范文一：用主动柔顺壁运动控制边界层转捩

第 17卷　第 3期 1999年 9月　 　 空　气　动　力　学　学　报 V o l . 17N o. 3

　 Sep. , 1999

3国防科学技术预研基金资助项目 。

本文于 1997年 10月 26日收到 , 1998年 7月 20日收到修改稿 。

用主动柔顺壁运动控制边界层转捩 3

张庆利　李京伯

南京航空航天大学 , 南京　 210016

摘要　 研究结果表明 , , 所控制 。 , 可以明显地抑制

。 改变控制扰动与初始扰动间的相位

, 可以明显地提前和推迟边界层转捩过程 ; 但对三维初始扰动 , 改变相

。

关键词　 边界层转捩 ; 边界层控制 ; 柔顺壁

中图分类号　 V 211. 3

0　引　　言

对于二维层流边界层流动 , 转捩通常从 T S (To ll m ien 2Sch lich ting ) 波的增长和出现二次三 维不稳定性开始 [1]。 许多研究工作者 [2~4]曾在水洞或风洞中应用反相扰动消波法进行过控制 二维 T S 波增长的实验研究 。然而当 T S 波的增长放大到达非线性阶段 , 再应用此方法推迟边 界 层转捩其效果较差 。 控制边界层转捩的另一方法是应用柔顺壁技术 。 此项技术最早由

K ram er 提出 , 应用他制作的柔顺壁可以大大减小阻力 [5]。 由于柔顺壁的运动特性对其材料的

机械特性十分敏感 , 因而造成许多研究者不能重复 K ram er 的减阻效果 [6], 这也是被动柔顺壁 减阻技术的严重缺点 。 B reuer 首先应用主动壁面运动控制边界层内瞬态扰动增长的实验研 究 [7]。 本文是用内声激励法在平板边界层上游产生二维波形周期初始扰动或三维波形周期初 始扰动 , 在其下游用内声激励法驱动柔顺壁作波形周期运动在边界层内产生控制扰动 。 研究应 用主动柔顺壁运动控制边界层内扰动的增长和推迟边界层转捩的可行性 。

1　实验设备和模型

实验是在南京航空航天大学的低湍流度风洞中进行 。风洞试验段长 6m , 宽 0. 3m , 高 1. 2m , 最 大风速为 40m s , 平均湍流度为 0. 06%。试验模型为一带 1∶ 6半椭圆形前缘的平板 。为了产生二 维初始扰动 , 将声扰动从模型内腔经一长 100mm , 宽 1mm 的窄缝引入边界层内 (见图 1) 。 为了产 生三维初始扰动 , 将声扰动从模型下方输入一锥形扩散内腔的管咀内 。 它的扩散口直径为

510mm , 其上胶粘 -516mm 乳胶薄膜 。 通过薄膜振动在边界层内产生三维初始扰动

。

图 1　柔顺壁平板模型

F ig . 1　 F lat 2p late model equi pped w ith comp liant surface

为了控制初始扰动在边界层内的放大和增长 , 在距平板前缝 282mm 处开始安置一柔顺壁面 。 柔顺壁用 0. 25mm 厚乳胶薄膜制成 , 它与平板表面齐平安装 , 用胶粘合在有 20个空腔的钢盒上 。 柔顺壁面总长为 119mm 。 柔顺壁下方的空腔展宽为 100mm , 流向长度为 5mm 。 相邻内腔之间的隔 板厚度为 1mm , 如图 1所示 。 柔顺壁面的主动运动是依靠每一空腔内的周期脉动压力产生 。 用声驱 动器产生正弦变化的声压输入柔顺壁下方的各个空腔内 。相邻空腔内声压相位差为 Π 2, 这样前一 段柔顺壁的波动比其相邻的后一段要超前 Π 2相位 。 于是每四段柔顺面形成一个波长的波形运动 。 20个空腔上方的 20段柔顺壁构成 5个完整波长的正弦振荡运动 。

边界层流动是用一单丝热线探头测量 。 热线的丝直径为 5Λm , 它与等温热线风速仪 (IFA 100智能流动分析仪 ) 相连 。热线探头输出信号用一 FFT 分析仪 (CF 920) 进行数据采集 、 分析和处理 。 热线探头测点位置的移动是通过四自由度移测机构及其控制系统实现 。 2　柔顺壁面运动的控制

柔顺壁面运动的控制系统是应用计算机产生 5路不同相位的正弦信号 , 分别经过 5台功 率放大器输入 5只声驱动器而成 。 每只声驱动器功率为 25W 。

一只驱动器用于产生初始扰动 。 另四只声驱动器彼此的输入信号相位差为 Π 2, 每一声驱动器产生的声扰动再分 5路分别送 到柔顺壁下方相应的空腔内 。 这 5路声压幅值和相位是相同的 。 于是 5只声驱动器输入信号 可以写成

E 0=E i sin (2Πf t +Υ

) (1) 433空　气　动　力　学　学　报 (1999) 第 17卷

E N =E c sin (2Πf t +2Π

) , ? =1, 2, 3, 4(2) 式中 N 是声驱动器的序号 ; E i 和 E c 分别为产生初始扰动和柔顺壁扰动输入声驱动器的电压幅 值 ; Υ是输入到 N o. 0声驱动器和 N o. 1声驱动器的相位差 。 初始扰动的幅值与输入信号 E i 有 关 。 控制边界层内扰动的放大与增长是通过调节输入参数 Υ和 E C 而实现有利化 。 　　 乳胶薄膜的运动可近似表达为

D N +4j ≈ D c sin (2Πf t +Π) (3)

(N =1, 2, )

式中 D C ; N +4; Υ1是机械系统的相移

。 C X f ΚX 的关系式为

C X =ΚX f (4)

今选取 ΚX 为初始扰动的流向波长 。 柔顺壁强迫运动的波长 ΚC 应等于四个相邻段柔顺壁长度之 和 , 为 24mm 。 根据文献 [8],可以确定相速度为 0. 36U ∞ 。 将 ΚX =0

. 024m 和 C X =0. 36U ∞ 代入 上式 , 可求得自由流速 U ∞ 与声激励频率 f 之间的关系式为

U ∞ =0. 0667f

(5) 实验研究中选取 U ∞ =9. 0m s , 因此 f =134. 9H z 。

3　实验结果和讨论

3. 1　柔顺壁对二维初始扰动增长的控制效果

　　图 2示出内声激励产生的二维初始扰动速度 u i (在 x =400mm , y =1mm , z =0处热线信 图 2　扰动速度随输入相位的变化

(二维初始扰动情况 ) F ig . 2　 V ariaton of the disturbance velocity w ith input phase fo r 22D initial disturbance 号的均方根值 ) 为 8. 1%U ∞ 时在三个不同控制扰

动强度下 , 上述同一测点处扰动速度的均方根值

u r m a 随输入相位差 Υ的变化曲线 。 图中控制扰动强

度是指初始扰动速度 u i =0, 而主动柔顺壁运动

在 上述同一测点扰动速度的均方根值 u c 。 在本次

实验研究中 , 柔顺壁面的位移幅值 D C 未能直接测

量 , 而是用控制扰动速度 u C 代替 。

从图 2可以看出存在两个不同性质的相位

区 。 在一个相位区内 , 初始扰动与主动柔顺壁的控

制扰动产生正干扰 , 柔顺壁运动使初始扰动放大 提高 ; 在另一个相位区内 , 初始扰动与控制扰动产

生负干扰 , 柔顺壁运动抑制了初始扰动的放大和 增长 , 因而推迟了边界层转捩 。 最有利的干扰相位

角与最不利的干扰相位角之差正好是 180°, 即两者反相 。从图 2还可以看出 , 在有利的负干扰 相位角下 , 如采用有利的柔顺壁控制扰动强度 , 50%的初始扰动速度可以被主动柔顺壁的运动 所抑制 。尽管实验中的初始扰动水平已明显超过非线性扰动的阈值 1%U ∞ , 应用主动柔顺壁 技术仍能有效地抑制 T S 波的非线性放大增长以及推迟边界转捩 。

5

33第 3期 张庆利 、 李京伯 :用主动柔顺壁运动控制边界层转捩

图 3是用热线探头在 x =400mm , y =1mm , z =0处测量的时间信号 。 图 3(a )

是柔顺壁

图 3　热线测量的时间信号

(u i =4. 1%U ∞ , u c =3. 5%U ∞ )

F ig . 3　 T i m e signals m easured by the ho t w ire

p robe 不运动即无控制扰动条件下的初始扰动信号 。 此畸变

的时间信号图形表明已不再是二维 TS 波 , 三维非线性

影 响对初始扰动的发展已起到主导作用 。 图 3(b ) 是主

动柔顺壁以有利相位角 (相对于初始扰动 ) Υ=0°运动时

。 形可知 , Υ一 ,

增强 , 并迫使边界层提前转捩 。

3. 2　 柔顺壁对三维初始扰动增长的控制效果

图 4示 出 内 声 激 励 产 生 的 初 始 扰 动 速 度 u i =

3. 9%U ∞ 时在三个不同控制扰动强度下在 x =400mm ,

y =1mm , z =0处用热线测出的扰动速度的均方根值

u r m s 随输入相位差 Υ的变化曲线 。 图中控制扰动强度用

控制柔顺壁运动的声驱动器输入电压 E c 表示 。 对于三维 周期性初始扰动情况 , 利用主动柔顺壁产生的控制扰动 的 相位变化 Υ对测量值 u r m s U ∞ 影响不大 , 且无一定规

律 。 这与二维初始扰动情况截然不同 , 不存在正干扰相

位区和负干扰相位区 。 柔顺壁面运动几乎全部是有利干扰 , 它阻尼了初始扰动在边界层内的增 长和放大 , 使边界层转捩推迟 。 当 E c =8V 时柔顺壁运动使测量点处 u r m s U ∞ 减小了近 50%。 这 就说明应用主动柔顺壁技术对于控制三维初始扰动的增长放大仍是十分有效的 。 图 5是用热 线探头在 y =1mm 高度沿平板中心线 (z =0) 测得的扰动速度沿流向的增长曲线 。 当仅有柔 顺壁产生的控制扰动时 , 扰动速度沿流向增长十分缓慢 , 说明自由来流中湍流度很低 ,

柔顺壁

图 4　扰动速度随输入相位的变化

(三维初始扰动情况 )

F ig . 4　 V ariati on of the disturbance velocity w ith input phase

fo r 32D initial disturbance 图 5　 有无控制扰动条件下扰动沿流向的增长 (E c =8V 　 y =1mm 　 z =0) F ig . 5　 Streamw ise grow th of the disturbance w ith w ith 2out contro l disturbance (E c =8V 　 y =1mm 　 z =0) 633空　气　动　力　学　学　报 (1999) 第 17卷

产生的控制扰动也十分弱 。 当仅有三维初始扰动而柔顺壁不运动时 , 初始扰动在边界层向沿流 向增长急剧增长 , 很快发展到非线性阶段出现早期转捩 。 当主动柔顺壁产生的控制扰动加上 后 , 三维初始扰动经过柔顺壁其扰动增长率有所下降 。

4　结　论

(1) 实验研究表明 , 对于二维初始扰动情况 , 度和相位下 , , (2) , 两扰动信号 。

, 主动柔顺壁产生的控制扰动仍然能有 , 推迟三维非线性不稳定性和转捩的产生 。

参　考　文　献

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M ech . , 1982, 118:187

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~981. 4　 Strykow sk i P J , Screenivasan K R . T he Contro l of T ransiti onal F low s . A I AA Paper 8520559, 1985.

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To ll m ien 2Sch lich ting Instability . J . F lu id M ech . , 1985, 115:465

~510. 7　 B reuer K S , H ariti onidis J H , L andah l L . T he Contro l of T ransient D isturbances in a F lat P late Boundary L ayer th rough

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~582. 8　 Sch lich ting H . Boundary 2L ayer T heo ry . M cGraw 2H ill Book Company , 1979:447

~488. 733第 3期 张庆利 、 李京伯 :用主动柔顺壁运动控制边界层转捩

范文二：卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究

卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究

孙洪颖，张立勋，李长胜

(哈尔滨工程大学 机电工程学院 150001)

摘 要:下肢康复机器人是辅助下肢运动功能障碍患者完成各种运动功能恢复训练的机器人。为保证患者在训练中的安全性和舒适性，利用力反馈信息采用阻抗控制原理设计了系统的控制器，通过调整末端位置与力之间的关系使机器人具有一定的柔顺性。建立了系统的控制模型，并在dSPACE平台上进行了实验研究。结果表明，通过调节控制器中的阻抗参数，可以使机器人获得不同的刚度特性和阻尼特性，同时分析了参数对康复训练的影响。在患肢康复的不同阶段，可通过调节该控制器阻抗参数，使康复过程能满足临床需要又具有柔顺性。

关键词:卧式下肢康复机器人;主动柔顺控制;阻抗控制;实验研究

Research on Active Compliance Control and Experimentation of

Horizontal Lower Limbs Rehabilitation Robot

Sun Hongying, Zhang Lixun, Li Changsheng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001)

Abstract: Horizontal lower limbs rehabilitative robot is a kind of training robot which can assist the patients with dysfunction in

lower limbs to achieve recovery a variety of motor function. To ensure training safety and comfort, impedance controller was devised based on force feedback. The controller can make the robot has a certain degree of flexibility by adjusting the relationship of the end actuator position and force. The control model of the system was established, and the experiment research was done based on

dSPACE platform. The results showed that a different stiffness and damping characteristics of the robot can be obtained by adjusting impedance parameters of the controller, and the effect of parameters on the rehabilitation training was also analyzed. The impedance parameter of the controller in the limb at different stages of recovery can be adjusted, so that the rehabilitation process not only can meet clinical needs but also has submissive nature. Keywords: horizontal lower limbs rehabilitative robot; active compliance control; impedance control; experimental research

[3]以运动功能康复理论和病患机制为依据，应用最0 引言 广泛的有位置控制策略和柔顺控制策略，其中柔顺

下肢康复机器人是辅助下肢运动功能障碍患控制包括力控制、阻抗控制以及力/位混合控制等。者完成临床上要求的康复训练内容，并能向患者和美国密歇根大学把阻抗控制方法应用到卧式下肢

[4]治疗师提供反馈信息的辅助康复治疗自动化设备。康复机器人上，实现对左右肢体的对称性训练。机器人与人在同一个作业空间带动患肢完成各种法国的L.Seddiki等人把人体对机器人的负载看作干

[5]运动功能的康复训练，使患肢逐渐恢复行走功能。扰，应用模糊推理实现了下肢的位置跟踪控制。由于患者主要是神经中枢或传导系统发生损伤，导台湾国立成功大学把模糊推理应用到上肢康复训致肢体肌群间协调功能紊乱，使肢体不能完成准确练中，实现了力/位置混合控制，同时又把模糊推理

[1]的动作。而在训练过程中，大部分患者会经历软和神经网络相结合应用到下肢康复训练中，通过对瘫期、痉挛期和恢复期三个阶段，并在不同的阶段，人机之间的作用力进行辨识实现了机器人的主被

[6-7]患肢会经历分离运动和协同运动等多种运动模式动控制。而美国的范德比尔特大学和英国的曼彻

[2]的转换。所以，康复机器人能否真正达到康复和斯特大学也分别采用柔顺控制实现对人体患肢的

[8-9]治疗的目的，主要取决于有效的机器人控制策略。 康复训练，并取得较好的康复效果。

国内外有关康复机器人的运动控制策略都是 本文在已有的卧式下肢康复机器人机构基础

上，应用阻抗控制方法设计了机器人的控制器，并收稿日期: 在dSPACE实验平台上搭建了半物理仿真实验系基金项目:国家自然科学基金资助项目(60575053) 统，对人体下肢的康复训练进行了实验研究。 作者简介:孙洪颖(1976-)，女，博士研究生，E-mail: shy_ing@163.com

张立勋(1962-)，男，教授，博士生导师。

用力来修正规划轨迹，使机器顺应于人。 1 康复机器人 当机器人末端与人体患肢相接触时, 目标阻抗

可用一质量–弹簧–阻尼系统表示为 康复机器人机构简图如图1所示。该机器人有

两套机构，分为左腿机构和右腿机构，利用传动带，，，，，， (1) F,M(x,x)，B(x,x)，K(x,x)0000约束了左右腿机构的滑块，因此该机器人具有三个

M式中为目标阻抗的惯性矩阵，反映了系统响应自由度。自由度1是电机通过齿轮驱动传动带，完

B为阻尼矩阵，反映系统消耗的能量;的平滑性;左右腿的往复运动，实现对双下肢髋、膝、踝关成

，，K为刚度矩阵，反映了人机之间的接触刚度;、x节的训练;自由度2、3是利用电机驱动左右脚踏0

，，，，、分别为期望的位置、速度和加速度;x、x、xx板转动，实现对踝关节训练的调整，也可完成踝关00

分别为实际的位置、速度和加速度。以表示期xe节的分离运动训练。同时，在脚与脚踏板之间安装

望位置与实际位置的偏差，上式可变为 P了力传感器，人机之间的作用力可转化为作用在

2P点处的力与力矩。在康复过程中，要求点的作用F,(Ms，Bs，K)e (2) 0力满足人体正常的舒适度要求。

2.2 基于阻抗控制的柔顺控制模型 左脚

右脚考虑到康复过程中人体的位置和速度等情况，力传感器

并且康复机器人是在低速状态下工作，因此目标阻PL脚踏板抗只考虑刚度项和阻尼项，柔顺控制模型如图2所

PR示。先由外环力传感器检测到脚与脚踏板之间的作

23F用力，补偿掉人机之间的静态平衡力，获得Fr

,F康复过程中产生的力变化量。然后通过调节力

KB反馈回路的刚度系数和阻尼系数产生位置修1 x正量，并将期望位置x、实际位置和位置修xe0图1 机器人机构简图 x正量输入到内环位置控制器里，使实际的训练轨e针对患者在不同康复阶段的训练需求，机器人

迹跟踪期望轨迹，同时使机器人的末端具有一定的能提供主动、被动、辅助运动以及主被动训练模式，

,xU弹簧特性和阻尼特性。其中为位置偏差，为并且在不同的训练模式下，机器人还能给患者提供,1电机的输入量，为工作空间到关节空间变换矩J关节协同运动和分离运动的运动模式。对于病情较

阵的逆矩阵。 重的患者，可以采用被动训练模式，遵循临床上由

qx近端(髋关节)到远端(踝关节)的康复原则，先编码器运动学

进行关节分离训练，再协同训练，使所有关节保持机x,x0U,1位置控制器电机器J最大活动范围。对于病情较轻的患者，可以采用辅人助运动或者主动运动训练，目的是增加患肢的肌xeF,F1传感器力。如果单侧肢体运动功能较强，可以考虑人的主Bs，K

动意识，利用运动功能较强的肢体带动患肢进行主Fr 被动康复训练。

图2 柔顺控制模型

2 柔顺控制策略 在康复训练中要求人的运动要安全、平稳、舒

适，不用很高的位置精度，所以控制框图中采用位2.1 阻抗控制原理

置内环、阻抗外环的控制器。机器人工作时， 如阻抗控制是通过调整机器人末端位置和末端x果人机之间力变化量为零，即为零，力外环断开，e作用力的动态关系，使机器人具有一定的柔顺性。机器人工作在位置跟踪状态，完成预定的训练轨由于康复机器人与人体密切接触，机器人工作在受x迹。如果人机之间力变化量不为零时，产生对期e限状态，要求机器人既要完成规划的训练任务，又望轨迹进行修正，使得位置存在一定的偏差，机器能保证人体的安全性和舒适性，因此采用基于力反人末端表现出一定的柔顺性，即牺牲了位置精度降馈的阻抗控制方法，根据训练过程中人机之间的作

低了接触力的变化。 、为阻抗控制器产生的位置修正量;、x,mfeerr

是在速度极慢的情况下由测得的正压力计算得到，3 实验研究 可认为是不同位置时的静态平衡力(矩);、,m,f3.1 实验系统的组成 则是训练过程中力(矩)的变化;L是脚踏板上力

的作用点平行于脚踏板到转轴的距离。这种模型的卧式下肢康复机器人半物理仿真实验平台主

PID内环位置控制器采用控制，外环采用阻抗控制要由机器人系统、dSPACE控制平台以及工控机组

器，机器人的末端具有一定的弹簧和阻尼特性。 成，原理框图如图3所示。其中机器人系统是由机

,x器人和人共同组成的，另外还包括驱动电路、力传PID1DACx0

感器以及编码器等实物;dSPACE控制平台具有非,ffxx1e分编码器1常强大的实时数据处理能力和定时功能，同时还能Bs，K解11Nf正在线调整控制参数、记录控制信息等功能;工控机ADCr压,1,m,A/Dem主要用于人机交互以及控制程序的开发，还能利用力编码器2模块Bs，K22Matlab/Simulink控制系统设计工具实现控制器的编mr

,PID2DAC程及控制信息的实时显示和记录。 0,,

卧式下肢康复机器人系统图4 关节控制程序

力由于左右腿机构是关于人体矢状面对称的，并霍编传尔码在训练过程中存在一定的相位差，因此，分析过程驱动电路开感器关器相同，可获得左腿机构的训练参数。

DS1104DS1104DS1104DS1104dSPACE3.3 实验研究 D/AA/DEncoderI/O硬件平台

DS1104标准组件系统实验过程需要反复调节，因此我们选用假人模

型进行第一阶段实验，验证机器人控制系统的性能

RTW实时RTI实时以及康复训练效果，实验系统如图5所示。在实验PC机控制台工作空间接口过程中，假人躺在机器人平台上，脚缚在脚踏板上，康复机器人控制系统各种控制策略的实现对假人右腿进行训练。为确定适合的训练参数，首

x,先选择给定主运动控制信号，脚踏板的信号图3康复机器人半物理仿真实验系统框图 00

保持不变情况下，观察第一组参数、对训练效kb113.2 关节控制模型 果的影响;然后主运动信号x不变，给定脚踏板控0

,制信号的情况下，观察第二组参数、对训kb我们以右腿机构为研究对象，建立相应的控制022

练效果的影响。 模型并进行实验研究。右腿机构有两个自由度，因

此两个电机均采用直流力矩电机驱动，不考虑惯性

系数，简化后的关节控制程序如图4所示。由A/D

模块输出的是力传感器检测的脚与脚踏板之间的

正压力N，并且力的方向和运动的方向是耦合的，

点处沿轴方向的因此，将正压力分解为作用在PxR

作用力以及与脚踏板转动方向相对应的力矩，fm

计算公式为

f,Nsin,, (3) ,m,NL,

,x,而、为滑块的期望位置和实际位置;、为x00图5康复机器人实验系统 脚踏板的期望转角和实际转角;k、b、、分kb11221)选取右髋关节为坐标原点，水平向右为轴x别为阻抗控制器1和2的阻尼系数以及刚度系数;,方向;脚踏板水平时为零度，顺时针为负，逆时

针为正。给定第一组控制信号如图6所示。同时，导致接触力的变化减小。

取并保持不变，分别取2、5、10时，2)给定第二组控制信号如图9所示。同时，b,0.2k11

机器人末端的位置误差曲线以及力变化曲线如图7并保持不变，分别取1、2、5时，机取b,0.2k22所示。取并保持不变，而分别取0.2、0.5、器人末端的位置误差曲线以及力矩变化曲线如图k,10b11

0.8时，机器人末端的位置误差曲线以及力变化曲并保持不变，而分别取0.2、10所示。取k,5b22线如图8所示。 0.5、0.8时，机器人末端的位置误差曲线以及力矩

变化曲线如图11所示。 6006006060

6006006060::5050500500 / / /mm /mm0102::5050,,40400150002500 / /xx /mm /mm4004000102,,404001023030xx400400051005100510150510153030t/st/st/s t/s05100510051015051015t/st/st/st/s图6 给定的第一组控制信号

k=2k=5k=10图9 给定的第二组控制信号 111

k=1k=2k=5222555

000000x/mmx/mmx/mm:::,,,///-2-2-2-5-5-5,,,,,,

051005100510-4-4-4t/st/st/s051015051015051015

t/st/st/s202020

101010

444f/Nf/Nf/N000,,,

222-10-10-10m/Nmm/Nmm/Nm,,,051005100510000t/st/st/s 051015051015051015图7 b,0.2t/st/st/s1 b=0.2b=0.5b=0.8图10 b,0.21112

b=0.2b=0.5b=0.8555222

000000x/mmx/mmx/mm:::,,,///-2-2-2,,,,,,-5-5-5051005100510

-4-4-4t/st/st/s051015051015051015

t/st/st/s202020

101010

f/Nf/Nf/N444000,,,

-10-10-10222m/Nmm/Nmm/Nm,,,051005100510000t/st/st/s 051015051015051015图8 k,101t/st/st/s

由图7看出:随着的增加，位置误差减小，k图11 k,512

而接触力的变化增大，说明人机之间接触的刚度增由图10看出:随着的增加，位置误差减小，k2

大，反映出弹簧的特性。由图8看出:随着的增b而力矩有较小的增大趋势，表现出了弹簧特性。由1

加，位置误差增大，而接触力的变化减小，说明在图11也可看出:随着的增加，位置误差增大，b2

驱动力不变的情况下，机器人偏离期望轨迹的误差力矩有减小的趋势，表现出了阻尼特性。但是两种增大，要想移动相同的距离，系统消耗的能量增加，

[2] 陆敏，彭军，尤春景等.脑卒中患者肢体痉挛的情况下的力矩变化不明显，主要原因是:a)在训练

发生率及其与功能的关系.中国康复，过程中脚踏板受到的转矩变化较小;b)传感器测量

2005,20(5):281-281 过程中力的作用点会发生变化，因此，对力矩的处

[3] 徐国政，宋爱国，李会军.康复机器人系统结构理存在一定的误差。

及控制技术.中国组织工程研究与临床康复，由于下肢运动功能障碍患者大多伴有肌肉萎

2009,13(4):717-720 缩、关节僵硬以及挛缩等异常运动模式的发生，人

[4] Simon AM, Brent-Gillespie R, Ferris DP. 机之间的作用力变化较大时，容易导致二次损伤。

Symmetry-based resistance as a novel means of 采用主用柔顺控制方法后，在保证训练安全性的基

lower limb rehabilitation. Journal of 础上，又满足了机器人能顺应于人的柔顺性需求。

Biomechanics, 2007, 40(5):1286-1292 并且在康复的不同阶段，可根据患肢病情的不同，

[5] Seddiki L, Guelton K, Mansouri B, et al. 选择相应的阻抗系数满足临床需求。例如，在软瘫

H-infinity Takagi-Sugeno fuzzy control of a lower 期进行训练时，下肢肌肉对力比较敏感，根据实验

limbs rehabilitation device. In: Proceedings of the KB结果，应选择较小的和较大的，才会使人感觉

2006 IEEE International Conference on Control KB舒适。而在康复后期，应选择较大的和较小的

Applications, Munich, Germany, 2008:927-932 比较合适，因为人机之间的作用力变化较大时，人

[6] Ming-Shaung Ju, Lin C.-C. K, Dong-Huang Lin, 体患肢各关节在训练过程中的力学特性也会发生

et al. A Rehabilitation Robot With Force-Position 较大变化，通过调整训练强度，进而达到训练关节

Hybrid Fuzzy Controller: Hybrid Fuzzy Control 的目的。

of Rehabilitation Robot. In: IEEE transactions on

4 结论 neural systems and rehabilitation engineering,

2005,13(3):349-358 本文采用基于力反馈阻抗控制原理设计了卧

[7] Hung-Jung Ho, Tien-Chi Chen. Motorized 式下肢康复机器人的控制器，建立了系统的柔顺控

CPM/CAM physiotherapy device with 制模型，并在dSPACE半物理仿真实验平台上进行

sliding-mode Fuzzy Neural Network control loop. 了实验研究。实验过程中，通过调节力反馈回路中

Computer methods and programs in biomedicine, kb,x的阻抗系数和，牺牲一定的位置精度和

2009,96(2):96-107 ,,,m，降低了力和力矩的改变量、，使脚与,f

[8] Erol D, Sarkar N. Smooth Human-Robot N脚踏板之间的正压力的变化范围减小，保证了康

Interaction in Robot-Assisted Rehabilitation. In: 复过程中人体的安全性和舒适性。通过调节控制

2007 IEEE 10th International Conference on 器，还可以间接的控制人机之间的作用力在某一个Rehabilitation Robotics, Noordwijk, Netherlands, 范围内变化，使训练过程中髋、膝、踝关节力学特2007:5-15 性发生变化，进而达到训练关节的目的。此外，该[9] Robert Richardson, Michael Brown, Bipin Bhakta 控制器在康复训练的不同阶段，通过调节阻抗参数et al. Impedance control for a pneumatic 可满足患肢临床需求。因此，这种控制方法在下肢robot-based around pole-placement, joint space 康复方面具有一定的实际意义。 controllers. Control Engineering Practice, 2005,

13(3):291-303 参考文献:

[1] 王桂茂，齐瑞，严隽陶.中风偏瘫步态的生物力

学及其运动学特征分析.中国组织工程研究与

临床康复，2007,11(40):8169-8172

范文三：卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究

高技术通讯2011年第2l卷第6期:624—628

doi:103772/l l∞n 1002m470201106012

卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究。

孙洪颖②张立勋③李长肚

哈尔滨工程大学机电工程学院 哈尔滨150001

摘要为保证下肢运动功能障碍患者在康复训练中的安全性和舒适性,利用力反馈信 息采用阻抗控制原理设计了康复机器人系统的控制器,通过调整末端位置与力之间的关 系使机器人具有一定的柔顺性。建立了系统的控制模型,并在dsPAcE平台上进行了实 验研究。结果表明,通过调节控制嚣中的阻抗参数,可眦使机器人获得不回的刚度特性和 阻尼特性,同时分析了参数变化对康复训练的影响。在息肢康复的不同阶段,可通过调节 该控制器参数,使康复过程既能满足临床需要又具有柔顺性。

关键词卧式下肢康复机器人,主动柔顺控制,阻抗控制,实验研究

0引言

下肢康复机器人是辅助下肢运动功能障碍患者 完成临床上要求的康复训练内容,并能向患者和治 疗师提供反馈信息的辅助康复治疗自动化设备。这 种机器人与人在同一个作业空间内带动患肢完成各 种运动功能的康复训练.使患肢逐渐恢复行走功能。 患者主要因神经中枢或传导系统损伤导致肢体肌群 间协调功能紊乱,致使肢体不能完成准确的动作…。 而在康复过程中,大部分患者会经历软瘫期、痉挛期 和恢复期3个阶段,并在不同的阶段,患肢会经历分 离运动和协同运动等多种运动模式的转换。2J。因 此,康复机器人能否真正达到康复和治疗的目的,主 要取决于有效的机器人控制策略。

国内外有关康复机器人的运动控制策略都是以 运动功能康复理论和病患机制为依据【3J,应用最广 泛的有位置控制策略和柔顺控制策略,其中柔顺控 制包括力控制、阻抗控制以及力/位混合控制等。美 国密歇根大学把阻抗控制方法应用到卧式下肢康复 机器人上,实现了左右肢体的对称性训练|4J。法国 的Seddiki等人把人体对机器人的负载看作干扰,应 用模糊推理实现了下肢的位置跟踪控制bl。台湾国 立成功大学把模糊推理应用到上肢康复训练中,实 现了力/位置混合控制,同时叉把模糊推理和神经网 络相结合应用到下肢康复训练中,通过对人机之间 的作用力进行辨识实现了机器人的主被动控 制【6…。而美国的范德比尔特大学和英国的曼彻斯 特大学也分别采用柔顺控制实现了对人体患肢的康 复训练,并取得较好的康复效果Is,9一。

本文在已有卧式下肢康复机器人机构的基础 上.应用阻抗控制方法设计了机器人的控制器,并在 dSPACE实验平台上搭建了半物理仿真实验系统,对 人体下肢的康复训练进行了实验研究。

1康复机器人

康复机器人机构简图如图1所示。该机器人有 两套机构,分为左腿机构和右腿机构,利用传动带约 束了左右腿机构的滑块,因此该机器人具有3个自 由度。自由度1是电机通过齿轮驱动传动带,完成 左右腿的往复运动,实现双下肢髋、膝、踝关节的训 练;自由度2、3是利用电机驱动左右脚踏板转动,实

篓￡鬻蹴§|鐾蔷辫≥髹巍一…:。。。一

@勰舞螽勰bi;产“。m… 5

图l机器人机构简圈 万方数据

孙洪颖等:卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究

现对踝关节训练的调整,也可完成踝关节的分离运 动训练。同时,在脚与脚踏板之间安装了力传感器, 人机之间的作用力可转化为作用在P点处的力与 力矩。在康复过程中,要求P点的作用力满足人体 正常的舒适度要求。

针对患者在不同康复阶段的训练需求,机器人 能提供主动运动、被动运动、辅助运动以及主被动训 练模式,并且在不同的训练模式下,还能给患者提供 关节协同运动和分离运动的运动模式。对于病情较 重的患者,可以采用被动训练模式,遵循临床上由近 端(髋关节)到远端(踝关节)的康复原则,先进行关 节分离训练,再进行协同训练,使所有关节保持最大 活动范围。对于病情较轻的患者,可以采用辅助运 动或者主动运动训练,目的是增加患肢的肌力。如 果单侧肢体运动功能较强,可以考虑人的主动意识, 利用运动功能较强的肢体带动患肢进行主被动康复 训练。

2柔顺控制策略

2.1阻抗控制原理

阻抗控制是通过调整机器人末端位置和作用力 的动态关系,使机器人具有一定的柔顺性。由于康 复机器人与人体密切接触,机器人工作在受限状态, 所以要求机器人既要完成规划的训练任务,又能保 证患肢的安全性和舒适性,因此采用基于力反馈的 阻抗控制方法,根据训练过程中人机之间的作用力 来修正规划轨迹,使机器顺应于人的需求。

当机器人末端与人体患肢相接触时,目标阻抗 可用一质量一弹簧一阻尼系统表示为

Fo=M(茗。一髫)+口(露。一露)+K(XO一石) (1) 式中M为目标阻抗的惯性矩阵,反映系统响应的平 滑性;B为阻尼矩阵,反映系统消耗的能量;K为刚 度矩阵,反映人机之间的接触刚度;菇o、露0、髫。分别 为期望的位置、速度和加速度;筇、露、髫分别为实际 的位置、速度和加速度。以e表示期望位置与实际 位置的偏差,上式可变为

Fo=(Ms2+凰+K)e (2) 2.2基于阻抗控制的柔顺控制模型

由于康复机器人是在低速状态下工作,并考虑 到康复过程中人体的位置和速度等实际情况,因此 目标阻抗只考虑刚度项和阻尼项,柔顺控制模型如 图2所示。

一厂—叫蔓圈4厦¨一 站碜蚪z岖垂堕划攀 千 1人 叫.志P鼍陋 唑型≮一坐

图2柔顺控制模型

在图2中,先由外环力传感器检测到脚与脚踏 板之间的作用力F,补偿掉人机之间的静态平衡力 E,获得康复过程中产生的力变化量z3F。然后通 过调节力反馈回路的刚度系数K和阻尼系数曰产 生位置修正量‰,并将期望位置xo、实际位置z和 位置修正量以输入到内环位置控制器里,使实际的 训练轨迹跟踪期望轨迹,同时使机器人的末端具有 一定的弹簧特性和阻尼特性。其中,Ax为位置偏 差,U为电机的输入量,J。1为工作空间到关节空 间变换矩阵的逆矩阵。位置修正量%满足式 △F

髫e 2赢了i (3) 电机的控制输入量为

U=(戈。一髫一茗。)J一1G。 (4) 在康复训练中要求人的运动要安全、平稳、舒 适,不用很高的位置精度,所以控制框图中采用位置 内环、阻抗外环的控制器。机器人工作时,应考虑到 以下两种情况:

(1)如果人机之间力变化量AF为零,即有Xe 为零,力外环断开,电机的控制输入量为

U=(X0一x)J。1Gp (5) 此时,机器人工作在位置伺服状态,主要对偏差位置 进行调节,完成预定的训练轨迹。

(2)如果人机之间力变化量AF不为零,力外环 闭合,存在位置修正量%,电机的控制输入量为 AF

u=(石。一菇一燕),一GP (6)

通过调节阻抗参数丘和口,把接触力的变化转换成 相应的位置修正量对期望轨迹进行修正,使得位置 存在一定的偏差,机器人末端表现出一定的柔顺性, 即牺牲了位置精度降低了接触力的变化。此时,对 偏差位置和力都有一定的调节作用。

3实验研究

3.1实验系统的组成

卧式下肢康复机器人半物理仿真实验平台主要 ?_——625?-———

万方数据

高技术通讯2011年6月第21卷第6期

由机器人系统、dSPACE控制平台以及工控机组成, 原理框图如图3所示。其中机器人系统是由机器人 和人共同组成的,另外还包括驱动电路、力传感器以 及编码器等实物;dSPACE控制平台具有非常强大的 实时数据处理能力和定时功能,同时还能在线调整 控制参数、记录控制信息等功能;工控机主要用于人

机交互以及控制程序的开发,还能利用Maflab/ Simulink控制系统设计工具实现控制器的编程及控 制信息的实时显示和记录。

目.t o胜康复H:*^

—L 女 g

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Jg动自月I 感

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.* R#}自l A囱I”||odcrl ItO DSIl04镕￥目件系统

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”零瑙型卜e 、, 糜复机g^控制系境*#拉d镕略∞宴R

图3康复机器人半物理仿真赛验系统框围

32关节控制模型

我们以右腿机构为研究对象,建立相应的控制 模型并进行实验研究。右腿机构有两个自由度,因 此两个电机均采用直流力矩电机驱动,不考虑惯性 系数,简化后的关节控制程序如图4所示。A/D模 块输出的是力传感器检测的脚与脚踏板之间的正压 力Ⅳ.由于力的方向和运动的方向是耦合的,因此, 将正压力分解为作用在n点处沿*轴方向的作用 力,以及与脚踏板转动方向相对应的力矩删,计算 公式为

『f=Nsin0

【m=舰

图4美节控制程序

由于左右腿机构是关于人体矢状面对称的,并 在训练过程中存在一定的相位差,因此,分析过程相 同,可获得左腿机构的训练参数。

33实验研究

实验过程需要反复调节,因此我们选用假人模 型进行第一阶段实验,验证机器人控制系统的性能 以及康复训练效果,实验系统如图5所示。在实验 过程中,假人躺在机器人平台上,脚缚在脚踏板上, 对假人右腿进行训练。为确定适合的训练参数,首 先选择给定主运动控制信号x。,脚踏板的信号口。 保持不变情况下,观察第一组参数k.、b.对康复训 练的影响;然后主运动信号xo不变,给定脚踏板控 制信号如的情况下,观察第二组参数^Mb对康复

训练的影响。

f7)

圈5康复机器人实验系统

zo、z为滑块的期望位置和实际位置;晶、口为脚踏

板的期望转角和实际转角;kl、b】、也、62分别为阻 抗控制器l和2的阻尼系数以及刚度系数;扎以为 阻抗控制器产生的位置修正量;f、m,是在速度极 慢的情况下由测得的正压力计算得到,可认为是不 同位置时的静态平衡力(矩);△,、Am则是训练过 程中力(矩)的变化;￡是脚踏板上力的作用点平行 于脚踏板到转轴的距离。这种模型的内环位置控制 器采用Pm控制.外环采用阻抗控制器,机器人的末 端具有一定的弹簧和阻尼特性。

一626

(1)选取右髋关节为坐标原点,水平向右为x轴 方向;脚踏板水平时日为零度.顺时针为负.逆时针 为正。给定第一组控制信号如图6所示。同时,取 bl=02并保持不变,k.分别取2、5、lo时,机器人 末端的位置误差曲线以及力变化曲线如图7所示。 取^-=10并保持不变.而b.分别取02、05、08时,机器人末端的位置误差曲线以及力变化曲线如 图8所示.

万方数据

孙洪颖等:卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究

喜s 嚣。 碧.5

20§?。 {夸(0

R.10 蠹园||量目

O 5lO

时间(s)

O 5lO

时间(8)

图6给定的第一组控制信号

iji;目萎蚕圈

O 51015

时间(s)

O 5lO 15

时间(s)

图9给定的第二组控制信号

素22l k2=2k2=5

留薹三留萎三0睁510羹三0粤51015|{0照 51015||0照 51015团羹三团题团委;因委;囚委;囚

051005100510

时间(s) 时间(5) 时间(s)

图7bl=0.2时位置误差与力变化曲线

05101505101505IO 15时间(s) 时FsJ(s) 时间(s) 图1062=0.2时转角误差与力矩变化曲线

屯20.262=o.8

毵画菱三卤薹三囤蓁三阻菱醑襄回

o.。二,,lo o。乞,!o o。毛,!o 时问(s) 时间(s) 时间(s) 时间(s) 时间(s) 时间(s)

。。… ~…一

20

妻lo

制0

R.10

05lO 05100510时间(s) 时间(s) KK(s)

图8||}l=10时位置误差与力变化曲线

由图7看出,随着后,的增加,位置误差减小,而 接触力的变化增大,这说明人机之间接触的刚度增 大,反映出弹簧的特性。由图8看出,随着6。的增 加,位置误差增大,而接触力的变化减小,这说明在 驱动力不变的情况下,机器人偏离期望轨迹的误差 增大,要想移动相同的距离,系统消耗的能量增加, 导致接触力的变化减小,这反映出阻尼特性。

(2)给定第二组控制信号如图9所示。同时,取 62=0.2并保持不变,后2分别取1、2,5时,机器人末 端的位置误差曲线以及力矩变化曲线如图10所示。 取||}2=5并保持不变,而62分别取0.2、0.5、0.8时,

对间(s) 时间(8) 时间(s) 图11_|}2=5时转角误差与力矩变化曲线

机器人末端的位置误差曲线以及力矩变化曲线如 图1l所示。

由图10看出,随着Jj}2的增加,位置误差减小, 而力矩有较小的增大趋势,这表现出了弹簧特性。 由图11看出,随着62的增加,位置误差增大,力矩 有减小的趋势,这也表现出了阻尼特性。但是两种 情况下的力矩变化不明显,主要原因是:(a)在训练 过程中脚踏板受到的转矩变化较小;(b)传感器测量 过程中力的作用点会发生变化,因此,对力矩的处理 存在一定的误差。

由于下肢运动功能障碍患者大多伴有肌肉萎 缩、关节僵硬以及挛缩等异常运动模式的发生。人机 ??一627—-一

万方数据

高技术通讯2011年6月第21卷第6期 之间的作用力变化较大时,容易导致二次损伤。采 用主动柔顺控制方法后,在保证训练安全性的基础 上,满足了机器人能顺应于人的柔顺性需求,并且在 康复的不同阶段,可根据患肢病情的不同,选择相应 的阻抗系数满足临床需求。例如,在软瘫期进行训 练时,下肢肌肉对力比较敏感,根据实验结果,应选 择较小的k和较大的b,才会使人感觉舒适。而在 康复后期,应选择较大的k和较小的b比较合适,因

为人机之间的作用力变化较大时,人体患肢各关节

在训练过程中的力学特性也会发生较大变化,通过 调整训练强度,进而达到训练关节的目的。

4结论

本文采用基于力反馈阻抗控制原理设计了卧式 下肢康复机器人的控制器,建立了系统的柔顺控制 模型,并在dsPACE平台上进行了实验研究。实验 过程中,通过调节力反馈回路中的阻抗系数k和b, 牺牲一定的位置精度△戈和z50,降低了力和力矩的 改变量△,、Am,使脚与脚踏板之间的正压力Ⅳ的 变化范围减小,保证了康复过程中人体的安全性和 舒适性。通过调节控制器参数,还可以间接地控制 人机之间的作用力在某一个范围内变化,使训练过 程中髋、膝、踝关节力学特性发生变化,进而达到训 练关节的目的。此外,该控制器在康复训练的不同 阶段,通过调节阻抗参数可满足患肢临床需求。因 此,这种控制方法在下肢康复方面具有一定的实际 意义。

参考文献

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720

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of lower limb

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a1.H-infinity晰一

sIl罾咖fhzzy

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Con-

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D,Sarkar N.Smooth human-rolx,t

iI曲既雹c‰in rebot-睁

￥i8ted

rehabilitation.In:nocee曲学of

the 2007

IEEE 10th

Imemational(b耐÷陀Ilce On

Rehabilitation Robotics.Ncordwi—

jk,Netherlands,2007.5-15[9]Richardson

R,Brown M,Bhakta B,ot a1.b叩edaIloe control

for

a

pl朔Ⅲ埘c

robot-based around

pole-placement,joint

space

controllers.Contro/Eng/n咖Praa/te,2005,13(3):291-303

Research

on

active compliance control and experimentation of

a

horizontal lower limbs rehabilitation robot

Sun

Hongying,Zhang Lixun,Li Changsheng

(College

of Mechanical and Electrical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin

150001)

Abstract

To

ellsUie

training safety and

comfort of the patients with dysfunction in lower limbs,all

impedance

eontroner W85

designed based

on

force feedback for a

rehabilitation robot.The controller

Can

make the

robot

have

a

certain degree of

flexibility by adjusting the relationship between the end

actuator

position and

force.The control model of the system was

established.and the experimental research

on

it WaS done based

on

the dSPACE platform.The results

showed

that differ-

ent stiffness and

damping characteristics of the robot could be

obtained

by

adjusting

impedance parameters of the

COn-troller.And the effect

of唧ters

on

rehabilitation

training WaS also analyzed.The

impedance唧ters

of the

con.

troller

can

be

adjusted at

different stages of the

affected limb’recovery,SO that the rehabihtafion

process

can

not伽崎

meet clinical needs but also has the submissive nature.

Key words:horizontal lower limbs rehabilitative robot,active compliance control,impedanco control,experimental

research

?-——628?-——

万方数据

卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究

作者:孙洪颖 , 张立勋 , 李长胜 , Sun Hongying, Zhang Lixun, Li Changsheng作者单位:哈尔滨工程大学机电工程学院,哈尔滨,150001刊名:高技术通讯

英文刊名:CHINESE HIGH TECHNOLOGY LETTERS年,卷(期):

2011,21(6)

参考文献(9条)

1. 王桂茂;齐瑞;严隽陶 中风偏瘫步态的生物力学及其运动学特征分析 [期刊论文]-中国组织工程研究与临床康复 2007(40)

2. 陆敏;彭军;尤春景 脑卒中患者肢体痉挛的发生率及其与功能的关系 [期刊论文]-中国康复 2005(05)3. 徐国政;宋爱国;李会军 康复机器人系统结构及控制技术 [期刊论文]-中国组织工程研究与临床康复 2009(04)4. Simon A M;Brent-Gillespie R;Fertis D P Symmetry-based resistance as a novel means of lower limbrehabilitation [外文期刊] 2007(06)

5. Seddiki L;Guelton K;Mansouri B H-infinity TakagiSugeno fuzzy cortrol of a lower limbsrehabilitation device 2008

6. Ju M S;Lin C C K;Lin D H A rehabilitation robot with force-position hybrid fuzzy controller:HybridFuzzy Control of Rehabilitation Robot[外文期刊] 2005(03)

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8. Erol D;Sarkar N Smooth human-robot interaction in robot-assisted rehabilitation 20079. Richardson R;Brown M;Bhakta B Impedance control for a pneumatic robot-based around pole-placement,joint space controllers[外文期刊] 2005(03)

本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gjstx98201106012.aspx

范文四：刚-柔机械臂主动柔顺控制的实验研究（可编辑）

刚-柔机械臂主动柔顺控制的实验研究

维普资讯 ////0>.

第 卷

第 期

机械 科 学 与技 术. .篮月

文章编号: ??

刚一柔机械臂主动柔顺控制的实验研究

负今天 ,王树新 ,回振波

‘天津工业大学 机械电子学院,天津 ; 天津大学 机械工程学院,天津 ; 唐山冶航机器人有限责任公司,唐山

负今天

摘 要:着重进行刚一柔机械臂主动柔顺控制系统的实验研究,在对刚一柔机

械臂进行总体柔顺控制的时候.采用基

于视觉反馈的位置控制和基于应变反馈的力控制相结合的开关变结构控制,

我们称之为准变结构控制。在柔性机

械臂进行主动跟随的控制过程中,我们引入了在线预测误差补偿的方法,以

提高柔性机械臂主动柔顺的跟踪精度。

关 键 词:刚一柔机械臂;主动柔顺;误差补偿

中图分类号: 文献标识码:。。 。

。 , ,; , ,; ? ., , : ?. ?, ? ? : ,,, . . ,. :? ; ;从机

器人诞生到本世纪 年代初,机器人技术经历了 实验系统的总体描述

一

个长期缓慢的发展过程。到了 年代,随着计算机技 我们所建立的实验系统是为了完成刚柔机械臂的主

术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机器人技术也取 动柔顺控制运动。而在总的运动过程中,一共分为 个阶

得了飞速的发展。在不远的将来,机器人不仅在第二产业,

段,首先是刚柔机械臂的快速定位,然后是慢速趋近目标

而且会在第三产业中扮演非常重要的角色。这种机器人的 物体,最后是柔性机械臂的主动柔顺控制运动。在刚一柔机

主要特点就是工作环境的非结构化和不确定性,这样实现 械臂快速定位和慢速趋近运动过程中,是通过摄像头

机器人的理想柔顺运动就成为了最重要的课题。在对刚一

采集含有目标点的图像,通过图像处理和计算得到目标点

柔机械臂系统进行主动柔顺跟随运动实验研究时,我们提

的位置信息,并将其反馈到刚一柔机械臂的驱动电机来控制

出采用多传感融合的方式,采用了变结构控制策略,以实现

刚一柔机械臂的运动。而在主动柔顺控制阶段是通过应变

快速定位一慢速趋近一接触物体一主动柔顺跟踪整个运动

片检测柔性机械臂的变形,通过计算获得柔性机械臂的末

控制过程。文中采用的变结构控制策略,是基于视觉反馈 端接触力,然后反馈到柔性机械臂驱动电机驱动柔性机械

的位置控制和基于应变反馈的力控制相结合的开关变结构 臂做主动柔顺运动。因此,所建立的实验系统主要包括 控制。在柔性机械臂进行主动柔顺跟随未确知环境的过程 部分:运动控制系统;图像采集系统;数据采集系统。 中,为了提高跟踪精度,本文提出了对跟随运动进行在线预 图 从组成计算机控制系统的角度,形象地描述了整 测补偿的方法。 个实验系统的配置、各个反馈控制回路以及系统各部分的

连接。

收稿日期:? ? . 运动控制系统

基金项目:国家自然科学基金项目 和中法合作基金 项目/资助

运动控制系统主要包括两个交流伺服电机、两个谐波 作者简介:负今天一 ,男 汉 ,河北,博士后

减速器,两个驱动器以及六轴运动控制卡。我们选用的驱 ? : . 维普资讯 ////. 机 械 科 学 与 技 术 第 卷 动刚性机械臂 的是大惯量 交流伺服 电机,型号为 窗口一直含有这个目标点即可,这样就减少了图像处理所 ,电机额定功率为,

额定转距为 ..

占用的时间,而且保证计算出物体的质心坐标在一定的精 电机转动惯量为 × 一 ,额定转速为 / 。

度范围内。

与之相应的驱动器型号为。驱动柔性机械臂

是小惯量交流伺服电机,型号为 ,电机额定 功率为 . ,额定转距为 .,电机转动惯量为 . × ~ ,额定转速为 / 。与之相对应 的驱动器型号为 。电机工作于速度环控

制方式,调速性能由调整好的速度环内的控制器保证。 我们采用的运动控制卡是公司的 ? 六

轴运动控制卡。可以实现六个自由度的运动控制。 图 利用边缘检测方法确定目标点质心位置 . 数据采集系统

数据采集系统是刚柔机械臂主动柔顺控制实验系统 的一个重要组成部分。该系统主要包括数据采集与数据处 理两部分。主要仪器包括 动态应变仪和 数据采集卡。数据采集卡具有 通道 位模拟输出, 个 数字/ 口, 个 位计数器,可达 通道模拟输入, 位分辨率,/ 的采样频率。

由于应变计的灵敏度 和准确度高 约%一

% ,数据稳定可靠。测量技术简单,所需应变计和仪器 设备价格低,频率响应好,可测量 一的振动, 惯性极小,对动应变反应很快,因此,在实验中我们用来测 图 实验系统配置示意图

量柔性机械臂所承受的动态变化的外载荷。 首先将应变片贴于柔性梁前后表面,按半桥接法,如图

. 图像采集系统

、图 所示,可测得应变值 ,由材料力学可知作用在柔性 实验中采用的图像采集系统主要包括摄像头,图 机械臂末端的作用力

像采集卡。实验中使用的黑白摄像头的分辨率是十 × ,采样频率是 / ,基本尺寸是 × × ,重 。实验程序中所采集图像大

小为中间

式中: 为弹性梁末端所受的接触力; 为弹性模量;,为柔 的× ,其余部分认为是边界,通常认为数字图

性机械臂的截面惯量; 为柔性机械臂的厚度; 为柔性机 像边界畸变较为严重,在进行图像处理时不用这部分图像。 械臂的长度;.为应变片距离柔性机械臂固定端的距离。 实验中使用的图像采集卡是公司的 一。

应变片

该板卡有四个图像采集通道,可以与 个摄像头相连接,同 匕 三??一

时进行 个通道的图像采集。在实验的时候,利用摄 像头采集动态图像,通过图像采集卡转化为数字化图像,然 后通过总线实时传到计算机内存中,供图像处理程序 进行进一步的图像处理。实验中需要的图像信息是目标物 图 柔性臂应变测量原理 图 柔性臂静态弯曲变形 体的质心坐标,因此在图像处理的过程中要首先检测目标

物体的边缘,得到目标的轮廓,然后计算出目标物体的质心 实验中选用的应变片为 × 规格,灵敏度系数坐标。这样就得到了目标物体

的具体位置,并将其作为位

. ,电阻 的胶基应变片。

置控制系统中的反馈信号。

梁上应变是经过传感器得到的模拟信号,要把应变模 图 所示即为实验中通过图像采集和处理程序利用边 拟信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量,送进计 缘检测的方法获得的目标点质心位置示意图。我们在进行 算机即是所谓的数据采集,计算机将所采集的数字量根据 图像处理的时候,不要求对整幅图像进行图像处理,而是确 需要进行不同的判识运算,得出所需的结果,即是所谓的数 定一个合适的窗口,在刚一柔机械臂运动过程中,只要这个维普资讯 ////.

第 期 负今天等:刚一柔机械臂主动柔顺控制的实验研究据处理。 此时应变片检测到的柔性机械臂的弯曲变形保持在一个非 本实验采用 公司的 多功能数据采集卡,

常小的范围内。当刚柔机械臂在慢速趋近的过程中,当应 它可以与多种微机兼容,可多路同时采集,每路有各自的采 变片检测到的信号突然增大,超过设定好的小范围,此时说 样保持器。采样频率可以预置,该数据采集卡还带有专用 明有外部力加到了柔性机械臂上是柔性机械臂产生弯曲变 的数据采集软件包,可以实现数据采集,分析和数据处理。

形,这样就中断位置控制程序,开始进行柔性机械臂的主动 跟随运动控制过程。在主动跟随控制过程中,为了使柔性 全视场下刚一柔机械臂主动柔顺运动

机械臂和外部目标物体保持一定的接触力,首先设定好期 在上面已经描述了实验系统的基本配置以及各个组成 望接触力的大小,并

实时检测柔性机械臂弯曲变形大小,通

部分在整个系统中的作用,现在描述一下刚一柔机械臂主动 过计算得出外

部接触力的大小,与期望的接触力进行比较,

柔顺运动这个实验过程,如图 所示。 得出力的误差信号,根据离散 控制算

法计算出发送到

像头

伺服电机速度环的指令,驱动柔性机械臂转动,实现柔性机 械臂的实时主动跟随运动。刚一柔机械臂主动跟随运动的实验研究 . 刚一柔机械臂快速定位运动

对刚柔机械臂进行快速定位运动实验时,我们对柔性

机械臂采用了两种控制策略, 控制和日 鲁棒控制策前视图 略。而对刚性机械臂我们只采用了 控制策略。我们分 应变片

别采取了 组控制器参数。

标点 刚性机械臂: . ; . ; 快速定位运动过程

柔性机械臂: . ; . ;

丁慢速趋近运动过程 刚性机械臂: .. . ; . ;

工主动跟随运动过程

柔性机械臂: . ; : . ;

凸轮 刚性机械臂: . ; . ;上视图 。

柔性机械臂: . ; . ; 刚性机械臂: . ; . ; 图 刚?柔机械臂主动柔顺运动实验过程示意图 柔性机械臂:日。鲁棒控制。

图 一图 分别给出了对应的实验曲线。从曲线可以 摄像头安装在刚柔机械

臂上方的空间位置,光轴

看出,对于 控制器来说,随着比例增益的增大,系统响 垂直于地面,目标点分别为柔性机械臂末端点上的黑色圆 应的快速性提高,但是超调量开始增大。而鲁棒控制器与 点 和目标物体凸轮上的一个黑色圆点 。在柔性机械臂 控制器相比较,受外界的不确定性干扰的影响较小,具 上安装有应变片,检测柔性机械臂的弯曲变形信息。 有鲁棒特性。系统响应的快速性比较高,但是其超调量相 摄像头检测到目标点 的位置,通过逆运动学计算算出刚一 对大一些。

柔机械臂电机轴需要运转的角度。, ,分别选取刚一柔 机械臂电机轴需要旋转角度的 / 作为刚一柔机械臂快速 定位的目标位置。在刚 柔机械臂运动过程中摄像头 不断采集柔性机械臂上目标点 的位置坐标,并通过逆运 令

已

一

动学计算算出刚一柔机械臂此时的角度,与快速定位目标位 嫒

鬈

置相比较,得出二者之间的角度误差,根据离散 控制算 缸

趟

法或者以离散状态方程表示的鲁棒控制算法,计算出发送 甚

到交流伺服电机速度环的指令,驱动刚柔机械臂向快速定 位目标位置转动。当达到快速定位位置并达到稳态以后, 开始进行刚柔机械臂的慢速趋近运动控制过程,此时应变 片检测柔性机械臂弯曲变形的程序也同时开始运行,实时 时间 检测柔性机械臂的弯曲变形。

图 刚性机械臂快速定位运动曲线控铜

在刚.柔机械臂的慢速趋近阶段,反馈方式和控制算法 和快速定位阶段的相同,只是计算出的发送到交流伺服电 刚柔机械臂慢速

趋近运动

机速度环的指令要乘以一个小的增益量。以保证刚柔机械 慢速趋近是主动柔顺运动的第二个阶段,在这个阶段 臂慢速运转。在利用 环节进行控制的时候,也可以将

我们采取了 控制策略,并且只利用了 控制器环节控制器的参数凋的很小,

保证刚一柔机械臂慢速运转,维普资讯 ////.机 械 科 学 与 技 术 第 卷

中的比例环节。刚一柔机械臂的 参数选取的相同,选取 实验中,有一个交

流伺服电机带动的凸轮往复运动,柔性机

械臂在主动跟随运动过程中,要保持柔性机械臂和凸轮有 了两组比例增益,分别为 , . 和 , . 。从曲线 一

个恒定的接触力。实验中,我们设定接触力. 。 图可以看出,比例增益越小,曲线的平滑性越好,说明柔性 在这个运动过程中,主要利用了被动柔顺和主动柔顺相结 机械臂的振动变形越小。在实验中可以得出 值要保证 合的策略,以保证柔性机械臂和凸轮不会发生剧烈的冲击 在 . 以下,这样才能保证刚一柔机械臂在慢速趋近运动 碰撞,在工业中也是为了防止工件和机械手的损坏。 中,应变片检测到的力的信息才不会超过设定值,保证慢速 实验中,我们发现在柔性机械臂主动跟随的过程中,有 趋近的正常运行。图 ~图 为刚一柔机械臂慢速趋近运 些点存在较大的误差,为了减少这种误差的影响,我们采用 动实验的曲线图。

了预测补偿的控制策略。首先记录第一个采样周期的某点 和下一点的应变差值,也就是记录了应变变化的趋势。在 下一个周期中的同一采样点,将这个趋势值补偿进去,这样

就提高了柔性机械臂主动跟随运动的精度。该补偿策略可

妊

以用下述公式描述,即

鬈

馥。一

掣

;

, ? ‘

式中:, , ,?,? ?为一个采样周期的采样点数 ; 为采样时刻的应变值;

为下个周期采样时

刻需要补偿的应变值; 具有补偿的反馈应变 值; , , ,?, 。 .

图 柔性机械臂快速定位运动曲线控制 墓

嚣

图 刚性机械臂快速定位 图 柔性机械臂快速定位运 运动曲线控制 动曲线鲁棒控制

图 柔性机械臂主动跟随运动曲线

墓。

一

萎。

馥

掣

;

时间,

图 刚性机械臂慢速趋近运 图 柔性机械臂慢速趋近运 动曲线 . 动曲线 .图 柔性机械臂在主动跟随运动中与外界的接触力

薏

一

在柔性机械臂主动跟随运动实验中,采用了 控制 萎。

策略,图 分别为两个不同比例增益控制器控制下的跟随 馥

掣曲线。从图 中,我们可以看出,柔性机械臂能够比较好 ;

时间

的跟随凸轮进行运动。图 为柔性机械臂在跟随过程中 图 刚性机械臂慢速趋近运 图 柔性机械臂慢速趋近运 的与凸轮的接触力,

基本上保持在设定值附近。

动曲线 .动曲线 .图 中,实际轨迹为凸轮的实际运动轨迹,跟踪轨迹 为柔性机械臂跟踪凸轮运动时,柔性机械臂跟踪点的轨迹。 . 具有预测补偿的柔机械臂主动柔顺跟随运动

下转第 页

柔性机械臂主动柔顺跟随运动是刚一柔机械臂主动柔

顺运动的第 个阶段,这个阶段同样采用控制策略。

范文五：【word】 卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究

卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研

究

高技术通讯2011年第21卷第6期:624—628

doi:10.3772/j.issn.1002—0470.2011.06.012

卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究?

孙洪颖?张立勋?李长胜

(哈尔滨工程大学机电工程学院哈尔滨150001)

摘要为保证下肢运动功能障碍患者在康复训练中的安全性和舒适性,利用力反馈信

息采用阻抗控制原理设计了康复机器人系统的控制器,通过调整末端位置与力之间的关

系使机器人具有一定的柔顺性.建立了系统的控制模型,并在dSPACE平台上进行了实

验研究.结果表明,通过调节控制器中的阻抗参数,可以使机器人获得不同的刚度特性和

阻尼特性,同时分析了参数变化对康复训练的影响.在患肢康复的不同阶段,可通过调节

该控制器参数,使康复过程既能满足临床需要又具有柔顺性.

关键词卧式下肢康复机器人,主动柔顺控制,阻抗控制,实验研究

0引言

下肢康复机器人是辅助下肢运动功能障碍患者

完成临床上要求的康复训练内容,并能向患者和治

疗师提供反馈信息的辅助康复治疗自动化设备.这

种机器人与人在同一个作业空间内带动患肢完成各

种运动功能的康复训练,使患肢逐渐恢复行走功能.

患者主要因神经中枢或传导系统损伤导致肢体肌群

问协调功能紊乱,致使肢体不能完成准确的动作_lJ.

而在康复过程中,大部分患者会经历软瘫期,痉挛期

和恢复期3个阶段,并在不同的阶段,患肢会经历分

离运动和协同运动等多种运动模式的转换l.因

此,康复机器人能否真正达到康复和治疗的目的,主

要取决于有效的机器人控制策略.

国内外有关康复机器人的运动控制策略都是以

运动功能康复理论和病患机制为依据l,应用最广

泛的有位置控制策略和柔顺控制策略,其中柔顺控

制包括力控制,阻抗控制以及力/位混合控制等.美

国密歇根大学把阻抗控制方法应用NI~I,式下肢康复

机器人上,实现了左右肢体的对称性训练[.法国

的Seddiki等人把人体对机器人的负载看作干扰,应

用模糊推理实现了下肢的位置跟踪控N[5j.台湾国

立成功大学把模糊推理应用到上肢康复训练中,实

现了力/位置混合控制,同时又把模糊推理和神经网

络相结合应用到下肢康复训练中,通过对人机之间

的作用力进行辨识实现了机器人的主被动控

制l.7J.而美国的范德比尔特大学和英国的曼彻斯

特大学也分别采用柔顺控制实现了对人体患肢的康

复训练,并取得较好的康复效果_8’9J.

本文在已有卧式下肢康复机器人机构的基础

上,应用阻抗控制方法设计了机器人的控制器,并在

dSPACE实验平台上搭建了半物理仿真实验系统,对

人体下肢的康复训练进行了实验研究.

1康复机器人

康复机器人机构简图如图1所示.该机器人有

两套机构,分为左腿机构和右腿机构,利用传动带约

束了左右腿机构的滑块,因此该机器人具有3个自

由度.自由度1是电机通过齿轮驱动传动带,完成

左右腿的往复运动,实现双下肢髋,膝,踝关节的训

练;自由度2,3是利用电机驱动左右脚踏板转动,实

国家自然科学基金(60575053)资助项目.

壅生,博士生;研究方向:康复机器人;E-mail:shy—ing@163.c0m?通

讯作者

,

E—mail:lixunzhang2002@vahoo.c0m.cn一

(收稿日期:2009—1225)

图1机器人机构简图

孙洪颖等:卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究

现对踝关节训练的调整,也可完成踝关节的分离运

动训练.同时,在脚与脚踏板之间安装了力传感器,

人机之间的作用力可转化为作用在P点处的力与

力矩.在康复过程中,要求P点的作用力满足人体

正常的舒适度要求.

针对患者在不同康复阶段的训练需求,机器人

能提供主动运动,被动运动,辅助运动以及主被动训

练模式,并且在不同的训练模式下,还能给患者提供

关节协同运动和分离运动的运动模式.对于病情较

重的患者,可以采用被动训练模式,遵循临床上由近

端(髋关节)到远端(踝关节)的康复原则,先进行关

节分离训练,再进行协同训练,使所有关节保持最大

活动范围.对于病情较轻的患者,可以采用辅助运

动或者主动运动训练,目的是增加患肢的肌力.如

果单侧肢体运动功能较强,可以考虑人的主动意识,

利用运动功能较强的肢体带动患肢进行主被动康复

训练.

2柔顺控制策略

2.1阻抗控制原理

阻抗控制是通过调整机器人末端位置和作用力

的动态关系,使机器人具有一定的柔顺性由于康

复机器人与人体密切接触,机器人工作在受限状态,

所以要求机器人既要完成规划的训练任务,又能保

证患肢的安全性和舒适性,因此采用基于勺反馈的

阻抗控制方法,根据训练过程中人机之问的作用力

来修正规划轨迹,使机器顺应于人的需求.

当机器人末端与人体患肢相接触时,目标阻抗

可用一质量一弹簧.阻尼系统表示为

F0=M(.一)+B(.一)+(3;0一)

(1)

式中M为目标阻抗的惯性矩阵,反映系统响应的平

滑性;为阻尼矩阵,反映系统消耗的能量;K为刚

度矩阵,反映人机之间的接触刚度;0,戈o,.分别

为期望的位置,速度和加速度;,戈,分别为实际

的位置,速度和加速度.以e表示期望位置与实际

位置的偏差,上式可变为

F0:(Ms+B5+K)e(2)

2.2基于阻抗控制的柔顺控制模型

由于康复机器人是在低速状态下工作,并考虑

到康复过程中人体的位置和速度等实际情况,因此

目标阻抗只考虑刚度项和阻尼项,柔顺控制模型如

图2所示

图2柔顺控制模型

在图2中,先由外环力传感器检测到脚与脚踏

板之间的作用力F,补偿掉人机之间的静态平衡力

F,,获得康复过程中产生的力变化量?F.然后通

过调节力反馈回路的刚度系数和阻尼系数产

生位置修正量,并将期望位置,实际位置和

位置修正量输入到内环位置控制器里,使实际的

训练轨迹跟踪期望轨迹,同时使机器人的末端具有

一

定的弹簧特性和阻尼特性.其中Ax为位置偏

差,为电机的输入量,.,为工作空间到关节空

间变换矩阵的逆矩阵.位置修正量满足式

?F

e

(3)

电机的控制输入量为

U=(o——)t,,G(4)

在康复训练中要求人的运动要安全,平稳,舒

适,不用很高的位置精度,所以控制框图中采用位置

内环,阻抗外环的控制器.机器人工作时,应考虑到

以下两种情况:

(1)如果人机之间力变化量?F为零,即有

为零,力外环断开,电机的控制输入量为

U=(XO—)JGfJ(5)

此时,机器人工作在位置伺服状态,主要对偏差位置

进行调节,完成预定的训练轨迹.

(2)如果人机之间力变化量?F不为零,力外环

闭合,存在位置修正量,电机的控制输入量为

,,F

U=(o—一)一G『J(6)

通过调节阻抗参数和,把接触力的变化转换成

相应的位置修正量对期望轨迹进行修正,使得位置

存在一定的偏差,机器人末端表现出一定的柔顺性,

即牺牲了位置精度降低了接触力的变化.此时,对

偏差位置和力都有一定的调节作用.

3实验研究

3.1实验系统的组成

卧式下肢康复机器人半物理仿真实验平台主要

?--——

625.__——

高技术通讯2011年6月第21卷第6期

由机器人系统,dSPACE控制平台以及工控机组成,

原理框图如图3所示.其中机器人系统是由机器人

和人共同组成的,另外还包括驱动电路,力传感器以

及编码器等实物;dSPACE控制平台具有非常强大的

实时数据处理能力和定时功能,同时还能在线调整

控制参数,记录控制信息等功能;工控机主要用于人

机交互以及控制程序的开发,还能利用Matlab/

Simulink控制系统设计工具实现控制器的编程及控

制信息的实时显示和记录.

章驱动电路lll横——一上土器编码器

dSPACElDS11O4IlDs1104IIDS1104l{Ds11O4

硬件平台lD/AllA/DllEneoderl11/O

DS1104标准组件系统

{堡!l

康复机器人控制系统各种控制策略的实现

图3康复机器人半物理仿真实验系统框图

3.2关节控制模型

我们以右腿机构为研究对象,建立相应的控制

模型并进行实验研究.右腿机构有两个自由度,因

此两个电机均采用直流力矩电机驱动,不考虑惯性

系数,简化后的关节控制程序如图4所示.A/D模

块输出的是力传感器检测的脚与脚踏板之间的正压

力?,由于力的方向和运动的方向是耦合的,因此,

将正压力分解为作用在点处沿轴方向的作用

力,以及与脚踏板转动方向相对应的力矩m,计算

公式为

f,=Nsin0I

:舭

图4关节控制程序

由于左右腿机构是关于人体矢状面对称的,并

在训练过程中存在一定的相位差,因此,分析过程相

同,可获得左腿机构的训练参数.

3.3实验研究

实验过程需要反复调节,因此我们选用假人模

型进行第一阶段实验,验证机器人控制系统的性能

以及康复训练效果,实验系统如图5所示.在实验

过程中,假人躺在机器人平台上,脚缚在脚踏板上,

对假人右腿进行训练.为确定适合的训练参数,首

先选择给定主运动控制信号.,脚踏板的信号00

保持不变情况下,观察第一组参数k,b对康复训

练的影响;然后主运动信号不变,给定脚踏板控

制信号0.的情况下,观察第二组参数k2,b2对康复

训练的影响.

(7)图5康复机器人实验系统

o,为滑块的期望位置和实际位置;00,0为脚踏

板的期望转角和实际转角;l,b.,k2,b2分别为阻

抗控制器1和2的阻尼系数以及刚度系数;,为

阻抗控制器产生的位置修正量;,m是在速度极

慢的情况下由测得的正压力计算得到,可认为是不

同位置时的静态平衡力(矩);3f,Am则是训练过

程中力(矩)的变化;L是脚踏板上力的作用点平行

于脚踏板到转轴的距离.这种模型的内环位置控制

器采用PID控制,外环采用阻抗控制器,机器人的末

端具有一定的弹簧和阻尼特性.

?-——

626---——

(1)选取右髋关节为坐标原点,水平向右为轴

方向;脚踏板水平时0为零度,顺时针为负,逆时针

为正.给定第一组控制信号如图6所示.同时,取

b】=0.2并保持不变,k分别取2,5,10时,机器人

末端的位置误差曲线以及力变化曲线如图7所示.

取k】=10并保持不变,而b】分别取0.2,0.5,0.8

时,机器人末端的位置误差曲线以及力变化曲线如

图8所示

孙洪颖等:卧式下肢康复机器人主动柔顺控制实验研究

一60o

堪p50o

粗

40o

O51O

时间(s)

60

50

4o

球30

O51(

时间(s)

图6给定的第一组控制信号

600

500

坦

咖

4OO

O51015

时间fs)

,

g

越三

艇

蹬

图9给定的第二组控制信号

喜.0510

i主-

菱.0

留510蓁兰

羹薹圆羹团羹薹圜翼翼霎

菱.自薹.蔺薹.萋三o

.

5loo

,

l0o

,

l0时间(s)~fHJ(s)~fBq(s)

时r~q(s)时f~q(s)时间(s).,

羹.

羹.

瓤羹2囊0

圆510150

囚51015

051005lO0510

时间(s)时间(s)时间(s)

图8J=lO时位置误差与力变化曲线

由图7看出,随着的增加,位置误差减小,而

接触力的变化增大,这说明人机之间接触的刚度增

大,反映出弹簧的特性.由图8看出,随着b.的增

加,位置误差增大,而接触力的变化减小,这说明在

驱动力不变的情况下,机器人偏离期望轨迹的误差

增大,要想移动相同的距离,系统消耗的能量增加,

导致接触力的变化减小,这反映出阻尼特性.

(2)给定第二组控制信号如图9所示.同时,取

6,:0.2并保持不变,分别取I,2,5时,机器人末

端的位置误差曲线以及力矩变化曲线如图l0所示.

取:5并保持不变,而62分别取0.2,0.5,0.8时,

时问(s)时问(s)时闾(s)

图112:5时转角误差与力矩变化曲线

机器人末端的位置误差曲线以及力矩变化曲线如

图ll所示.

由图l0看出,随着2的增加,位置误差减小,

而力矩有较小的增大趋势,这表现出了弹簧特性.

由图11看出,随着6,的增加,位置误差增大,力矩

有减小的趋势,这也表现出了阻尼特性.但是两种

情况下的力矩变化不明显,主要原因是:(a)在训练

过程中脚踏板受到的转矩变化较小;(b)传感器测量

过程中力的作用点会发生变化,因此,对力矩的处理

存在一定的误差.

由于下肢运动功能障碍患者大多伴有肌肉萎

缩,关节僵硬以及挛缩等异常运动模式的发生,人机

---——

627.---——

高技术通讯2011年6月第21卷第6期

之间的作用力变化较大时,容易导致二次损伤.采

用主动柔顺控制方法后,在保证训练安全性的基础

上,满足了机器人能顺应于人的柔顺性需求,并且在

康复的不同阶段,可根据患肢病情的不同,选择相应

的阻抗系数满足临床需求.例如,在软瘫期进行训

练时,下肢肌肉对力比较敏感,根据实验结果,应选

择较小的k和较大的b,才会使人感觉舒适.而在

康复后期,应选择较大的k和较小的b比较合适,因

为人机之间的作用力变化较大时,人体患肢各关节

在训练过程中的力学特性也会发生较大变化,通过

调整训练强度,进而达到训练关节的目的.

4结论

本文采用基于力反馈阻抗控制原理设计了卧式

下肢康复机器人的控制器,建立了系统的柔顺控制

模型,并在dSPACE平台上进行了实验研究.实验

过程中,通过调节力反馈回路中的阻抗系数k和b,

牺牲一定的位置精度Ax和A0,降低了力和力矩的

改变量厂,Am,使脚与脚踏板之间的正压力?的

变化范围减小,保证了康复过程中人体的安全性和

舒适性.通过调节控制器参数,还可以间接地控制

人机之间的作用力在某一个范围内变化,使训练过

程中髋,膝,踝关节力学特性发生变化,进而达到训

练关节的目的.此外,该控制器在康复训练的不同

阶段,通过调节阻抗参数可满足患肢临床需求.因

此,这种控制方法在下肢康复方面具有一定的实际

意义

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ahorizontallowerlimbsrehabilitati0nrobot

SunHongying,ZhangLixun,LiChangsheng

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HarbinEngineeringUni

versity,Harbin150001)

Abstract

Toensuretrainingsafetyandcomfortofthepatientswithdysfimetioninlowerlimbs,animpedancecontrollerwas

designedbasedonforcefeedbackforarehabilitationrobot.Thecontrollercanmaketherobothaveacertaindegreeof

flexibilitybyadjustingtherelationshipbetweentheendactuatorpositionandforce.econtrolmodelofthesystemwas

established,andtheexperimentalresearchonitwasdonebasedonthedSPACEplatform.Theresultsshowedthatdiffer.

entstiffnessanddampingcharacteristicsoftherobotcouldbeobtainedbyadjustingimpedanceparametersofthecon—

troller.Andtheeffectofparametersonrehabilitationtrainingwasalsoanalyzed.Theimpedanceparmnetersofthecon.

trollercanbeadjustedatdifferentstagesoftheaffectedlimb’recovery.sothattherehabilitationprocesscannotonly

meetclinicalneedsbutalsohasthesubmissivenature.

Keywords:horizontallowerlimbsrehabilitativerobot,activecompliancecontrol,impedancecontrol,experimental

research

---——

628?-?——

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