助行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著科學(xué)研究的不斷深入，越來越多的研究成果造福于人類。助行器就是其中一種，它根據(jù)正常成年人的第五十百分位數(shù)據(jù)，基于動力學(xué)原理，通過有效的參數(shù)控制，建構(gòu)了人體腿部的三維模型，達(dá)到人體助行的目的。助行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是其功能發(fā)揮的關(guān)鍵。本文主要就助行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以更好地推動醫(yī)學(xué)助行走方面的研究與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：助行器；控制系統(tǒng)；人體助行

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）07-0183-02

Abstract：With the deepening of scientific research，more research results benefit mankind. Walking aid instrument is one of them，its fiftieth percentile data according to the normal adults，construct the human leg three-dimensional model based on the dynamics，through effective parameter control，to achieve the purpose of helping the human body. The design of the control system is the key to its function. This paper mainly analyzes the control system design of the walker to better promote the research and development of medical aid walking.

Keywords：walking aid instrument；control system；human body aid

0 引 言

助行器作為人體可以穿戴的人機(jī)一體化的機(jī)械設(shè)備，在控制系統(tǒng)的指引下，將人的兩腳與步行機(jī)器人結(jié)合在一起，發(fā)揮控制系統(tǒng)的智能控制優(yōu)勢，讓癱瘓的人再次站立行走。助行器類似人的雙足，它綜合控制學(xué)、動力學(xué)及物理學(xué)的相關(guān)知識，實(shí)現(xiàn)了行走參數(shù)的步態(tài)規(guī)劃和智能控制。控制系統(tǒng)的助行器設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，因此助行器控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)分析與深入研究具有現(xiàn)實(shí)必要性。

1 助行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

助行器基于動力學(xué)的原理，建構(gòu)了人體的腿部三維立體模型，實(shí)現(xiàn)了思維控制的目的。控制系統(tǒng)為助行器智能控制提供核心支持，在助行器的幫助下，原本不能行走的人可以站立行走，甚至達(dá)到正常人行走的效果。其三維立體模型的構(gòu)造其實(shí)就是即基于動力學(xué)原理將人的腿部抽象為平面三連桿機(jī)構(gòu)，引入拉格朗日方程作為有效參數(shù)的設(shè)置。模型參數(shù)以中國正常成年人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，選取正常成年男性人體第五十百分位數(shù)據(jù)作為參數(shù)指導(dǎo)。具體參數(shù)如表1所示。

助行器的智能控制系統(tǒng)選擇的是LD3Hall Effect型電動推桿輸出推力作為已知條件，然后將不同值的推力對應(yīng)到助行器力——位置閉環(huán)控制體系中，基于仿真原理獲知人體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度，綜合VICON系統(tǒng)平臺反饋過來的人行走時(shí)腿部各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度，并在兩者的運(yùn)動角度對比融合的基礎(chǔ)上，將人體腿部模型看做有效的控制機(jī)構(gòu)，當(dāng)助行器模型輸出各關(guān)節(jié)的推力數(shù)據(jù)達(dá)到控制器后，在重力的補(bǔ)償下，助行器模型輸出各關(guān)節(jié)角度的模擬曲線。構(gòu)建動力學(xué)方程組，在相應(yīng)技術(shù)的輔助下實(shí)現(xiàn)助行器智能控制系統(tǒng)仿真模型的打造，以便我們更好地研究人體關(guān)節(jié)模型的各個運(yùn)動角度。當(dāng)人體的髖關(guān)節(jié)電動推桿輸出的推力數(shù)值分別為600N、300N、150N時(shí)，助行器模型各關(guān)節(jié)運(yùn)動角度模擬出來的曲線與正常人體運(yùn)動時(shí)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度曲線最為接近，誤差最小。

2 助行器控制系統(tǒng)的構(gòu)成與功能發(fā)揮

控制系統(tǒng)作為助行器功能發(fā)揮的關(guān)鍵部分，是伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、微處理技術(shù)、電子通訊技術(shù)、集成電路技術(shù)等技術(shù)綜合發(fā)展起來的，其本質(zhì)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，其中硬件是助行器控制的基礎(chǔ)，而軟件則是核心部分，是技術(shù)支持的主要來源。助行器控制系統(tǒng)想要達(dá)成既定的目的，即讓穿戴助行器的人可以按照正常人的步態(tài)數(shù)據(jù)正常行走，實(shí)現(xiàn)助行的目的。因此對于助行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，步態(tài)控制是最為重要的。步態(tài)控制系統(tǒng)是由單片機(jī)通過TWI總線控制的兩個單片機(jī)構(gòu)成，然后兩個單片機(jī)分別對各個運(yùn)動關(guān)節(jié)上的電動推桿進(jìn)行控制，達(dá)到總體控制的目的。機(jī)械機(jī)構(gòu)其實(shí)是有5個自由度的，但是基于硬件的實(shí)際驅(qū)動力，我們在分析控制系統(tǒng)中一般選用3個自由度的標(biāo)準(zhǔn)，即一條腿桿需要3個電動推桿和3個霍爾傳感器。一個LD3HallEffect型電動推桿的控制線有2個控制端口，霍爾傳感器控制線對應(yīng)5非控制端口，也就說控制一條腿的電動推桿需要的IO端口至少為25個；然后電源端口需要，人機(jī)界面按鍵端口需要，一個單片機(jī)的端口是不夠的，必須引入3個單片機(jī)，以PC通訊的方式進(jìn)行異步串行通信，從而做好PC命令的傳感。助行器控制系統(tǒng)再控制過程中，基于電路中多條電流線的問題，以及不同頻率下電磁干擾的問題，需要在控制電路里增設(shè)光耦隔離，做好電路帶過熱或過流電路的保護(hù)。

2.1 助行器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

助行器控制系統(tǒng)的硬件主要是ATmegal 128單片機(jī)，它有32個8位的通用工作寄存器，附加133條指令集，其算術(shù)邏輯單元與寄存器直接關(guān)聯(lián)，單片機(jī)CPU執(zhí)行一條指令時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一個周期內(nèi)不同寄存器的同時(shí)訪問，以減少CPU在處理速度時(shí)發(fā)生的矛盾。其次是H橋組件LMD18200，它由4個DMOS管集成，組成標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動型H橋。其輸出峰值電流可以達(dá)到6A，而輸出連續(xù)電流可以達(dá)到3A，工作電壓可以達(dá)到55V，同時(shí)還具備溫度報(bào)警和過熱短路保護(hù)功能。再有就是霍爾傳感器。它屬于電磁傳感器，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測電流磁場與周圍電流磁場的變化，具有很強(qiáng)的電流磁場適應(yīng)性?；魻栃?yīng)原理下，傳感器處于電流磁場中，磁場方向垂直的向上通電流時(shí)，傳感器就在磁場和電流垂直方向上產(chǎn)生電勢差，但是通過傳感器的電流大小和方向保持不變，傳感器相對磁鋼作運(yùn)動時(shí)，其輸出端口對應(yīng)有電壓輸出。

2.2 助行器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

作為助行器控制系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)在功能發(fā)揮中起著重要作用。助行器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分構(gòu)成，采用自上而下的設(shè)計(jì)原則。主程序主要涉及到控制系統(tǒng)的初始化處理，如電動推桿的啟動程序等。首先是主程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)初始化完成后對ATmega128單片機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的寄存器、端口、系統(tǒng)中斷進(jìn)行初始化處理。LD3電動推桿啟動是需要給PWMn相關(guān)寄存器TCVTn等設(shè)置參數(shù)的。其次是中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)，主要是確保助行器各個關(guān)節(jié)的正常運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)各個關(guān)節(jié)點(diǎn)上LD3電動推桿的直線位移信號反饋，以保證各個環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動。直線位移信號實(shí)時(shí)捕捉中斷由直線位移捕獲中斷程序操控。在各個關(guān)節(jié)的LD3電動推桿運(yùn)行中，霍爾傳感器進(jìn)行信息號反饋，中斷服務(wù)程序指引各個關(guān)節(jié)的LD3電動推桿直線位移調(diào)整。位移服務(wù)可以借助軟件進(jìn)行速度計(jì)算并反饋到控制回路上，即通過測算LD3電動推桿直線變上的兩次位移數(shù)值之差和時(shí)間間隔計(jì)算出平均速度。設(shè)置定時(shí)器寄存器，發(fā)生中斷時(shí)，能有效讀取TCNTn窗口數(shù)值，測算2次各個關(guān)節(jié)的LD3電動推桿直線位移的間隔時(shí)間。最后是控制算法的實(shí)現(xiàn)。速度控制的原理是自適應(yīng)模糊PID控制，速度控制環(huán)計(jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)定數(shù)值，就自動進(jìn)入到LD3電動退關(guān)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)子程序中，基于霍爾傳感器的反饋信號計(jì)算電機(jī)速度，與給定速度進(jìn)行比較，得出速度誤差量，查詢模糊控制表進(jìn)行PID算法計(jì)算。

3 結(jié) 論

隨著我國科技事業(yè)的發(fā)展，助行器的研究也將更加深入。作為助行器的關(guān)鍵部分，助行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)直接關(guān)系到助行器的后續(xù)功能體驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)實(shí)效。本文主要就助行器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述，并分別從軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩大部分對其功能實(shí)施與運(yùn)作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。隨著科研的深入，助行器的控制系統(tǒng)也將更加智能化、簡單化、高效化，以便更好的造福人類和社會。

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作者簡介：周毅（1985-），男，重慶人，工程師，工學(xué)學(xué)士。研究方向：飛機(jī)維修、機(jī)械設(shè)計(jì)。