人体手臂助力系统控制策略研究

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1、人休手臂助力系统控制策略研究人体手臂助力系统按照应用的场合以及运动模式的不同分为2旳主动性助力相应每种系统控制系统、被动性助力系统、阻抗性助力系统和追踪性助力系统。策略也有所不同，如图3.1所示。图3」助力系统分类及相应的控制策略Fig3」Powersteeringsystemsortandcorrespondingcontrollogic由于外骨骼主要的科研方向是被动性助力系统和追踪性助力系统【2】(普遍针对军事和康复医疗领域进行助力研究)，故本论文也将重点探讨典型的手臂外骨骼两大控制策略的设计和如何在软、硬件上实现。为了较方便的实现手臂动作功能要求和验

2、证控制策略的可行性，本论文选择了具有代表性的前臂为助力控制对彖,所研究的前臂典型运动状态如图3.2所示。a：-ii(a)前臂与大臂成30°左右(a)Forearmandabigarmaroundabout30dcgrec

3、臂运动状态组图Fig3.2Typicalantcbrachiummovementstate3.1主动性助力系统控制策略主动性助力系统〔约主要应用在对手臂运动规律研究的数据标定上，它的工作原理为外骨骼跟随手脣运动，外骨骼作为被动件，将动作信息传递给安装在外骨骼系统中的传感器，传感器再将信息传递给微机，微机再进行数据采集和处理,生成最终需要的数据信息。主动性助力系统的工作流程如下图3.3所示:图3.3主动性助力系统工作流程Fig3.3Go-aheadismpowersteeringsystemworkingflow由工作流程图可以看出，该系统下的控制策略为无动

4、作性，即不提供控制动作要求，仅有传感器进行数据的采集和传送。主动性一词的来历主要是根据人体手臂的主动运动带动了外骨骼的运动这一主从运动模式关系而来。3.2被动性助力系统控制策略3.2.1一般被动性助力系统控制策略被动性助力系统㈢"］主要是应用在按照既定运动规律带动手臂运动的场合。最典型的应用领域就是康复医疗，针对的是一类手臂行动受损或偏瘫的人群恢复肌肉和神经的通信能力。一股该系统工作原理为：以运动速度为控制对象，同时限定机械臂驱动电机的最大输岀力矩。训练中，患者患肢处在放松状态，机械臂带动患肢严格按照目标轨迹以恒定速度运动。当患肢肌张力过大。为了保持设定的

5、运动速度，电机输出力矩要超过限定的最大值时，允许机械臂停止运动，避免拉伤患肢，保证患肢的安全。典型的系统结构见图3・4〔25,该机器人具有5个自由度：肩部外展/内收、肩部屈/伸.肘部屈/伸.腕部旋内/旋外和腕部屈/伸。该机器人不仅带动了受损手臂的运动，更与众不同的是它的运动控制策略来自传感器检测到的完好手臂（假设右手臂完好）的运动信息，生成与完好手臂相同的运动规律，驱动受损手臂（假设左手臂受损）以相同于完好手骨的规律运动。图3・4上肢康复机器人的典型结构Fig3.4Upperlimbrehabilitantrobottypicalstructure一般被动

6、性助力系统的工作流程如图3.5所示：图3.5—般被动性助力系统工作流程Fig3.5Commonpassivitypowersteeringsystemworkingflow该系统的控制策略即可由系统的工作流程图表示。虽然被动性助力系统控制策略在康复医疗领域已经得到一定的尝试性应用【”却，但是，直到今天，也没有文献和资料显示将整个被动性控制策略加以深入细致的研究，本论文选题立意灵感之一来自于汽车助力转向理论，接下来本论文将介绍如何与汽车助力转向理论加以横向比较，将汽车助力转向控制策略提炼并升华为完整的人体被动性助力系统控制策3.2.2汽车助力转向系统控制策略

7、图3.6汽车助力转向工作流程示意图Fig3.6Automobilepowersteeringworkingflowsketchmap如图3.6所示，汽车助力转向的工作流程〔均表示出助力转向系统的控制策略主要是当微机通过传感器检测到方向盘有转动变化（扭矩传感器检测）后，读车速信号，根据这两个信号值确定电机所要实现的助力力矩，并根据已设定的助力特性曲线函数，计算出执行电机所需要的驱动目标电流，并通过PWM调压技术实现电机所需的驱动电流，在一定时期内为了让车轮转过一定角度，电机要通过PID技术维持输出目标力矩，执行完转动需要的角度后，将再次开始监测转向盘的转动变

8、化，开始新一轮的助力转向控制。这里讲到的汽车助力转向系统默认为是电