基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计.pdf

上肢康复机器人交互控制系统设计是一个结合机器人学、控制理论以及传感技术的交叉研究领域，其目的是为康复病人提供更为精准和人性化的治疗手段。在传统的上肢康复机器人交互控制系统中，由于奇异位形的影响，常常会导致系统控制精准度较低，因此，基于力阻抗模型的交互控制系统应运而生，它能够显著提高康复机器人的控制精度，为病人提供更为有效的康复治疗方案。 文章提出了传统的上肢康复机器人交互控制系统所面临的问题——奇异位形问题。在机械臂运动中，奇异位形指的是系统在某些特定的位置和姿态下，其运动学或动力学特性发生改变，这会降低控制系统处理信号的准确性。针对这一问题，本研究提出了一种基于力阻抗模型的设计方案，该方案能够有效应对奇异位形问题，提高控制系统的稳定性和精准度。 力阻抗模型是一种适用于复杂交互环境下机器人控制的模型，它通过动态调节机械臂的力与阻抗，使得机器人能够根据外部环境的变化实时调整其运动状态。在这个模型中，机械臂不再是简单的按照预定轨迹运动，而是能够根据施加在机器人上的力或力矩，进行灵活的调整，从而更贴合实际交互中的需求。 文章中提到了几个关键技术点： 1. 力传感器：使用箔式应变片BF350力传感器，这种传感器能精确测量施加在其表面的力，并将力信息转换为电信号，为控制系统的反馈提供数据支持。 2. 电阻应变片桥接电路：为处理从力传感器来的信号，需要设计特定的电路将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，以便于单片机处理。桥接电路是实现信号转换的关键部分。 3. 控制策略：基于力阻抗模型的控制策略，通过调节位置、速度和关节，实现在不同环境和不同患者条件下的有效交互。这一点涉及到控制算法的设计和优化。 4. 机械臂设计：文章提到了机械臂肘部和腕部的设计，肘部结构通过椎齿轮改变驱动力的方向，而腕部结构则设计得能够满足病人站立和坐着训练的需求。通过同步带传动，器件被巧妙隐藏于空手柄之中，既保持了机械臂的紧凑性，又保证了治疗的安全性。 5. 交互控制系统结构：研究中设计的交互控制系统结构，确保了单片机作为下位机控制核心模块的有效工作。双串口12CSA60S2系列单片机是系统控制核心，它负责处理传感器数据，并据此控制机械臂的运动。 6. 目标阻抗模型构建与控制策略实施：构建了目标阻抗模型，并设计了相应的控制策略，这包括调节位置、速度和关节的控制算法。对于奇异位形问题，文章提出在奇异位形附近，关节角速度指令直接由各个关节力矩阻尼控制得到，从而实现角速度的精准输出，改善了控制系统性能。 通过实验验证，系统在直线运动位置、旋转关节位置和伸缩关节位置的跟踪结果与标准值基本一致，说明了该设计满足了系统设计的需求，并具有较高的控制精度。 总结来说，基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计是一个集成了现代控制理论、传感技术以及机器人设计知识的前沿技术。该方案的提出和实施，不仅提高了康复机器人的控制精度，而且还为未来康复机器人控制技术的发展提供了新的思路和方向。