【doc】下肢外骨骼机器人运动学分析与轨迹控制实现

【doc】下肢外骨骼机器人运动学分析与轨迹控制实现 下肢外骨骼机器人运动学分析与轨迹控制 实现 下肢外骨骼机器人运动学分析与轨迹控制实现 尤跃东,殷跃红 (上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240) KinematicsAnalysisandTrajectoryControlRealizationofLowerExtremity ExoskeletonRobot YOUYue—dong,Y1NYue—hong (Sehoc1ofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,Chin a) 摘要:为满足神经受损患者下肢康复训练需要, 设计了外骨骼下肢康复机器人,建立了其运动学解 析关系;对患者的康复策略进行了分析选择.并对康 复策略的轨迹控制方法进行了研究,详细讨论了基 于固高GUC--8轴嵌入式运动控制器的主被动控 制实现方法. 关键词:康复机器人;运动学解析;康复策略;轨 迹控制方法;GUC一8轴嵌入式运动控制器 中图分类号:TH13;TP24 文献标识码:A 文章编号:1001—2257(2012)03—0065—04 Abstract:Tosatisfytrainingdemandsfor walkingpatientswithimpairedcranialnerves,a lowerextremityexoskeletonrehabilitationrobot wasdesignedanditskinematicswasdeduced.After analyzingandchoosingtherecoverystrategyfor patients,thetrajectorycontrolmethodswerere— searched.Theactiveandpassivecontrolmethods basedonGoogol8axesembeddedmotioncontrol— lerarediscussedindetail. Keywords:rehabilitationrobot;kinematicsa— nalysis;recoverystrategy;trajectorycontrolmeth— od;Googol8axesembeddedmotioncontroller 提高起到重要作用口].传统对下肢残疾的康复治疗 主要依赖于康复治疗师一对一的徒手训练,借助于 康复治疗师牵引带动患者肢体进行康复训练,其存 在效率低,成本高和训练参数不确定等缺点.为解 决上述问题,国内外很多机构开始着手研究康复医 疗机器人【2]. 本文外骨骼下肢康复机器人采用6个自由度, 除了重心自由度和跑步机的自由度外,左右机械腿 的自由度均有2个,为髋关节和膝关节2个自由度, 分别由独立的带滚珠丝杠的驱动机构实现关节运 动,可以实现矢状平面上的弯曲和伸展运动.髋关 节摆动行程为一30.,60.,膝关节摆动行程为0, 11O.,符合单腿屈伸以及步态训练角度摆动要求. 踝关节则由弹簧矫正机构矫正,防止训练过程中脚 部出现侧翻等非正常姿态.用于步态训练时,患者 立于跑步机上正常行走,重心自由度用于模拟人步 态行走时重心的上下浮动. 1外骨骼下肢机构及其运动学关系 外骨骼下肢康复机器人机械腿的原理如图1所 示,电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动,从而带动固 警动中心感, 0引言膝 人体下肢运动功能障碍已经成为一种常见的疾2 病.这些患者除了早期的手术治疗和必要的药物治I 疗外,科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和' 收稿日期:2011—10—17 基金项目:上海交通大学医工交叉研究基金重大项目资助项目 (YG2010ZD101) 《机械与电子~2012(3) , 髋关节滑块 髋关节推杆 ,大腿杆 膝关节滑块 , 膝关节推杆 膝关节转 动中心 小腿杆 图1下肢康复机器人机械腿原理 ?65? 人运 定于丝杠螺母上的髋关节滑块和膝关节滑块移动, 滑块移动带动髋关节推杆和膝关节推杆运动使得大 腿杆和小腿杆摆动.图1中实际尺寸S一9.7 mm,S2===100mm,S3—60mm,S4—41mm,S5=== 108mm,S6—60mm. 定义大腿和小腿相对于水平地面垂直的位置为 下肢外骨骼的控制零位(如图1所示),大腿相对于 零位向前摆动为正角度,向后为负角度;膝关节相对 于零位向后摆动为正角度;L为髋关节处于零位 时,髋关节滑块相对于髋关节的距离,L一128.5 mm;Lz为膝关节处于零位时,膝关节滑块相对于膝 关节的距离,L2—137.4mm. 1.1髋关节摆动角度0与髋关节滑块位移量L 的几何关系 如图2所示,MON一为髋关节摆动角度. AB,BC,0C,/CoF的大小始终保持不变,则有: Joint D N 图2髋关节运动学关系 AO:AE+EO 一 ?BC一CD+OC×COS/C0E fCOE=90.一/COF一 <—————————— ICD=CE—ED—OC×sinCOE—ED 得到髋关节滑块位移量与髋关节摆动角度量关 系为: L^一L1一A0—128.5一 ~/100.一[-60sin(60.一)一9.7-]一 60cos(60.一) 1.2膝关节摆动角度0与膝关节滑块位移量L 的几何关系 如图3所示,M0N一为膝关节摆动角度, AB,BC,OC,C0F的大小始终保持不变,则有: A0=AF一0F = ?BC一CD一OCXCOS.COF ?66? 小C 图3膝关节运动学关系 rCOF=CoM,Ok一120.一0k 1—————————— CD:CF—AB—OC×sin/COF—AB l——一' 【oF=0C×COS/C0F 得到膝关节滑块位移量与膝关节摆动角度量关 系为: L一L2一AO一137.4一 ,/,108,C60sin(120.一)一4aJ.+ 60cos(120.一) 2康复策略的选择 2.1康复初期阶段 患者在患病初期阶段的软瘫期和痉挛期,对下 肢完全无法控制,肌力不足,关节活动度不够,必须 由稳定可靠的外力完全驱动,使其被动地完成运动. 所谓"被动",表示患者穿戴外骨骼进行训练时,下肢 完全由外骨骼带动完成系统程序所预先规划好的步 态运动,从而达到恢复肢体肌肉张力,早期步态定形 的训练目的.在此阶段,可以选择性调整运动的关 节活动度,步频等参数.被动模式有2种: a.被动屈伸模式.训练模式功能是参考CPM 机功能,旨在康复初期用于训练患者单腿的关节活 动度.模式要求患者通过减重带站立在跑步机上进 行单腿屈伸训练,给出了髋关节幅度,膝关节幅度和 屈伸速度等参数为可调的屈伸方式.运动训练为关 节角度匀速运动. b.被动行走模式.通过已经得到的标准步态数 据来控制机器人模拟标准步态运动.为使机器人能 模拟不同步态,为患者提供多种步态训练,根据步行 运动特征,给出了以步幅,步频等参数为可调的步态 规划方法. 2.2康复后期阶段 在一段被动训练疗程后,患者的下肢恢复一定 《机械与电子))2o12(3) 人运 程度的肌力,具有一定的行走能力,这个时候再进行 被动训练就已经没有太多意义了,此时需要患者主 动参与到康复训练过程r5].当患者进行主动训练 时,康复机器人迅速获取患者主动运动的意图,提供 给患者相同方向的助力,辅助患者训练. 3康复策略轨迹控制方法的具体实现 控制系统的主控器采用固高公司的GUC系列 八轴嵌入式运动控制器,编程工具选用了Microsoft 公司的VisualBasic6.0.外骨骼下肢康复机器人 的系统组成如图4所示. GUC 丽HIl :l被动行走训练卜HHll [至面]鞋辖H篡I.I孽 :f主动行走训练卜一HHll 康复策略;IIlll 串IsI通信I 获取力,位置信号 下位机DSP(信号H交互力传感器+电位计 H交互力传感器+电位计 躺轨面迹数据输出)H交互力传感器+电位计 交互力传感器+电位计左腿膝关节机构 L!量一 图4外骨骼下肢康复机器人的系统 3.1硬件初始化设置 机器人电机选用Panasonic的交流伺服电动 机,伺服驱动器与电机实现速度伺服环和电流伺服 环,组成整个控制系统的内环.其具有良好的速度 控制特性,在整个速度区内可实现平滑控制,几乎无 振荡. 在软件控制之前,先设定好所有电机驱动器的 模式为位置模式,同时设置好驱动器电子齿轮参数. 电子齿轮用来任意地设置每单位指令脉冲对应的电 机速度和位移量].所选用电机的编码器分辨率为 10000,记为F(单位为pulse),而电机每转1圈所 需脉冲数是,(单位为pulse),那么电机驱动器指令 脉冲分倍频的分子Pr48或Pr49,分子倍率Pr4A 和分母Pr4B(此4个参数在驱动器中设置)必须满 足: —f璺兰: 一Pr4B 机器人设置,一5000,即51300个脉冲驱动电 机旋转l圈.设置Pr48—10000,Pr4A一0,Pr4B 《机械与电子))2012(3) 一5O00满足上述公式.由于关节的传动方式采用 滚珠丝杠直接传动,滚珠丝杠导程皆为5mm,这样 运动控制卡每发5000个脉冲驱动电机转动1圈也 即驱动滚珠丝杠滑块移动5mm.可换算成若运动 ,滑块则移动1m,此为脉冲 控制卡发出1个脉冲 当量.那么电机位置脉冲量与滑块位移量的关系 为: Pulse=L×1000 3.2被动控制方法具体实现 外骨骼下肢康复机器人的被动控制模式为位置 控制.此策略为开环的控制策略,即在训练开始前 便选择好要进行的运动轨迹曲线数据,待训练开始 后,外骨骼机器人按照不断存储进GUC运动缓存 区的轨迹数据运动,显示实时传递回来的关节位置, 速度等数据,但并不将它们作为反馈,应用于控制环 中.虽然被动运动模式是一套开环的控制方案,但 每个电机驱动器一对一地控制其对应的电机,仍然 是一个位置,速度和电流的三闭环控制. 3.2.1被动屈伸模式的轨迹实现 以髋关节为例介绍控制方法.上文得到髋关节 摆动角度与髋关节滑块位移量关系为: L^一128.5一~/100.一(60sin(60.一)一9.7) +60cos(6O.一) 选择髋关节的摆动角度为,摆动速度为Vh, D 则一个方向上的摆动周期Th一一Uh.将分为固定 7J^ 的5O个采样点,.,…,.,根据上述关系,得到 对应的滑块绝对位移量.,L,…,.,采样周期 一 lh .每2个采样点之间的滑块移动速度为 r—r ,50,L^一0),由此得到髋 .一(一0 "'【h 关节一个摆动周期内滑块每个位置的位移量和 速度.同理也可以获得膝关节一个摆动周期内 滑块每个位置的位移量和速度. 被动屈伸运动需要髋关节和膝关节2个自由度 同时运动.这里采用GUC运动控制器的插补运动 模式.在进行插补运动前,需要建立坐标系,将规划 轴(左腿或者右腿的髋关节和膝关节)映射到相应的 坐标系中.坐标系运动采用缓存区运动方式,即用 户需要向插补缓存区中传递插补数据,然后启动插补运动,运动控制器会一次执行所传递的插补数据, ? 67? 一一一一一一一一一一一,一一一一一 人运 直到所有的插补数据全部运动完成.将上述计算得 到的5O对髋关节和膝关节绝对位移量和终点速度 作为传递数据存人缓冲区内,开启插补运动,即可实 现被动屈伸模式的轨迹运动. 3.2.2被动行走模式的轨迹实现 由临床步态分析(CGA)标准步态数据库得到 标准步态曲线.软件将一个标准步态周期分为200 个采样点,每个采样点为各个关节的绝对角度摆动 量.同理,根据上述被动屈伸模式所述的运动学关 系,得到各个关节滑块的绝对位移量.软件按照患 者的需要提供了多种步态周期,设选定的一个步态 周期为T(单位为S,设定为跑步机速度),这样各个 关节前后2个滑块绝对位移量(设为Posl和Pos2, 单位为mm)之间的时间间隔为AT--.所以得 到每2个位置点之间滑块的速度为一 二(单位为pulse/m). 要实现机器人的步态轨迹,就要实现4个关节 电机,1个重心电机和跑步机电机6轴联动.6轴联 动采用GUC运动控制器的PVT运动模式. PVT模式【使用一系列数据点的"位置,速度, 时间"参数来描述运动规律.编程时指定运动段末 端点的位置,速度和时间段,结合运动段起始点的参 数,运动控制器将根据线性加速度,二阶速度和三阶 位置的规律计算满足条件的插补轨迹.位置,速度 和时间满足如下函数关系: P=at.-Fbt+c+ 一下 dp 一 3af+2b,+cd , 如果给定相邻2个数据点的"位置,速度,时间" 参数,可以得到如下方程组: at{-Fbt+ct1+—P13at{+2bt1+c=1 at;+bt;+ct2+d—P23at;.-F2bt2+C一2 求解该方程组,可以得到a,b,c,d,因此相邻2 个数据点的运动规律就可以确定下来. 软件编写时采用PVT的Complete描述方式, 只要给出各个采样数据点的"位置,时间",以及起点 速度和终点速度即可.运动控制器根据各数据点的 "位置,时间"参数计算中间各点的速度,确保各数据 点速度连续和加速度连续. 在运动控制前,设置运动模式为PVT模式,在 GUC内定义一个数据表,将上述的201个同等采样 ? 68? 时间的运动段位置数据,速度存入该数据表中,设置 为循环执行数据表中的运动数据直至规划运动时 间.开启PVT运动,即可实现被动行走模式的轨 迹运动. 3.3主动控制方法具体实现 主动控制模式要求患者的大腿,小腿前侧和后 侧各绑定1个压力计,共4个压力计.压力计固定 在外骨骼机械腿的大小腿上,用于检测患者腿部和 外骨骼机构的交互力.下位机DSP主要负责压力 计压力值的数据采集,智能控制算法及运动轨迹数 据输出.DSP与GUC通过串口通信,DSP既可以 将运动轨迹数据传输给GUC用于外骨骼运动控 制,也可以为治疗师和患者提供实时而简洁的反馈 信息,还可以接受GUC传输过来的控制命令. DSP通过绑定于患者大腿和小腿前后侧压力 计来侦查患者的运动意图.如果前后压力差小于零 则代表患者关节有往前摆动的意图,反之有往后摆 动的意图.压力差的大小反应患者运动肌力的大 小.DSP采集到的压力差,按照控制算法计算得到 运动轨迹数据,通过串口通信传递给GUC,GUC根 据轨迹数据控制外骨骼运动.在运动控制之前,设 置运动模式为多轴插补模式,将DSP不断传递过来 的数据存入GUC的插补数据缓存区,启动插补运 动,即可实现主动控制模式的轨迹运动. DSP和GUC运动控制器之间的串口通信的流 程如图5所示. :l {个 启动主动训练模式 DSP根据算法生成轨迹数据 轨迹数据通过串口通信 传递给GuC IY 轨迹数据保存进 Guc运动缓存区 —— — —/ lY Guc根据轨迹数据控 制外骨骼机器人运动 ==:—— ———— 一 IY DSP与GUC停止通信 图5主动模式通信 4结束语 分析了下肢康复机器人的运动学关系,并根据 不同的生理特征,提出了多种不同的主被动康复策 略,每种策略可更改相应的屈伸角度,速度或步行的 步长,周期等运动参数,避免了策略单一,不可调,适 《机械与电子))2012(3) 基于轨迹规划的水下机械手电液控制系统研究 张建华,唐国元,黄道敏,谢金辉 (1.华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074;2.空军雷达学院,湖北武 汉430010) TheStudyofElectro——hydraulicControlSystemoftheUnderwaterManipulator BasedonTrajectoryPlanning ZHANGJian—hua,TANGGuo—yuan,HUANGDao—rain,XIEJin—hui (1.UnderwaterTechnologyLaboratory,SchoolofNavalArchitectureandEngineering,Hua zhongUniversityofScience andTechnology,Wuhan430074,China;2.AirForceRadarAcademy,Wuhan430010,China ) 摘要:水下机械手是海洋油气开采及应急作业 的重要装备,针对其作业特点,建立了机械手三维结 构模型,分析了其运动学正逆解,研究了其末端执行 器直线运动轨迹规划方法,电液系统模型及控制方 法,以此为基础提出了基于轨迹规划的水下机械手 电液控制方法.在Matlab/Simulink环境下建立了 电液控制系统的仿真模型. 关键词:水下机械手;轨迹规划;电液控制 中图分类号:TP241 文献标识码:A 文章编号:1001—2257(2012)03—0069—04 Abstract:Underwatermanipulatoristheim一 收稿日期:2011—1O一11 portantequipmentinexploitationofmarineoil—— gasandemergencywork.Consideringthecharac— teristicsofitswork,themethodoftrajectoryplan— ningwhenthetrajectoryofendeffectorislinear andtheelectro—hydrauliccontrolmethodbasedon trajectoryplanningarestudied.Three—dimension— almodeloftheunderwatermanipulatoriscon— structedandtheforward—inversekinematicssolu— tionsareanalyzed.Thispaperstudiesthemethod oftrajectoryplanningwhenendeffectormoveina straightline,theelectro—hydraulicsystemmodel andthecontrolmethod.Onthebaseoftheabove studies,theelectro—hydrauliccontrolmethodof 应能力差等缺点.接着在系统的软硬件平台上讨论 了各种康复策略轨迹的具体实现方法,完成了对机 器人的轨迹控制,能稳定地带动病人完成主被动训 练.文中患者训练过程还可以实现运动状态的在线 测量,比如运动角度,速度,交互力值和EMG信号 等信息的实时采集,准确性高,为后续的患者康复评 估提供必要的评估数据. 参考文献: E13 [2] BarbeauH,NormanK,FungJ,eta1.Doesneuro—re— habilitationplayaroleintherecoveryofwalkingin neurologicalpopulations[J].AnnalsNewYorkAcade— myofSciences,1998,860:377—392. 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