六自由度輔助型康復(fù)機(jī)器人手臂的研究與設(shè)計(jì)

1、112福建電腦2010年第2期六自由度輔助型康復(fù)機(jī)器人手臂的研究與設(shè)計(jì)朱明（上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校上海200093）【摘要】：本文介紹了以PIC 單片機(jī)為核心控制器的六自由度輔助型康復(fù)機(jī)器人手臂，該手臂關(guān)節(jié)采用模塊化設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)主要由PIC 智能控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成，通過試運(yùn)行，狀況良好。本文最后探討了該機(jī)器人手臂的未來發(fā)展趨勢(shì)?！娟P(guān)鍵詞】：PIC ；六自由度；康復(fù)機(jī)器人手臂1、引言目前，很多國家已開始進(jìn)入老齡化社會(huì)，據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，再過5O 年，全世界6O 歲以上的老齡人口將翻一番；另外，疾病、災(zāi)難等也造成了大量的殘疾人，他們需要大量的看護(hù)服務(wù)。康復(fù)機(jī)器人不但可以照料他們的日常

2、生活，還能幫他們找回自立、自尊的感覺，重新融人社會(huì)。因而，對(duì)康復(fù)機(jī)器人的研究得到越來越多的關(guān)注?？祻?fù)機(jī)器人可細(xì)分為輔助型和治療型兩種。輔助型康復(fù)機(jī)器人主要用來幫助老年人和殘疾人更好地適應(yīng)日常的工作和生活，部分補(bǔ)償了他們?nèi)趸臋C(jī)體功能。康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展借鑒了工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，又在人機(jī)接口、智能化和控制能力等方面開展了深入的研究，使它們更適合老年人和殘疾人使用。本文采用模塊化控制方式對(duì)輔助型康復(fù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一-機(jī)器人手臂技術(shù)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。2、康復(fù)機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)原則機(jī)器人手臂的機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)是緊密相關(guān)的，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著控制系統(tǒng)及軟硬件的復(fù)雜度，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮控制系統(tǒng)和電

3、氣系統(tǒng)等功能要求，采用并行設(shè)計(jì)的方法。機(jī)器人手臂盡量與人類相似。運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中盡量把每個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立模塊，這樣既可以降低研發(fā)費(fèi)用，提高產(chǎn)品的適應(yīng)性，也便于安裝、調(diào)試和維護(hù)，同時(shí)還提高了產(chǎn)品的互換性。3、康復(fù)機(jī)器人手臂的總體分析手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮三個(gè)方面的問題:運(yùn)動(dòng)速度；驅(qū)動(dòng)力矩；手臂的重量。通過減速裝置，利用其齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所需要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大的轉(zhuǎn)矩。為了使手臂結(jié)構(gòu)更加緊湊，設(shè)計(jì)采取了如下措施：a 、電氣元件的安裝盡量利用手臂內(nèi)部空間，在軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、軸和傳感器一體化設(shè)計(jì)。b 、根據(jù)負(fù)載的要求，小負(fù)載

4、關(guān)節(jié)采用內(nèi)置齒輪減速器和控制器的舵機(jī)。c 、在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，安全的前提下，盡量減輕手臂的重量。4、電機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)中，除了腕部自由度外的所有自由度電機(jī)都選用無刷直流電機(jī)，同時(shí)配備一個(gè)無刷電機(jī)控制器。因?yàn)闊o刷直流電機(jī)產(chǎn)生的力矩較大，相對(duì)于有刷直流電機(jī)而言，可以避免轉(zhuǎn)子電刷高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦，使電機(jī)的使用壽命大大延長(zhǎng)，而且無刷直流電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的三相霍爾信號(hào)可以用來檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行的位置和速度，而不必使用光電碼盤對(duì)電機(jī)進(jìn)行定位控制，可以節(jié)約成本。腕部小負(fù)載關(guān)節(jié)采用內(nèi)置齒輪減速器和控制器的FUTABA 舵機(jī)。5、康復(fù)機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)5.1自由度的設(shè)定基于最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)原則，在保證機(jī)器人手臂能完成所

5、規(guī)劃的動(dòng)作的前提下，手臂的關(guān)節(jié)數(shù)量盡量減少到最少程度，我們所設(shè)計(jì)的整個(gè)機(jī)器人手臂都由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接而成，每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有1個(gè)自由度，故整個(gè)手臂一共有6個(gè)自由度。圖1為機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)示意圖, 圖中肩關(guān)節(jié)3個(gè)自由度, 肘關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，腕關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，這樣兩條手臂共12個(gè)自由度。圖1機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)示意圖按照六自由度機(jī)器人手臂功能要求，確定電機(jī)及其參數(shù)，如表1所示。表1所選電機(jī)及參數(shù)直流無刷電機(jī)1、2、3驅(qū)動(dòng)右臂肩關(guān)節(jié)的3個(gè)自由度，是右臂肩關(guān)節(jié)的動(dòng)力源，直流無刷電機(jī)4是右臂肘關(guān)節(jié)的動(dòng)力源, 而為了減少手部的重量，右臂腕關(guān)節(jié)的2個(gè)自由度則由2個(gè)伺服電機(jī)(舵機(jī)1和舵機(jī)2 驅(qū)動(dòng)。5.2控制系統(tǒng)模型的建立結(jié)合

6、六自由度康復(fù)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn), 其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示, 整個(gè)控制過程可分為以下3步。(1通過6路肌電信號(hào)(EMG傳感器采集上肢的肌肉電信號(hào)。(2對(duì)輸入到單片機(jī)的肌電信號(hào)進(jìn)行處理。肌電信號(hào)的處理可分為兩部分:肌電信號(hào)分離、提取。一方面,EMG 傳感器采集的肌電信息不能完全反映某一動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)指令, 需要對(duì)其進(jìn)行分離, 提取指定的運(yùn)動(dòng)信息；另一方面, 人體感受到的外電場(chǎng)干擾很大(達(dá)V 級(jí) , 對(duì)多自由度康復(fù)機(jī)構(gòu)影響嚴(yán)重, 因而還需要采取一些軟件和硬件的措施控制和消除干擾信號(hào)對(duì)肌電信號(hào)運(yùn)動(dòng)信息的影響。信號(hào)分析的手段可借助短時(shí)FFT 及小波變換等方法。肌電信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制命令。分離、提取后的肌電信號(hào)

7、包含了上肢各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息, 因而可以轉(zhuǎn)化為康復(fù)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)控制命令。將這些運(yùn)動(dòng)信息和反饋的差值信號(hào)(理想輸出與實(shí)際輸出的差值 作為控制模型的輸入指令。(3控制命令輸出。對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大以驅(qū)動(dòng)后繼的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本研究中單片機(jī)輸出6路控制信號(hào)經(jīng)功率放大器放大, 以驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的動(dòng)作。由此, 可以建立六自由度康復(fù)機(jī)械人手臂完整的控制系統(tǒng)模型圖 。（下轉(zhuǎn)第133頁）2010年第2期SET DEFAULT TO "C:ProgramFilesNacuesC"xztp=GETDIR(福建電腦133根據(jù)對(duì)下載圖片存放路徑的分析，圖片均存儲(chǔ)在系統(tǒng)安裝目錄下，因此設(shè)置

8、默認(rèn)路徑可以減少操作麻煩度。" 選擇目標(biāo)" 按鈕實(shí)現(xiàn)選擇提取圖片的目標(biāo)路徑，代碼與" 選擇原圖" 按鈕代碼相似。" 檢測(cè)圖片" 按鈕實(shí)現(xiàn)依據(jù)數(shù)據(jù)源表記錄檢測(cè)圖片信息的存儲(chǔ)情況，主要代碼：qsnum=qsnum+1&&未提取圖片計(jì)數(shù)器ENDIFENDCASE SKIP ENDDODO while not EOF(DO caseIF not ILE(ytsource+"KSZP"+ALLTRIM(KSH+".JPG"qsnum=qsnum+1xxqq=.f.ENDIF為了保證圖片原樣

9、提取到目標(biāo)文件夾中，采用在目標(biāo)文件夾中新建BMB 、KSZP 、TJB 、FJB 四個(gè)文件夾的方式，若原目錄存在此四個(gè)文件夾，刪除后重新創(chuàng)建。提取圖片的數(shù)據(jù)處理流程如下：ENDCASEgjnum=gjnum+1SKIP ENDDO程序中需加入對(duì)當(dāng)前環(huán)境中是否有表打開的判斷，避免因未打開表導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤。" 提取圖片" 主要實(shí)現(xiàn)提取圖片到目標(biāo)文件夾，主要代碼：5. 生成可執(zhí)行文件在項(xiàng)目管理器中，建立main.prg 程序，輸入代碼：DO form 圖片處理，READ EVENTS 。將其設(shè)置為項(xiàng)目主文件，單擊" 連編" 按鈕，選擇對(duì)話框" 連編選項(xiàng)

10、" 中的"Win32可執(zhí)行程序/COM服務(wù)程序（exe ）（W ）" 選項(xiàng)，點(diǎn)擊" 確定" 按鈕生成該系統(tǒng)的可執(zhí)行文件。6. 結(jié)束語本文主要討論了基于VFP 8.0的普通高招招生圖片提取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)依據(jù)的原理是：通過數(shù)據(jù)表的某一字段提取以對(duì)應(yīng)字段值命名的圖片信息，依此原理可以根據(jù)用戶的不同需要更新程序。參考文獻(xiàn)：1晏爭(zhēng)農(nóng). Visual FoxPro 應(yīng)用基礎(chǔ)及程序設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社, 2006.2張躍平.Visual FoxPro 課程設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,2004.3匡松.Visua1FoxPro 面向?qū)?/p>

11、象程序設(shè)計(jì)實(shí)用教程M.成都:西南交通大學(xué)出版社 ,2004.定，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。6、發(fā)展趨勢(shì)隨著康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展，像這樣簡(jiǎn)單便攜的康復(fù)產(chǎn)品必然會(huì)真正走入殘疾人和老年人的生活，為他們提供豐富的幫助，改善他們的生活質(zhì)量。參考文獻(xiàn):1L üGuangming , CHE Renwei , TANG Yuyong. The SVD of the EMG basis on the FFT of the Kaiser windowJ. Journal of Harbin Institute of Technology ,2005,12(3:275-278.2GironeM

12、，Burdea G ，Bouzit M ，Popescu V A steward platform -based for ankle tele-rehablitationJJournal of Automation Robots 2001，(10：l2-l6。3KimY.Cook A M Electronic Devices for RehabilitationMNew York ：John Wiley Sons ，19854呂廣明, 孫立寧. 康復(fù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析J.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 36(9 :1224-1227.5曹承志1微型計(jì)算機(jī)控制新技術(shù)M1北京:機(jī)械

13、工業(yè)出版社 ,20011SET DEFAULT TO &mbsource&&mbsource 為目標(biāo)文件路徑IF DIRECTORY("KSZP"loFSO =CREATEOBJECT("Scripting.FileSystemObject"loFSO.DeleteFolder("KSZP"ENDIFMKDIR KSZPgml=SYS(5+SYS(2003&&獲得系統(tǒng)運(yùn)行目錄SET DEFAULT TO &gmlDO while not EOF(DO caseIF FILE(ytsource+"KSZP"+ALLTRIM(ksh+".JPG"COPY file ytsource+"KSZP"+ALLTRIM(ksh+".JPG"KSZP"+ALLTRIM(ksh+".JPG"tqnum=tqnum+1&&成功提取圖片計(jì)數(shù)器ELSEto mbsource +"圖2康復(fù)機(jī)器人手臂的控制系統(tǒng)5.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了使控制簡(jiǎn)單有效，本文