I

S

I

C

E

مجله کنترل

ISSN (print) 2008-8345

ISSN (online) 2538-3752

1-9، صفحه 1400، تابستان 2، شماره 15جلد

ي جواد صفائنويسنده عهده دار مكاتبات: نصيرالدين طوسي دانشگاه صنعتي خواجه -ق ايرانيمجله کنترل، انجمن مهندسان کنترل و ابزار دق

با استفاده از نسون یمبتلا به پارک مارانی کاهش لرزش دست در ب ستم یس یطراح

ن یب شی کنترل پ

4عارف افشارفرد، 3يعباس یمهد، *2 جواد صفائي، 1 آراسته ايرو

مشهد فردوسي دانشگاه ، يدانشكده مهندس، مهندسي برق، گروه پزشكي کارشناسي ارشد مهندسي التحصيل فارغ 1

safaie@um.ac.ir ،مشهد ي دانشگاه فردوس ،يبرق، دانشكده مهندس يگروه مهندس ک،يوالكترون ي ب ارياستاد 2 مشهد يدانشگاه فردوس ،يدانشكده مهندس ک،يمكان يگروه مهندس ک، يارشد مكان ي کارشناس التحصيلفارغ 3

مشهد يدانشگاه فردوس ،يدانشكده مهندس ک،ي مكان ي، گروه مهندس کيمكان اريدانش 4

20/04/1399پذيرش: 01/04/1399: ويرايش 04/08/1398دريافت:

به نام ایماده دي مغز در تول ييکه با کاهش توانا شودي اعصاب محسوب م یماريب نتريعيشا مريبعد از آلزا نسونيپارک یماري ب: چکیده

دارای هاروش نيتاکنون ارائه شده است، اما متاسفانه ا ی ماريب نياز ا يکاهش اثرات ناش یبرا يمختلف های. روشگردديم جاديا نيدوپام

است که رفتهيصورت پذ يتهاجم ريو غ نيگزيجا هایروش افتني یبرا يفراوان هایعلت تلاش ني. به هم باشنديم يانفراو يعوارض جانب

و ...، کارآمد نبودند. ستم يس اديبالا، وزن ز نهيهز ل يعموما به دل

ابتدا لرزش دست با استفاده ،یشنهادي. در طرح پگردديمقاله از روش فعال جهت کاهش لرزش منتقل شده به دستگاه استفاده م نيا در

در خلاف جهت لرزش دست با استفاده يطرح شده، حرکت زم يو مكان يكياستفاده از دو موتور الكترشده و سپس با ييشناسا ANFIS لترياز ف

ر يو حذف لرزش غ یاز حرکات اراد یرويدر پ ستميخوب س ارياز عملكرد بس يحاک یساز هيشب جي. نتاگرددياعمال م نيب شياز کنترلر پ

.باشد ي م نسونيپارک ی ماريحاصل از ب یاراد

. یفاز يشبكه عصب ن،بيش يربات کاهش لرزش دست، کنترل پ نسون،يپارککلمات کلیدی:

Design of Hand Tremor Reduction System Based on Predictive

Control in Patients with Parkinson Disease

Roya Arasteh, Javad Safaie*, Mahdi Abbasi, Aref Afsharfard

Abstract: Parkinson's disease is the most common neurological disorder after Alzheimer's, which

is caused by a decrease in the brain's ability to produce dopamine. There are several ways to reduce

the effects of this disease so far, but unfortunately these have many side effects. For this reason, many

attempts have been made to find non-invasive alternative methods, which are generally ineffective

due to the cost, system weight, and so on .

In this paper, the active method was used to reduce the transmitted vibration to the device. In the

proposed scheme, the hand vibration was first identified using an ANFIS filter and then a reverse

motion was applied by two electric motors and the designed mechanism, using a predictive controller.

The simulation results showed the system performance in following voluntary movements and

eliminating spontaneous vibration, which stems from Parkinson's disease.

Keywords: Parkinson, Hand tremor reduction robot, Predictive control, Fuzzy neural network.

Dow

nloa

ded

from

joc.

kntu

.ac.

ir at

8:2

3 +

0330

on

Tue

sday

Sep

tem

ber

28th

202

1

2

نيب شيبا استفاده از کنترل پ نسونيمبتلا به پارک مارانيکاهش لرزش دست در ب ستميس يطراح

، عارف افشارفرد يعباس ی، مهد يآراسته، جواد صفائ ايرو

Journal of Control, Vol. 15, No. 2, Summer 2021 1400، تابستان 2، شماره 15مجله کنترل، جلد

مقدمه -1از بدن است که یعضو یاراد ري و غ ينوسي شبه س ،ينوسان يلرزش، حرکت

قسمتها ي كيزيف اي ي منشأ عصب تواند يم باشد. لرزش در مختلف ی داشته

( ETترمور ) ال يسنشي( و اPD) نسونيپارک شود،يمشاهده م ماراني بدن ب

از بدن به یهستند که باعث لرزش عضو هاييیماري ب نيجترياز جمله را

ی. اگر چه لرزش عضوشوندمي هرتز 6 تا 3 فرکانس با ها خصوص دست

ب دستها، مانند بدن يول دآينمي شمار به ایوکشنده خطرناک یمارياز

رو بر ب هایتيفعال ی اغلب نوش ر ينظ ماران يروزانه پ يتا دن،ي خوردن،

دارد و در ي فراوان يمنف ر يتأث لي قب نياز ا ی اريکردن، نوشتن و موارد بس

-يم ماران يب یو کار ي شخص يزندگ يفيسطح ک د يباعث افت شد جهينت

ی ماري نفر درجهان به ب ون يل يم 7که حدود دهد ي. مطالعات نشان مگردد

هستند نسونيپارک اصل متاسفا . [1] مبتلا علت ا ينه به از ن يابتلا دسته

دهيآنها ارائه نگرد یبرا ز ين يتاکنون کشف نشده و درمان قطع های ماريب

است.

برا حلي راه نتريجيرا يي دارو روش کنترل و یاست که در حال حاضر

ب شدت پ یماري کاهش موارد در البته دارد. زين يجراح شرفته،يوجود

ييمطالعات انجام شده، استفاده از درمان دارو. بر اساس گردديم شنهاديپ

توهم، ،يخستگ د،يد یاز جمله تار يگوناگون يعوارض جانب جاديسبب ا

مشكلات، ني. با توجه به ا[2] شوديم يتهوع و خواب آلودگ تعادل،عدم

از نسونيپارک ماران يب یبرا يتهاجم ريبهبود موثر و غ ايروش درمان افتني

م ایژه يو تياهم به خود یاديز قاتي و تحق باشديبرخوردار تا کنون را

-گرانبزرگ و زاتيبه تجه ازياختصاص داده است که متاسفانه اکثر آنها ن

: ليازقب گردديدر استفاده از آنها م تيمحدود جاديدارند که باعث ا يمتقي

دورب يابيريمس از استفاده ، Creative Senz2D camera [3]ن يبا

دارا از ژ يزومقاومتيپ ی تكنولوژ یتوسعه دستكش استفاده روسكوپيو

، به حداقل رساندن اثرات لرزش دست در [4]مچ دست ی قابل نصب بر رو

ماري کنترل لرزش استراحت در دست ب ی، جذب منفعل لرزش برا[5] شتن نو

پارک به ب ني، تخم[6] نسونيمبتلا به صورت مارانيفرکانس لرزش دست

، استفاده [8] نسونيمبتلا به پارک مارانيحرکت دست ب يابي، ارز[7] نيآنلا

نسون يمبتلا به پارک ماران يکاهش لرزش دست ب ی ش کنترل فعال برااز رو

الگور از استفاده ف ک يژنت تمي)با ، کاهش [9]از حرکت دست( دبکي و

ب کننده ب يترک ق ياز طر ماران يلرزش دست فاز PIDکنترل منطق ی و

. [10] (یدرجه آزاد 4با يكيناميوديمدل با ی)رو

پژوهش، حذف حرکات نيارائه شده در ا ستميهدف س نكهيتوجه به ا با

ب یراراديغ پارک ماراني دست به يي توانا يستيبا ستم ياست، س نسونيمبتلا

را داشته باشد. ماراني ب نيدست ا ی راراديو غ ی دو حرکت اراد نيب کيتفك

شتاکنون به کاربرده شده است. ناوت تلاش کرد تا لرز يمختلف یلترهايف

قي. گانزالز از طر[11]ببرد ن ياز ب لتري دست را در استفاده از موس توسط ف

کياز ريو ي . ر[12] را گسترش داد تال ي جيد لتري ف تم،يالگور ريمس يابيرد

مبتلا ماراني دست ب يكيولوژيزي کاهش لرزش ف یبرا ژه يو لتر يف تميالگور

پارک کرد نسونيبه شا[6]استفاده البته ک اني. است تميالگور نيا هذکر

. دهدي عملكرد مطلوب را به دست نم نگيلتريف

ارائه طرحپژوهش ح ياصل هدف قابل حمل جهت ،يرتهاجميغ ياضر،

ک سطح ارتقا منظور به دست، لرزش مؤثر روزمره يزندگ يفيکاهش

طرح ابتدا لرزش دست ني. در اباشد يم نسوني پارک یماريمبتلا به ب مارانيب

الگور Recurrent Self-Evolving Fuzzy Neural تم يتوسط

Network (RSEFNN) اشودي م ييشناسا که نيا ياصل ده ي. است

ب زينو )لرزش دست بر حسب ماريوارد شده شده ي نيب شيپ ريمس کي(

مطرح زم يو مكان يكيبرطرف گردد و سپس با استفاده از دو موتور الكتر

حرکت اعمال يشده، کنترلر از استفاده با دست لرزش جهت خلاف در

همچن جاذب نيگردد، کاهش بهارتعاشات يك يناميد هایاز منظور

مشخصه که است دستگاه استفاده شده هپاي به شده ارتعاشات منتقل رفعال يغ

نييتع ينسون يپارک مارانبي دست لرزش غالب فرکانس براساس هاجاذب

از یاريتوسط بس يبراساس شبكه عصب نيب شي کنترل پ ده ي. ا[13] شوديم

. [15] ,[14] تقرارگرفته اس برداریدر موارد گوناگون مورد بهره نيمحقق

هامواد و روش -2

ثبت . به منظور دهديرا نشان م یشنهاديپ ستميس يطرح کل 1شكل

شتاب از دست گرد روسكوبژي و سنجلرزش استفاده محوره ديسه

,x یاطلاعات مربوط به هر کانال )در سه راستا کي (. پس از تفك1)واحد

y, zحاصله ) گنالي(، س2)واحد ريمقاد ن يا اسيمق م ي( و تنظn(k) شينما

نو غ اي زيدهنده ب یاراد ريلرزش از س d(k)و یماريحاصل گنالينمود

اراد ف یحرکت بخش وارد م3)واحد لتريفرد( اگرددي( در بخش ني.

,[10] هرتز 3کمتر از های)فرکانس یحرکت اراد گنال يس لتر يف يخروج

)لرزش( زينو گناليس ، ياصل گنال يکه با کسر آن از س باشد ي( م[14] ,[13]

ها به کنترل کننده و محرک یدر بخش بعد گنال يس ني. اگردديم دي تول

.شوديبه مفاصل متحرک وارد م يياعمال نها برای

ثبت حرکت ي قابل حمل ستمياز س ماران،ي ثبت حرکت دست ب ی پژوهش برا نيدر ا

سنسور شامل که شد ,MPU6050 (InvenSense Incاستفاده

acceleration range: ±16g, resolution: 0.5mili g) ی برا

زاو یرگياندازه سرعت و پا کيو ایهيشتاب بر کنترلر نو يآردو هيبرد

بسباشديم ابعاد در سنسور برد ) ار ي. کم وزن و :sizeکوچک

21x16x2.5mm, weight: 2grکه يشده است به صورت ي( طراح

در دامنه و فرکانس یرينكرده و تاث جاديا ماريب یبرا يمزاحمت گونهچيه

نخواهد داشت. ماريحرکت دست ب

Dow

nloa

ded

from

joc.

kntu

.ac.

ir at

8:2

3 +

0330

on

Tue

sday

Sep

tem

ber

28th

202

1

نيب شيبا استفاده از کنترل پ نسونيمبتلا به پارک مارانيکاهش لرزش دست در ب ستميس يطراح

، عارف افشارفرد يعباس ی، مهد يآراسته، جواد صفائ ايرو

3

Journal of Control, Vol. 15, No. 2, Summer 2021 1400، تابستان 2، شماره 15مجله کنترل، جلد

نصب مار ي دست ب ی ، سنسور مورد نظر رو2ثبت، مطابق شكل یبرا

به واحد يكونيليس ريکابل انعطاف پذ قياز طر يو اطلاعات خروج شوديم

م كروکنترلريم اگردديمنتقل و ستميس ني. شتاب مشخصات است قادر

هي جهت را با سرعت دوهزار نمونه بر ثان 3در مار يدست ب یا هيسرعت زاو

فرکانس و دامنه حرکت دست نهي شيبا توجه به ب شيآزما ني. در اديثبت نما

ثبت اطلاعات در نظر ی برا ه ينمونه بر ثان 200 یسرعت نمونه بردار مار يب

نيدر ا ي کتب نامه تيبا اخذ رضا نسون يمبتلا به پارک ماري گرفته شد. هشت ب

شرکت نمودند. قيتحق

ماران ياطلاعات ثبت داده از ب : 1جدول

بيمار نوع بيماری سن جنسيت (سالمدت بيماری ) سابقه بيماری (Hz)فرکانس لرزش PD 1 55 زن 10 لرزش 4/5 PD 2 62 مرد 3 لرزش، کندی در حرکت 5

PD 3 84 زن 15 لرزش، کندی در حرکت 4/25 PD 4 72 مرد 10 لرزش، کندی در حرکت 5/30

PD 5 81 مرد 8 لرزش،کندی در حرکت، عدم تعادل 25/3 PD 6 70 زن 11 تعادل،کندی در حرکت عدم 4 PD 7 50 زن 1 لرزش 35/3 PD 8 80 مرد 8 لرزش، کندی در حرکت 5/3

.سيگنال ثبت شده از بيماران 1شكل

ماران يو ثبت حرکت دست ب ی رياندازه گ : 3شكل

ی شنهادي پ ستم ي س يطرح کل : 2شكل

Dow

nloa

ded

from

joc.

kntu

.ac.

ir at

8:2

3 +

0330

on

Tue

sday

Sep

tem

ber

28th

202

1

4

نيب شيبا استفاده از کنترل پ نسونيمبتلا به پارک مارانيکاهش لرزش دست در ب ستميس يطراح

، عارف افشارفرد يعباس ی، مهد يآراسته، جواد صفائ ايرو

Journal of Control, Vol. 15, No. 2, Summer 2021 1400، تابستان 2، شماره 15مجله کنترل، جلد

یآن ها برا تيمحدود نيچن و هم ماراني ب يکهولت سن بعض ليبه دل

( مد نظر قرار task-freeحرکت، ثبت لرزش دست در حال استراحت )

و اهم جدول ماراني ب هایيژگيگرفت. ا 1در در است. ملاحظه نيقابل

ثبت اطلاعات يفرکانس ليجدول، ستون فرکانس لرزش با استفاده از تحل

در تمام گردديشده از سنسور به دست آمده است و همانطور که ملاحظه م

از بالاتر ا 3موارد مراجع يدر هماهنگ نيهرتز است که با ,[10]کامل

. باشديم [ 14] ,[13]

طراحي مكانيک سيستم

از یقاشق است که حرکت اراد ايمداد کيشده، يطراح زميمكان

صورت که ن ي. بددهديو لرزش را کاهش م ص يدست را تشخ یراراديغ

ی ريقاشق( تاث اي)مداد له ي نوک وس ی لرزش دست بر رو آل،ده يدر حالت ا

ستم يس Computer Aided Design (CAD)نخواهد داشت. مدل

داده شيالف نما 4در شكل SolidWorks افزارشده توسط نرم يطراح

است که ای دسته سبک و دو موتور پله یقلم دارا اي. قاشق [13] شده است

پا ل هيبه س نکي و م ستمياول ن نک يل. باشديمتصل دوم زيآخر موتور به

قادر به حرکت در ی پله ا یاز موتورها کيب(. هر 4متصل است )شكل

م کي نها ستم يس نيبنابرا باشند، يراستا یدو درجه آزاد یدارا يي ربات

را خواهد داشت که لرزش را در دو جهت مختصات ت يقابل ن ياست و ا

لرزش دامنه حرکت دهد. ب يکاهش تا چهار کيدرحدود ماراني دست

ن يرا تام ي رنج حرکت ن يا توانديشده م ي طراح زم يو مكان باشديم متريسانت

. [13] دينما

سينماتيک و ديناميک سيستم

دارا ستميس آزاد یموردنظر درجه بنابرا یدو ن ييتع ی برا نياست،

برا ستم،يس نيا زميمكان است. شده استفاده مختصات دستگاه یچهار

جدول دنوت هارتنبرگ استفاده شده است که ستم،يس کينمات يس يابيارز

𝑇3 ليتبد سيماتر iX-1 نيب هيزاو iθ. باشدي( م2)جدول ريبه صورت ز 0

iaجدول ني. در اباشديم هانکي طول ل 2Lو 1Lو Zحول محور iXو

و iZ نيب هيزاو iαشده، یرگياندازه X یه در راستاک i+1Zتا iZفاصله

i+1Z حول محورX وid 1فاصله-iX تاiX حول محورZ [31] باشديم .

فيلتر

استفاده ،یراراديو غ یحرکات اراد يفرکانس في با توجه به تفاوت ط

ف ا يفرکانس یلترهاياز توسعه ناپذ ستميس نيدر فباشديم رياجتناب لتر ي.

Adaptive Neuro Fuzzyحاضر از ساختار قيمورد استفاده در تحق

Inference System (ANFIS) لتر يف ني(. ا5)مطابق شكل برديبهره م

Total ر،يرا از نظر مقدار تاخ یروشها عملكرد بهتر ريبا سا سهيدر مقا

Harmonic Distortion (THD)يارائه م نان ياطم ت ي، دقت و قابل-

𝑑(𝑘) ی ورود گنال ي پژوهش، س ني. در ا[16] هدد + 𝑛(𝑘) در باشديم .

سع نيا س يمرحله که است نو ياصل گنال ي شده شود. زيتم زياز داده

ر يبه صورت ز ()𝑓 يرخطيغ کيناميتابع د کياز زيمنبع نو هایگناليس

شود. يبه آن اعمال م ريشكل و تاخ رييکه تغ کننديعبور م

1. 𝐹(𝑘) = 𝑓(𝑛(𝑘), 𝑛(𝑘 − 1), 𝑛(𝑘 − 2), … )

اطلاعات گنال يرا از س 𝐹(𝑘) گنال ي س توانيم 𝑓(𝑛(𝑘))تابع يي با شناسا

ANFIS ،𝑑(𝑘)مدل ي. خروجافتيدست ياصل گنال يکم کرده و به س

𝑑(𝑘) نيب یبا توجه به خطا ANFIS که. بود خواهد ياصل گنال سي و

پارامترها یورود مربعات تنظ یو روش حداقل مرحله هر در را م يخود

.کنديم

بين پايه کنترل پيش کنترلر سيستم توانبخشي برتوسط ديبا گردديقاشق( دستگاه منتقل م ايلرزش دست که به قلم )

تحت ي ستينبا ی که حرکت اراد ي شده حذف شود درحال يطراح زميمكان

م يتنظ یبرا نيب شياز کنترل پ یشنهادي. در طرح پرديقرار گ زميمكان ريتاث

شكل یشنهاديپ تم يالگور قاشق( استفاده شده است. ايحرکت نوک قلم )

Fuzzyو Recurrent ،Self-Evolvingيژگيبا سه و يعصب ایشبكه 7

مناسب يو بازگشت يكيناميد هایستم يس ييشناسا ی شبكه برا نيا .باشديم

)الف(

)ب(

مدل طراحي شده برای شكل نهايي سيستم پيشنهادی ب( : الف(4شكل

ساختار اتصالات مكانيكي موتور بازوها

دنوت هارتنبرگ سيماتر: 2جدول

I 1-iα 1-ia id iθ

1 0 0 0 1θ

2 -90 1L 0 2θ 3 0 2L 0 0

Dow

nloa

ded

from

joc.

kntu

.ac.

ir at

8:2

3 +

0330

on

Tue

sday

Sep

tem

ber

28th

202

1

نيب شيبا استفاده از کنترل پ نسونيمبتلا به پارک مارانيکاهش لرزش دست در ب ستميس يطراح

، عارف افشارفرد يعباس ی، مهد يآراسته، جواد صفائ ايرو

5

Journal of Control, Vol. 15, No. 2, Summer 2021 1400، تابستان 2، شماره 15مجله کنترل، جلد

،يرانندگ نيمغز ح کيناميد ييشناسا یشبكه برا نياز ا [17]در مقاله است.

ن يمقاله به منظور تخم نيدر ا RSEFNN نبي شياستفاده شده است. کنترل پ

استفاده شده است. نسونيمبتلا به پارک مارانيدست در ب رکتح

پيشنهادی RSEFNN عصبي شبكه ساختار

ا ترک نيدر از (recurrent neural network) بيپژوهش

RNN وFNN (fuzzy neural network) نياستفاده شده است. با ا

و مشاهده مار يضمن استفاده از اطلاعات حرکات گذشته دست ب بيترک

ي خنث جهي و در نت ماري دست ب یاراد ريحرکات غ ينبي شيپ ، يفعل تيوضع

امك یساز مناسب زمان در ترک ريپذ ان آنها با بود. يخروج ب يخواهد

ار يمجموعه را بس يزمان ريتاخ توانيم د يمرحله جد یمرحله قبل و ورود

ن يشبكه اطلاعات را در ح يدرون یحلقه ها گريکاهش داد. به عبارت د

.دهند ياز نورون ها عبور م یخواندن ورود

RSEFNN با سهيدر مقاRNN داشتن ساختار ليبه دلrecurrent

ی ريادگياز دو فاز RSEFNN. برديکمتر محاسبات بهره م يدگ يچياز پ

structure learning phase (SLP) وparameter learning

phase (PLP) م استفاده همزمان اکنديبه صورت در از نجاي. منظور

که با ورود هر بخش داده، باشد يم ي عنم ن يآموزش همزمان به ا اي یريادگي

خود را انجام تي فعال نيبه صورت همزمان و آنلا PLPو SLPدو فاز

پس از ني وجود ندارد و قوان نديفرآ نيدر ا يقانون چي . در ابتدا هدهنديم

یساختار یريادگيهر بخش داده به صورت همزمان در دو بخش افتيدر

ني تخم ،یساختار یريادگي. هدف از ابندييتكامل م یپارامتر یريادگيو

کيحداقل نكهياز ا نانياطم ی. برا باشديم ديجد ی قانون فاز جاديزمان ا

يآموزش های¬توسط داده یفاز ني فعال باشد، قوان یهر ورود یقانون برا

. گردديم دي تول

مورد استفاده در طرح حاضر ANFIS لتريف: 5شكل

ز ينو یدارا گنال ي و س ANFISلتريحاصل از ف گنال يس سهيمقا: 6شكل

يط ري لازم است مراحل ز مداد( ايباشد و کنترل ابزار )قاشق يم ماريدست ب ی هدف که همان حرکت اراد ر يبه مس دنيرس یبرا ، نيب شيکنترل کننده پ: 7شكل

optimizerوارد بخش هيانجام محاسبات اول یباشد برا يثبت حرکت م ستم ي از س يخروج یانتگرال داده ها نيو همچن لتريف يمرجع که شامل خروج ر يمس گردند:

RSEFNN Modelشبكه، وارد بخش یها هيلا نيتوابع و قوان يبه روز رسان ی بخش برا نيحاصل از ا يگردند. خروج يبه روز می در هر دوره نمونه بردار و شده

شوند. يورود به بخش آموزش آماده م یبخش داده ها برا ني. که در اشود يم

Dow

nloa

ded

from

joc.

kntu

.ac.

ir at

8:2

3 +

0330

on

Tue

sday

Sep

tem

ber

28th

202

1

6

نيب شيبا استفاده از کنترل پ نسونيمبتلا به پارک مارانيکاهش لرزش دست در ب ستميس يطراح

، عارف افشارفرد يعباس ی، مهد يآراسته، جواد صفائ ايرو

Journal of Control, Vol. 15, No. 2, Summer 2021 1400، تابستان 2، شماره 15مجله کنترل، جلد

از یپارامتر یريادگي مرحله م یساختار یر يادگيپس . ابدييادامه

بدون در نظر گرفتن نيبه صورت آنلا RSEFNNآزاد یتمام پارامترها

از قبل وجود اي و اندشده جاديا يبه تازگ یفاز ني قوان ايموضوع که آ نيا

صلحا یتمام پارامترها ،یپارامتر یريادگي. در شوديداده م قي داشتند، تطب

قوان قوان ن يشيپ یفاز ن ياز الگور د يجد ن يو Gradient تميتوسط

Decentم داده داده يآموزش مجموعه در لتر،يف خروجي ها،شوند.

غ زينو گناليس دو یاراد ري)لرزش به کنترلر داخل در که است دست(

يبه منظور اعتبار سنج train گنال ي. سشوديم ميتقس testو trainبخش

ا شوديم تفادهاس هاداده سنج نيکه مف ن يتخم ی برا ياعتبار ديحرکت

استفاده ييانتخاب نها یخطا يابيآزمون به منظور ارز گناليخواهد بود و س

.[18] گردديم

از شش لايه تشكيل به 8شكل پيشنهادی مطابق RSEFNN الگوريتم

:شرح ذيل تشكيل شده است

= x. شونديداده م شنماي xبا بردار هاياول: ورود هيلا (x1, x2, … )

ui تحت عنوان یبعد هيبه لا ميو به صورت مستق راتييبدون تغ

منتقل (1)

. باشديم یورود کي. هر گره برابر با شوديم

(2 ) ui=xi

( گفته Membership function) تيدوم تابع عضو هيدوم: به لا هلاي

استفاده شده است. ياز تابع گوس نجايدر ا شود،يم

(3 ) uij2 = exp(−

[ui−mij1 ]2

σij2 )

𝛔𝐢𝐣و 𝐦𝐢𝐣که در آن -يم ي تابع گوس انسيو وار ن يانگيم ب يبه ترت 𝟐

. باشند

. شوديم انيب ريفعالساز است که به صورت ز هيسوم: لا هلاي

(4 ) uj3 = Fj = Πj(uij

(2))

درلا به هيهرگره فاز کيسوم م ی قانون گرهشوديمرتبط براساس ها.

. کننديم افتيدر تيسوم، درجه عضو هيمرتبط در لا هایقانون

باشد،کهيم یفاز يقانون بازگشت کيچهارم هيچهارم: هرگره در لا هلاي

. کنديم جاد يرا ا يحلقه بازگشت کي

(5 ) uj3 = фq

j(t) = λq

jFj(t) + (1 − λq

j)фq

j(t − 1)

t 0زمان و < λqj

< سهم حالت حال زنندهني)تخم يپارامتر بازگشت 1

يمقدارده ياتفاق ريبا مقاد يبازگشت ی . پارامترهادهنديو گذشته( را نشان م

. شونديم يبروزرسان يآموزش تميشده و سپس با استفاده از الگور هياول

aiqهستند جهينت ی هاپنجم گره ه يلا یپنجم: گره ها هيلاj وزن کننده انيب

پنجم به صورت هيلا ياست. خروج 5و 4 یهاگره ن يب ي ارتباط ی هانکيل

:باشديم ريز

(6 )uj(5)

= fqj (t) = ∑ aiq

jxi(𝑡)

ni=1

.باشديم defuzzification ششم ه يگره در لا يششم: خروج هلاي

(7 )y =∑j=1

R ∅qj(t)(fq

j(t)+aq

j)

∑j=1R ∅q

j(t)

. باشديمدل م يخروج yو یفاز ني تعداد کل قوان R که در آن

یساختار یريادگي

. باشديم ديجد یقانون فاز جاديزمان ا نيتخم ،یريادگي ن يهدف از ا

شود، يفعال م x یهر ورود یقانون برا کيحداقل نكهياز ا نانياطم یبرا

ها یفاز نيقوان داده اگردنديم ديتول يآموزش ی توسط در پژوهش ني.

مطلوب در نظر گنال ياست که به عنوان س لتري حاصل از ف گنال يس x یورود

براشوديم رفتهگ ورود ی. x ،f یهر j(t) مع عنوان جاد يا یبرا یاريبه

داده، نيوجود ندارد. با ورود اول ي قانون چي . درابتدا هباشديم ديقانون جد

X(0) هيبا مرکز اول یديقانون جد به صورت يتابع گوس هاولي مقدار و

: گردديم جاديا ريز

(8 )mi1 = xi(0), σi

1 = σinitial

RSEFNN: ساختار 8شكل

Dow

nloa

ded

from

joc.

kntu

.ac.

ir at

8:2

3 +

0330

on

Tue

sday

Sep

tem

ber

28th

202

1

نيب شيبا استفاده از کنترل پ نسونيمبتلا به پارک مارانيکاهش لرزش دست در ب ستميس يطراح

، عارف افشارفرد يعباس ی، مهد يآراسته، جواد صفائ ايرو

7

Journal of Control, Vol. 15, No. 2, Summer 2021 1400، تابستان 2، شماره 15مجله کنترل، جلد

ی ورود کي یشده است. برا ن ييتع شيمقدار از پ کي σinitialکه در آن

x(t) فعال تابع مقدار براحداکثر جد ايآ نكهيا يبررس یساز یديقانون

. شوديمحاسبه م ريخ ايگردد جاديا

(9 )I = argmax1≤j≤R(t) Fj(t)

Fj(t). اگر باشديم tدر شبكه در زمان نيتعداد قوان R(t)که در آن <

Fthresh که و ن يب یمقدار Fthreshباشد، ا کيصفر )در ن ياست،

در نظر گرفته شده است( در آن 0.7برابر Fthresh ه يپژوهش مقدار اول

مرکز و عرض ديقانون جد جادي. با اگردديم جاديا د يصورت قانون جد

: شوديم جاديا ريبه صورت ز ديجد ون قان

(10 )miR(t+1)

= xi(t), σiR(t+1)

= β. |xi(t) − miI|

در نظر گرفته شده 0.6 نجايدر ا باشد،يم overlap بيضر βکه در آن

است.

یپارامتر یريادگي

از یپارامتر یريادگيمرحله م یساختار یر يادگيپس . ابدييادامه

و بدون درنظرگرفتن نيبه صورت آنلا RSEFNNآزاد یتمام پارامترها

قبل وجود ا ي اند شده جاد يا يبه تازگ ی فاز ن يقوان ايموضوع که آ نيا از

حاصل یتمام پارامترها یپارامتر یريادگي. در شوديداده م قيداشتند، تطب

جد نيشيپ ی فاز نيقوان از الگور ديو Gradient decent تميتوسط

(GD) م داده برايآموزش از خروج کيمثال یشوند. نظر ينمونه در

است. نهيهدف به حداقل رساندن تابع هز شود،يگرفته م

(11 ) E(t + 1) =1

2(y(t + 1) − yd(t + 1))2

.شوديبه روز م ريبردار پارامترها به صورت ز

(12 )aij(t + 1) = aij(t) − η∂E(t+1)

∂aij(t)

𝜕𝐸(𝑡+1)

𝜕𝑎𝑖𝑗(𝑡)= (𝑦(𝑡 + 1) − 𝑦𝑑(𝑡 + 1))

𝑂𝑗(3)

𝑢𝑗(4)

∑𝑘=1𝑟(𝑡)

𝑂𝑘(3)

آن) در م ɛ η(0,1که آموزش بازگشتباشديثابت پارامتر هر λq ي. j به

: شوديبه روز م ريصورت ز

(13 )λqi (t + 1) = λq

i (t) − η∂E

∂λqi

∂E

∂λqi =

∂E

∂yq.∂yq

∂∅qi .

∂∅qi

∂λqi =

(y − yd). (Fi(t) − ∅qi (t − 1)) .

wi−y

∑i=1r ∅q

i

:شوديبه روز م ريبه صورت ز يگوس تيتابع عضو

(14 )mji(t + 1) = mj

i(t) − η∂E

∂mji

∂E

∂mqi

=∂E

∂yq

.∂yq

∂∅qi.∂∅q

i

∂Fi.∂Fi

∂mqi

= (y

− yd).wi − y

∑i=1r ∅q

i. Fi. λq

i .2(xj − mj

i)

(σji)2

: شوديبه روز م ريبه صورت ز ي گوس تيتابع عضو انسيوار

(15 )σji(t + 1) = σj

i(t) − η∂E

∂σji

∂E

∂σji=

∂E

∂yq

∂yq

∂∅qi.∂∅q

i

∂Fi.∂Fi

∂σqi

= (y

− yd).wi − y

∑i=1r ∅q

i. Fi. λq

i2(xj − mj

i2

(σji)3

شبیه سازی نتایج -3

م سهيمقا یبرا کننده، کنترل Meanو THD زاني عملكرد

Square Error (MSE) نو مطلوب، مختلف حالت سه و زداريدر

)جدول است شده محاسبه شده نتا3کنترل طبق آمده، ج ي(. دست به

ی دارد و برا يي بالا نان يدقت و اطم ت يقابل RSEFNNکه شود يمشاهده م

. باشديقابل استفاده م مانبا ز ريو متغ real time یها ستميس

ا ياستفاده از حالت بازگشت یاياز مزا کنترلر استفاده شده نيکه در

م ا توانياست، مدلها نيبه در که کرد اشاره ، يبازگشت ريغ یموضوع

و شوديکه در همان لحظه وارد م کندياستفاده م ي ساختار فقط از حالات

بهره ورود ی رگيامكان اطلاعات منظور هایی از به ندارد. را گذشته

ا يابيارز قابل نيعملكرد با مح سازی هي شب ، ينبيشي پ ت يکنترلر طيدر

سه گونه یجهت برا کيشتاب خروجي که استانجام شده نک يمول يس

شده داده نشان 8در شكل رال يو اسپ ينوسيس ، ایحرکت دلخواه دندان اره

.است

گیری نتیجه -4

مبتلا به ماران ي ب ی برا ی ديبخش کنترل ربات جد يپژوهش طراح نيدر ا

قاشق مورد ايبه عنوان قلم و توانديکه م لهي وس نيلرزش دست ارائه شد. ا

در جهت مخالف لرزش دست کنترل هانکيبا حرکت ل رد،ياستفاده قرار گ

در سه حالت مطلوب، يخروج MSEو THD زانيم سهيمقا: 3 جدول

و کنترل شده زدار ينو

MSE THD% سيگنال

مطلوب 1.2829 0

نويزدار 23.0966 0.3122

سيگنال خروجي از کنترل کننده پيش بين 4.48 0.0057

Dow

nloa

ded

from

joc.

kntu

.ac.

ir at

8:2

3 +

0330

on

Tue

sday

Sep

tem

ber

28th

202

1

8

نيب شيبا استفاده از کنترل پ نسونيمبتلا به پارک مارانيکاهش لرزش دست در ب ستميس يطراح

، عارف افشارفرد يعباس ی، مهد يآراسته، جواد صفائ ايرو

Journal of Control, Vol. 15, No. 2, Summer 2021 1400، تابستان 2، شماره 15مجله کنترل، جلد

فراهم آوردن اطلاعات لرزش دست در اگردديم گروه از ني. به منظور

ب ماران،يب لرزش ماريهشت و سوابق ارز هایبا مورد يابيمختلف

ف ا يمختلف یلترهايقرارگرفتند. عمدتا نيدر کار گرفته شد که به پروژه

تاخ هارمون لتريف ريمشكل و اعوجاج وجود در ريغ هایکيو مطلوب

نهاديمشاهده گرد يخروج در ف تي. دل ANFIS لترياز يخروج ليبه

استفاده شد. لترها ي ف ريسا بهمطلوب آن نسبت

به Recurrent ،Self-Evolving ،Fuzzy يژگيبا سه و يعصب شبكه

مبتلا مارانياعمال شد تا با استفاده از آن بتوان حرکت لرزش دست ب ستميس

یدارا ن يتخم ن يکه ا دهد يحاصل نشان م ج يزد. نتا ن يرا تخم نسونيبه پارک

. باشدي( مMSE=0.0174کم ) یمقدار خطا

ای، )ب( سينوسي و )ج( اسپيرال برای سه گونه حرکت دلخواه )الف( دندان اره يخروج سهيمقا: 9كل ش

Dow

nloa

ded

from

joc.

kntu

.ac.

ir at

8:2

3 +

0330

on

Tue

sday

Sep

tem

ber

28th

202

1

نيب شيبا استفاده از کنترل پ نسونيمبتلا به پارک مارانيکاهش لرزش دست در ب ستميس يطراح

، عارف افشارفرد يعباس ی، مهد يآراسته، جواد صفائ ايرو

9

Journal of Control, Vol. 15, No. 2, Summer 2021 1400، تابستان 2، شماره 15مجله کنترل، جلد

راجع م

[1] M. G. Baker and L. Graham, “The journey:

Parkinson’s disease.,” BMJ, vol. 329, no. 7466, pp.

611–614, Sep. 2004, doi: 10.1136/bmj.329.7466.611.

[2] D. Case, B. Taheri, and E. Richer, “Design and

Characterization of a Small-Scale Magnetorheological

Damper for Tremor Suppression,” IEEE/ASME Trans.

Mechatronics, vol. 18, no. 1, pp. 96–103, 2013, doi:

10.1109/TMECH.2011.2151204.

[3] H. M. Zhu and C. M. Pun, “An adaptive superpixel

based hand gesture tracking and recognition system,”

Sci. World J., vol. 2014, 2014, doi:

10.1155/2014/849069.

[4] N. Carbonaro, G. D. Mura, F. Lorussi, R. Paradiso, D.

De Rossi, and A. Tognetti, “Exploiting wearable

goniometer technology for motion sensing gloves,”

IEEE J. Biomed. Heal. Informatics, vol. 18, no. 6, pp.

1788–1795, Nov. 2014, doi:

10.1109/JBHI.2014.2324293.

[5] C. Ou, A. Gouldstone, B. K. Jaeger, and R. Sipahi,

“Control design for a hand tremor suppression pen,”

in ASME 2015 Dynamic Systems and Control

Conference, DSCC 2015, Jan. 2015, vol. 2, doi:

10.1115/DSCC2015-9962.

[6] C. N. Riviere, R. Scott Rader, and N. V. Thakor,

“Adaptive canceling of physiological tremor for

improved precision in microsurgery,” IEEE Trans.

Biomed. Eng., vol. 45, no. 7, pp. 839–845, 1998, doi:

10.1109/10.686791.

[7] E. Ohara, K. Yano, S. Horihata, T. Aoki, and Y.

Nishimoto, “Development of Tremor-Suppression

filter for Meal-Assist robot,” in Proceedings - 3rd

Joint EuroHaptics Conference and Symposium on

Haptic Interfaces for Virtual Environment and

Teleoperator Systems, World Haptics 2009, 2009, pp.

238–243, doi: 10.1109/WHC.2009.4810802.

[8] H. Dai, H. Lin, and T. C. Lueth, “Quantitative

assessment of parkinsonian bradykinesia based on an

inertial measurement unit,” Biomed. Eng. Online, vol.

14, no. 1, p. 68, Jul. 2015, doi: 10.1186/s12938-015-

0067-8.

[9] A. Lekshmi and K. I. Ramachandran, “Parkinson’s

Tremor Suppression Using Active Vibration Control

Method,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 577, p.

012056, Dec. 2019, doi: 10.1088/1757-

899X/577/1/012056.

[10] A. As’arry, H. Jamaluddin, T. A. Z. Rahman, K. A.

Md Rezali, and M. Z. Md Zain, “Suppression of

Parkinson’s hand-like tremor using fuzzy-PID

controller,” in Proceedings - 2016 IEEE International

Conference on Automatic Control and Intelligent

Systems, I2CACIS 2016, Mar. 2017, vol. 2017-March,

pp. 1–5, doi: 10.1109/I2CACIS.2016.7921041.

[11] M. Nawate, D. Morimoto, S. Fukuma, and S. Honda,

“A Painting Tool with Blurring Compensation for

People Having Involuntary Hand Motion,”

researchgate.net, vol. 3, pp. 6–9, 2004, Accessed: Jul.

10, 2020. [Online]. Available:

https://www.researchgate.net/publication/228953097.

[12] J. G. Gonzalez, E. A. Heredia, T. Rahman, K. E.

Barner, and G. R. Arce, “Optimal digital filtering for

tremor suppression,” IEEE Trans. Biomed. Eng., vol.

47, no. 5, pp. 664–673, 2000, doi: 10.1109/10.841338.

[13] M. Abbasi, A. Afsharfard, R. Arasteh, and J. Safaie,

“Design of a noninvasive and smart hand tremor

attenuation system with active control: a simulation

study,” Med. Biol. Eng. Comput., vol. 56, no. 7, pp.

1315–1324, Jul. 2018, doi: 10.1007/s11517-017-

1769-9.

[14] H. G. Han, H. H. Qian, and J. F. Qiao, “Nonlinear

multiobjective model-predictive control scheme for

wastewater treatment process,” J. Process Control,

vol. 24, no. 3, pp. 47–59, Mar. 2014, doi:

10.1016/j.jprocont.2013.12.010.

[15] R. K. Al Seyab and Y. Cao, “Nonlinear system

identification for predictive control using continuous

time recurrent neural networks and automatic

differentiation,” J. Process Control, vol. 18, no. 6, pp.

568–581, Jul. 2008, doi:

10.1016/j.jprocont.2007.10.012.

[16] Z. Liu, Q. Wu, Y. Zhang, and C. L. P. Chen, “Adaptive

least squares support vector machines filter for hand

tremor canceling in microsurgery,” Int. J. Mach.

Learn. Cybern., vol. 2, no. 1, pp. 37–47, Feb. 2011,

doi: 10.1007/s13042-011-0012-5.

[17] Y. T. Liu, Y. Y. Lin, S. L. Wu, C. H. Chuang, and C.

T. Lin, “Brain Dynamics in Predicting Driving

Fatigue Using a Recurrent Self-Evolving Fuzzy

Neural Network,” IEEE Trans. Neural Networks

Learn. Syst., vol. 27, no. 2, pp. 347–360, Feb. 2016,

doi: 10.1109/TNNLS.2015.2496330.

[18] G. Grimaldi, P. Lammertse, N. Van Den Braber, J.

Meuleman, and M. Manto, “Effects of inertia and

wrist oscillations on contralateral neurological

postural tremor using the wristalyzer, a new

myohaptic device,” in IEEE Transactions on

Biomedical Circuits and Systems, 2008, vol. 2, no. 4,

pp. 269–279, doi: 10.1109/TBCAS.2008.926726.

Dow

nloa

ded

from

joc.

kntu

.ac.

ir at

8:2

3 +

0330

on

Tue

sday

Sep

tem

ber

28th

202

1