I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m pu t er   Science   Vo l.   23 ,   No .   2 A u g u s t   20 21 p p .   6 75 ~ 6 85   I SS N:  2 5 0 2 - 4 7 5 2 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijeecs.v 23 .i 2 . pp 6 75 - 6 85          675       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ee cs.ia esco r e. co m   Desig n an int ellig ent  hy brid  pos itio n/force con trol fo r abo v knee pros th esis  b a sed o n ada ptive  neuro - fu zzy infe r ence sy stem       M it ha q N.   Ra heem a ,   Dhirg a a m   A.   K a dh im ,   J a bb a S.  H us s ei n   De p a rtme n o P r o sth e ti c   &   Ort h o ti c   En g i n e e rin g ,   En g i n e e rin g   C o ll e g e ,   Ke rb a la Un i v e rsity ,   I ra q       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   2 1 ,   2 0 2 0   R ev is ed   Ma y   1 8 ,   2 0 2 1   Acc ep ted   J u n   1 9 ,   2 0 2 1       Th is  p a p e r   re v iew t h e   p o siti o n / fo rc e   c o n tr o l   a p p r o a c h   fo r   g o v e rn s   a n   e fficie n k n e e   jo i n in   a n   a c ti v e   lo we li m b   p ro st h e sis,  a n d   th e   in terfa c in g   c u rre n c o n tr o a l g o rit h m   wit h   h u m a n   g a te  p a ra m e ter  is  in s e rted .   Two   tec h n iq u e a re   u se d   to   c o ll e c g a it   c y c le  d a ta  o leg f irst,   t h e   fo o g ro u n d   fo rc e   is  o b tain e d   b y   th e   f o rc e   p l a tfo rm   d e v ice   b a se d   o n   it p o siti o n   ( x ,   y ),   th e n   d a ta  o k n e e   jo in a n g les   is  re c o rd e d   b y   u si n g   a   v i d e o - c a m e ra   d e v ice .   Th e   c o ll e c ted   in f o rm a ti o n   is   se n a n d   u se d   i n   th e   p ro p o se d   in tell ig e n t   c o n tro ll e r.   Th is   in telli g e n c o n t ro s y ste m   u se d   a n   a d a p ti v e   n e u ro - fu z z y   in fe re n c e   sy ste m   (AN F IS c ircu it   in   a d d it i o n   to   t h e   p r o p o rti o n a in teg ra l   d e riv a ti v e   (P ID)   c o n tr o ll e r.   T h is h y b rid   AN F IS - P ID   c o n tro l   sy ste m   sim u late a n d   p ro v i d e th e   g r o u n d   fo rc e   v a lu e s.  T h e   e x p e rime n tal  re su lt s   sh o w   a n   e x c e ll e n re sp o n se   a n d   l o we ro o t   m e a n   sq u a re   e rro (RM S E)  c o m p a re d   with   e a c h   o P ID  a n d   AN F IS   c o n tro ll e th a imp lem e n ted   fo a   sim il a p u rp o se .   In   su m m a ry ,   th e   re su lt s h o we d   a c c e p tab ly   sta b le  p e rf o rm a n c e   o t h e   p ro p o se d   p o siti o n / f o rc e   c o n tro ll e b a se d   o n   h y b ri d   AN F IS - P ID   sy ste m .   It   c a n   b e   c o n c lu d e d   t h a t h e   fin e st  p e rfo r m a n c e   o th e   c o n tr o ll e d   fo rc e ,   a q u a n ti fied   b y   th e   RM S E   c rit e ria,  is  p e rc e iv e d   b y   th e   p r o p o se d   h y b rid   sc h e m e   d e p e n d in g   o n   t h e   c o n tro l ler i n tell ig e n t   d e c isi o n   c ircu it .   K ey w o r d s :   Ab o v k n ee   p r o s th esis   ANFI S   PID   Po s itio n /f o r ce   co n tr o l   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   J ab b ar   S.  Hu s s ein   Dep ar tm en t o f   Pro s th etic  &   O r th o tic  E n g i n ee r in g   E n g in ee r in g   C o lleg e,   Ker b ala  Un iv er s ity   Ker b ala ,   I r aq   E m ail: ja b b ar . s alm an @ u o k er b ala. ed u . iq       1.   I NT RO D UCT I O N   T h q u an tity   o f   am p u tees,  b e ca u s o f   wa r ,   ailm en t,   an d   m is h ap s   is   ex p an d i n g .   Patien ts   with   g o n e   th r o u g h   r em o v al  m ed ical  p r o ce d u r b en ea t h   k n ee   h av k n ee   jo in t,  th er ef o r s tr o llin g   with   p r o s th esis   i s   g en er ally   s im p le  [ 1 ] ,   [ 2 ] .   I n   an y   ca s e,   with   f em o r al  am p u tees,  an   u n n at u r al  s tep   ( g ait)   h ap p e n s   wh en   an   in ac tiv p r o s th esis   is   wo r n .   Dif f er en s o r ts   o f   p r o s th esis   h av b ee n   cr ea ted   f o r   th n atu r al  s tr o llin g   d ev elo p m e n o f   th ese  am p u tee s .   T h lo ca lim b   cr ea tes  h u g e   n et  co n tr o o v e r   s tr id cy cle   in   n u m e r o u s   tr ain   ca p ac ities   in clu d in g   s tr o llin g ,   s tr o llin g   u p   s tep s   an d   s lan t s ,   r u n n in g   an d   b o u n ci n g   [ 3 ] ,   [ 4 ] .   T h c r ea ted   p r o s th esis   ca n   b p ar titi o n ed   in to   ac tiv p r o s th esis   an d   p ass iv o n e.   Pas s iv p r o s th esis   co m p r is es  o f   a   s tr u ctu r th at  s to r es  v itality   a n d   d ec r ea s th p h y s ical  wei g h o f   th wea r er   [ 5 ] ,   [ 6 ] .   N o n eth eless ,   s in ce   it   u tili ze s   th f o r ce   o f   th wea r er   to   walk ,   am p u tees  d ev o u r   ab o u 6 0 m o r v itality   th an   ty p ical    in d iv id u al  [ 7 ] ,   [ 8 ] .   Pas s iv p r o s th esis   w ith   f o r ce   s o u r ce   ch an g es  th im p ed an ce   to   h el p   s tr o llin g   [ 9 ] ,   [ 1 0 ] .   T h d y n am ic   p r o s th esis   co n tr o ls   th k n ee   jo i n ed g e,   s o   it  h as  less   p h y s ical  weig h th a n   t h p ass iv o n e,   a n d   p er m its   n atu r al  s tr o llin g .   Pas t   ex am in atio n   team s   h av b ee n   co n s id er in g   th d y n am ic  p r o s th esis   o f   d if f er en s tr u ctu r es  an d   t h d y n am ic  p r o s th esis   th at  ca n   s tr o ll  in   co m p lex   s tr o llin g   co n d itio n   [ 1 1 ] - [ 1 4 ] .   T h p o s itio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  23 ,   No .   2 Au g u s t   20 21 6 75   -   6 85   676   co n tr o ap p r o ac h   b ased   o n   el ec tr o m y o g r ap h y   ( E MG )   f o r   tr an s tib ial  p r o s th esis   was  s u r v ey ed   in   [ 1 5 ] .   I n   th e   on - g o in g   y ea r s   u tili zin g   in tell ig en ce   co n tr o l,   f o r   ex am p le,   n eu r al  n etwo r k ,   f u zz y   c o n tr o l ,   n eu r o   f u zz y ,   th at   th ey   ca n   co n tr o n o n lin ea r   f r a m ewo r k s   th at  wo u ld   b tr o u b l eso m o r   d if f ic u lt  to   d em o n s tr ate  m ath em atica lly .   Fo r   ex am p le,   L ian f an g   T ian   e a l .   u tili ze d   n eu r al  s y s tem   ap p r o ac h   f o r   t h m o v em en t   c o n tr o o f   c o m p elled   ad ap tab le  co n tr o ller s   r o b o ts   [ 1 6 ] ,   [ 1 7 ] .   T h au th o r s   h av b u ilt  u p   co n tr o lled   k n ee   an d   lo wer   leg   p r o s th esis   m o d el,   i n   wh ich   th ey   u tili ze d   PID   an d   ANFI co n tr o [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ] .   C u r r en lith iu m - p o ly m er   b atter ies  h a v a   v itality   th ick n ess   m o v in g   to w ar d   2 0 0   W · h / k g ,   wh ich   em p o wer   th ad v an ce m e n o f   tr an s f em o r al  p r o s th esis   with   s en s ib le  weig h an d   a   s atis f ac to r y ,   alb eit  r estricte d ,   s co p o f   m o tio n .   T h v itali ty   d en s ity   o f   s u c h   b atter ies  is   r elied   u p o n   to   ab o u two f o ld   in   th f o llo win g   d e ca d ( d r iv e n   to   g r ea ex ten b y   th ca r   b u s in ess r eq u ir em e n ts   f o r   elec tr ical  v e h icles)  [ 2 0 ] ,   wh ic h   will  g iv m o r e   lib er al   s co p o f   m o tio n .   I n   th is   w o r k ,   th e   ad v an ce m e n o f   lo we r   leg   ( a n k le)   p r o s th esis   with   an   elec tr i ca lly   co n tr o lled   d y n a m ic  k n ee   is   d escr ib ed .   T h i p r o s th esis   will   h av th o p tio n   to   in clu d f o r ce - b ased   co n tr o s y s tem   f o r   s tead y ,   cr ea te  h u m an - s ca le  p o wer   at  th jo in ts   an d   co m p o s ed   co o p er atio n   b etwe en   t h clien an d   p r o s th esis .   T h p ap er   d ep i cts  th m ec h an ical  s tr u ctu r o f   th e   p r o s th esis ,   g iv es  r ev iew  o f   t h PID   a n d   ANFI co n tr o s y s tem ,   p r esen ts   ex p lo r ato r y   o u tco m es  o n   a   h ea lth y   a n d   a m p u tee  o n e,   an d   talk s   ab o u th elec tr ical  p o wer   n ec ess iti es  in   v ar i o u s   s tr id e   m o d es.  T h is   p ap er   is   o r g a n ize d   in   ei g h s ec tio n s .   Sectio n   two   p r esen ts   th e   p r o b lem   s ta tem en t.  Sectio n s   th r ee   an d   f o u r   p r esen th th eo r etica b ac k g r o u n d .   Sectio n   f i v an d   s ix   d esig n ate  th p r o p o s ed   co n tr o o f   h y b r i d   p o s itio n / f o r ce   b y   PID   an d   ANFI s tr u ctu r es.  T h r esu lts   ar d is cu s s ed   in   s ec tio n   s ev e n   an d   th c o n clu s io n   is   p r esen ted   in   s ec t io n   eig h t.       2.   P RO B L E M   ST A T E M E NT   T h er ar m an y   etio lo g ies o f   lo wer   lim b   in ju r y   an d   d ef o r m ity   in   I r aq ,   an d   c h o o s in g   to   r ec o n s tr u ctio n   o f   th l o wer   ex tr e m ity   an d   f o llo win g   an   am p u tatio n   p atie n ar v e r y   c h allen g f o r   b o t h   p r ac titi o n e r s   an d   p atien ts   d u to   th e   lack   o f   f in an cial  r eso u r ce s .   T h m ain   ch allen g f o r   th u s er   o f   h ip   a m p u tated   p r o s th esis   is   th at  th ey   r ely   o n   in s en s itiv jo in ts   d u r in g   am b u latio n ,   a lth o u g h   t h er ar e   m an y   ty p es   o f   ac tiv k n ee   in   p r o s th etic  ce n ter s   b ec au s m o s o f   th em   ar h ig h   e x p en s iv e.   T h m ai n   o b jectiv o f   th e   p r o p o s ed   s y s tem   is   t o   d esig n   lo wer   lim b   with   an   ef f ec tiv jo in ab o v k n ee   f o r   f em o r al  am p u tatio n   p atien ts ,   an d   to   co m p en s ate   th em   with   lo w - co s alter n ativ m ec h a n is m s   th at  ac h ie v a   h ig h   p r o p o r tio n   o f   b alan ce   an d   n o r m al   g ait .   I will   allo f o r   f u ll  r a n g o f   m o ti o n   wh ile  m ain tain in g   c o m f o r t   an d   s tab ilit y   to   with s tan d   r o u g h   ter r ain   a n d   o th e r   p h y s ical  d em an d s .       3.   P RO T O T YP E   ACT I V E   K NE E   L O WE L I M B   P RO ST H E SI S CO NS T RUC T I O N   Fig u r 1   s h o th e   s tr u ctu r e   o f   th e   im p lem en te d   ab o v k n ee   leg   p r o s th esis   wh ich   d esig n ed   at  t h Me ch atr o n ics  L ab o r ato r y   at  th Un iv er s ity   o f   Ker b ala E n g in ee r in g   C o lleg e,   Ker b ala.   I t   in clu d es  th b o d y ,   th ig h   with   s o ck et;  s h an k   co n n ec ts   d y n am ic  p r o s th eti f o o t a n d   ac tiv k n ee   jo in t.           Fig u r e1 .   Ab o v k n ee   p r o s th esis   p r o to ty p [ 2 1 ]       Fig u r 2 ( a)   s h o ws  th leg   p r o s th esis   as  d em o n s tr ate  as  th r ee   lin k s   m ec h an ical  s ch em e.   E ac h   jo in in g   r o d   ca n   b r ev o lv in g   in   th x - p la n ab o u t th y   ax is   as sh o wn   in   Fig u r 2 ( b ) .   B o d y   o f   th r o b o t is r ep r esen ted   b y   th e   co n n ec tin g   r o d   1 ,   wh er p o in t   is   g eo m etr ical   ce n ter   o f   m a s s .   J b   an d   M b   ar e   th m o m en t   an d   m ass   o f   in er tia  r esp ec tiv ely .   T h e   th ig h   is   r e p r esen ted   b y   th c o n n ec tin g   r o d   2   with   th g eo m etr ical  ce n ter   o f   its   m ass .   Fo r   a   q u ad r u p ed   r o b o t a t o p e r atio n   s p ac m o d el,   th o b jectiv is   th p o s itio n   c o n tr o l o f   th f o o t c o n tact  p o in t ( p o in t   D) ,   th er ef o r e,   th g e n er alize d   co o r d in ates w ill b as X  [ X D ; Z D   ; r ]   in   th o p e r atio n   s p ac e .   Als o ,   th v alu o f   r   ca n   b o v er l o o k e d   wh en   ca lc u latin g   Z D   b ec a u s o f   it m u c h   s m aller   th an   th h eig h t o f   t h l eg .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4 7 5 2       Desig n   a n   in tellig en t h y b r id   p o s itio n /fo r ce   co n tr o l fo r   a b o ve   kn ee   p r o s th esis   …  ( Mit h a q   N .   R a h ee ma )   677       ( a)   ( b )     F i g u r e   2 .   T h e s e   f i g u r e s   a r e ;   ( a )   a c t u a t e d   k n e e   j o i n t   i n   a   s a g i t t a l   p l a n e   o f   l e g   p r o s t h e s i s   a n d   ( b )   f r e e   b o d y   d i a g r a m s   o f   t h i g h   s e g m e n t s   a n d   s h a n k   f o r   t h e   d e r i v a t i o n   o f   d y n a m i c   e q u a t i o n s   o f   m o t i o n   a n d   i n v e r s e   k i n e m a t i c       4.   K I NE T I M O DE L L I NG   O F   T H E   P RO ST H E S I S SY ST E M   Du r in g   th e   d esig n   o f   an   ac tu a tio n   s y s tem ,   th elem en tar y   k in etic  p er f o r m an ce s   ca n   b p r o v id ed   b y   th an aly s es  o f   th v elo cities,  d is p lace m en ts   in   ad d itio n   to   th f o r ce s .   Fo r   d y n am ics  s y s tem   an aly s es,  a   p r ec is k in etic  m o d el  is   n ec e s s a r y   an d   it  ca n   b estab lis h ed   d ep en d   o n   g o o d   u n d er s tan d in g   o f   b o t h   th e   m ec h an ical  an d   elec tr ical  p r o p er ties   o f   th d y n am ics s y s tem   [ 2 2 ] - [ 2 5 ] .     4 . 1 .       M o dellin g   a na ly s is   o f   t he  lo wer   lim b pro s t hes is     h u m an   lo wer   lim b   o r   leg   p r o s th esis   ca n   b m o d elled   as  f r am ewo r k   o f   r o b o tics   m an ip u lato r   with   r ig id   lin k a g e.   L ag r an g ian   f o r m u latio n   is   u s ed   in   t h is   p ap er   to   o b tain   th e q u atio n   o f   m o tio n   f o r   a   s y s tem   with   k in em atic  m o d el  an d   s o lv e   th in v e r s d y n am ics  o f   th s y s tem   wh ich   is   im p o r tan f o r   m o m en t   co n tr o o f   ac tiv e - k n ee   p r o s th esis   ac tu ato r .     4 . 2 .       K inem a t ic  m o del a na ly s is   T h p r o s th esis   leg   ca n   b m o d elled   as  s ch em o f   t h r ee   p ar ts f o o t,  s h an k ,   an d   t h ig h   as   s h o wn   in   Fig u r 2 .   I t’ s   k in em atic  m o d el,   d iv id in g   th b o d y   in to   tw o   h alv es  lef an d   r ig h p ass in g   f r o m   an ter io r   to   p o s ter io r   in   s ag ittal p lan e .   T h er ar s o m ass u m p tio n s   in   th k in em atic  an aly s is   s u ch   as :     B ased   o n   a n th r o p o m etr ic   d ata   in   [ 2 4 ] ,   le n g th s   o f   lin k s   ar e:   s h an k   len g th   l s   0 . 4 1 8 2 m ,   th i g h   len g th   l t   0 . 4 1 6 5 m ,   a n d   l f   0 . 0 9 8 1 m   wh i ch   r ep r esen ts   len g t h   f r o m   an k le  to   m etata r s al.     T h leg   b ase  is   p lace d   at  th h ip   jo in O ( x A , z A ) ,   with   th k n ee   jo in at  O ( x A , z A ) ,   th an k le  jo in t   at   O ( x A , z A )   an d   th f o o t a t   O  ( x F , z F ) .     R ev o lu te  ty p is   ch o s en   f o r   a ll  jo in ts   with   k n o wn   in itial  v alu es  an d   b o u n d ar ies  o f   a n g le s   f o r   h ip ,   k n ee ,   an d   f o o t ( h k a )   ar k n o w n .     T h g o al  p o s itio n   h as a v ailab l co o r d i n ates.     4 . 2 . 1   F o rwa rd  k inem a t ics mo del   T h p o s itio n   a n d   th e   o r ien t atio n   o f   t h f o o p r o s th esis   ca n   b d eter m in e d   u s in g   th f o r war d   k in em atic.   Nu m er o u s   an aly tic al  a nd   g e o m etr ical  m eth o d s   h a v b ee n   s u g g ested   to   r eso lv t h k in em atics.  T h e   tr an s f o r m atio n   in   t h r ef er e n ce   s y s tem   ca n   b r ep r esen ted   in   h o m o g en eo u s   m atr ix   b y   u s in g   Den av it - Har ten b er g s   p r o ce s s   [ 2 4 ] .   T h u s ,   f o r   th e   leg   in   th e   s ag ittal p lan th f o r war d   k in e m atic  m o d el  is :      =    +  ( )  ( )   ( 1 )      =    +  ( ) +  ( )   ( 2 )     = (  2 +  2 ) 1 / 2   ,   1 = ( 2 + 2 + 2    ) 1 / 2   ,   2 = ( 2 + 2 + 2    ) 1 / 2   ( 3 )     =     ,   = 2 1     , =     ( 4 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  23 ,   No .   2 Au g u s t   20 21 6 75   -   6 85   678   4 . 2 . 2   I nv er s k ine m a t ics mo del   I ca n   b e   u s ed   to   d ete r m in t h jo in t   an g les  t h at  im p lem e n th d ef in ite  p o s itio n   o f   f o o t   p r o s th esis .   T h f o llo win g   a n aly tical  s o lu tio n s   ca n   b u s ed ,   in   wh ich   th f in al   p o s itio n   an d   th o r ie n tatio n   o f   f o o a r e   p r ed eter m in e d     =   (      ) 2 + (      ) 2 2 2 2   ( 5 )     = a rct a n [ (     ) (     ) 1 ] +  ( 2 2 + (       ) 2 + (       ) 2 ) ( 2 ( (       ) 2 + (       ) 2 ) 1 / 2 ) 1   ( 6 )     = + 2 1   ( 7 )     4 . 3 .       D y na m ic  m o del a na ly s i s     Hip   an d   k n ee   t o r q u e,   wh ich   ar im p o s ed   b y   f o r ce s   ac tin g   th r o u g h   th ten d o n s   an d   lig a m en ts ,   ar p r esen ted   b y     an d     an d     r e p r esen th h o r izo n tal  a n d   v er tical  co m p o n en ts   o f   g r o u n d   r ea ctio n   f o r ce .    an d      r ep r esen th f o r c e s   ac tin g   o n   th f em o r al  h ea d   th at  ar ap p lied   b y   th s o ck et.   As  s h o wn   in     Fig u r 2 ( b ) ,   th m o d el  o f   h u m an   lo wer   lim b   ca n   b e   s im p lifie d   to   p la n ar   s er ial  r o b o ti m an ip u lato r .   T h e   in v er s d y n am ics co m p u tatio n   o f   th is   r o b o t c an   b d e v elo p e d   u s in g   th L ag r an g ian   en e r g y   m eth o d   [ 2 1 ] .   New to n s   Seco n d   L aw  is   u s ed   to   d er iv e   d y n am ic  eq u a tio n s   o f   th p r o p o s ed   leg   m o tio n   an d   L ag r an g ia n   m ec h an ics  to   v er i f y   th e m .   An t h r o p o m etr ic  d ata   [ 2 6 ]   is   u s ed   f o r   all   m ass es  an d   m ea s u r em e n ts .   d o u b le   in v er te d   p en d u lu m   is   u s ed   to   s y m b o lize  t h d y n am i cs  m o tio n   o f   th p r o p o s ed   le g .   Fig u r e   2 ( b )   s h o ws  th p r o s th esis   an d   th r esid u al   leg   s y m b o lized   as  two   p iece s .   T h ese  two   p iece s   ar co n n ec t ed   b y   k n ee   h in g e   jo in t.  T h e   lo wer   p iece   r ev o lv es  ar o u n d   a n   o r ig in   o f   th e   w o r ld   c o o r d in ate  s y s tem   as   p iv o t   p o in t   o n   th e   g r o u n d .   T h s tr u ctu r is   r e p r esen ted   b y   L ag r an g ian   as  t h d if f e r en ce   b etwe en   th e   k i n etic  an d   p o ten tial  en er g ies [ 2 6 ] .   So ,   th e   L ag r a n g m o v em e n t e q u atio n   is :      (  ̇ ) (  ̇ ) =   ( 8 )     T h m atr ix   r e p r esen tatio n   is   a s :     ( ) ̈ + ( , ̇ ) ̇ + ( ) =   ( 9 )     T h er eb y ,   we  g et  th h ip   an d   k n ee   to r q u eq u atio n s   as f ello w:     =  [  ̈ + ̈ + ( ̈ + ) ] + [ ̈ + ̈ + ( ̈ + ) ] +  [  ̈ + + ̈ + ̈ + ( ( ̈ + ̈ ) + ( ̇ 2 + ̈ ) ) ] + ̈ + ̈   ( 1 0 )     =  [  ̈ + ̈ + ̈ + ̈ ̇ 2 + + ] + ̈ ( )   ( 1 1 )     w h er e ,   h ip   to r q u e,   Kn ee   to r q u e,   g Acc eler atio n   g r a v ity ,     an d   Ma s s   th ig h   an d   s h an k   r esp ec tiv ely ,     an d   L en g th   t h ig h   an d   s h an k   s eg m en t   r esp ec tiv ely ,    C en ter   len g th   th ig h   s eg m en t,   C en ter   len g th   s h an k   s eg m en t,   c os s in c os s in c os ( ) s in ( ) ,   an d   + s in ( + ) .   B o th   m o d els  ( i.e .   Kin em atics   an d   Dy n am ics)   ar b ased   o n   h u m an   b io m ec h an ics,  an d   lin k   lo wer   lim b s   len g th s   an d   its   m ass e s .   Fu r th er m o r e ,   Gr o u n d   R ea ctio n   Fo r ce s   ( GR F)  an d   p o s itio n s   ar o b tain ed   f r o m   an th r o p o m etr ic  m ea s u r em en t s   an d   g ait  cy cle   d ata  e x p er i m en tally   ( m o tio n   ca p tu r e   s y s tem ,   f o r ce   p lates  eq u ip m en t)   [ 2 6 ] .   T h f lo d iag r am   o f   th ex p er im en tal  s etu p ,   in v o lv i n g   m o tio n   ca p t u r m ea s u r em e n ts ,   in v er s k in em atics a n d   i n v er s d y n am ics an aly s es is   d escr ib ed   in   Fig u r 3 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4 7 5 2       Desig n   a n   in tellig en t h y b r id   p o s itio n /fo r ce   co n tr o l fo r   a b o ve   kn ee   p r o s th esis   …  ( Mit h a q   N .   R a h ee ma )   679       Fig u r 3 .   T h f lo d iag r am   o f   th ex p er im e n tal  s etu p       5.   CO NT RO L   O F   H YB RID P O SI T I O N / F O RCE   I n   g ait  co n tr o l,  t h p o s itio n ,   f o r ce   an d   s p ee d ,   a r th p ar a m eter s   th at  ca n   b ch an g es  o r   co n tr o to   h av th f in al  g o al,   th g ait  p r o ce s s   f o r   th am p u tee  p er s o n .   D.   A.   Kad h im   et  a l .   [ 2 7 ] ,   t h e   wo r k   was  d o n b y   u s in g   t h ANFI co n tr o ller s   th at  r eg u late  th g r o u n d   f o r ce ,   s im u latin g   th f lex io n - e x ten s io n   an g le  v al u es  an d   th m o m en o f   DC   m o to r   f o r   th d esig n ed   ac tiv k n ee .   T h g ait  lab o r ato r y   was  u s ed   to   co llect  th ex p er im en tal   m o tio n   d ata   o f   t h r e v o lu te   k n ee   jo in t,   an d   th en   th e   ANFI co n tr o ller   tr a n s f o r m   th em   to   j o in t   an g les.  W h ile  in   th is   p ap er ,   p o s itio n / f o r ce   co n tr o ller   was  u s ed   b y   Hy b r id   ANFI S / PID   s y s tem   to   ac co m p lis h   th g ait  p r o ce s s ,   as  s h o wn   i n   Fig u r 4 .   T h ar ch itectu r o f   th p r o p o s ed   h y b r id   p o s iti o n / f o r ce   co n tr o ller   ef f o r ts   to   s o lv th e   f o llo win g :     C o n tr o l o f   f o o t p o s itio n   o n   th e   d ir ec tio n s   o f   t h n atu r al  r estra in t f o r ce .     C o n tr o l o f   f o o t f o r ce   o n   th d i r ec tio n s   o f   th n atu r al  r estra in t   p o s itio n .     Sin g le  s y s tem   to   im p lem en t th ese  m o d es b y   co m b in atio n   o f   t h d eg r ee s   o f   f r ee d o m .   W ith   th ab o v p lan ,   th d esire d   task   s p ac will  s p ec i f y   d ir ec tio n s   o f   f o r ce s   b ased   o n   th e   en v ir o n m en f o r   th m o v em e n o f   t h e n d   e f f ec to r ,   an d   th e   o th er   d ir ec tio n s   f o r   th d esire d   p ath   in ,   as  s h o wn   in   Fig u r 4 .   So ,   th task   s p ac e   is   s ep ar ated   in to   f o r ce   co n tr o s u b s p ac an d   a   p o s itio n   c o n tr o s u b s p ac e.   An d   th en ,   h y b r i d   co n tr o s tr u ct u r d esig n ed   with   two   p ar allel   lo o p s ,   o n e   f o r   f o r ce   c o n tr o l   an d   th o th er   f o r   p o s itio n   co n tr o l.  Ou tp u ts   o f   th ese  two   p ath s   ar en ter ed   to   a   s u m m in g   cir cu it  b ef o r b ein g   s en to   th f o o in   th f o r m   o f   a   to tal  co n tr o l   s ig n al.   Actu ally ,   ea ch   jo in p er f o r m s   b o th   co n tr o ls   ( f o r ce   an d   p o s itio n ) ,   th is   s y n ch r o n ize d   ac tio n   o f   th ese   co n tr o ls   m ay   ca u s an tag o n is m ,   as  th s am ac tu ato r   r ec eiv two   d if f er en co n tr o s ig n als.  So ,   a   d iag o n al   s elec tio n   m at r ix   ( S)  is   u s ed   t o   av o id   co n f lict  b etwe en   th em .   m atr ix   will  g iv e   th ca p ab ilit y   to   s elec t th ty p o f   co n tr o l e ith er   f o r ce   o r   p o s itio n .   T h f o r m   o f   th h y b r id   c o n tr o ller   s ig n al  is :     = ( ) [ ( ) + ( ) ( ) ̇ ]   ( 1 2 )     wh er e,   ×   i s   d iag o n al  m atr ix   in clu d in g   o f   1   a n d   0 ,   wh ich   p r o v id a d d r ess   f o r   c o n tr o f o r ce   an d   p o s itio n .   ×   r ep r esen ts   an   id en t ity   m atr ix .   ×   ar th co n tr o ller   p ar am eter s ×   r ep r esen ts   p r o p o r tio n al  g ain s   o f   p o s itio n   an d   f o r ce .   ×   co r r esp o n d s   to   th d er iv ativ g ain   r el ativ to   th v elo city   o f   th leg   f o o as  an   en d   e f f ec to r .     is   th to r q u e.     is   r ig id   en v ir o n m e n f o r ce .     is   th d esire d   g r o u n d   r ea ctio n   f o r ce .     is   h o r i zo n tal  p o s itio n   f o o t.           Fig u r 4 .   T h s u g g ested   c o n tr o l sch em es   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  23 ,   No .   2 Au g u s t   20 21 6 75   -   6 85   680   6.   DE S I G O F   CO NT RO L L E R   6 . 1 .       C o ntr o ller  des ig n us ing   P I s t ra t eg y   T o   b ab le  to   co n tr o m o tio n   leg   p r o s th esis   p r o ce s s ,   th p r ec is p o s itio n /f o r ce   o f   f o o leg   n ee d s   to   b m ea s u r ab le  a n d   m ai n tain e d .   T h d esig n ed   s y s tem   s h o u ld   r esp o n d   to   th e   ap p lied   in p u with   s u itab le  o v er s h o o t a   s ettlin g   tim an d   a   ze r o   s tead y   s tate  er r o r   as p o s s ib le.   T o   s im p lify   th e   co n tr o l d esig n   an d   an al y s is ,   two   s u g g ested   co n tr o ller   PID   an d   ANFI with   p ar am eter s   f o r   leg   p r o s th esis   will  b p r o p o s ed .   As  in   m an y   o f   co n tr o a n d   r eg u lato r   a p p licat io n s   [ 2 8 ] - [ 3 0 ]   it’s  im p o r tan t o   ac h iev e   tig h t   v o ltag e   o r   cu r r en r e g u latio n   an d   g o o d   d y n am ic  p e r f o r m an ce .   B ec au s o f   its   s tr en g th   an d   in d ir ec tly ,   th er ar m an y   co n tr o ap p licatio n s   th at  ar co m m o n l y   u s ed   th PID   co n tr o ller .   I n   th f ield   o f   en g in ee r in g ,   PID   co n tr o ller s   h a d   b e en   ar o u n d   f o r   lo n g   tim an d   th th r ee   co n t r o ller   g ain   p ar am eter s   ar t y p ically   s et.   B u th d r awb ac k   o f   th e   PID   co n tr o ller   is   th a t   in   d ea lin g   with   d e v ice  in s tab ilit y ,   wh ich   is   p ar am eter   v ar iatio n s   an d   ex ter n al  d is r u p tio n ,   it  is   ter r ib le,   th er ef o r e,   t h co m b in ati o n   o f   PID   an d   ANFI co n tr o ller s   is   s u g g ested   in   th is   s tu d y   to   ac h iev m ar g in ally   b etter   o u tp u t   r ath er   th an   th e   P I co n tr o ller   a n d   ANFI co n t r o ller   alo n e.   T h e   tr an s f er   f u n c tio n   o f   PID   co n tr o is   g iv en   b y :     ( + + ) = 2 + +     ( 1 3 )     wh er e,     an d     ar th p r o p o r tio n al,   in te g r al,   a n d   d er iv a tiv g ain s   r esp ec tiv ely .   An o t h er   u s ef u l   eq u iv alen t f o r m   o f   th PID   c o n tr o ller   is   in   th f o r m :     ( + + ) = 2 + +   = ( 2 + + ( 1 ) )   ( 1 4 )     wh er e,   =   an d   =   ar k n o wn   as  i n teg r al  an d   d er iv ativ e   tim c o n s tan r esp ec tiv ely .   I n   d esig n   PID   co n tr o ller   s tr ateg y   th tu n in g   PID   p ar am eter   is   u s ed   with   d ep en d in g   o n   s o m r u les r elate d   to   er r o r   s ig n al  ( )   o f   in p u an d   o u tp u d a ta.   W h en   th ( )   is   p o s itiv an d   in cr ea s e,   it  m ea n s   th p r o p o r t io n al  g ain     b h ig h ,   in te g r al  co ef f icien g ain     lo an d   th d e r iv ativ co ef f icien g ain     is   lo w,   o n   th co n tr ar y ,   wh en   th ( )   d ec r ea s an d   ap p r o ac h   to   ze r o   t h PID   p ar am ete r s   h av to   b s m aller   v alu f o r   p r o p o r ti o n al   g ain   ,   lar g er   v alu e   o f   in te g r al  t im co n s tan   an d   lar g er   v alu o f   d er i v ativ co ef f icien t g ain   .     6 . 2 .       Desig n o f   ANF I S c o ntr o ller    co n tr o ller   b ased   o n   ANFI was  s u g g ested   to   co n tr o th e   o p er atio n   o f   th e   d esig n e d   Activ k n ee   b y   r eg u late  th f o r ce   o f   its   DC   m o to r .   I co m p r is es  n u m er o u s   f u zz y   p r o ce d u r es  s u ch   as:  in f er en ce   p r o ce s s ,   k n o wled g b ase  in   ad d itio n   t o   f u zz if icatio n   an d   d ef u zz i f icatio n   o f   d ata  f o r   Su g en o - ty p f u zz y   in f e r en ce   s y s tem   ( FIS)   Gau s s ian   m em b er s h ip   f u n ctio n s   ( MFs)  ar e   u s ed   wh ich   tu n ed   b y   th e   NN  lear n in g   p r o ce s s   with   in p u t - o u tp u t tr ain i n g   d ata.   I n   th is   w o r k ,   th e   co llected   “X co o r d in ates - f o r ce   d ataset  i s   u s ed   as  t h in p u t - o u tp u t   d at to   t r ain   ANFI co n tr o ller   in   o r d er   to   s im u late  f o r ce   as  an   o u t p u s ig n al.   I n   t h s tag o f   f u zz if ica ti o n ,   th lin g u is tic  v ar iab les  ( +B,  +M ,   +S,   Z ,   - S,   - M,   an d   - B )   ar u s ed   to   r ep r esen th cr is p   XY  in p u d ata  v alu es  as  s h o wn   in   T ab le  1 .   T h ese  f ac t o r s   wer e n ter ed   to   th e   s tag o f   r u le   b as ed   to   g en er ate   s et  o f   7 ×7 = 4 9   I F - T HE r u les,  as   s h o wn   in   T ab le  2 .   T h b a ck   p r o p a g atio n   tr ain in g   alg o r ith m   is   u s ed   to   g en er ate  th f o r c s ig n al  as  d esire d   o u tp u b y   s elec tin g   th p r o p e r   r u les  th r o u g h   th lear n in g   p r o ce s s .   T h co n t r o d ec is io n s   will  b g en er ate d   in   th p r o ce s s   o f   i n f er en ce ,   b ased   o n   T a b le  2 .   C en tr o f   g r av it y   m eth o d   i n   th e   d ef u zz if icatio n   s tag was  u s ed   to   r ec eiv th lin g u is tic  co n tr o l o u tp u t,  an d   th en   g en er ate  t h f o r ce   d ata  as c r is p   v alu es.       T ab le  1 .   Fu zz if icatio n   p r o ce s s   lin g u is tic  v ar iab les   S a mp l e   -   Z   +   B   M   S   M e a n i n g   N e g a t i v e   Ze r o   P o si t i v e   B i g   M i d d l e   S mal l       T ab le  2 .   Fu zz y   p ar am eter s   r e p r esen tatio n   as a   r u le’ s   m atr ix     Y   X   +B   +M   +S   Z   - S   - M   - B   +B   +B   +B   +B   +B   +M   +S     Z   +M   +B   +B   +M   +M   +S     Z   - S   +S   +B   +M   +S   +S     Z   - S   - M   Z   +B   +M   +S     Z   - S   - M   - B   +S   +M   +S     Z   - S   - S   - M   - B   +M   +S     Z   - S   - M   - M   - B   - B   +B     Z   - S   - M   - B   - B   - B   - B   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4 7 5 2       Desig n   a n   in tellig en t h y b r id   p o s itio n /fo r ce   co n tr o l fo r   a b o ve   kn ee   p r o s th esis   …  ( Mit h a q   N .   R a h ee ma )   681   7.   RE SU L T   I n   t h i s   e x a m i n a t i o n ,   t h e   f o r c e - p l a t e   w a s   i n i t i a t e d   u t i l i z i n g   f o o t   p r e s s u r e   a s   i n p u t   i n f o r m a t i o n   f o r   a l l   t e s t s .   T h e   i n f l e x i b i l i t y   a n d   h a m p e r i n g   b o u n d a r i e s   o f   t h e   r e v o l u t e   l o w e r   l e g   j o i n t   w e r e   c h a r a c t e r i z e d   t o   b y   i n t e r p r e t a t i o n   i n   t h e   x   a n d   y   a x e s .   F i g u r e   5   s h o w s   t h e   X Y   d a t a   p r o d u c e d   b y   c y c l e   o n   t h e   f o r c e   p l a t e   d e v i c e   b y   t h e   a m p u t e e ,   a n d   t h v a l u e s   o f   t h e   m e a s u r e d   f o r c e .   F i g u r e   5 ( a )   s i g n i f i e s   t h e   a n k l e   t r a n s f o r m a t i o n   t r a j e c t o r y   i n   t h e   X   a n d   Y   a x e s   j o i n t .   F i g u r e   5 ( b )   s h o w s   t h e   h e e l   f o o t   s e c t i o n   s i m u l a t e d   b y   g r o u n d   r e a c t i o n   f o r c e s   a d a p t i v e   n e u r o - f u z z y   c o n t r o l l e r   w a s   c r e a t e d   w i t h   a   g e a r   b o x ,   f o r c e / p o s i t i o n   u t i l i z i n g   a   D C   e n g i n e .   M A T L A B   2 0 1 8 b   w a s   u t i l i z e d   t o   r e p r o d u c e   t h e   w o r k   o f   t h e   f r a m e w o r k   a n d   t o   p r e p a r e   t h e   a d a p t i v e   n e u r o - f u z z y   s y s t e m s   w i t h   t h e   t r i a l   X Y   c o o r d i n a t e s - f o r c e .   T h e   s t r u c t u r e   o f   t h e   n e u r o - f u z z y   s y s t e m   c o m p r i s e d   o f   2 - 4 - 1   n e u r o n s   a t   t h e   i n p u t - h i d d e n - o u t p u t   l a y e r s ,   a s   a p p e a r e d   i n   F i g u r e   6 .   T h e   s u r f a c e   p l o t   f o r   t h e   f o r c e   v a l u e s   a s   a   f u n c t i o n   o f   X Y   r e g i o n s   w a s   s h o w n   i n   F i g u r e   7           ( a)   ( b )     Fig u r 5 .   T h ese  f ig u r es a r e;  ( a )   ex p er im e n tally   m ea s u r ed   XY  co o r d in ate  v alu es a n d   ( b )   c o llected   f o r ce   d ata             Fig u r 6 .   Fiv lay e r s   o f   ANFI S a r ch itectu r e     Fig u r 7 .   Ou t p u t f o r ce   s u r f ac e   p lo t       T h p er f o r m an ce   o f   ea c h   co n tr o ller   ca n   b e   test ed   d ep en d ed   o n   th o u tp u r esp o n s as  s h o wn   in   th e   Fig u r 8 .   Fig u r 8 ( a)   s h o ws  th m ea s u r ed   f o r ce   an d   th s im u lated   f o r ce s   f r o m   b o t h   th PID   an d   ANFI S   co n tr o ller s .   Fro m   Fig u r 8 ( b ) ,   ( c)   o n ca n   s ee   th at  th p er f o r m a n ce   o f   ANFI is   b etter   th an   PID   at  th tr an s itio n   r eg io n s   as  d en o ted   b y   r e g io n   1   a n d   r eg io n   2   at  Fig u r 8 ( a ) .   Als o ,   th is   clea r l y   o b s er v e d   f r o m   t h er r o r   m ea s u r em e n s h o wn   in   Fig u r 9   er r o r   was  ca lcu lated   b y   th d if f er e n ce   b etwe en   th m ea s u r ed   f o r ce   an d   th ac tu ated   o u t p u o f   ea c h   co n tr o ller .   Fro m   Fig u r 9 ( a ) ,   it  i s   s h o wn   th at  th er r o r   o b tain e d   b y   PID   co n tr o ller   is   th m in im u m   at  s o m s tep s ,   wh ile  th at  er r o r   o f   ANFI is   th m in im u m   at  o th er   d if f er e n s tep s   as  s h o wn   b y   th s tr aig h lin d r awn   at  th e   zo o m in g   r e g io n   s h o wn   in   Fig u r 9 ( b ) .   Fu r t h er m o r e,   t h er r o r   m ea s u r ed   f o r   th e   two   co n tr o ller s   wer ac c ep ta b le  v alu es  esp ec ially   with   t h p r ac tical  f o r ce s   am o u n ts   u s ed .   Usu ally ,   th p r ev io u s   wo r k s   t h at  u s ed   two   d if f er en t   co n tr o ller s ,   th e   av er a g is   tak en   f o r   t h tw o   o u t p u t s th is   s ch em was   s im u lated   as sh o wn   in   Fig u r 1 0 .   T h e   av er a g ed   r esu lt sh o as a   th ir d   o u t p u t b etwe en   t h t wo   co n tr o l sig n als.   F i n a l l y ,   t h e   p r o p o s e d   h y b r i d   s c h e m e   i n   t h i s   w o r k   w as   b as ed   o n   a   d e c is i o n   ci r c u i t h a ch o o s e s   o n s i g n a l   f r o m   t h e   c o n t r o l l e r   t h a h a s   t h e   s m a l le s t   e r r o r .   T h e   h y b r i d   c o n t r o l   s y s t e m   r e s u l t   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 1 .   T h e   e f f i c i e n c y   o f   t h e   p r o p o s e d   c o n t r o l l e r   h a s   b e e n   e x a m i n e d   b y   t h e   r e a l   c o l l e c t e d   d a t a   t h r o u g h   s i m u l a t i o n   f o r   0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 - 3 0 - 2 5 - 2 0 - 1 5 - 1 0 -5 0 5 10 15 20 Y ( X ) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 200 300 400 500 600 700 800 E x p e r i m e n t a l F o r c e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  23 ,   No .   2 Au g u s t   20 21 6 75   -   6 85   682   t h e   g a i c y c l e .   T h f o r ce   tr ac k in g   r esp o n s o f   th p r o p o s ed   f o r ce /p o s itio n   co n tr o ller   b ased   o n   h y b r id   ANFI S - PID   s ch em is   s h o wn   in   th Fig u r 1 1 .   I is   o b v io u s ly   illu s tr atin g   th at  th im p lem en ted   h y b r id   c o n tr o ller   is   p r o f icien s u f f icien to   tr ac k   t h wan ted   p at h   with   m in im u m   er r o r .   T h e   n ew  alg o r ith m   is   p r o p o s e d   to   c o n tr o l   th k n ee   jo in b ased   o n   th s en s o f   th f o o t' s   p o s itio n   in   o r d er   to   g et  v er y   clo s to   th n atu r al  g ait.   T h e   p r o p o s ed   alg o r ith m   d if f e r s   f r o m   p r ev io u s   liter atu r es  wh er it  lim its   wh er e   th g ait  p o s itio n   er r o r s   wer e   m ea s u r ed   u s in g   p o s itio n   s en s o r   to   b o th   PID   an d   ANFI co n tr o ller s ,   th en   th lo west  er r o r   was  u s ed   as  in s tan tan eo u s   co n tr o l.           ( a)   ( b )         ( c)     Fig u r 8 .   T h ese  f ig u r es a r e;  ( a )   fo r ce   m ea s u r em en ts   o f   s im u lated   PID   an d   ANFI S c o n tr o ller s   co m p ar ed   with   th co llected   f o r ce   d ata;  ( b )   zo o m in g   o f   r e g io n   A;  ( c )   zo o m in g   o f   r eg io n   B           ( a)   ( b )     Fig u r 9 .   T h ese  f ig u r es a r e;  ( a )   er r o r   m ea s u r em e n ts   o f   PID   a n d   ANFI S c o n tr o ller s   an d   ( b )   zo o m in g   r eg io n   0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 T i m e F o r c e F o r c e   M e a s u r e m e n t s     M e a s u r e d   F o r c e S i m u l a t e d   P I D   F o r c e S i m u l a t e d   A N F I S   F o r c e 1 9 2 0 1 9 3 0 1 9 4 0 1 9 5 0 1 9 6 0 1 9 7 0 1 9 8 0 1 9 9 0 2 0 0 0 3 0 6 3 0 8 3 1 0 3 1 2 3 1 4 3 1 6 3 1 8 T i m e F o r c e F o r c e   M e a s u r e m e n t s     M e a s u r e d   F o r c e S i m u l a t e d   P I D   F o r c e S i m u l a t e d   A N F I S   F o r c e 3 9 1 4 3 9 1 6 3 9 1 8 3 9 2 0 3 9 2 2 3 9 2 4 3 9 2 6 3 9 2 8 6 7 0 6 8 0 6 9 0 7 0 0 7 1 0 7 2 0 T i m e F o r c e F o r c e   M e a s u r e m e n t s     M e a s u r e d   F o r c e S i m u l a t e d   P I D   F o r c e S i m u l a t e d   A N F I S   F o r c e 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 - 5 0 0 50 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 T i m e E r r o r E r r o r   M e a s u r e m e n t s     E r r o r   b y   P I D   C o n t r o l l e r E r r o r   b y   A N F I S   C o n t r o l l e r 5 6 9 0 5 6 9 5 5 7 0 0 5 7 0 5 5 7 1 0 - 0 . 5 0 0 . 5 1 T i m e E r r o r E r r o r   M e a s u r e m e n t s     E r r o r   b y   P I D   C o n t r o l l e r E r r o r   b y   A N F I S   C o n t r o l l e r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4 7 5 2       Desig n   a n   in tellig en t h y b r id   p o s itio n /fo r ce   co n tr o l fo r   a b o ve   kn ee   p r o s th esis   …  ( Mit h a q   N .   R a h ee ma )   683       ( a)   ( b )     Fig u r 1 0 .   T h ese  f ig u r es a r e;  ( a)   f o r ce   m ea s u r em en ts   o f   s im u lated   PID ,   ANFI S a n d   a v er a g co n tr o ller s   co m p ar ed   with   th co llected   f o r ce   d ata  an d   ( b )   z o o m in g   r eg io n           ( a)   ( b )         ( c)     Fig u r 1 1 .   T h ese  f ig u r es a r e;  ( a)   f o r ce   m ea s u r em en ts   o f   s im u lated   PID ,   ANFI S a n d   p r o p o s ed   h y b r id   co n tr o ller s   co m p ar ed   with   t h co llected   f o r ce   d ata;  ( b )   zo o m i n g   o f   r eg io n   A;  ( c)   z o o m in g   o f   r eg io n   B       8.   CO NCLU SI O N     T h i s   w o r k   r e f l e c t s   t h e   m a t h e m a t i c a l   c a l c u l a t i o n ,   s o f t w a r e   a n d   h a r d w a r e   p a r t s   o f   t h e   p o s i t i o n / f o r c e   c o n t r o l   a p p r o a c h   f o r   g o v e r n   a n   e f f i c i e n t   k n e e   j o i n t   i n   a n   a c t i v e   l o w e r   l i m b   p r o s t h e s i s .   T h e   p r o p o s e d   s c h e m e   h a s   b e e n   c o n f e r r e d   a n d   p r a c t i c a l l y   t e s t e d .   T h e   f i n e s t   e x e c u t i o n   c o m b i n e d   p o s i t i o n / f o r c e   p a r a m e t e r s   w e r e   o b t a i n e d   b y   h y b r i d   A N F I S - P I D   c o n t r o l l e r ,   w h e r e   i t   i s   a   g o o d   m e t h o d   t o   r e c o v e r   t h e   a d a p t a t i o n   f o r   t h e   n o n l i n e a r   s c h e m e   s i t u a t i o n .   A c c o r d i n g   t o   t h e   r e s u l t s ,   t h e   p r o p o s e d   h y b r i d   A N F I S - P I D   c o n t r o l l e r   h a s   t h e   c a p a b i l i t y   t o   a p p r o x i m a t e   n o n l i n e a r   f u n c t i o n   s u c h   a s   b i o m e c h a n i c a l   p a r a m e t e r s   g a i t   c y c l e   m o d e l   b e s t   t h a n   t h e   P I D   c o n t r o l l e r .   B o t h   c o n t r o l l e r s   w e r e   i m p l e m e n t e d   a n d   e x a m i n e d   t o   c o m p a r e   t h e   s t r e n g t h   a n d   e f f i c i e n c y   b e t w e e n   e a c h   c o n t r o l l e r   a l o n e   a n d   t h e   p r o p o s e d   0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 T i m e F o r c e F o r c e   M e a s u r e m e n t s     M e a s u r e d   F o r c e S i m u l a t e d   P I D   F o r c e S i m u l a t e d   A N F I S   F o r c e S i m u l a t e d   A v e r a g e   F o r c e 5 6 9 0 5 6 9 5 5 7 0 0 5 7 0 5 5 7 1 0 6 9 7 6 9 7 . 2 6 9 7 . 4 6 9 7 . 6 6 9 7 . 8 6 9 8 6 9 8 . 2 6 9 8 . 4 6 9 8 . 6 6 9 8 . 8 6 9 9 T i m e F o r c e F o r c e   M e a s u r e m e n t s     M e a s u r e d   F o r c e S i m u l a t e d   P I D   F o r c e S i m u l a t e d   A N F I S   F o r c e S i m u l a t e d   A v e r a g e   F o r c e 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 T i m e F o r c e F o r c e   M e a s u r e m e n t s     M e a s u r e d   F o r c e S i m u l a t e d   P I D   F o r c e S i m u l a t e d   A N F I S   F o r c e S i m u l a t e d   H y b r i d   F o r c e 1 9 6 0 1 9 6 5 1 9 7 0 1 9 7 5 3 0 4 3 0 6 3 0 8 3 1 0 3 1 2 3 1 4 3 1 6 3 1 8 3 2 0 T i m e F o r c e F o r c e   M e a s u r e m e n t s     M e a s u r e d   F o r c e S i m u l a t e d   P I D   F o r c e S i m u l a t e d   A N F I S   F o r c e S i m u l a t e d   H y b r i d   F o r c e 3 9 2 0 3 9 2 2 3 9 2 4 3 9 2 6 3 9 2 8 3 9 3 0 3 9 3 2 3 9 3 4 3 9 3 6 6 7 8 6 8 0 6 8 2 6 8 4 6 8 6 6 8 8 6 9 0 6 9 2 T i m e F o r c e F o r c e   M e a s u r e m e n t s     M e a s u r e d   F o r c e S i m u l a t e d   P I D   F o r c e S i m u l a t e d   A N F I S   F o r c e S i m u l a t e d   H y b r i d   F o r c e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  23 ,   No .   2 Au g u s t   20 21 6 75   -   6 85   684   h y b r i d   A N F I S - P I D   c o n t r o l l e r .   C o n s e q u e n t l y ,   f r o m   t h e   s y s t e m   r e s p o n s e ,   i t   i n t i m a t e s   t h a t   t h e   p r o p o s e d   c o n t r o l l i n g   s y s t e m   i s   m o r e   f o r c e f u l   a s   i t   c a n   a d j u s t   e a r l i e r   e v e n   w h e n   t h e r e   a r e   f l u c t u a t i o n s   e m p l o y e d   t o   t h e   s t r u c t u r e   r e l a t i v t o   t h e   e a c h   P I D   o r   A N F I S   a l o n e .   W h e r e ,   a t   t h e   t r a n s i t i o n ,   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   A N F I S   i s   b e t t e r   t h a n   P I D ,   a l s o   t h i s   v i s i b l y   d e t e c t e d   f r o m   t h e   e r r o r   m e a s u r e m e n t ,   t h e   e r r o r   a c h i e v e d   b y   P I D   c o n t r o l l e r   i s   t h e   m i n i m u m   a t   s o m e   s t e p s ,   w h e r e a s   t h a t   e r r o r   o f   A N F I S   i s   t h e   m i n i m u m   a t   o t h e r   d i f f e r e n t   s t e p s .   A l s o ,   t h e   e r r o r s   m e a s u r e d   w i t h   t h e   t w o   c o n t r o l l e r s   w e r e   s a t i s f a c t o r y   v a l u e s   s p e c i f i c a l l y   w i t h   t h e   p r a c t i c a l   f o r c e s   q u a n t i t i e s   u s e d .   F i n a l l y ,   t h e   s u g g e s t e d   h y b r i d   s y s t e m   i n   t h i s   w o r k   w a s   b u i l t   o n   a   d e c i s i o n   c i r c u i t   t h a t   s e l e c t   o n e   s i g n a l   f r o m   t h e   c o n t r o l l e r   t h a t   h a s   t h e   m i n i m u m   e r r o r .   S i m u l a t i o n   r e s u l t s   d e m o n s t r a t e   t h a t   t h e   p r o p o s e d   h y b r i d   p o s i t i o n / f o r c e   c o n t r o l l e r   f o l l o w s   t o   t h e   d e s i r e d   g a i t   t r a j e c t o r y   s m o o t h e r   a n d   c l o s e r .   I t   r e p r e s e n t s   a n   e f f o r t   t o   s i m u l a t e   a s   n a t u r a l   a s   l e g   f u n c t i o n   t o   p r o v i d e   g a i t   f l u i d i t y   a n d   s t a b i l i t y   a s   n e e d e d   o n   i r r e g u l a r   l a n d s   o r   d u r i n g   m o r e   c o m p l e x   a c t i v i t i e s .   A s   a   f u t u r e   w o r k ,   t h e   w o r k a b i l i t y   o f   t h e   p r o p o s e d   h y b r i d   c o n t r o l l e r   w i t h   a   p r o p e r l y   d i s t i n c t   a u t o m a t i c   t u n i n g   f o r   b o t h   P I D   a n d   A N F I S   p a r a m e t e r s   w i l l   b e   p e r f o r m e d   w i t h   a   s u i t a b l e   e v o l u t i o n a r y   m e t h o d   s u c h   a s   P S O .   A l s o ,   i t s   p o s s i b l e   t o   i m p l e m e n t   t h e   e n t i r e   c o n t r o l   s y s t e m   b y   F P G A .       RE F E R E N C E   [1 ]   Wo rld   He a lt h   Org a n iza ti o n   Un i t e d   S tate De p a rtme n t o De fe n se   M o ss Re h a b   Am p u tee   Re h a b i li t a ti o n   P ro g ra m   M o ss Re h a b   H o sp it a l ,   A   M a n u a l   fo rt h e   Re h a b il it a ti o n   o P e o p le   with   Li m b   Am p u tatio n ,   USA,   2 0 0 4 .   [On l in e ].   Av a il a b le:  h tt p s:// p d fc o ffe e . c o m /am p u tatio n s - pdf - fre e . h tml   [2 ]   W.   C.   d a   S .   n io r ,   M .   V.  d e   Oliv e ira,  a n d   J .   Bo n v e n t ,   Co n c e p ti o n ,   d e sig n   a n d   d e v e l o p m e n t   o a   lo w - c o st   in telli g e n p ro st h e sis  fo r   o n e - sid e d   tran sfe m o ra a m p u tee s,”   Bi o me d ica E n g i n e e rin g ,   v o l.   3 1 ,   n o .   1 ,   p p .   6 2 - 6 9 ,   2 0 1 5 ,   d o i:   1 0 . 1 5 9 0 / 2 4 4 6 - 4 7 4 0 . 0 6 4 7 .   [3 ]   B.   Jo ,   a n d   Y - S .   Lee ,   De sig n   a n d   Co n tro o a n   Ac ti v e   P o we re d   K n e e   P ro st h e sis  S y ste m   u si n g   P o si ti o n - b a se d   Im p e d a n c e   Co n tro l,   Pro c e e d in g o t h e   3   rd   W o rld   Co n g re ss   o n   M e c h a n ica l,   Ch e mic a l,   a n d   M a te ria E n g i n e e rin g   (M CM '1 7 ) ,   2 0 1 7 ,   d o i:   1 0 . 1 1 1 5 9 / i c m ie1 7 . 1 2 3 .   [4 ]   G .   Ch it ra g a ri,   D.  B.   M a h ler,  B .   J.  S u m p i o ,   P .   A.  Blu m e ,   a n d   B.   E .   S u m p i o ,   P r o sth e ti c   Op t io n Av a il a b le  fo t h e   Dia b e ti c   Lo we Li m b   Am p u tee   Va sc u la S u rg e ry ,   Cli n   Po d ia tr  M e d   S u rg . ,   v o l.   3 1 ,   n o .   1 ,   p p .   1 7 3 - 1 8 5 ,   2 0 1 4 ,     d o i:   1 0 . 1 0 1 6 /j . c p m . 2 0 1 3 . 0 9 . 0 0 8 .   [5 ]   F .   S u p ,   H.  A.  Va ro l ,   J.  M it c h e ll ,   T.   Wi t h ro w,   a n d   M .   G o ld fa rb ,   De sig n   a n d   c o n tro l   o a n   a c ti v e   e lec tri c a k n e e   a n d   a n k le  p r o sth e sis,”   2 0 0 8   2 n d   I EE RA S   &   E M BS   In ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   Bi o me d ic a l   Ro b o ti c a n d   Bi o me c h a tr o n ics ,   2 0 0 8 ,   p p .   5 2 3 - 5 2 8 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /BIOROB. 2 0 0 8 . 4 7 6 2 8 1 1 .   [6 ]   L.   F .   Ara g h i,   M .   H.  Ko ra y e m ,   A.  Nik o o b i n ,   a n d   F .   S e to u d e h ,   Ne u ra Ne two rk   Co n tro l ler  Ba se d   o n   P ID  Co n tr o ll e r   fo Two   li n k s -   R o b o ti c   M a n i p u lato Co n tro l,   Pro c .   o th e   W o rld   C o n g re ss   o n   E n g .   a n d   Co mp u ter   S c ien c e ,   2 0 0 8 .   [7 ]   F .   S u p ,   H.  Ata k a n   Va ro l,   J.   M it c h e ll ,   T .   J.  Wi th r o w,  a n d   M .   G o ld fa rb ,   P re li m in a ry   Ev a l u a ti o n o a   S e lf - Co n tain e d   An t h ro p o m o r p h ic  Tran sfe m o ra P ro sth e sis,”   i n   IEE E / AS M T ra n sa c ti o n o n   M e c h a tr o n ics ,   v o l.   1 4 ,     n o .   6 ,   p p .   6 6 7 - 6 7 6 ,   De c .   2 0 0 9 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /T M ECH. 2 0 0 9 . 2 0 3 2 6 8 8 .   [8 ]   H.  F .   M a q b o o l,   M .   A.   B.   Hu sm a n ,   M .   I.   Aw a d ,   A.  A b o u h o ss e in ,   N.   Iq b a l,   a n d   A.   A.  De h g h a n i - S a n ij ,   A Rea l - Ti m e   G a it   Ev e n De tec ti o n   f o L o we L imb   P r o sth e sis  C o n tr o l   a n d   E v a lu a ti o n ,   in   IEE E   T r a n sa c ti o n s   o n   Ne u ra S y ste ms   a n d   Reh a b il it a t io n   E n g i n e e rin g ,   v o l.   2 5 ,   n o .   9 ,   p p .   1 5 0 0 - 1 5 0 9 ,   S e p t.   2 0 1 7 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /T NSR E. 2 0 1 6 . 2 6 3 6 3 6 7 .   [9 ]   B.   G .   A.  La m b re c h a n d   H.  Ka z e ro o n i,   De sig n   o a   se m i - a c ti v e   k n e e   p ro st h e sis,”   2 0 0 9   IEE In ter n a ti o n a l   Co n fer e n c e   o n   Ro b o ti c s a n d   A u t o ma ti o n ,   2 0 0 9 ,   p p .   6 3 9 - 6 4 5 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /ROBOT. 2 0 0 9 . 5 1 5 2 8 2 8   [1 0 ]   F .   Ru ss e ll ,   Y.  Zh u ,   W .   He y ,   R.   V a id y a n a th a n ,   a n d   P .   El l iso n ,   b io m imic k in g   d e sig n   fo m e c h a n ic a k n e e   jo in ts,”  Bi o in s p ir B i o mim,  v o l .   1 3 ,   n o .   5 ,   2 0 1 8 ,   d o i:   . 1 0 8 8 / 1 7 4 8 - 3 1 9 0 /aa d 3 9 d .   [1 1 ]   A.  H.  S h u lt z ,   B.   E .   Law so n ,   a n d   M .   G o ld fa rb ,   Ru n n in g   with   a   P o we re d   Kn e e   a n d   An k le  P r o sth e sis,”   in   IEE T ra n sa c ti o n o n   Ne u ra S y ste ms   a n d   Reh a b il it a t io n   En g i n e e rin g ,   v o l.   2 3 ,   n o .   3 ,   p p .   4 0 3 - 4 1 2 ,   M a y   2 0 1 5 ,     d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /T NSRE . 2 0 1 4 . 2 3 3 6 5 9 7   [1 2 ]   S .   Au ,   M .   Be rn i k e r,   a n d   H.  He r r,   P o we re d   a n k le - f o o p ro st h e si to   a ss ist  lev e l - g ro u n d   a n d   sta ir - d e sc e n g a it ,   Ne u ra Ne two rk s ,   v o l.   2 1 ,   n o .   4 ,   p p .   6 5 4 - 6 6 6 ,   2 0 0 8 ,   d o i:   1 0 . 1 0 1 6 /j . n e u n e t. 2 0 0 8 . 0 3 . 0 0 6 .   [1 3 ]   M .   I.   Aw a d   e t   a l . ,   To wa rd s   a   S m a rt  S e m i - Ac ti v e   P ro sth e ti c   Le g P re li m in a ry   As se ss m e n a n d   T e stin g ,   IFA C - Pa p e rs On L i n e ,   v o l.   4 9 ,   n o .   2 1 ,   p p .   1 7 0 - 1 7 6 ,   2 0 1 6 ,   d o i:   1 0 . 1 0 1 6 / j. if a c o l. 2 0 1 6 . 1 0 . 5 3 9 .   [1 4 ]   N.  S .   Kw a k ,   K.   R.   M ü l ler,  a n d   S .   W.   Lee ,   l o we li m b   e x o s k e l e to n   c o n tr o s y ste m   b a se d   o n   ste a d y   sta te  v isu a l   e v o k e d   p o ten ti a ls” ,   J o u rn a o Ne u ra E n g in e e rin g ,   v o l.   1 2 ,   n o .   5 ,   2 0 1 5 ,   d o i:   1 0 . 1 0 8 8 /1 7 4 1 - 2 5 6 0 / 1 2 / 5 /0 5 6 0 0 9 .   [1 5 ]   S .   K.   Au ,   P .   B o n a t o ,   a n d   H.  He rr,   An   EM G - p o siti o n   c o n tro l led   sy ste m   fo r   a n   a c ti v e   a n k le - f o o t   p r o sth e sis:  a n   in it ial  e x p e rime n tal  stu d y ,   9 th   I n ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   Reh a b il i ta ti o n   Ro b o t ics ,   2 0 0 5 .   ICOR 2 0 0 5 . 2 0 0 5 ,     p p .   3 7 5 - 3 7 9 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /ICOR R. 2 0 0 5 . 1 5 0 1 1 2 3 .   [1 6 ]   L.   Ti a n ,   J.  Wan g ,   a n d   Z .   M a o ,   C o n stra in e d   m o ti o n   c o n tro o fle x i b le ro b o m a n i p u lat o rs b a se d   o n   r e c u rre n n e u ra l   n e two rk s,”   in   IE EE   T ra n sa c ti o n o n   S y ste ms ,   M a n ,   a n d   Cy b e rn e ti c s,  Pa rt  (Cy b e rn e ti c s) v o l.   3 4 ,   n o .   3 ,     p p .   1 5 4 1 - 1 5 5 2 ,   J u n e   2 0 0 4 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /T S M CB.2 0 0 4 . 8 2 6 4 0 0 .   [1 7 ]   C.   A.  R o d ri g u e z ,   P .   P o n c e ,   a n d   A.  M o l in a ,   AN F IS   a n d   M P c o n tr o ll e rs  f o a   re c o n g u ra b le  lo we r   li m b   e x o sk e leto n ,   S o ft   Co mp u t . ,   v o l.   2 1 ,   p p .   5 7 1 5 8 4 ,   2 0 1 7 ,   d o i:   1 0 . 1 0 0 7 /s0 0 5 0 0 - 0 1 6 - 2 3 2 1 - 9.   [ 1 8 ]   A .   N .   A b d u l l a h   a n d   M .   H .   A l i ,   D i r e c t   t o r q u e   c o n t r o l   o f   I M   u s i n g   P I D   c o n t r o l l e r ,   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g   ( I J E CE ) ,   v o l .   1 0 ,   n o .   1 ,   p p .   6 1 7 - 6 2 5 ,   2 0 2 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e c e . v 1 0 i 1 . p p 6 1 7 - 625.   [1 9 ]   A .   A .   A .   B a k e r   a n d   Y .   G h a d i ,   M o b i l e   r o b o t   c o n t r o l l e r   u s i n g   n o v e l   h y b r i d   s y s t e m ,   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g   ( I J E C E ) ,   v o l .   1 0 ,   n o .   1 ,   p p .   1 0 2 7 - 1 0 3 4 ,   2 0 2 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e c e . v 1 0 i 1 . p p 1 0 2 7 - 1034 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.