六自由度辅助型康复机器人手臂的研究与设计

1、112福建电脑2010年第2期六自由度辅助型康复机器人手臂的研究与设计朱明（上海医疗器械高等专科学校上海200093）【摘要】：本文介绍了以PIC 单片机为核心控制器的六自由度辅助型康复机器人手臂，该手臂关节采用模块化设计，控制系统主要由PIC 智能控制模块和电机驱动模块组成，通过试运行，状况良好。本文最后探讨了该机器人手臂的未来发展趋势。【关键词】：PIC ；六自由度；康复机器人手臂1、引言目前，很多国家已开始进入老龄化社会，据世界卫生组织统计，再过5O 年，全世界6O 岁以上的老龄人口将翻一番；另外，疾病、灾难等也造成了大量的残疾人，他们需要大量的看护服务。康复机器人不但可以照料他们的日常

2、生活，还能帮他们找回自立、自尊的感觉，重新融人社会。因而，对康复机器人的研究得到越来越多的关注。康复机器人可细分为辅助型和治疗型两种。辅助型康复机器人主要用来帮助老年人和残疾人更好地适应日常的工作和生活，部分补偿了他们弱化的机体功能。康复机器人的发展借鉴了工业机器人的技术和经验，又在人机接口、智能化和控制能力等方面开展了深入的研究，使它们更适合老年人和残疾人使用。本文采用模块化控制方式对辅助型康复机器人的关键技术之一-机器人手臂技术进行了研究与设计。2、康复机器人手臂的设计原则机器人手臂的机构和控制系统是紧密相关的，其设计的优劣直接影响着控制系统及软硬件的复杂度，因此设计时必须考虑控制系统和电

3、气系统等功能要求，采用并行设计的方法。机器人手臂尽量与人类相似。运用模块化设计思想，对其结构进行模块化设计，设计中尽量把每个关节设计成一个独立模块，这样既可以降低研发费用，提高产品的适应性，也便于安装、调试和维护，同时还提高了产品的互换性。3、康复机器人手臂的总体分析手臂的结构设计主要考虑三个方面的问题:运动速度；驱动力矩；手臂的重量。通过减速装置，利用其齿轮的速度转换器，将电机的回转数减速到所需要的回转数，并得到较大的转矩。为了使手臂结构更加紧凑，设计采取了如下措施：a 、电气元件的安装尽量利用手臂内部空间，在轴系统设计上采用电机、减速机构、轴和传感器一体化设计。b 、根据负载的要求，小负载

4、关节采用内置齿轮减速器和控制器的舵机。c 、在保证结构强度，安全的前提下，尽量减轻手臂的重量。4、电机的选择本设计中，除了腕部自由度外的所有自由度电机都选用无刷直流电机，同时配备一个无刷电机控制器。因为无刷直流电机产生的力矩较大，相对于有刷直流电机而言，可以避免转子电刷高速运转时的摩擦，使电机的使用寿命大大延长，而且无刷直流电机正常运转时，其转子产生的三相霍尔信号可以用来检测电机运行的位置和速度，而不必使用光电码盘对电机进行定位控制，可以节约成本。腕部小负载关节采用内置齿轮减速器和控制器的FUTABA 舵机。5、康复机器人手臂的设计5.1自由度的设定基于最简单设计原则，在保证机器人手臂能完成所

5、规划的动作的前提下，手臂的关节数量尽量减少到最少程度，我们所设计的整个机器人手臂都由旋转关节连接而成，每个旋转关节有1个自由度，故整个手臂一共有6个自由度。图1为机器人手臂机构示意图, 图中肩关节3个自由度, 肘关节1个自由度，腕关节2个自由度，这样两条手臂共12个自由度。图1机器人手臂结构示意图按照六自由度机器人手臂功能要求，确定电机及其参数，如表1所示。表1所选电机及参数直流无刷电机1、2、3驱动右臂肩关节的3个自由度，是右臂肩关节的动力源，直流无刷电机4是右臂肘关节的动力源, 而为了减少手部的重量，右臂腕关节的2个自由度则由2个伺服电机(舵机1和舵机2 驱动。5.2控制系统模型的建立结合

6、六自由度康复机械手臂的运动特点, 其控制系统设计如图2所示, 整个控制过程可分为以下3步。(1通过6路肌电信号(EMG传感器采集上肢的肌肉电信号。(2对输入到单片机的肌电信号进行处理。肌电信号的处理可分为两部分:肌电信号分离、提取。一方面,EMG 传感器采集的肌电信息不能完全反映某一动作的运动指令, 需要对其进行分离, 提取指定的运动信息；另一方面, 人体感受到的外电场干扰很大(达V 级 , 对多自由度康复机构影响严重, 因而还需要采取一些软件和硬件的措施控制和消除干扰信号对肌电信号运动信息的影响。信号分析的手段可借助短时FFT 及小波变换等方法。肌电信号转化为控制命令。分离、提取后的肌电信号

7、包含了上肢各个关节的运动信息, 因而可以转化为康复机械手臂的运动控制命令。将这些运动信息和反馈的差值信号(理想输出与实际输出的差值 作为控制模型的输入指令。(3控制命令输出。对处理后的信号进行适当放大以驱动后继的执行机构。本研究中单片机输出6路控制信号经功率放大器放大, 以驱动电机实现六个自由度的动作。由此, 可以建立六自由度康复机械人手臂完整的控制系统模型图 。（下转第133页）2010年第2期SET DEFAULT TO "C:ProgramFilesNacuesC"xztp=GETDIR(福建电脑133根据对下载图片存放路径的分析，图片均存储在系统安装目录下，因此设置

8、默认路径可以减少操作麻烦度。" 选择目标" 按钮实现选择提取图片的目标路径，代码与" 选择原图" 按钮代码相似。" 检测图片" 按钮实现依据数据源表记录检测图片信息的存储情况，主要代码：qsnum=qsnum+1&&未提取图片计数器ENDIFENDCASE SKIP ENDDODO while not EOF(DO caseIF not ILE(ytsource+"KSZP"+ALLTRIM(KSH+".JPG"qsnum=qsnum+1xxqq=.f.ENDIF为了保证图片原样

9、提取到目标文件夹中，采用在目标文件夹中新建BMB 、KSZP 、TJB 、FJB 四个文件夹的方式，若原目录存在此四个文件夹，删除后重新创建。提取图片的数据处理流程如下：ENDCASEgjnum=gjnum+1SKIP ENDDO程序中需加入对当前环境中是否有表打开的判断，避免因未打开表导致系统错误。" 提取图片" 主要实现提取图片到目标文件夹，主要代码：5. 生成可执行文件在项目管理器中，建立main.prg 程序，输入代码：DO form 图片处理，READ EVENTS 。将其设置为项目主文件，单击" 连编" 按钮，选择对话框" 连编选项

10、" 中的"Win32可执行程序/COM服务程序（exe ）（W ）" 选项，点击" 确定" 按钮生成该系统的可执行文件。6. 结束语本文主要讨论了基于VFP 8.0的普通高招招生图片提取系统的设计实现过程，该系统实现依据的原理是：通过数据表的某一字段提取以对应字段值命名的图片信息，依此原理可以根据用户的不同需要更新程序。参考文献：1晏争农. Visual FoxPro 应用基础及程序设计M.北京:电子工业出版社, 2006.2张跃平.Visual FoxPro 课程设计M.北京:清华大学出版社,2004.3匡松.Visua1FoxPro 面向对

11、象程序设计实用教程M.成都:西南交通大学出版社 ,2004.定，从而提高了系统运行的稳定性。6、发展趋势随着康复机器人技术的研究和发展，像这样简单便携的康复产品必然会真正走入残疾人和老年人的生活，为他们提供丰富的帮助，改善他们的生活质量。参考文献: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吕广明, 孙立宁. 康复机器人技术发展现状及关键技术分析J.哈尔滨工业大学学报, 2004, 36(9 :1224-1227.5曹承志1微型计算机控制新技术M1北京:机械

13、工业出版社 ,20011SET DEFAULT TO &mbsource&&mbsource 为目标文件路径IF DIRECTORY("KSZP"loFSO =CREATEOBJECT("Scripting.FileSystemObject"loFSO.DeleteFolder("KSZP"ENDIFMKDIR KSZPgml=SYS(5+SYS(2003&&获得系统运行目录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&&成功提取图片计数器ELSEto mbsource +"图2康复机器人手臂的控制系统5.3控制系统设计为了使控制简单有效，本文