基于力反饋的主動式復機器人控制策略研究

張杰

[摘 ? ?要 ]為了提升康復效果，提升患者主觀參與度，以患者康復期主動力反饋作為輸入量，提出了一種以阻抗控制為核心的康復機器人控制策略。該控制策略建立起機器人所受外力與其位置、速度、加速度之間的模型關系，實現(xiàn)了對機器人末端位置的調(diào)節(jié)，使得康復機器人達到了柔順控制的目的。以Matlab Simulink搭建仿真模型，進行仿真實驗，模擬機器人力臂關鍵位置的變化曲線，合理配置阻抗剛度、阻尼、慣量等系數(shù)，達到理想的輸出效果。通過Simulink中示波器的輸出，研究仿真實驗輸出曲線，達到了合理的機器人力臂控制效果。

[關鍵詞]康復機器人;阻抗控制;Simulink仿真

[中圖分類號]TP242 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]In order to improve the rehabilitation effect and the subjective participation of patients， a rehabilitation robot control strategy with impedance control as the core is proposed by taking the main dynamic feedback of the patients as the input during the rehabilitation period. This control strategy establishes the model relationship between the external force received by the robot and its position， speed and acceleration， and realizes the adjustment of the end position of the robot， so that the rehabilitation robot achieves the purpose of compliant control. Use matlab simulink to build a simulation model， conduct simulation experiments， simulate the change curve of the key position of the robot arm， and reasonably configure the impedance stiffness， damping， inertia and other coefficients to achieve the desired output effect. Through the output of the oscilloscope in simulink， the simulation experiment output curve was studied， and a reasonable robot arm control effect was achieved.

[Keywords]rehabilitation robot; impedance control; simulink simulation

1 概述

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展與進步，機器人控制技術在社會各個領域有著廣泛地應用，機器人與人可以通過在生產(chǎn)生活中一同作業(yè)，從而把機器人的高效率發(fā)揮到極致。因此，在現(xiàn)代社會中，機器人具有性價比高和安全方便的優(yōu)點，對工業(yè)的發(fā)展非常有利。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人技術已經(jīng)不斷滲入人類生產(chǎn)工作的各個領域。根據(jù)各個領域的不同應用，人們開發(fā)了不同的具有感知、行動和交互能力的各種智能機器人。對于機器人的控制性能要求也在不斷地提高。

隨著機器人的廣泛應用，機器人在醫(yī)療領域的應用也逐漸推廣。康復機器人逐漸在醫(yī)療康復領域發(fā)揮著越來越關鍵的作用，能夠減輕患者家屬與醫(yī)療人員的負擔，更加安全有效地促進患者的恢復。

然而機器人作為一種復雜結(jié)構的設備，要實現(xiàn)與人的安全、高效協(xié)作任務，除了設計穩(wěn)定可靠的機械結(jié)構外，軟件控制算法逐漸成為決定康復機器人性能高低的關鍵性因素，得到了機器人專家和學者的廣泛研究。其中，有學者提出基于主從式結(jié)構利用齊次坐標建立機器人主從臂在統(tǒng)一固定坐標系下的運動學方程，解決了雙臂干涉問題。也有學者提出了主動鏡像式的康復系統(tǒng)及其控制算法，實現(xiàn)了患肢與健肢做同步鏡像運動的目的。還有的學者提出了自由度并聯(lián)式腿部康復機器人，實現(xiàn)了各個關節(jié)外展和內(nèi)收運動。患者康復后期利用患者接觸力，利用自身力量克服阻力成為新的難點。

基于此，本文為了提升康復效果，提升患者主觀參與度，提出了一種基于阻抗控制與柔順控制方法為核心的康復機器人控制策略。中阻尼器的力與移動速度成正比，彈簧力的大小與位移量成正比，通過牛頓定律，得到系統(tǒng)的方程，建立阻抗控制模型，使用Matlab軟件進行仿真設計，設計出離散阻抗控制器，，通過調(diào)節(jié)相關參數(shù)的變化，獲得理想的位置輸出曲線，達到設計目的。

2 力反饋主動控制方法

2.1 主動柔順控制的提出

文獻《針刺結(jié)合現(xiàn)代康復技術治療腦卒中后偏癱臨床研究》中提到，腦卒中病人在患病后會出現(xiàn)偏癱，因此患者難以靠自身的力量完成某些常規(guī)性動作。在當前的醫(yī)療康復領域中，患者康復后期的恢復成為新的難點，亟須一種用于實現(xiàn)主動式力反饋功能的機器人設備，從而提出了阻抗控制。阻抗控制是實現(xiàn)柔順控制的方法，阻抗控制的實質(zhì)是調(diào)節(jié)機器人位置與末端作用力的關系。機器人的控制系統(tǒng)需要剛性，也需要柔性。將機器人模型理想化為帶有彈簧和阻尼器的二階力學系統(tǒng)，并建立二階微分方程進行分析。

2.2 康復機器人阻抗控制

如圖1所示，Xd為期望目標位置，而實際位置為X。機器人與人體之間的互相作用力隨著相互接觸而產(chǎn)生。該系統(tǒng)中其他參數(shù)分別為目標質(zhì)量M、目標阻尼B、目標剛度K。基于此系統(tǒng)可以實現(xiàn)阻抗控制。系統(tǒng)的方程為：

阻抗控制的核心在于機器人與人體之間實際位置存在偏差，

通過阻抗控制會實現(xiàn)力與位置之間的動態(tài)平衡。由上式可知，接觸力的大小可以通過實際位置與目標位置的偏差求得，同樣的，位置偏差也可以通過接觸力求得，兩者的內(nèi)環(huán)反饋量分別為力和位置。對此進行研究，設計康復機器人的阻抗控制器如圖2所示。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 仿真搭建

根據(jù)控制變量法，通過合理調(diào)節(jié)目標質(zhì)量M、目標阻尼B、目標剛度K，首先在目標質(zhì)量和目標剛度不變的情況下調(diào)節(jié)目標阻尼，然后在目標阻尼和目標剛度不變的情況下調(diào)節(jié)目標質(zhì)量，觀察示波器輸出波形圖，來獲取理想的實際位置輸出曲線。

3.2 仿真結(jié)果與分析

分析3組參數(shù)的改變對機器人位置的改變效果，當檢測人的外力時，通過系數(shù)放大，轉(zhuǎn)變成機器人的位置運動，實現(xiàn)輔助人運動以及在每某一目標點可活動的目的。

在m=1，b=200為前提，在k分別等于6000、12000、24000時分析輸出變化如圖3所示。通過觀察可得，隨著阻抗控制剛度系數(shù)的增加，上升時間開始縮短，并逐漸出現(xiàn)超調(diào)。

對所有仿真結(jié)果進行綜合分析，從宏觀上看，在m=1、k=24000、b=200時，系統(tǒng)上升時間較短，出現(xiàn)小幅度的超調(diào)且最終趨于平穩(wěn)。當m=10時，不論k、b為何值，系統(tǒng)最終無法趨于平衡狀態(tài)，不滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求。

根據(jù)圖3實驗結(jié)果可知，阻抗控制參數(shù)的調(diào)節(jié)都會對控制響應速度產(chǎn)生影響，其中剛度系數(shù)的調(diào)節(jié)影響最為明顯，實際應用過程中，機器人協(xié)助病人進行康復訓練，位置調(diào)節(jié)最為關鍵，通過不同的剛度系數(shù)產(chǎn)生不同的響應效果，從而給予病人不同的感受。醫(yī)生可以根據(jù)病人的康復階段進行系數(shù)調(diào)整，從而達到良好的恢復效果。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)阻抗控制的基本原理對康復機器人進行仿真分析，通過調(diào)節(jié)m、b、k等3個參數(shù)的變化，得到類似于PID控制的仿真模型。基于仿真模型的輸出曲線的分析，研究參數(shù)對輸出的影響。從上升時間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等方面綜合分析系統(tǒng)的優(yōu)劣，從而找到系統(tǒng)的最優(yōu)解。基于阻抗控制理論設計康復機器人可以更好地提升患者的康復主觀性，更好地促進患者的康復。

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