基于dspamer的腳手架康復(fù)機器人控制建模與仿真

基于dspamer的腳手架康復(fù)機器人控制建模與仿真

作為一種自動康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，它以醫(yī)學(xué)理論為基礎(chǔ)，幫助患者進行科學(xué)有效的康復(fù)治療，可以更好地恢復(fù)患者的運動能力?？祻?fù)機器人由計算機控制，配備相應(yīng)的傳感器和安全系統(tǒng)?？祻?fù)訓(xùn)練可以自動進行，根據(jù)患者的實際情況調(diào)整運動參數(shù)，進行最佳訓(xùn)練?？祻?fù)機器人技術(shù)在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視,許多研究機構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作,近年來取得了一些有價值的成果.我國清華大學(xué)等研究機構(gòu)也進行了相關(guān)研究,取得了一些有價值的成果.康復(fù)機器人工作時,需要與人體密切接觸,以便帶動患肢做康復(fù)運動.因此,對康復(fù)機器人的控制需要考慮與患者的人機合作問題.1985年,Hogan提出了阻抗控制方法.在實際應(yīng)用中,由于各種因素的影響,導(dǎo)致阻抗控制有很大的力誤差.為了克服這個缺陷,專家學(xué)者們進行了大量的探索研究.Heinrichs等人為工業(yè)機器人提出了基于位置控制的阻抗控制模型,并通過實驗驗證了其有效性;Cheah提出了學(xué)習(xí)阻抗控制方法,給定目標(biāo)阻抗,控制器能通過學(xué)習(xí)使操作機隨著操作的重復(fù)進行使閉環(huán)響應(yīng)達到目標(biāo)阻抗.在醫(yī)療和康復(fù)機器人領(lǐng)域,國外的一些科學(xué)工作者們也在進行阻抗控制方面的研究,如日本的ToshiroNoritsugu等人利用阻抗控制設(shè)計了橡膠人造肌肉的兩自由度治療機器人;Richardson等人研制了應(yīng)用于物理療法的三自由度機器人,該醫(yī)療機器人系統(tǒng)采用阻抗控制策略,實驗驗證了阻抗控制器的有效性.文中工作是在已經(jīng)建立的手臂康復(fù)訓(xùn)練機器人機構(gòu)基礎(chǔ)上,建立了手臂肌力訓(xùn)練模式目標(biāo)阻抗控制模型,在康復(fù)訓(xùn)練過程中實現(xiàn)機器人末端的柔順運動,并利用dSPACE實驗平臺建立了半物理仿真試驗系統(tǒng),進行了不同控制參數(shù)下的實驗.1布署機械手的工作模式功能手臂康復(fù)機器人的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示.機器人有3個自由度,關(guān)節(jié)1為非驅(qū)動回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),用來確定機械手臂的工作面,實現(xiàn)水平面或者豎直面的運動.關(guān)節(jié)2(φ)為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)3(l)為伸縮關(guān)節(jié).機器人主要有2種工作模式,關(guān)節(jié)運動訓(xùn)練模式和手臂肌力訓(xùn)練模式.1)關(guān)節(jié)運動訓(xùn)練模式.機器人工作在位置控制方式,帶動患者的手臂在平面內(nèi)做定軌跡運動,通過創(chuàng)造虛擬工作環(huán)境,模擬日常生活中手臂的一些動作,實現(xiàn)對手臂各個關(guān)節(jié)的運動訓(xùn)練,提高關(guān)節(jié)的活動度.通過獲取手臂與機械手之間的作用力、手臂肌肉的肌電信息、手臂關(guān)節(jié)運動的狀態(tài)等生物信息,使機械手與人的手臂協(xié)調(diào)運動,獲得最佳訓(xùn)練效果.2)手臂肌力訓(xùn)練模式.機器人停留在平衡位置,當(dāng)操作者握住機器人的操作手柄并產(chǎn)生運動趨勢時,機器人末端會產(chǎn)生一個反作用力,阻止操作者手臂的運動,并且作用力隨著末端位置偏差的增大而增大(近似彈簧特性),以實現(xiàn)對操作者手臂的力量訓(xùn)練.2基于約束的抗制模型對于關(guān)節(jié)運動訓(xùn)練模式,主要控制任務(wù)是實現(xiàn)機器人末端運動軌跡的控制,表現(xiàn)為位置控制特性.為了獲得一定的柔順控制效果,可以采用基于位置閉環(huán)的阻抗控制方法,作者在文獻中已做過介紹.對于手臂肌力訓(xùn)練模式,控制目標(biāo)是機器人末端與使用者的手臂(環(huán)境)之間的相互作用力的控制,表現(xiàn)為力伺服控制特性.假設(shè)期望的作用力用一個目標(biāo)阻抗模型來表示Μd(¨Xr-¨X)+Bd(˙Xr-˙X)+Κd(Xr-X)=Fd.(1)Md(X¨r?X¨)+Bd(X˙r?X˙)+Kd(Xr?X)=Fd.(1)或表示為Fd=(Μds2+Bds+Κd)Xe=ΖXe.(2)Fd=(Mds2+Bds+Kd)Xe=ZXe.(2)式中:Kd,Bd,Md分別為3×3的目標(biāo)剛度矩陣、目標(biāo)阻尼矩陣和目標(biāo)慣性矩陣,為正定對稱矩陣.Kd矩陣的系數(shù)反映了接觸剛度的大小,Bd矩陣的系數(shù)反映了能量的消耗,Md矩陣用來調(diào)整響應(yīng)過程的平滑特性,Fd為x,y,z方向3×1的機器人末端與環(huán)境接觸時環(huán)境施加給機器人的力向量,X、˙XX˙、■分別為x、y、z方向3×1的機器人末端的位置、速度和加速度向量,Xr、˙XX˙r、■r分別為x、y、z方向3×1的參考位置、參考速度和參考加速度向量,Xc為位置偏差.式(1)的目標(biāo)阻抗模型代表的是一個質(zhì)量-彈簧-阻尼特性.采用阻抗控制后的控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示.其內(nèi)環(huán)為力閉環(huán),外環(huán)為由位置偏差通過目標(biāo)阻抗模型調(diào)節(jié)產(chǎn)生的期望輸入指令信號,工作原理如下:1)當(dāng)機器人末端自由(與環(huán)境的作用力為零)時,Fs=0,力閉環(huán)打開,系統(tǒng)工作于位置伺服控制方式,在外環(huán)的作用下機器人停留在平衡位置.控制律為U=XeΖJΤGF=(Xr-X)ΖJΤGF.(3)U=XeZJTGF=(Xr?X)ZJTGF.(3)主要對位置偏差Xe產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用.2)當(dāng)機器人的末端受到作用力后,Fs≠0,力閉環(huán)自動閉合.同時,機器人的末端在外力的作用下產(chǎn)生位置偏差Xe,經(jīng)過目標(biāo)阻抗調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的期望控制力信號Fd,與反饋作用力信號相比較產(chǎn)生控制量,控制伺服驅(qū)動元件產(chǎn)生驅(qū)動力,從而實現(xiàn)作用力的控制.隨著位置偏差的增大,機器人末端的驅(qū)動力會隨之增大,反之亦然.通過調(diào)整目標(biāo)阻抗調(diào)節(jié)器的參數(shù)(Kd、Bd、Md)和力閉環(huán)控制器(GF)的參數(shù)即可控制機器人末端與環(huán)境,即操作者所受作用力的特性.控制律為U=(Fd-Fs)ΖJΤGF=(XdΖ-Fs)JΤGF.(4)對位置偏差Xe和作用力都產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用.3半物理模擬實驗研究3.1基于fpga的機器人控制系統(tǒng)手臂康復(fù)機器人系統(tǒng)的半物理仿真由實物部分(機器人)與仿真系統(tǒng)組成,其原理框圖如圖3所示.系統(tǒng)主要包括3個部分:1)手臂康復(fù)機器人作為被控對象以實物形式出現(xiàn)在閉環(huán)里,包括機器人機械系統(tǒng)、mega16單片機(下位機)、電機驅(qū)動電路及力傳感器和關(guān)節(jié)角度傳感器.2)dSPACE處理器作為實時控制平臺,它提供了大量的控制接口,具有很強的數(shù)據(jù)處理能力和定時功能,可以確保仿真時間與實際時鐘的嚴(yán)格同步,并允許在線調(diào)整控制器的參數(shù).3)工控機主要用于提供人機交互控制桌面和控制程序的開發(fā)環(huán)境.利用Matlab/Simulink控制系統(tǒng)設(shè)計工具實現(xiàn)控制器的編程、控制參數(shù)的設(shè)定和傳感器及控制信息的實時顯示和記錄.3.2目標(biāo)抗側(cè)力控制機器人的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是由直流力矩電動機直接驅(qū)動的,其在物理結(jié)構(gòu)上可以實現(xiàn)運動的可逆性,也就是說當(dāng)外界有干擾力作用時,回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)角而偏離初始位置.由式(2)可知,目標(biāo)阻抗模型中包含了一階和二階微分環(huán)節(jié),使得系統(tǒng)對位置偏差的變化非常敏感,系統(tǒng)的抗干擾能力將會下降.手臂肌力訓(xùn)練模式的主要目的是對人的手臂運動產(chǎn)生阻力,促進肌力的恢復(fù)和鍛煉,這種控制模式體現(xiàn)了彈簧特性.因此可以對式(2)的目標(biāo)阻抗模型進行簡化,只保留剛度項,即Z=Kd.簡化后回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的控制程序如圖4所示,力控制器GF采用PI控制算法.目標(biāo)作用力和控制量分別為Fd=Κd×φe?U=(Κd×φe-Fs)GF.3.3剛度系數(shù)對機器人轉(zhuǎn)角偏移的影響手臂康復(fù)機器人半物理仿真實驗系統(tǒng)如圖5所示,在實驗的過程中,受試者緊握力傳感器把手并依靠主動力來操控機器人的末端執(zhí)行器偏離平衡位置,同時在運動的過程中機器人的驅(qū)動電機力矩會給操作者提供一個阻力,操作者在該阻力的作用下鍛煉上肢的肌力.當(dāng)操作者的主動力消失時,機器人的末端會在反向力矩的作用下回歸初始位置,整個過程中機器人系統(tǒng)的特性猶如一根彈簧.訓(xùn)練的阻力可以由機器人系統(tǒng)的剛度參數(shù)調(diào)節(jié),同時操作者的主動力可以用力傳感器的信號進行補償,此時的力信號可以使得受試者施加作用力時更加輕松,同時關(guān)節(jié)的活動范圍更大.圖6是當(dāng)力反饋系數(shù)為Kf=0.08,選擇不同剛度系數(shù)時的實驗曲線.圖6(a)為Kd=0.01時的實驗曲線,其中上圖為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角曲線,下圖為手臂施加在機器人末端的力曲線.從圖中可以看出,當(dāng)作用力F為零時,關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角為零.當(dāng)作用力F不為零時,關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角隨力的大小變化而變化,當(dāng)撤銷作用力F后,關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角也回到零位,說明該系統(tǒng)是位置伺服系統(tǒng),同時具有一定的柔順性.對比圖6(a)～(d)4個圖可以看出,在作用力幅值保持基本不變(-2N～+2N之間)的條件下,隨著剛度系數(shù)的增大,機器人的轉(zhuǎn)角偏移量逐漸減小,表現(xiàn)為彈簧特性.圖7是當(dāng)力反饋系數(shù)為Kf=0.08,選擇不同剛度系數(shù)時的另一組實驗曲線.對比圖7中的轉(zhuǎn)角曲線可知,在機器人的轉(zhuǎn)角偏移量幅值保持基本不變的條件下,隨著剛度系數(shù)Kd的增大,作用力逐漸增大,同樣表現(xiàn)出彈簧特性.適當(dāng)?shù)倪x擇剛度系數(shù)Kd就可以獲得期望的剛度特性.4半物理仿真實驗介紹了手臂康復(fù)機器人的2種工作模式,在此基礎(chǔ)上提出了用于手臂肌力訓(xùn)練模式目標(biāo)阻抗控制模型.對阻抗控制器進行了實用性簡化,建立了回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的剛度控制模