一種上肢康復(fù)機(jī)器人的力矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 祺，喻洪流，方又方

(1.上海理工大學(xué) 康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海 200093；2. 上海康復(fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海 200093；3. 民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；4. 上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

一種上肢康復(fù)機(jī)器人的力矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 祺1,2,3,4，喻洪流1,2,3,4，方又方1,2,3,4

(1.上海理工大學(xué) 康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海 200093；2. 上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海 200093；3. 民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；4. 上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

針對目前上肢康復(fù)機(jī)器人的輸出力矩控制不便的問題，設(shè)計(jì)了一種基于磁粉離合器的力矩控制系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的驅(qū)動電路。磁粉離合器能根據(jù)驅(qū)動電路的驅(qū)動電流輸出相應(yīng)的傳遞力矩，進(jìn)而可以控制上肢康復(fù)機(jī)器人的輸出力矩。經(jīng)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)控制簡便、安全性高，符合不同康復(fù)訓(xùn)練模式下對輸出力矩的要求，為實(shí)時(shí)控制康復(fù)機(jī)器人的輸出力矩提供了可行性驗(yàn)證。

上肢康復(fù)機(jī)器人；磁粉離合器；驅(qū)動電路；輸出力矩

近年來，上肢康復(fù)機(jī)器人作為醫(yī)學(xué)與工程學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，掀起了新的運(yùn)動神經(jīng)康復(fù)技術(shù)革命，發(fā)展迅速。在康復(fù)領(lǐng)域中，利用機(jī)器人技術(shù)對肢體功能障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練具有里程碑式的意義[1]。由于目前大多數(shù)上肢康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練模式分為助力訓(xùn)練、被動訓(xùn)練以及抗阻訓(xùn)練3種，這就對康復(fù)機(jī)器人的輸出力矩提出了較高要求，即上肢康復(fù)機(jī)器人要能根據(jù)不同的訓(xùn)練模式輸出相應(yīng)的力矩。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于磁粉離合器的力矩控制系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的驅(qū)動電路[2]。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)控上肢康復(fù)機(jī)器人的輸出力矩，同時(shí)為患者享有安全、舒適的康復(fù)體驗(yàn)提供了技術(shù)層面的支持。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的力矩控制系統(tǒng)以中央驅(qū)動式上肢康復(fù)機(jī)器人作為支撐平臺。該機(jī)器人的動力由集中安裝在機(jī)器底部的驅(qū)動電機(jī)提供，經(jīng)過變速箱變速，并通過力矩控制系統(tǒng)，最后經(jīng)由套筒及齒輪將3個(gè)獨(dú)立的動力源分別傳遞到肩關(guān)節(jié)及肘關(guān)節(jié)處[3]。上肢康復(fù)機(jī)器人的動力輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 上肢康復(fù)機(jī)器人的動力輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的力矩控制系統(tǒng)利用PID控制算法進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。力矩控制系統(tǒng)對反饋回路檢測到的電流進(jìn)行PID算法處理，輸出相應(yīng)的激磁電流，從而使磁粉離合器輸出相應(yīng)的傳遞力矩。這樣做一方面使輸出力矩可根據(jù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一方面則起到了限流的作用。在整個(gè)過程中，主制電路實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)遇到電流過載等突發(fā)情況時(shí)，能夠及時(shí)將電源關(guān)斷，從而保障了系統(tǒng)安全。

2 硬件設(shè)計(jì)

力矩控制系統(tǒng)的硬件主要由主控電路、驅(qū)動電路、電壓反饋回路、負(fù)載電流反饋回路和磁粉離合器等5部分組成。各部分之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 力矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主控電路以NXP公司的LPC1768作為核心控制芯片，該芯片提供了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能所需的A/D轉(zhuǎn)換接口、D/A轉(zhuǎn)換接口、6輸出的PWM通道以及通用I/O端口。磁粉離合器作為力矩控制系統(tǒng)的核心部件具有傳遞轉(zhuǎn)矩與滑差轉(zhuǎn)速無關(guān)、響應(yīng)速度快、控制功率小、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)良特性[4]。根據(jù)磁粉離合器的用戶手冊可得出，磁粉離合器可近似視為直流負(fù)載。在一定的范圍內(nèi)，傳遞轉(zhuǎn)矩隨著激磁電流的增加而線性增加[5-6]。文中正是利用這段線性區(qū)域，將輸出力矩與激磁電流相聯(lián)系，通過控制激磁電流來控制磁粉離合器的輸出力矩。

2.1 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選取

上肢康復(fù)機(jī)器人普遍采用220 V交流供電，經(jīng)過變壓器之后仍是交流電。本文采用BUCK降壓電路進(jìn)行DC-DC(直流轉(zhuǎn)直流)變換來獲取能夠驅(qū)動力矩控制系統(tǒng)的可變直流電。晶體管在這種設(shè)計(jì)中工作在開關(guān)狀態(tài)，其固有損耗可降至較低，從而其效率可達(dá)到較高水平[7-9]。

驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，變壓器的交流電壓先經(jīng)過一個(gè)整流橋?qū)⑵鋽夭ǔ擅}動的直流電壓，之后經(jīng)過濾波電路濾波，再經(jīng)過PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制器來穩(wěn)定輸出電壓，最后經(jīng)過后端的BUCK降壓電路，并采用MOSFET來構(gòu)成同步降壓電路。

圖3 力矩控制系統(tǒng)驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

變壓器額定參數(shù)為45 V/4 A；整流橋額定參數(shù)為100 V/5 A；PWM控制器開關(guān)頻率最大為1 MHz；MOS管額定參數(shù)為100 V/75 A。由最大負(fù)載條件下，輸出電壓36 V，負(fù)載電流3 A，可知所選元件參數(shù)符合電路設(shè)計(jì)要求。在BUCK降壓電路中，電感是一種重要的組件。當(dāng)輸出電壓為5 V、額定負(fù)載電流為0.5 A時(shí),計(jì)算出電感量為177.6 μH；同樣，當(dāng)輸出電壓為36 V、額定負(fù)載電流為3 A時(shí)，計(jì)算出電感量為99.6 μH。因此為了滿足設(shè)計(jì)要求，取L=180 μH。

2.2 可調(diào)穩(wěn)定電壓反饋回路設(shè)計(jì)

為了穩(wěn)定輸出電壓，引入電壓反饋回路，使得電壓輸入或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)仍能夠輸出穩(wěn)定的電壓值。在文中設(shè)計(jì)的降壓電路中，電壓反饋回路主要由LC濾波器、采樣網(wǎng)絡(luò)、誤差放大器和PWM調(diào)制器構(gòu)成。LC濾波網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率對電感和電容進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；PWM控制器和采樣網(wǎng)絡(luò)不受頻率的影響；而誤差放大器的形式則多種多樣且放大器增益與頻率有著密切關(guān)系。

本文采用Ⅱ型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)誤差放大器，并選擇穿越頻率fco=19.08 kHz作為系統(tǒng)的工作頻率。穿越頻率fco處的幅頻特性斜率為-1，相移<360°且仍有45°的相位裕量，從而保證了電壓反饋回路的穩(wěn)定性[10]。

圖4 采樣網(wǎng)絡(luò)電路

采樣網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，將MCU的DA模塊電壓VDA經(jīng)過跟隨器后接入三端網(wǎng)絡(luò)，由此來調(diào)整驅(qū)動電路輸出電壓VOUT在反饋信號中的分量，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。在三端網(wǎng)絡(luò)中，由VDA和VOUT的共同作用下產(chǎn)生反饋電壓信號VFB。該電路中，如果VDA較高使得反饋電壓VFB較大時(shí)，主控電路會減小PWM的占空比來降低輸出電壓，由此可見VDA與VOUT成反比例關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)輸入電壓VDA、反饋電壓VFB、驅(qū)動電路輸出電壓VOUT之間的KVL方程為

K1VOUT+K2VDA=VFB

2.3 過載保護(hù)以及負(fù)載電流反饋電路設(shè)計(jì)

文中選用電流互感器作為電流檢測芯片，串接在主電路的輸出回路中，如圖2所示，以此來實(shí)現(xiàn)激磁電流反饋以及負(fù)載過流保護(hù)功能。電流互感器的輸出信號經(jīng)過濾波電路后進(jìn)入帶有直流偏置的放大電路，得到放大處理的電壓信號VCO。該信號與磁粉離合器的激磁電流成正比，可將該信號直接接入主控電路的A/D采集通道，從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電流的監(jiān)測。電流互感器、放大電路與后端的D鎖存器構(gòu)成了硬件電流過載保護(hù)電路，主控電路能根據(jù)檢測到的過流信號及時(shí)將PWM控制器使能端關(guān)斷，有效地保證了系統(tǒng)的安全。

經(jīng)過以上的分析，最終完成了力矩控制系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)。電路板采用四層布線，有效地降低了開關(guān)噪聲，并用大面積填充來布線，降低了驅(qū)動電路的自身功耗，增強(qiáng)了驅(qū)動電路自身的散熱能力。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)電壓反饋電路的設(shè)計(jì)可知，控制系統(tǒng)的輸入電壓VDA與驅(qū)動電路的輸出電壓VOUT之間成反比關(guān)系。減小控制系統(tǒng)的輸入電壓VDA，則VFB會減小，主控電路會增加PWM的占空比來增大驅(qū)動電路的輸出電壓VOUT。由于磁粉離合器可近似視為直流線性負(fù)載，所

以激磁電流也會相應(yīng)增大。力矩控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激磁電流的程序流程如圖5所示。在程序初始化后，先連續(xù)10次讀取VCO采樣值，之后取均值濾波來消除采樣誤差，得到電壓值VIN，將VIN換算成激磁電流值IEX。判斷激磁電流是否大于最大電流閾值，若大于，則主控電路會切斷電源，保護(hù)系統(tǒng)。若激磁電流在安全的范圍內(nèi)，則用PID算法處理激磁電流IEX，得到處理后的電流值IOUT。磁粉離合器可近似視為線性負(fù)載，根據(jù)IOUT可計(jì)算出相應(yīng)的VOUT，進(jìn)而主控電路可以寫相應(yīng)的PWM控制寄存器，控制PWM的占空比來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓。又由VOUT與VDA成反比關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)的控制電壓VDA，主控電路通過DA模塊輸出相應(yīng)的VDA。

圖5 力矩控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激磁電流流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測試力矩控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求，采用雙出軸磁粉離合器作為負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于磁粉離合器的輸出力矩與激磁電流近似成線性關(guān)系，因此可通過控制激磁電流來控制力矩控制系統(tǒng)的輸出力矩[11-13]?？刂齐妷篤DA與驅(qū)動電路輸出電壓VOUT實(shí)驗(yàn)、激磁電流IEX與輸出力矩實(shí)驗(yàn)的所得數(shù)據(jù)，分別如表1和表2所示。

表1 控制電壓與輸出電壓關(guān)系

表2 激磁電流與輸出力矩關(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，將控制電壓VDA與輸出電壓VOUT關(guān)系、激磁電流IEX與輸出力矩關(guān)系用Matlab作圖，分別如圖6和圖7所示。

圖6 控制電壓與輸出電壓關(guān)系

圖7 激磁電流與輸出力矩關(guān)系

由圖7所示關(guān)系可得出，力矩控制系統(tǒng)的激磁電流在0.6～2 A的區(qū)間內(nèi)與輸出力矩的關(guān)系近似成線性，符合本文的設(shè)計(jì)要求。本文利用這段線性區(qū)間設(shè)計(jì)的力矩控制系統(tǒng)具備輸出力矩可調(diào)、輸出激磁電流可連續(xù)變化的功能，并可通過電流反饋回路將激磁電流反饋至控制單元。圖中所示的直線斜率與理論計(jì)算值略有出入，這是由于實(shí)驗(yàn)所使用的元器件并非完全理想，且電路板的設(shè)計(jì)也會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。在實(shí)際運(yùn)用中只需將實(shí)驗(yàn)所測的真實(shí)參數(shù)替換到程序當(dāng)中即可，并不影響力矩控制系統(tǒng)的實(shí)際控制。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款轉(zhuǎn)換效率高、輸出激磁電流可調(diào)、負(fù)載電流可監(jiān)控的力矩控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)上肢康復(fù)機(jī)器人不同的訓(xùn)練模式調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出力矩。上肢康復(fù)機(jī)器人通過近幾十年的發(fā)展，已成為一種新型運(yùn)動神經(jīng)康復(fù)手段[14-16]。本文創(chuàng)新性地將力矩控制系統(tǒng)應(yīng)用到康復(fù)領(lǐng)域中，在世界人口持續(xù)增加、老齡化日趨嚴(yán)重的背景下，相信這種力矩控制系統(tǒng)會憑借其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、調(diào)節(jié)方便等諸多優(yōu)勢在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。

[1] 方又方,喻洪流,官龍,等.基于肌電觸發(fā)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015, 37(4):355-361.

[2] 田淳,李磊,胡育文.無速度傳感器永磁同步電機(jī)直接力矩控制系統(tǒng)的研究[J].電氣傳動,2001,31(6): 13-15.

[3] 易金花,喻洪流,張穎,等.中央驅(qū)動式上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模與分析[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2015(6):1196-1201.

[4] 黃和妙.磁粉離合器的特性及其應(yīng)用[J].山東機(jī)械,1994(6):2-5.

[5] 黃和妙,王善坡,李德軍.磁粉離合器工作機(jī)理的探討[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995(3):207-213.

[6] 昃向博.可控元件—磁粉離合器的性能與應(yīng)用[J].山東建材學(xué)院學(xué)報(bào),1995(4):42-46.

[7] Wang Chunxiang,Yang Ruqing,Wang Yongzhang,et al.Research on a precision tension control system with a magnetic particle clutch as the actuator[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2005,27(1):7-13.

[8] Kumar S S, Panda A K, Ramesh T. Reduction of losses and efficiency enhancement of a zero-voltage transition-zero-current transition pulse-width modulated synchronous buck converter with a simple passive auxiliary circuit[J]. Electric Power Components & Systems, 2015, 43(16):1-6.

[9] Wu Chaojun,Si Gangquan,Zhang Yanbin,et al. The fractional-order state-space averaging modeling of the Buck-Boost DC/DC converter in discontinuous conduction mode and the performance analysis[J].Nonlinear Dynamics,2015,79(1):689-703.

[10] 鄒連英,鄭朝霞,肖靖帆.一種用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的誤差放大器[J].船舶電子工程,2009,29(3):179-182.

[11] 屈文濤,王輝.磁粉離合器在汽車差速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005(12):52-54.

[12] 方岳,趙穩(wěn).磁粉離合器在小汽車差速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2006,27(5):338-340.

[13] 王程.高性能車用磁粉離合器的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2012.

[14] 楊啟志,曹電鋒,趙金海.上肢康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀的分析[J].機(jī)器人,2013,35(5):630-640.

[15] 吳軍.上肢康復(fù)機(jī)器人及其相關(guān)控制問題研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.

[16] 許祥.基于外骨骼的上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[D].南京:南京理工大學(xué),2014.

Design of a Torque Control System for the Upper Limb Rehabilitation Robot

DONG Qi1,2,3,4，YU Hongliu1,2,3,4，F(xiàn)ANG Youfang1,2,3,4

(1. Institute of Rehabilitation Engineering and Technology, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China;2. Shanghai Engineering Research Center of Assistive Devices, Shanghai 200093 China;3. Key Laboratory of Neural-functional Information and Rehabilitation Engineering of the Ministry of Civil Affairs, shanghai 200093,China;4. Institute of MedicalInstrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Refering to the current inconvenient problems of controlling the output torque of the upper limb rehabilitation robot, this paper propose a torque control system based on magnetic-powder clutch, and put forward the corresponding driving circuit. The magnetic-powder clutch can output the corresponding transmission torque according to the current of the driving circuit, so as to control the output torque of the upper limb rehabilitation robot. The application shows that the system is convenient and safety. Itmeets the requirements of the output torque in different rehabilitation training mode and provides a feasible verification for real-time control of the output torque in rehabilitation robot.

upper limb rehabilitation robot; magnetic-powder clutch; driving circuit; output torque

2016- 05- 06

上海市科技支撐資助項(xiàng)目(16441905602)；上海市科委平臺建設(shè)上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心基金資助項(xiàng)目(15DZ2251700)

董祺(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：智能康復(fù)等。喻洪流(1966-)：男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：人體仿生機(jī)械及智能控制等。方又方(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：工業(yè)自動化等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.034

TP242.3

A

1007-7820(2017)04-136-04