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        連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制方法

        2022-05-19 03:34:34鄭忠文
        機械設(shè)計與制造 2022年5期
        關(guān)鍵詞:訓(xùn)練器協(xié)調(diào)控制被動式

        胥 燕,鄭忠文

        (1.成都醫(yī)學(xué)院,四川 成都 610500;2.阜陽師范大學(xué),安徽 阜陽 236000)

        1 引言

        連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器主要用于手術(shù)后肩關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、骨關(guān)節(jié)等可動域功能的恢復(fù),是在連續(xù)被動運動原理基礎(chǔ)上制成的裝置[1-2]。但目前連續(xù)式被動式運動訓(xùn)練器由于動力裝置的原因,存在可靠性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和噪聲大的特點,為此,需要對訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行研究。

        文獻(xiàn)[3]提出基于預(yù)測模型的訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換控制方法,該方法在動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立控制增量形式的預(yù)測模型,建立滿足約束條件的預(yù)測控制模型,實現(xiàn)運動器轉(zhuǎn)速切換的控制。文獻(xiàn)[4]提出基于模糊補償?shù)挠?xùn)練器轉(zhuǎn)速切換控制方法,該方法采用人機協(xié)作映射關(guān)系結(jié)合模糊補償算法實現(xiàn)訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換控制。但上述方法沒有提取表面肌電信號的特征,控制所用的時間較長,存在控制效率低的問題。

        為了解決上述方法中存在的問題,提出連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制方法。通過時域分析法將信號轉(zhuǎn)換為特征值,建立連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器的運動學(xué)模型,來抑制訓(xùn)練器扭振,并通過引入角速度和位置作為狀態(tài)變量,改善轉(zhuǎn)速控制的抗干擾能力;設(shè)計轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制器,從而提高轉(zhuǎn)速控制的精度,完成訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制方法的設(shè)計。通過仿真實驗驗證,該方法具有較良好的轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制性能。

        2 表面機電信號特征提取

        連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制方法通過時域分析法將信號轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間變量函數(shù),通過濾波和整形處理獲得Wil?lison幅值、積分機電值、幅值直方圖、平均肌電值、過零次數(shù)、均方根六個特征值[5-6]。

        設(shè)WAMP代表的是Willison值,其計算公式如下:

        式中:N—采樣點數(shù)量;xi—肌電信號樣本值。

        設(shè)AV代表的是平均肌電值,其計算公式如下:

        肌電信號在不同活動程度肌肉下與基線偏離的程度都不相同,將不同幅值段中存在的SEMG 信號的采樣個數(shù)作為有效特征。在提取特征值之前需要選取一個閾值,對正負(fù)閾值間存在的距離進(jìn)行劃分,獲得大小不同的幅值段,將不同幅值段中存在的SEMG采樣點個數(shù)作為肌電信號的特征值[7-8]。

        設(shè)IAV代表的是絕對值積分平均值,可通過下式計算得到:

        設(shè)ZC代表的是過零點數(shù),連接數(shù)據(jù)點,并對正負(fù)穿越零點的次數(shù)進(jìn)行計算:

        設(shè)VAR代表的是方差,RMS代表的是均方根,std代表的是標(biāo)準(zhǔn)差,其表達(dá)式如下:

        式中:xLAV—肌電信號對應(yīng)的絕對積分平均值;

        3 訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制方法

        3.1 訓(xùn)練器模型

        連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器模型,如圖1所示。

        圖1 連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器模型Fig.1 Model of Continuous Passive Exercise Trainer

        通過下式描述連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器的運動學(xué)模型:

        可用下述公式描述上式:

        在上述方程的基礎(chǔ)上獲得速度約束方程v1+v2=v3+v4。

        通過下述公式描述連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器的運動模型:

        通過下述公式描述連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器的動力學(xué)模型:

        M—連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器的質(zhì)量;

        f1、f2、f3、f4—系統(tǒng)的輸入;

        m—康復(fù)者對應(yīng)的等效質(zhì)量;

        L—全方向輪與中心之間存在的距離;

        I—訓(xùn)練器對應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量;

        r0—訓(xùn)練器的中心與重心之間存在的距離。

        3.2 速度解耦模型

        將V′=rw帶入連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器的動力學(xué)模型中,獲得下式:

        式中:w=[w1w2w3]T;r—輪子半徑。

        假設(shè)在連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器中存在4個輸入力,其中存在一個冗余的力,連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器在跟蹤過程中只需要3個力就可以完成轉(zhuǎn)速切換的協(xié)調(diào)控制[9-10],令f2=f4,獲得整理后的連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器的動力學(xué)模型,其中:

        在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器系統(tǒng)的狀態(tài)方程:

        選取連續(xù)被動式訓(xùn)練器的角速度w和位置X作為狀態(tài)變量,獲得放射非線性系統(tǒng)方程:

        用下述方程描述連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型:

        式中:u—動力學(xué)模型的新輸入控制量,可將連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器系統(tǒng)的輸出定義為獲得完整的連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器的仿射非線性系統(tǒng)模型:

        3.3 控制器設(shè)計

        通過設(shè)計反饋控制器實現(xiàn)連續(xù)被動式運動器訓(xùn)練轉(zhuǎn)速切換的協(xié)調(diào)控制,根據(jù)控制與角速度之間存在的線性關(guān)系,設(shè)計轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制器:

        式中,ei—誤差;Kpi—常數(shù)—參考角速度。

        4 實驗與分析

        為了驗證連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制方法的整體有效性,需要對連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行測試,本次測試在MATLAB軟件中進(jìn)行,操作系統(tǒng)為Win?dows10,CPU 處理器為2.80GHz X64。其中,選取的連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu),如圖2所示。

        圖2 連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure Diagram of Continuous Passive Sports Trainer

        將轉(zhuǎn)速控制誤差作為測試指標(biāo),采用連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制方法(方法1)、基于預(yù)測模型的訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換控制方法(方法2)和基于模糊補償?shù)挠?xùn)練器轉(zhuǎn)速切換控制方法(方法3)進(jìn)行對比實驗,連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器系統(tǒng)控制的轉(zhuǎn)速對比結(jié)果,如圖3所示。

        圖3 連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器系統(tǒng)控制的轉(zhuǎn)速對比結(jié)果Fig.3 Speed Comparison Results of Continuous Passive Sports Trainer System Control

        統(tǒng)計三種方法下多次迭代的平均轉(zhuǎn)速控制誤差,測試結(jié)果,如圖4所示。

        圖4 控制誤差測試結(jié)果Fig.4 Control Error Test Results

        分析圖4 中的數(shù)據(jù)可知,采用方法1 對運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速進(jìn)行協(xié)調(diào)控制時在多次迭代中的控制誤差均控制在0.2rad/s以下,采用方法2和方法3對運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速進(jìn)行協(xié)調(diào)控制時,獲得的控制誤差分別在第1 次迭代和第2 次迭代中高達(dá)0.6rad/s 和0.7rad/s,方法1進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的誤差較低,因為方法1獲取了表面肌電信號,并提取了表面肌電信號的特征,降低了方法1的控制誤差。

        設(shè)置穩(wěn)定性系數(shù)φ,在區(qū)間[0,1]內(nèi)取值,穩(wěn)定性系數(shù)越高,表明控制方法的控制穩(wěn)定性越好,測試結(jié)果,如圖5所示。

        圖5 穩(wěn)定性系數(shù)測試結(jié)果Fig.5 Test Results of Stability Coefficient

        對圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,采用方法1對運動訓(xùn)練器的轉(zhuǎn)速切換進(jìn)行控制時,在多次實驗過程中獲得的穩(wěn)定性系數(shù)均在0.9以上,方法2和方法3對運動訓(xùn)練器的轉(zhuǎn)速切換進(jìn)行控制時,在多次實驗過程中獲得的穩(wěn)定性系數(shù)分別在0.5和0.6附近波動,方法1的穩(wěn)定性系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方法2和方法3的穩(wěn)定性系數(shù),因為方法1根據(jù)獲取的表面肌電信號特征構(gòu)建了連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器系統(tǒng)的動力學(xué)模型,提高了控制穩(wěn)定性。

        將控制效率作為測試指標(biāo),采用方法1、方法2和方法3進(jìn)行測試,通過控制時間對比不同方法對運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換控制的效率,測試結(jié)果,如圖6所示。

        圖6 控制效率測試結(jié)果Fig.6 Control Efficiency Test Results

        通過圖6可知,在多次控制實驗過程中,方法1將控制時間保持在1.0s之內(nèi),方法2和方法3的控制時間均高于1.0s。方法1控制運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換所用的時間較少,因為方法1獲取了表面肌電信號,根據(jù)表面肌電信號的特征在較短的時間內(nèi)建立轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制器,提高了方法1的控制效率。

        5 結(jié)束語

        這里提出連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制方法,獲取表面肌電信號,并提取信號特征,根據(jù)提取的特征構(gòu)建轉(zhuǎn)速切換控制器,實現(xiàn)連續(xù)被動式運動訓(xùn)練器轉(zhuǎn)速切換。通過仿真實驗證明,設(shè)計方法的轉(zhuǎn)速控制誤差保持在0.02rad/s之內(nèi),穩(wěn)定性系數(shù)在0.9以上,控制時間保持在1s之內(nèi),整體轉(zhuǎn)速切換協(xié)調(diào)控制性能較好。

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