郭志陽(yáng)，陳學(xué)英

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 610054)

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STM32的醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)

郭志陽(yáng)，陳學(xué)英

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 610054)

摘要:醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人是近年出現(xiàn)的一種新型機(jī)器人,主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)訓(xùn)練。為此提出通過(guò)STM32微控制器控制無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)控制機(jī)器手臂的運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)Simulink建立PID模型，運(yùn)用XPCTarget和控制板進(jìn)行通信，以此得到電機(jī)在調(diào)速過(guò)程中合適的PID參數(shù)，使機(jī)器手臂在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中更加平滑。實(shí)際的臨床試驗(yàn)操作證明，該系統(tǒng)能夠較好地完成手臂的醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞:醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人手臂；STM32；PID；Simulink；IR2130

引言

隨著我國(guó)逐漸步入老年社會(huì)，對(duì)各類康復(fù)設(shè)備的需求日益增大，對(duì)性價(jià)比高的醫(yī)療康復(fù)設(shè)備控制系統(tǒng)的需求尤為迫切。基于DSP芯片的成本相對(duì)較高、設(shè)計(jì)復(fù)雜、研發(fā)周期長(zhǎng)，芯片的尺寸會(huì)導(dǎo)致印刷電路板的體積變大。

本文基于STM32微控制器設(shè)計(jì)的醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)，具有杰出的功耗控制和電機(jī)控制的高級(jí)定時(shí)器，能產(chǎn)生3對(duì)可配置并互補(bǔ)輸出的PWM信號(hào)。通過(guò)在Simulink上建立雙閉環(huán)PID算法模型，得到合適的PID參數(shù)來(lái)改變PWM波的占空比，進(jìn)而精確地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，保證了機(jī)器人手臂運(yùn)行軌跡平滑，運(yùn)行速度穩(wěn)定。由于無(wú)刷直流電機(jī)[1]具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，其機(jī)器手臂尺寸能夠更加符合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)理念[4]。

1總體方案設(shè)計(jì)

醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人手臂可以模擬日常生活中手臂的一些動(dòng)作，通過(guò)創(chuàng)造虛擬工作環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)手臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、肌肉的鍛煉，以及神經(jīng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練。以STM32微控制器為控制核心，機(jī)器手臂控制總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1　機(jī)器手臂控制總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)運(yùn)用IR2130柵極驅(qū)動(dòng)芯片，對(duì)STM32輸出的6路PWM信號(hào)進(jìn)行特殊處理，滿足H橋中IRF3808高功率MOS管工作的需求。

STM32微控制器通過(guò)不斷地檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)中霍爾信號(hào)來(lái)改變換相時(shí)序，以此來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)在堵轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大電流，通過(guò)ADC對(duì)其電流值進(jìn)行采樣，當(dāng)其值超過(guò)閥值的時(shí)候可以停止電機(jī)工作，此時(shí)IR2130會(huì)自動(dòng)進(jìn)入自我保護(hù)狀態(tài)，關(guān)斷輸出信號(hào)，保證手臂運(yùn)行的安全。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1柵極驅(qū)動(dòng)

柵極驅(qū)動(dòng)芯片采用的是美國(guó)國(guó)際整流器公司的IR2130芯片，它具有高電壓、高速度，并有3個(gè)獨(dú)立的高、低側(cè)功率MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出通道。其輸入和輸出信號(hào)時(shí)序如圖2所示。其具有過(guò)電流保護(hù)、欠壓鎖定功能，并能及時(shí)關(guān)斷6路輸出。在出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，逆變電路處于關(guān)斷狀態(tài)，這樣可以保護(hù)電機(jī)不被燒壞，且具有自我保護(hù)功能。

圖2　IR2130輸入輸出時(shí)序圖

6路輸出信號(hào)中的3路具有電平轉(zhuǎn)換功能，因而它既能驅(qū)動(dòng)橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又能驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率元件。如圖3所示，將STM32輸出驅(qū)動(dòng)H橋的3對(duì)互補(bǔ)PWM信號(hào)提高至能夠驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)電壓電平。

圖3　IR2130輸出的六路波形圖

1片IR2130可取代3片IR2110，且僅需要一個(gè)輸入級(jí)電源，就能夠自動(dòng)產(chǎn)生成上、下側(cè)驅(qū)動(dòng)所必需的死區(qū)，時(shí)間為2.5 μs，并得到更好的控制性能。

2.2H橋功率電路

高功率場(chǎng)效應(yīng)管可以輸出高電壓。逆變電路主要由6個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF3808組成，如圖4所示。每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管都并聯(lián)了反接的快速恢復(fù)二極管，具有保護(hù)和續(xù)流的作用。對(duì)于24 V電壓的電機(jī)，場(chǎng)效應(yīng)管的VDS至少需要40 V電壓，而漏極電流必須足夠高，以應(yīng)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)電流。由于軟件中實(shí)現(xiàn)的軟加速機(jī)制(小幅提升至所需速度),啟動(dòng)電流可以進(jìn)一步降低。

圖4　H橋電路圖

2.3電流檢測(cè)電路

圖5　電流檢測(cè)電路圖

運(yùn)用一個(gè)0.01 Ω的電流檢測(cè)電阻或者是一段蛇形地線，經(jīng)過(guò)電機(jī)和MOSFET的電流全都從它那里經(jīng)過(guò)并流向地。如圖5所示，經(jīng)過(guò)電機(jī)的總電流經(jīng)過(guò)這個(gè)小阻值的電阻而流向地,這個(gè)電流檢測(cè)電阻的阻值很小，但如果電流夠大的時(shí)候，會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)小的電壓，經(jīng)過(guò)RC形成的一階低通濾波電路可以濾去一些偶爾產(chǎn)生的瞬時(shí)高頻分量。其截止頻率可以由RC的具體值算出。最后可以把其接入STM32的ADC通道進(jìn)行電流采集。

2.4電機(jī)轉(zhuǎn)矩

對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，機(jī)器人手臂在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是處于負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，所以要有足夠的轉(zhuǎn)矩以保證手臂運(yùn)行正常。跟速度控制一樣，轉(zhuǎn)矩[6]也由通過(guò)定子線圈的電流大小決定。最大轉(zhuǎn)矩、定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的角度，應(yīng)保持在90°。梯形換相如圖6所示，控制分辨率為60°，定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間的角度在-30°～+30°的范圍內(nèi)，這會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖6　直流無(wú)刷電機(jī)梯形換相波形圖

電流檢測(cè)過(guò)程中的RC低通濾波器可以濾除流入電機(jī)的高頻瞬時(shí)脈沖，并改善電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性。在改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向的時(shí)候，為了得到比較大的轉(zhuǎn)矩選擇直接改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向，不會(huì)選用運(yùn)行-停止-反向運(yùn)行的方式來(lái)進(jìn)行機(jī)器人手臂方向的改變。這樣可防止機(jī)器人手臂在轉(zhuǎn)向時(shí)候出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，也防止了再次啟動(dòng)的時(shí)候啟動(dòng)電流過(guò)大，容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，對(duì)硬件電路和電機(jī)都會(huì)造成損害。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1μC/OS-II操作系統(tǒng)

為了讓軟件架構(gòu)更加穩(wěn)定清晰，運(yùn)用一個(gè)可固化、可裁剪的、占先式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II。它是基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，并在這個(gè)內(nèi)核之上提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、中斷管理等。

在μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)上，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)中霍爾信號(hào)的捕捉中斷、上位機(jī)通信中斷、ADC采集中斷、PID速度調(diào)節(jié)中斷的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分配，并且通過(guò)創(chuàng)建醫(yī)療康復(fù)手臂運(yùn)轉(zhuǎn)方向、啟動(dòng)、停止、上位機(jī)通信、PID調(diào)節(jié)等任務(wù)使軟件運(yùn)行上更加模塊化。任務(wù)與任務(wù)之間通過(guò)郵箱、消息隊(duì)列等傳遞信息，并且可以相互掛起和啟動(dòng)相應(yīng)任務(wù)，使任務(wù)之間能夠協(xié)調(diào)的工作、軟件架構(gòu)更清晰。

3.2電機(jī)速度測(cè)量和六步換相

無(wú)刷直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可通過(guò)測(cè)量霍爾傳感器信號(hào)得到。在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)120°分布在電機(jī)中的3個(gè)霍爾傳感器可以得到如圖7所示的3路周期信號(hào)。

圖7　3路霍爾信號(hào)波形圖

電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，每個(gè)霍爾傳感器產(chǎn)生2個(gè)周期的方波信號(hào)，且其周期與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比。其結(jié)構(gòu)比在外圍添加編碼器更加方便靈活。

STM32微控制器的定時(shí)器具有檢測(cè)霍爾信號(hào)的端口，通過(guò)定時(shí)器對(duì)檢測(cè)到的3路霍爾信號(hào)進(jìn)行異或處理，當(dāng)其能捕捉到上升沿時(shí)觸發(fā)一次中斷請(qǐng)求，在中斷中記錄產(chǎn)生此次中斷需要的時(shí)間，并進(jìn)行定時(shí)器清零。控制流程操作如圖8所示，通過(guò)幾次中斷時(shí)間求取平均值，把得到的時(shí)間平均值轉(zhuǎn)化成電機(jī)運(yùn)行的速度值。通過(guò)檢測(cè)到的3個(gè)霍爾傳感器的高低電平值來(lái)進(jìn)行電機(jī)6步換相時(shí)序，能夠使無(wú)刷直流電機(jī)按時(shí)序要求進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖8　速度檢測(cè)流程圖

3.3電機(jī)PID算法

由于人體手臂和機(jī)器手臂結(jié)構(gòu)都有重量，在電機(jī)運(yùn)行的時(shí)候?qū)⑹艿狡溆绊?，?dǎo)致電機(jī)運(yùn)行速度不斷變化，不利于機(jī)器手臂的穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要把測(cè)量到的速度值和設(shè)定的速度值進(jìn)行雙閉環(huán)PID[7]運(yùn)算，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度一直保持設(shè)定的速度值。如圖9所示，電機(jī)的PID算法是運(yùn)用改變相電壓脈寬調(diào)制(PWM)波的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)增大或減小占空比，每個(gè)換相步驟會(huì)有部分電流流過(guò)定子線圈，這會(huì)影響定子磁場(chǎng)和磁通密度，從而改變轉(zhuǎn)子和定子的之間的力。

圖9　PID調(diào)速流程圖

通過(guò)得到無(wú)刷直流電機(jī)速度的設(shè)定值(上位機(jī)設(shè)置)和實(shí)際檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速值之間的差值，使其經(jīng)過(guò)速度PID控制環(huán)和電流PID控制環(huán)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)來(lái)改變STM32輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)的PWM波的占空比，機(jī)器手臂能夠平滑和穩(wěn)定地運(yùn)行。

4PID模型設(shè)計(jì)

運(yùn)用MathWorks公司開(kāi)發(fā)的基于RTW體系框架的實(shí)時(shí)目標(biāo)系統(tǒng)XPC_Target建模，其提供了一種低廉成本、性能較高的可便捷實(shí)時(shí)應(yīng)用的系統(tǒng)。采用宿主機(jī)+目標(biāo)機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，即“雙機(jī)”模式。宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)可以是不同類型的計(jì)算機(jī)，兩者之間通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。其實(shí)現(xiàn)模型如圖10所示。

圖10　宿主機(jī)+目標(biāo)機(jī)模型

根據(jù)工作原理，其實(shí)現(xiàn)分為如下步驟：

(1) 用U盤創(chuàng)建DOS目標(biāo)啟動(dòng)盤

啟動(dòng)盤有FDD、HDD和ZIP三種模式，在制作的過(guò)程中根據(jù)目標(biāo)機(jī)支持的模式選擇。通過(guò)選用XPC_Target的嵌入式選項(xiàng)來(lái)制作目標(biāo)啟動(dòng)盤。通過(guò)U盤來(lái)調(diào)用和啟動(dòng)XPC_Target的實(shí)時(shí)內(nèi)核，可以使每次系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)運(yùn)行目標(biāo)應(yīng)用程序。

(2) Simulink模型建立

在宿主機(jī)的Simulink上通過(guò)添加各個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊建立電機(jī)調(diào)速過(guò)程中電流環(huán)、速度環(huán)的PID模型和下位機(jī)的串口通信模塊，然后用RTW代碼生成器和C編譯器來(lái)生成可執(zhí)行代碼，在目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行。

(3) 信號(hào)采集過(guò)程

通過(guò)XPC_Target實(shí)時(shí)內(nèi)核將目標(biāo)應(yīng)用程序的信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在目標(biāo)機(jī)的RAM中，并且在目標(biāo)機(jī)的顯示界面上對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視、記錄、跟蹤，并且繪制出圖像。當(dāng)下位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送速度測(cè)量值給目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的通過(guò)Simulink中建立的PID模型生成的可執(zhí)行代碼時(shí)，通過(guò)可執(zhí)行代碼程序進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，把其調(diào)節(jié)后的數(shù)據(jù)通過(guò)目標(biāo)機(jī)發(fā)送給下位機(jī)，從而改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)的PWM波占空比。當(dāng)其速度測(cè)量值能夠穩(wěn)定到速度設(shè)定值的時(shí)候，

Simulink中設(shè)置的PID參數(shù)就是所需要的速度調(diào)節(jié)的PID參數(shù)值。否則，需要改變Simulink中建立的PID參數(shù)模型。

結(jié)語(yǔ)

參考文獻(xiàn)

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郭志陽(yáng)(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)和SoC設(shè)計(jì)；陳學(xué)英(高級(jí)工程師)，主要研究方向?yàn)榧呻娐分行盘?hào)完整性分析和嵌入式系統(tǒng)。

(責(zé)任編輯：楊迪娜收修改稿日期：2015-06-15)

ARM與微軟Azure結(jié)盟

ARM宣布mbed Enabled Freescale FRDM-K64F開(kāi)發(fā)板通過(guò)微軟認(rèn)證，有助于開(kāi)發(fā)可安全搜集和傳輸資料至微軟Azure公有云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)產(chǎn)品。這是率先通過(guò)Microsoft Azure物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證(Microsoft Azure Certified for IoT)測(cè)試和驗(yàn)證的ARM mbed開(kāi)發(fā)板，將支持微軟Azure 物聯(lián)網(wǎng)套件(Microsoft Azure IoT Suite)。Microsoft Azure是一個(gè)開(kāi)放、靈活和可靠的云平臺(tái)，廣獲財(cái)富五百?gòu)?qiáng)企業(yè)采用。

使用基于ARM Cortex-M4核的FRDM-K64F開(kāi)發(fā)板的開(kāi)發(fā)者即可獲得發(fā)布在Github網(wǎng)站上的Microsoft Azure IoT Suite軟件開(kāi)發(fā)工具包(SDK)。這些庫(kù)(libraries)已通過(guò)開(kāi)發(fā)板測(cè)試，可用于mbed developer website網(wǎng)站上開(kāi)放的mbed應(yīng)用程序，使其與微軟Azure 物聯(lián)網(wǎng)套件直接相連。

Arm Control System of Medical Rehabilitation Robot Based on STM32

Guo Zhiyang,Chen Xueying

(College of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology,Chengdu 610054,China)

Abstract：The medical rehabilitation robot is a new type of robot in recent years,which helps the patients to complete some motor function recovery training.In the paper,the STM32 microcontroller is used to control the brushless DC motor for controlling the operation of the machine arm.The PID model is established by Simulink,XPCTarget and the control panel are used for communication,so the suitable parameters in the speed control process can be gotten.Then the robotic arm can run more smoothly.The clinical trials prove that the system can complete the medical rehabilitation training on the arm.

Key words:medical rehabilitation robot arm;STM32;PID;Simulink;IR2130

中圖分類號(hào):TP332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A