下肢康复训练机器人单片机控制系统设计
第31卷第11期 应 用 科 技 Vol.31, .112004年11月 Applied Science and Technology Nov.2004文章编号:1009-671X(2004)11-0001-03
下肢康复训练机器人单片机控制系统设计
颜 庆,张立勋,杨 勇,夏昊昕
(哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)
摘 要:康复训练机器人是近年来出现的一种新型机器人,下肢康复训练机器人是其中的一种,它可以模拟正常人的行走姿态,对下肢有运动障碍的病人进行下肢康复训练.详细介绍了它的机械结构和工作原理,由AVR单片机实现的控制系统以及软件设计,给出了实验样机照片和实验所得数据,样机基本实现了模拟正常人的行走姿态的功能,为康复训练机器人的进一步研究打下了基础.关 键 词:下肢康复训练机器人;康复训练;AVR单片机中图分类号:TP272 文献标识码:A
Thedesignoflowerlimbsrehabilitativerobotcontrol
systemuingAVRMCU
YANQing,ZHANGL-ixun,YANGYong,XIAHao-xin
(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)
Abstract:Reharobotisanewkindofrobotwhichhasbeendevelopedinrecentyears.Lowerlimbsrehabil-i
tativerobotisoneofthiskindofrobot.Itcansimulatethemotionofnormalhuman swalkinggestureandgivethepatientshealingtrainingwhichwillhelpthemtorecoverfromillness.Thispaperelaboratestherobot sconstructionandworkingprinciple,itscontrolsystemwithAVRMCUanditssoftware.Thepho-tographofprototypeandtheexperimentaldataaregiven.Theprototyperealizesthefunctionofsimulatingwalkinggestureandprovidesabasisforfollowingresearch.
Keywords:lowerlimbsrehabilitativerobot;healingtraining;AVRMCU 康复训练机器人的主要功能是帮助有运动障碍的病人完成各种运动功能恢复训练,下肢康复训练机器人主要针对下肢有运动障碍的病人,它是根据康复医学理论和人机合作机器人原理,通过一套计算机控制下的步姿模拟控制系统,使患者模拟正常人的步伐规律进行康复训练运动,锻炼下肢的肌肉,恢复神经系统对行走功能的控制能力,达到恢复走路机能的目的.
1.1 步态控制机构
步态控制机构能够模拟正常人的走步状态.原理如图1所示.
1 机器人的机构及工作原理
人的行走运动是很复杂的,不仅腿前后摆动,脚踝有转动,而且人体的重心也在上下浮动和左右移动,下肢康复训练机器人中都有相应的机构帮助患者完成这些运动,主要有步态控制机构、脚踝姿态控制机构、重心调整机构和重力平衡机构,各个机构协调运转就可以模拟人的行走状态.
图1 康复机器人结构原理图
电机1经过减速器2和一级链传动3带动轴4转动,在轴4的两端有2个曲柄5和6,他们位
收稿日期:2003-10-28.
作者简介:颜 庆(1980-),男,硕士研究生,主要研究方向:机电一体化技术.
2 应 用 科 技 第31卷
送给其他3个子系统,让这3个子系统根据步态机构的运行情况来控制其相对应的机构.
置相差180 ,分别与长杆7和8构成曲柄连杆机构,在连杆上安装有2个脚踏板11和12,患者就是站在脚踏板上进行康复训练的.当曲柄连杆机构运转起来,如果把脚踏板看作连杆上的一个点,脚踏板运行的轨迹会是一个非标准的椭圆形,与正常人在行走时脚的运动轨迹相吻合.1.2 脚踝姿态控制机构
脚踝姿态控制机构的功能是调整脚踏板的角度与地面的角度,进而控制脚踝姿态.脚踏板下各有一组直流电机控制的丝杠螺母机构9和10.直流电机带动丝杠转动,丝杠螺母机构将电机的回转运动转化为螺母机构的直线运动,带动脚踏板上下摆动.患者的脚固定在脚踏板上,随脚踏板一起运动,这样就实现了踝关节姿态的控制.1.3 重力平衡机构
重力平衡机构可以承担患者的部分体重,减轻对病腿的负荷,同时防止患者因意外或下肢力量不足而摔倒.图1中,吊缆13的末端通过承重背心与患者相连,当偏心轮14转动时,图1中,吊缆末端会随着偏心轮的转动而作周期性的上下运动,吊缆在承担患者部分重量的同时也与人重心的上下同步运动.通过取得适当的偏心距,并保证偏心轮与轴4之间有合适的相位关系,就能实现重心随步态的运动而上下移动.1.4 重心调整机构
人行走时两条腿交替承受身体的重量,因此人的重心总是在两条腿之间不停转换,重心调整机构就是用来辅助患者完成重心的左右调整,让患者的下肢运动更接近人的实际运动状态.与重力平衡机构相类似,电机15(或19)经减速器16(或20)和偏心轮17(或21)带动拉绳18(或22)作周期性的左右移动,拉绳18、22的末端与人的腰部相联,只要选择合理的偏心距并与步态运动配合好,就可以控制患者重心的左右移动.
图2 总体控制方案示意图
每个子系统都采用ATMEL公司AVR系列的AT90S8535型号单片机作为控制器,AVR单片机采用精简指令集RISC结构,大多数指令的执行时间仅是一个时钟周期,运算速度非常快.片内带4KB的FLASH程序存储器,一般不需要扩展外部存储器.8535还有8路10位A/D通道,2个外部中断口和2路10位PWM以及1路8位PWM.总体来说,AVR单片机性能优良,资源丰富,应用方便.
步态控制子系统的结构框图如图3所示,单片机通过通讯接口与PC机通讯,一方面接受PC机的速度指令,另一方面反馈给PC机步态子系统的状态信息.单片机根据PC机的命令,发出PWM信号,经过滤波电路之后成为0~5V的电
图3 步态控制子系统
2 机器人的控制系统
2.1 总体控制方案
下肢康复训练机器人控制系统采用两级控制方案,总体控制方案示意图如图2所示.系统从功能模块上分为步态控制子系统、重心调整子系统、重力平衡子系统、脚踝姿态控制子系统,分别用来控制相对应的执行机构.PC机负责系统的管理、状态显示、人机对话、实时监控患者的生理状态.步态控制系统是一个速度闭环控制系统,它根据PC机给的速度命令控制步态控制机构以一定的
.压信号,作为调速器的输入指令信号.调速器是由可控硅调速电路和光电编码器构成的局部速度闭环控制器,采用PI校正环节,可以满足电机的驱动要求和控制精度要求.因为调速器是由模拟电路做成的,所以编码器反馈回来的脉冲信号要经过频压转换再反馈给调速器,同时编码器的脉冲信号经过滤波去噪声后送给单片机的中断口,单片机通过累加脉冲个数测量电机转过的角度,再根据传动比计算出步态控制机构的位置,单片机把位置信号作为命令通过8位I/O口发送给其他3个子系统.步态控制机构中的曲柄每转一圈都要碰到图3中的行程开关,行程开关所处的位置
第11期 颜 庆,等:下肢康复训练机器人单片机控制系统设计作为曲柄的初始位置,每转一圈就对位置做一次重新标定,防止误差累积造成的位置偏差.2.2 控制软件
图4是步态子系统的控制流程图
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3
运动的速度应该尽量避免快速变化,要有一个缓慢的过程,这一功能在图4中的 计算速度 中得以体现,具体的算法如图5所示. 实际值 是指步态子系统实际发送的速度值, 期望值 是指PC机给步态子系统的速度命令,实际值根据期望值的大小或增大或减小,而且每次只减小最小的单位值.这样就实现了步态运动速度的缓慢过渡变化.
3 实验研究
图6是下肢康复训练机器人的样机照片.本文针对样机进行了步态控制试验和踝关节姿态控制试验.试验结果表明,步态驱动系统运动平稳,可实现慢启动和慢停止以及椭圆形步态轨迹.实测椭圆轨迹的长轴为302mm,短轴为20mm,接近正常人的步态轨迹.步速为每分钟0~45步,踝关节姿态控制系统工作在-26.4~18.5 ,可以与步态系统同步运动,姿态角为-26.4 ~18.5 ,可以满足踝关节运动姿态控制要求
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图6 机器人样机照片
图4 上位机控制软
件程序框图
4 结 论
本文介绍的下肢康复训练机器人能够模拟正常人的行走步态,帮助下肢有运动障碍的患者进行康复训练,恢复下肢的运动机能,帮助患者康复.该机器人的结构巧妙,易于加工制造.采用单片机控制,成本低,有利于产品化.为该机器人系统配以合适的生物信息检测系统,对反馈信息进行分析处理,可以自动记录和评定康复训练效果,确定最有效的训练程序,实现康复训练智能化.
参考文献:
[1]丁化成,耿德根,李君凯.AVR单片机应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[2]张立勋,孟庆鑫,张今瑜.机电一体化系统设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000.
[3]GIRONEM,BURDEAG,BOUZITM.Asteward
platform-basedforankletele-rehabilitation[J].JournalofAutomationRobots,2001,48(10):35-40.
图5 计算速度程序框图
考虑到病人的舒适感以及防止意外发生,步态
[责任编辑:李雪莲]