智能防抖叉勺的設(shè)計(jì)

鄭平威 從軍浩 楊冉冉

關(guān)鍵詞：智能防抖;重心平衡;伺服電機(jī)

智能防抖勺的主要面向帕金森患者，帕金森患者手腳麻木，四肢顫抖，手部變得不可自我控制。在我們正常人眼里十分容易的進(jìn)餐，在他們面前卻變得無(wú)比的困難。有因?yàn)槭植康念澏?，食物?jīng)常因?yàn)槎秳?dòng)而從餐勺里灑出，而且隨著年齡的增長(zhǎng)患有帕金森的人數(shù)也是呈現(xiàn)幾何倍數(shù)的增長(zhǎng)，對(duì)于老人來(lái)說(shuō)，不想給子女增添麻煩，同時(shí)對(duì)于自己來(lái)說(shuō)不能獨(dú)立進(jìn)食也是一種自信心的打擊[1]。于是我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是為了能夠妥善的處理這個(gè)問(wèn)題。我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品采用智能高速伺服控制系統(tǒng)，提供高精確的主動(dòng)防抖功能，基于無(wú)人機(jī)姿態(tài)解算技術(shù)，帶來(lái)更加穩(wěn)定的控制效果，自動(dòng)區(qū)別有意識(shí)和無(wú)意識(shí)的抖動(dòng)，在進(jìn)餐時(shí)可以有效地抵消手部震顫，但不對(duì)手就行任何的處理。在材料上我們選取醫(yī)用萃特外殼不含雙酚A，且耐高溫;醫(yī)用超薄硅膠，具有優(yōu)異的抗沖擊強(qiáng)度，抗氧化水解能力，滿足一切安全無(wú)害需求。同時(shí)我們采取了全自動(dòng)感應(yīng)裝置拿起叉勺開(kāi)啟，放下時(shí)休眠，極大的延長(zhǎng)了待機(jī)時(shí)間。

1 防抖技術(shù)的現(xiàn)狀

防抖技術(shù)起初用于攝影方面，現(xiàn)在在手機(jī)攝像上廣泛應(yīng)用。手機(jī)影像防抖經(jīng)過(guò)三個(gè)階段的發(fā)展，EIS（電子影像穩(wěn)定，electric image stabilization）、OIS（光學(xué)影像穩(wěn)定，optical image stabilization）、AIS（ 智能影響穩(wěn)定，AI image stabilization ）。電子防抖在視頻領(lǐng)域較為常見(jiàn)，即拍攝者由于自身的重心變化，導(dǎo)致拍攝的視頻畫(huà)面頻繁跳動(dòng)，使拍攝畫(huà)質(zhì)大幅度降低。EIS 技術(shù)通過(guò)無(wú)人機(jī)姿態(tài)技術(shù)，對(duì)視頻畫(huà)面進(jìn)行自動(dòng)化處理裁切無(wú)效部分，從而使視頻畫(huà)面變得清晰。OIS 是應(yīng)用螺旋儀的原理獲得的姿態(tài)變換，相較于EIS 的裁切畫(huà)面，OIS取用控制鏡片或者鏡片組的細(xì)微移動(dòng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償[2]。隨著AI 技術(shù)的發(fā)展，漸漸地也融入到防抖方面，AI 算法融合了EIS 和OIS 的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)相機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了一定性的預(yù)算，進(jìn)而得到了更加平穩(wěn)和準(zhǔn)確的相機(jī)姿態(tài)，視頻的畫(huà)質(zhì)得到了大幅度的提升，新的防抖措施帶來(lái)了更好的用戶體驗(yàn)，如圖1 所示。

無(wú)論是依賴云臺(tái)的的外部防抖，還是手機(jī)自身的光學(xué)防抖都采取了方向抵消的方法，這也為我們的防抖叉勺提供了思路，如圖2 所示。目前我國(guó)的防抖叉勺器械基本處于空白狀態(tài)，我們采取線性控制算法主動(dòng)抵消手部的抖動(dòng)。

2 智能防抖叉勺的模型的建立

防抖叉勺采取勺柄分離設(shè)計(jì)，中間使用磁力連接，叉勺配合更加易于完成進(jìn)餐。我們的智能防抖叉勺相似于關(guān)節(jié)機(jī)械臂，我們需要限制其自由度，由于其結(jié)構(gòu)特征，我們不需要限制X、Y、Z 方向的移動(dòng)，我們使用微型電機(jī)控制勺頭在Y 方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直方向控制Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)X 軸的不需要限制，建模如圖3 所示。

防抖叉勺屬于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，使手部抖動(dòng)與叉勺給予的反抖動(dòng)形成一個(gè)相對(duì)抵消的狀態(tài)下，與無(wú)人機(jī)姿態(tài)模式相通，利用傳感系統(tǒng)進(jìn)行反向補(bǔ)償。根據(jù)牛頓第一定律可知，當(dāng)物體處于受力平衡的狀態(tài)下，其處于靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)叉勺處于相對(duì)平衡的狀態(tài)，帕金森患者的進(jìn)餐問(wèn)題就得以解決。

3 防抖控制算法的分析

傳統(tǒng)控制算法將傳遞函數(shù)的微分方程進(jìn)行拉氏變換，將微積分替換成s;而狀態(tài)方程就變成了微積分方程，每個(gè)狀態(tài)方程都包含一個(gè)一階微分方程，逐項(xiàng)相加，從而能表示多階微分及多變量系統(tǒng)。通過(guò)輸入量的改變引起結(jié)果的改變。通俗來(lái)說(shuō)，感應(yīng)器將我們的手抖浮動(dòng)頻率輸入，云端通過(guò)拉氏變換得到反都得頻率進(jìn)行反向平衡。

現(xiàn)代控制理論思路利用狀態(tài)方程進(jìn)行穩(wěn)定分析線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡點(diǎn)時(shí)，即導(dǎo)數(shù)為0 的狀態(tài)，該點(diǎn)為平衡點(diǎn)。達(dá)到平衡點(diǎn)時(shí)叉勺處于平衡狀態(tài)，通過(guò)輸入調(diào)整方程的特征值來(lái)到達(dá)調(diào)整系統(tǒng)的效果，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的平衡點(diǎn)來(lái)規(guī)范系統(tǒng)至理想狀態(tài)。

伺服系統(tǒng)可以根據(jù)物體的位置、狀態(tài)、方位等輸出被控量能夠跟隨輸入信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)的任意的變化的控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)本身具有發(fā)射脈沖的功能，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一次角度都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，和伺服電機(jī)接受的脈沖相互呼應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位與反饋。伺服系統(tǒng)可以根據(jù)傳感系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的變化，從而平衡叉勺在Y軸與Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，限制其自由度。同時(shí)采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其具備動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。眾所周知閉環(huán)系統(tǒng)擁有良好的抗干擾性能，對(duì)反饋環(huán)的前向通道的干擾動(dòng)作有一定性的削弱，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。利用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI 調(diào)節(jié)器的閉環(huán)能夠在確保系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)無(wú)差別的變數(shù)。這在防抖的措施上可以說(shuō)是一項(xiàng)十分契合的。在帕金森患者進(jìn)行手部不自覺(jué)抖動(dòng)的情況下，雙閉環(huán)的抗干擾與伺服電機(jī)的配合，來(lái)實(shí)現(xiàn)我們叉勺的有效防抖，幫助患者完成獨(dú)立的進(jìn)餐。

4 模糊控制原理

模糊控制就是將數(shù)學(xué)與自動(dòng)化控制融合在一起的一種現(xiàn)代控制技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的算法，不依靠精確的數(shù)學(xué)算法的推導(dǎo)，應(yīng)用模糊變量進(jìn)行模糊集合，用以模糊推理[3]。利用模糊化，確認(rèn)各個(gè)輸入量領(lǐng)域模糊子集和隸屬函數(shù)，假設(shè)我們手部抖動(dòng)頻率在2 赫茲，屬于低抖動(dòng)頻率。我們的模糊化技術(shù)為了確定什么是低抖動(dòng)頻率，接下來(lái)我們需要確定我們的抖動(dòng)變量范圍的規(guī)定變量范圍[4]。進(jìn)而給發(fā)送輸出頻率給后續(xù)進(jìn)行方向抖動(dòng)平衡。

5 材料分析

在材料選擇方面，我們考慮了PC、ABS、TRITAN、PPSU、SILICA 等。

PC：具有優(yōu)異性能的無(wú)定形熱塑性樹(shù)脂材料。它擁有良好的延展性和耐熱性與尺寸穩(wěn)定性，并且無(wú)毒無(wú)害可著色的材質(zhì)特點(diǎn)。雖然硬度與金屬類相比略差，但是也能夠滿足我們?cè)谌粘Ｉ畹氖褂?。在我們的日常生活中，酸堿鹽油必不可少，此材料耐腐蝕性不佳。

ABS：擁有良好的耐酸堿的化學(xué)腐蝕性能，加工成型較為簡(jiǎn)單，力學(xué)與熱學(xué)性能都是極佳，而且具有較長(zhǎng)的使用壽命，但是ABS 材料耐候性差容易受到陽(yáng)光的作用使自身變色變脆。

PPSU：一種無(wú)定形的熱性塑料，具備高度的高水解穩(wěn)定性，制作產(chǎn)品可以承受多次的蒸餾消毒，但是PPSU 在劃傷后析出雙酚A， 雙酚A 對(duì)人體有一定性的危害，所以不予采用。

TRITAN：它的材料性質(zhì)具備PC 與沖擊耐用性相近，同時(shí)具備PPUS 的優(yōu)點(diǎn)，最大的優(yōu)勢(shì)就是安全性，它不產(chǎn)生任何的雙酚A 和雙酚S。雖然其耐溫最高在96 攝氏度，但是完全滿足我們?cè)谌粘Ｉ钪械囊?，是我們?cè)O(shè)計(jì)材料的最優(yōu)選。

SILICA：高活性的吸附性材料，除了強(qiáng)堿、氫氟酸外不與其他的任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并且不溶于水和其他的溶劑，無(wú)毒無(wú)害?？梢杂糜谳o助材料的構(gòu)成，為產(chǎn)品提供了保障。

6 總結(jié)

帕金森是社會(huì)中常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)障礙病例，并且人數(shù)伴隨著社會(huì)的發(fā)展不斷地上升，且大部分為老年人?；疾〔粌H給老人本身帶來(lái)了極大的不變，還給家人和社會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和人力負(fù)擔(dān)。本文主要對(duì)智能防抖叉勺的基本技術(shù)進(jìn)行了淺顯的分析，對(duì)智能防抖叉勺的物理模型進(jìn)行建立，從產(chǎn)品的角度進(jìn)行合理的假設(shè)和適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，明確了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵點(diǎn)，提出雙閉環(huán)控制原理。內(nèi)環(huán)為控制位置讓系統(tǒng)的跟蹤誤差減少，加快相應(yīng)速度。外環(huán)為防抖控制，是我們產(chǎn)品的核心，闡述了控制原理為保持在手部抖動(dòng)的情況下保證勺面與食物的相對(duì)靜止，維持勺頭能夠處于中心位置，達(dá)到進(jìn)食輔助的作用。產(chǎn)品的試驗(yàn)機(jī)上我們使用雙閉環(huán)的控制算法。軟件運(yùn)用前后控制的構(gòu)想，前臺(tái)進(jìn)行防抖，后臺(tái)進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可有效減少百分之七十的抖動(dòng)。