張林靈，喻洪流，方又方，石 萍，孟巧玲，王金超

(1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093；2.上海理工大學(xué) 康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海 200093；3.上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海 200093；4.民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

上肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張林靈1,2,3,4，喻洪流1,2,3,4，方又方1,2,3,4，石 萍1,2,3,4，孟巧玲1,2,3,4，王金超1,2,3,4

(1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093；2.上海理工大學(xué) 康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海 200093；3.上海康復(fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海 200093；4.民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

針對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人在位置控制過(guò)程中，關(guān)節(jié)電機(jī)軸端編碼器輸出的運(yùn)動(dòng)方向信息存在的誤差，設(shè)計(jì)了一種提高運(yùn)動(dòng)方向信息精確度的運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)該處理系統(tǒng)后，運(yùn)動(dòng)方向信息中的抖動(dòng)被濾除，提高了上肢康復(fù)機(jī)器人位置控制的準(zhǔn)確性。具備準(zhǔn)確位置控制的康復(fù)機(jī)器人保證了康復(fù)過(guò)程的舒適性和安全性。

上肢康復(fù)機(jī)器人；位置控制；運(yùn)動(dòng)方向信息；信息處理

上肢康復(fù)機(jī)器人是科學(xué)技術(shù)與康復(fù)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物[1]，其作用是取代康復(fù)醫(yī)師，引導(dǎo)患者進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練[2]。上肢康復(fù)機(jī)器人不僅將康復(fù)醫(yī)師從繁重的康復(fù)訓(xùn)練中解放出來(lái)，而且為患者提供了專業(yè)統(tǒng)一的上肢康復(fù)訓(xùn)練[3]。上肢康復(fù)訓(xùn)練按照患者的損傷程度分為被動(dòng)訓(xùn)練、助力訓(xùn)練和抗阻訓(xùn)練[4-5]。雖然分為3種訓(xùn)練模式，但每種模式都涉及到相關(guān)關(guān)節(jié)的位置控制,所以位置控制非常重要。在位置控制中，必須通過(guò)傳感器采集實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向信息，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。常用傳感器有角度傳感器、位移傳感器、編碼器等[6-7]。編碼器是在運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)軸端常用的傳感器，但在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)3自由度中央驅(qū)動(dòng)式上肢康復(fù)機(jī)器人過(guò)程中發(fā)現(xiàn)編碼器輸出的運(yùn)動(dòng)方向信息存在誤差。故本文設(shè)計(jì)了一種具有辯向功能的運(yùn)動(dòng)方向處理采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提高采集運(yùn)動(dòng)方向信息的準(zhǔn)確性，從而確?？祻?fù)訓(xùn)練順利進(jìn)行。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 位置控制系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)基于一個(gè)3自由度的中央驅(qū)動(dòng)式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人[8]。該機(jī)器人使用集中安裝在設(shè)備底座的驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置，通過(guò)套筒及齒輪將動(dòng)力傳遞輸出到上肢的肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)處，完成肩關(guān)節(jié)屈伸、肩關(guān)節(jié)收展以及肘關(guān)節(jié)屈伸這3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)[9-10]。上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

位置控制系統(tǒng)采用位置閉環(huán)控制[11]。位置信息采集模塊實(shí)時(shí)采集各個(gè)關(guān)節(jié)的位置信息后送入控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)將測(cè)量值與給定值比較計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的位置調(diào)整量[12]，并將調(diào)整量傳送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的位置閉環(huán)控制。

1.2 位置信息采集

上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人位置控制系統(tǒng)中的位置信息采集模塊，主要包括對(duì)3個(gè)關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角度信息的采集和方向信息的采集。通過(guò)安裝在關(guān)節(jié)電機(jī)軸端的編碼器實(shí)時(shí)輸出關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度信息。結(jié)合編碼器和運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向信息的實(shí)時(shí)采集。位置信息采集流程圖如圖2所示。

圖2 位置信息采集流程圖

運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)包含運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路和軟件去抖算法兩部分。由編碼器輸出的運(yùn)動(dòng)方向信息先送入運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路處理后經(jīng)由軟件去抖算法處理，得到最終的運(yùn)動(dòng)方向信息。

2 硬件設(shè)計(jì)

關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向信息的實(shí)時(shí)采集主要通過(guò)安裝在關(guān)節(jié)電機(jī)軸端的編碼器、運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)兩部分實(shí)現(xiàn)。編碼器通過(guò)減速系統(tǒng)與電機(jī)相連，實(shí)時(shí)輸出關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向信息。通常，編碼器的A相輸出和B相輸出存在90°的相位差。以肩關(guān)節(jié)屈伸為例，當(dāng)控制肩關(guān)節(jié)屈伸的電機(jī)軸端編碼器輸出A相超前B相90°時(shí)，代表控制肩關(guān)節(jié)屈伸的電機(jī)正轉(zhuǎn)，肩關(guān)節(jié)屈曲；當(dāng)輸出A相滯后B相90°時(shí)，代表控制肩關(guān)節(jié)屈伸的電機(jī)反轉(zhuǎn)，肩關(guān)節(jié)伸展[13]。由此可見(jiàn)，判斷關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向的依據(jù)就是電機(jī)軸端編碼器A，B相輸出相位差。

由于編碼器自身的原因，當(dāng)存在干擾脈沖時(shí)，輸出的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向信息存在高頻抖動(dòng)，這使得后續(xù)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)無(wú)法正常進(jìn)行。本文采用微控制單元(MCU)的Timer捕獲中斷來(lái)采集編碼器輸出的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向信息，針對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行捕獲，并且在捕獲的邊沿處判斷關(guān)節(jié)處電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。在編碼器的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)進(jìn)入MCU之前，需要去除脈沖中的抖動(dòng)。為保證運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)的準(zhǔn)確性，先將編碼器輸出信號(hào)輸入到運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)的硬件部分。

當(dāng)關(guān)節(jié)電機(jī)沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在正常編碼器輸出的運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)中，同一時(shí)刻，其中一相的兩個(gè)相鄰跳變沿和對(duì)應(yīng)的另外一相的輸出電平必然是相反的。如果此時(shí)編碼器出現(xiàn)了正常的換向，則會(huì)出現(xiàn)一次電平相同的情況，但僅會(huì)出現(xiàn)一次換向完成后脈沖變?yōu)檎顟B(tài)。而一旦干擾脈沖出現(xiàn)，則會(huì)在其中一相電平保持不變期間，另一相出現(xiàn)高頻抖動(dòng)，該頻率比編碼器正常頻率高許多。測(cè)試過(guò)程中編碼器軸的轉(zhuǎn)速為 ，則正常的1000線編碼器輸出脈沖頻率為200×6/0.36≈3.3 kHz，干擾脈沖約為100～200 kHz。根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)出了以下運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路，如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路

圖3中，運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路的基本思路為：利用積分電路和異或門，提取出A相和B相的跳變沿，在該跳變沿處，利用D鎖存器鎖存另外一相的電平[14]，從而去除在一相電平保持期間另外一相的高頻抖動(dòng)，后面再使用一個(gè)D鎖存器來(lái)判定編碼器的旋轉(zhuǎn)方向，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)接入MCU的IO口，該運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路邏輯如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路邏輯關(guān)系

根據(jù)分析，這里假設(shè)高頻抖動(dòng)脈沖出現(xiàn)在A相和B相脈沖中的情況，如圖4所示。積分電路的特性是使得方波的邊沿變緩，利用變緩邊沿與原始信號(hào)異或獲得方波的邊沿脈沖信號(hào)，并作為第一級(jí)D鎖存器的時(shí)鐘，故在A相的上升沿和下降沿均有一次B相電平的輸出。據(jù)此原理，畫(huà)出A相或B相在跳變沿處另外一相電平，如圖中第3和第4行波形所示。從圖中可以看出,高頻的抖動(dòng)脈沖沒(méi)有出現(xiàn)在D鎖存器的輸出脈沖中，從而達(dá)到了消除抖動(dòng)的目的。將這兩路去抖之后的脈沖再使用D鎖存器則可以獲得編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。

前文分析了旋轉(zhuǎn)方向保持不變的正常輸出脈沖過(guò)程，論證了其中一相的兩個(gè)相鄰跳變沿，另外一相的電平必然是相反的結(jié)論。假如編碼器是正常的變換方向，則會(huì)出現(xiàn)其中一相的兩個(gè)相鄰跳變沿，另一相電平保持一致的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象只會(huì)在變向的邊界出現(xiàn)一次，之后編碼器輸出正常脈沖?，F(xiàn)在假設(shè)關(guān)節(jié)處電機(jī)從正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)，將編碼器輸出脈沖經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路的邏輯關(guān)系分析如圖5所示。

圖5 編碼器變向一次邏輯關(guān)系

從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)第一級(jí)D鎖存器之后的波形在A相超前區(qū)間和A相滯后區(qū)間有明顯的區(qū)別。第二級(jí)判向用的D鎖存器能正確判斷方向的變化，但判斷時(shí)刻滯后了一個(gè)周期。由此可見(jiàn)，上述運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路在提高抗干擾能力的同時(shí)，在方向判斷時(shí)間上有所犧牲，但是編碼器旋轉(zhuǎn)速度越快時(shí)判斷滯后的影響就越小，在可以接受的范圍內(nèi)。當(dāng)抖動(dòng)干擾的頻率較小而接近編碼器正常旋轉(zhuǎn)的頻率時(shí)，則可能會(huì)無(wú)法區(qū)分正常換向還是發(fā)生了抖動(dòng)，本文將使用軟件算法進(jìn)一步減小抖動(dòng)現(xiàn)象對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向信息影響。

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路，在軟件部分將運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路的輸出脈沖信號(hào)接到定時(shí)器捕獲引腳。定時(shí)器設(shè)置在捕獲狀態(tài)，當(dāng)該引腳處捕獲到脈沖信號(hào)，定時(shí)器會(huì)進(jìn)入捕獲中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中讀取方向信號(hào)，并且對(duì)脈沖計(jì)數(shù)值累加或者累減，從而完成對(duì)方向信號(hào)的采集。上文中分析了增量式光電編碼器的抖動(dòng)產(chǎn)生的原因，如果不對(duì)抖動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，則會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，在軟件采集程序中也會(huì)因?yàn)槎秳?dòng)而發(fā)生錯(cuò)誤的動(dòng)作，故在運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路的基礎(chǔ)上，軟件方面也進(jìn)行了相應(yīng)的去抖處理。軟件去抖的基本思路為：在幾個(gè)連續(xù)邊沿處，讀取方向信號(hào)，并判斷當(dāng)前方向和前一次方向是否發(fā)生改變，改變則認(rèn)為抖動(dòng)1次，當(dāng)抖動(dòng)次數(shù)>1時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生了抖動(dòng)，在總計(jì)數(shù)值中將抖動(dòng)值剔除；如果抖動(dòng)次數(shù)=0則是正常的信號(hào)；如果抖動(dòng)次數(shù)=1，則認(rèn)為是編碼器發(fā)生了正常換向，而不是抖動(dòng)信號(hào)，從而達(dá)到去抖的目的，軟件去抖的基本思路如圖6所示。

上文詳細(xì)描述了對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)處電機(jī)軸端編碼器輸出的運(yùn)動(dòng)方向信息去抖的過(guò)程，上述思路中，判斷抖動(dòng)是在9個(gè)連續(xù)邊沿捕獲中斷中進(jìn)行的，該數(shù)值9可以根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果作調(diào)整，設(shè)置太小則可能無(wú)法達(dá)到去抖效果，如果太大則造成方向判斷和角度測(cè)量不及時(shí)，帶來(lái)測(cè)量滯后的不良影響，一般設(shè)置為5～9比較合適。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

光電編碼器作為本文中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向信息采集的傳感器，其測(cè)量準(zhǔn)確性對(duì)控制系統(tǒng)的執(zhí)行效果有著顯著的影響。文中設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)包含運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路以及軟件去抖算法，這兩種方式的目的均是為了提高關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向信息的準(zhǔn)確性。為驗(yàn)證這兩種方式對(duì)抖動(dòng)消除的效果，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。根據(jù)物理常識(shí)可知，無(wú)論編碼器的精度如何，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸每轉(zhuǎn)過(guò)1圈則必定是 ，基于這種思路，將編碼器的Z相作為圈數(shù)計(jì)數(shù)標(biāo)志，每發(fā)生一次Z相中斷表明編碼器轉(zhuǎn)過(guò)一圈，分別在無(wú)信號(hào)干擾、人為加入干擾、缺陷編碼器自身干擾等3種條件下分別測(cè)量10次，結(jié)果如表1～表3所示。(I組：無(wú)軟件處理，無(wú)硬件處理；II組：有軟件處理，無(wú)硬件處理；III組：無(wú)軟件處理，有硬件處理；IV組：有軟件處理，有硬件處理)

圖6 軟件去抖算法流程圖

表1 無(wú)信號(hào)干擾時(shí)方向判斷出錯(cuò)情況 /次

表2 人為加入干擾時(shí)方向判斷出錯(cuò)情況 /次

表3 缺陷編碼器自身干擾時(shí)方向判斷出錯(cuò)情況 /次

在步進(jìn)電機(jī)變速過(guò)程中，是需要判斷當(dāng)前電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的，如果判斷錯(cuò)誤，將導(dǎo)致相反的結(jié)果，后果十分嚴(yán)重，故在軟硬件處理去抖的過(guò)程中將方向判斷準(zhǔn)確作為首要考慮因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。表1～表3的結(jié)果表明，無(wú)論是人為加入的干擾還是編碼器自身缺陷造成的干擾，軟件去抖方式和硬件去抖方式對(duì)方向誤判的糾正效果十分明顯，混合使用時(shí)有效提高了方向判斷的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)軸端編碼器輸出的運(yùn)動(dòng)方向信息存在的抖動(dòng)誤差，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的軟硬件去抖提高了運(yùn)動(dòng)方向信息的精確度。優(yōu)點(diǎn)在于低成本，高精度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。從而確保了上肢康復(fù)機(jī)器人位置控制的準(zhǔn)確性，有助于上肢康復(fù)機(jī)器人的被動(dòng)訓(xùn)練，助力訓(xùn)練與抗阻訓(xùn)練順利進(jìn)行。但本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)方向信息處理系統(tǒng)也存在不足，如在運(yùn)動(dòng)方向信息處理電路中，運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)的輸出存在滯后的現(xiàn)象；在軟件去抖算法中存在一定誤差。

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Design of a Motion Direction Information Processing System for the Upper Limb Rehabilitation Robot

ZHANG Linling1,2,3,4, YU Hongliu1,2,3,4, FANG Youfang1,2,3,4,SHI Ping1,2,3,4,MENG Qiaoling1,2,3,4,WANG Jinchao1,2,3,4

(1.School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.Institute of Rehabilitation Engineering and Technology, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Assistive Devices, Shanghai 200093,China; 4.Key Laboratory of Neural-functional Information and Rehabilitation Engineering of the Ministry of Civil Affairs, Shanghai 200093, China)

In the position control process of the upper limb rehabilitation robot, there is a deviation in the motion direction information output of the encoder mounted on the joint motor shaft. In order to overcome this problem, we design a motion direction information process system to improve location accuracy. The motion direction information noise is filtered to enhance accurateness of position control. The upper limb rehabilitation robot with high precision ensures comfort and safety of rehabilitation process.

upper limb rehabilitation robot; position control; motion direction information; information process

2016- 05- 25

上海市科技支撐項(xiàng)目(16441905602)；上海市科委平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(15DZ2251700)

張林靈(1992-)，女，碩士研究生。研究方向：智能康復(fù)等。喻洪流(1966-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：人體仿生機(jī)械及智能控制等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.039

TP242

A

1007-7820(2017)05-142-05