري راه‌رفتن و بازدهي مصرف انرژي مواجه‌اند: كنترل رديابي با بهره بالا ايمني را تضمين مي‌كند اما هزينه مكانيكي بالايي دارد، در حالي كه كنترل تطبيق‌پذير انرژي را كاهش مي‌دهد اما مقاوم‌بودن سامانه را به خطر مي‌اندازد. در اين پايان‌نامه، يك كنترل‌كننده كمكي مبتني بر يادگيري تقويتي عميق براي يك اسكلت بيروني شش‌مفصلي اندام تحتاني توسعه داده شده است كه با الگوريتم بهينه‌سازي سياست پروگزيمال (PPO) در يك شبيه‌سازي جفت‌شده انسان-اسكلت‌بيروني آموزش مي‌بيند. كاربر انساني به‌صورت يك كنترل‌كننده راه‌رفتن متناوب و خودهمگام‌شونده، مبتني بر چارچوب ديناميك صفر تركيبي و قيدهاي مجازي بيزيه با فاز وابسته به حالت سامانه، مدل‌سازي شده است؛ رويكردي كه سامانه جفت‌شده را در سراسر آموزش پايدار نگه مي‌دارد. سياست كمكي با يك تابع پاداش چندهدفه آموزش مي‌بيند كه ميان سرعت پيشروي اشباع‌شده، جريمه انرژي نرمال‌شده به تفكيك هر مفصل، قيد سخت پايداري وضعيتي، و جريمه تقارن هندسي توازن برقرار مي‌كند. براي بهبود كارايي نمونه و تقويت الگوي راه‌رفتن متقارن، از افزايش داده مبتني بر حالت‌هاي آينه‌شده استفاده شده و سازگاري با زمين‌هاي شيب‌دار از طريق يك معماري ديناميك پسماند سبك‌وزن، بدون بازآموزي سياست پايه، محقق شده است. نتايج نشان مي‌دهند كه در سرعتي نزديك به سرعت راه‌رفتن بدون كمك (حدود 1 متر بر ثانيه در برابر 1/13 متر بر ثانيه)، سياست آموخته‌شده هزينه حمل‌ونقل مكانيكي كاربر را حدود 14 درصد كاهش مي‌دهد (هزينه حمل‌ونقل كل نزديك به 7/82، كه سهم اسكلت بيروني از آن در سه اجراي مستقل آموزش بين 9/5 تا 14/6 درصد متغير است)، در حالي كه تقابل گشتاور ميان كاربر و دستگاه پايين، و ارتفاع طبيعي لگن و تقارن دوطرفه گام‌برداري حفظ مي‌شوند. الگوي حاصل در برابر اغتشاش‌هاي بيروني تا 150 نيوتن مقاوم است و در سه از پنج اجراي مستقل آموزش به سياستي يكسان و كارآمد همگرا مي‌شود. اين پژوهش نشان مي‌دهد كه تركيب يك مدل كاربر مبتني بر قيد مجازي با يك پاداش چندهدفه به‌دقت طراحي‌شده، مي‌تواند بدون نياز به سخت‌افزار انطباق‌پذير جديد، بازدهي انرژي قابل‌توجهي در كنترل اسكلت‌هاي بيروني ايجاد كند.

238100

بيو الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان