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&&& 踝关节是躯体与地面接触的重要部分，在人体下肢活动中占有相当重要的位置。例如，脚的活动主要受到踝关节的支配，尤其是足背伸和足跖屈活动主要发生在踝关节。 &&& 足背接近小腿前面的活动称背伸。相反，当足背离开小腿前面直角位称跖屈。足底与小腿近垂直时，则作为踝关节的休息位。 &&& 为了测定简便起见，踝关节活动度的测量一般以足底与小腿长轴的交点为运动轴心。踝关节背伸的正常范围为20&～30&，跖屈位的正常范围为30&～50&。 &&& 参与背伸的肌群为小腿前群肌肉，即胫骨前肌、拇长伸肌、趾长伸肌和第三腓骨肌。跖屈动作由小腿后群肌肉完成，主要为小腿三头肌。跖屈时踝关节有轻微旋转、收展与侧方运动。 &&& 踝关节总的运动幅度为60&～90&，通常男性背伸较女性大5&～15&，女性跖屈较男性大5&～10&。 &&& 当踝关节背伸时，腓骨外旋上升并向后移动，踝穴增宽1．5～2毫米，以容纳较宽的距骨体前部，同时下胫腓韧带相应紧张，距骨体较窄部分进入踝穴，腓骨内旋下降并向前移动，踝穴变窄，距骨与两踝关节面仍然接触，但下胫骨韧带松弛，踝关节相对不稳，可有轻微的侧方运动，故易发生韧带损伤。 &&& 足部的主要运动有背伸、跖屈、内收、外展、内翻、外翻等，其中背伸、跖屈由踝关节完成，内收、外展活动范围较小，内翻运动幅度为35&～40&，外翻运动幅度22&～25&。 &&& 【提示】 &&& 此外，踝关节与下肢其他大关节一样具有负重功能，体重经踝关节传递至地面。踝关节直接负重的力量较大，在行走、跳跃时，身体全部重量完全落在踝关节上，因此要求踝关节具备牢固的稳定因素。一旦踝关节失稳，则踝关节很容易受伤。 &
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三自由度上肢康复机器人研制
东南大学 硕士学位论文 三自由度上肢康复机器人研制 姓名：刘攀峰 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：王爱民;崔建伟
摘要将机器人技术用于运动功能障碍患者的康复训练，形成了康复机器人这一新型技术，并取得了 令人振奋的成果，如今已成为康复工程和机器人科学领域研究的前沿课题。
然而，康复机器人研究 仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机ｊ：程化的康复机器人的需求。 因此本课题的研究具有重要的应用前景。 本文通过对国内外康复训练机器人的发展现状及应用等方面的总结，提出了一种新型三自由度 康复训练机器人设计方案，用于上肢运动功能障碍患者的康复训练。具体工作如下： 依据康复训练机器人的应用场合和应用对象，首先分析了现有康复机器人的机械结构特点，通 过对各种设计方案的比较，确定了机器人的总体设计方案，包括机械结构设计、机器人运动学分析、 安全性设计、驱动方式的选择、计算机控制系统结构的选择等。 设计了人机接口、力传感器、康复机器人传感器的数据采集电路、伺服电机驱动与控制电路、 串行通信接口电路等硬件电路，加入了隔离电路，为整个系统的正常工作提供了硬件上的保障。 进行了控制策略的研究，并在此基础上介绍了ＰＩＤ控制算法，开发了基Ｔ－Ｃ８０５１Ｆ３１０主、从单 片机的下位机控制软件。 进行了单片机控制系统软硬件的调试、速度位置控制等实验。实验结果表明本文设计的康复训 练机器入具有安全可靠等特点，达到了设计要求。关键词：机器人；康复训练；上肢；力传感器；东南大学硕上学位论文ＡＢ ＳＴＲＡＣＴＲｏｂｏｔ－ａｉｄｅｄ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｔｈｅｒａｐｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｍｕｃｈ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｂｙ ｒｏｂｏｔ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅｒａｐｉｓｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｅｅｎ Ｈｏｗｅｖｅｒ＇ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ ａｎｐｏｐｕｌａｒ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ａｎｄ ａｓｓｅｓｓ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｓａｂｌｅｄ ｐａｔｉｅｎｔｓ．ａｒｏｂｏｔ－ａｉｄｅｄ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｉｎｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｓｔａｇｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｎｏｔｍｅｅｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ． Ａ ３－ＤＯＦ ｕｐｐｅ卜ｌｉｍｂｓ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ Ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｗａｓ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓａｓ ｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｆｏｌｌｏｗ：ａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｂｊｅｃｔｓｏｆｔｈｅ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｃｈｏｉｃｅｓ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ，ｓｅｃｕｒｉｔｙｄｅｓｉｇｎ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓＳＯ ｏｎ．ｏｆｒｅｈａｂｉｌｉａｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ，ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｄｒｉｖｅ ｗａｙｓ，ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｈｕｍａｎ．ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔｓｅｎｓｏｒｄａｔａａｌｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｏ ｊｏｉｎｅｄ．ｅｎｓｕｒｅｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒａｈａｒｄｗａｒｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄ ｔｈｅｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍｏｎａｌ ｅｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅｔｉｍｅ，ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｉｓ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ．Ｂａｓｅｄ Ｃ８０５ １Ｆ３ １０ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．ｔｈｅｍ，ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｆｔｗａｒｅｂａｓｅｄｏｎＭＣＵＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒ ｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ?ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｔｈｒｅｅ―ＤＯＦ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｒｏｂｏｔ；ｒｅｂａｂｉｌｉｔａｔｉｖｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ；Ｕｐｐｅ卜ｌｉｍｂｓ；ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅｓｅｎｓｏｒＩＩ东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。研究生签名：客ａ簧噜日期：２口口了尊弓月爿日东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研 究生院办理。研究生繇啪卞师签名０囊～瞧２００罗奇５删日第一章绪论第一章绪论１．１课题背景及研究目的、意义中风，或称脑卒中，亦称为脑血管意外，是指由各种原冈引起脑动脉系统和静脉系统发生病理 性改变所造成的一类疾病。中风所出现的脑血液循环障碍直接影响脑组织，并使脑细胞发生功能性 或器质改变。中风具有高死亡率、高复发率以及高致残率等特点，严重影响了人们的生存质量及生 命。世界卫生组织将这种病确定为当今人类的第一杀手。一．日．患了中风，重者死亡，轻者半身瘫痪， 生活不能自理，给患者的生活、工作、学习带米极大的不便，也给患者带来了极大的精神痛苦，同 时也给患者家人和社会带米负担【ｌｌ。据不完全统计，在我国仅中风引起的偏瘫患者就占全国人口数 的３‰～１ Ｏ‰，人数达３９０万至ｌ ３００万。 随着世界各国相继进入老龄化，中风患者势必越来越多。科技的发展使医护人员对于急性中风 患者能够采取比较有效的治疗手段，中风后能够幸存下来的人越来越多。但是通常中风患者易残留 各种各样的后遗症，如偏瘫、语言功能障碍、运动功能障碍、神志障碍、面瘫（口眼歪斜）、二便失禁 等，一般以运动功能障碍居多，重者影响正常生活。在幸存者中有７０％一８０％残留有不同的残疾，一 组资料显示生活不能自理者高达４２．５％１２ｌ。因中风而导致运动功能障碍，常常对患者本人及家庭造成 心理和其它方面的冲击。社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些患者，造成社会成本的 极大浪费。冈此，寻求有效的康复手段，使患者能够在一定程度上恢复失去的功能，不仅有利于提 高患者本身的生活质量，也可以减轻家庭及社会的经济负担。 随着我国脑神经外科技术的不断发展，虽然越来越多的脑血管疾病患得剑了及时的手术治疗， 但火部分患者在手术后会伴随后遗症。对中风后遗症患者，必须争取早期康复治疗，尤其在发病后 的前三个月内的康复治疗是获得理想功能恢复的最佳时机ｐ＇４ｌ，但对病程长者，其潜在功能恢复力也 不容忽视，应当继续进行相应的康复治疗，也可达到改善功能的效果。根据临床经验，在发病后两 年内，如果康复措施得当，会有不同程度的恢复。目前，偏瘫上肢康复训练的传统方法主要是依赖 于医师对患者进行手把手的指导和训练。这种方式存在一些问题：首先，一名治疗师只能同时对一名 患者进行运动训练，训练效率低，并且由于治疗师自身原因，无法保证患者得到足够的训练强度， 治疗效果多取决于治疗师的经验和水平；其次，不能精确控制和记录参数（运动速度、轨迹、强度等）， 不利于治疗方案的确定和改进，康复评价指标不够客观，不利于偏瘫患者神经康复规律的深入研究： 此外，如果患者离医院或康复训练的地点距离较远甚至居住在比较偏远地区，出院患者接受人强度 或长期的治疗也将很人程度上受到距离、天气或交通不便等条件的限制，非常不利丁患者中风后的 恢复。可以看出，单靠医师的指导进行康复训练，无疑会制约康复训练效率的提高和方法的改进。 因此，应该寻求更先进的偏瘫康复训练手段，把更先进的技术引入到偏瘫康复治疗领域１５Ｊ。 本课题的目的是设计一种三自由度上肢康复训练机器入。通过机械手臂带动患者的患肢在水平 面或者垂直面运动，模拟日常生活中的上肢运动规律，通过计算机控制上肢运动进行康复训练，实 现机器入与人的上肢协调运动，从而达剑最佳康复效果。东南人学硕十学位论义采用机器人进行偏瘫康复训练，能解决传统训练方法存在的问题。首先，机器人不存在“疲倦” 的问题，能够满足不同患者对训练强度的要求，它将治疗师从繁重的训练任务中解脱出来，而专注 于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容；其次，机器人可以客观记录训练中患肢的位置、方 向、速度以及所产生的力等客观数据供治疗师分析，以评价治疗的效果。这些数据使治疗师可以从 中发现数据与治疗结果间的对应关系，从而可能深入了解中枢神经康复的规律，进一步了解大脑与 运动功能之间控制与影响的关系，为大脑的开发开辟新的大地；再次，机器人技术可以通过虚拟现实 技术为患者提供丰富多彩的训练内容，令患者积极参与治疗，并及时得到治疗效果的反馈信息，使 得远程治疗和集中治疗成为可能。由国内外康复医学和机器人技术学的科研人员的实验和研究证明： 患者可以接受机器人辅助治疗，治疗过程具有吸引力；机器人对患者进行康复训练确实有很好的康 复治疗效果，在治疗过程中，系统还提供了有效的康复评价手段；如果能够在训练过程中提供多种 形式的信息反馈，充分发挥患者的主观能动性，并根据患者状态给予暗示或建议等，将会使康复效 果得到很人提高。在我国，康复医学事业仍然处于起步阶段，其患者数量多、治疗师资源缺乏。据 此现状，发展机器人辅助肢体运动功能康复技术更具实际意义。１．２国内外研究现状康复机器人是机器人科学与康复医学的交叉学科，是机器人技术在医疗领域中的新应用。康复 机器人具体又可分为康复训练机器人和功能辅助型机器人两种。前者的主要功能是帮助患者完成各 种运动功能的恢复性训练，如人的下肢行走训练、手臂运动训练、脊椎牵引运动训练、颈部运动训 练等；后者的主要功能是用来帮助肢体运动功能障碍的患者完成各种运动，如智能轮椅、导盲手杖、机器人假肢纠６１。本文研究的是上肢康复训练机器人，主要用来帮助上肢有运动功能障碍的患者进行康复训练。１．２．１国外研究现状康复机器人技术在欧美国家得到了机器人研究者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展 了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。 康复机器人是机器人技术和康复工程的结合。首次尝试将服务于残疾人的机器人系统产品化是 在２０世纪的６０年代到７０年代。实践证明这些尝试都不太成功，这主要有２个方面原因：其一是设 计的不理想，尤其是人机接口；其二是因为单价太高导致了康复机器人产品化的失败。２０世纪８０ 年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先 地位。１９９０年以前全球的５６个研究中心分布在５个工业区内：北美、英联邦、欧洲人陆和斯堪的 纳维亚半岛及日本。１９９０年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。 １９９１年，ＭＩＴ设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统ＭＩＴｏＭＡＮＵＳ，该设备采用五连杆机 构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和平顺性，用于病人的肩、肘运动。 ＭＡＮＵＳ｛７１具有辅助或阻碍手臂的平面运动功能，可以精确测量手臂的平面运动参数，并通过计算机 界面为患者提供视觉反馈，在Ｉ临床应用中取得了很好的效果。在此基础上，他们又研制了用丁手腕 部康复的机械设备，可以提供三个旋转自由度，并进行了初步的临床试验。ＭＩＴ－ＭＡＮＵＳ在结构机２里二兰堑堡 械设计方面考虑了安全性、稳定性以及患者近距离物理接触的柔顺性。围Ｉ－Ｉ为ＭＩＴ－ＭＡＮＵＳ系统． 图ｌｏ为安莪在轮椅上的ＭＩＴ珥ＩＡＮＵＳ。圉Ｉ－Ｉ￣ⅡＴ－ＭＡＮＵＳ系图１０安装在轮椅上的ＭＩＴＭＡＮＵＳ另一个典型的上肢康复训练机器人系统是ＭＩＭＥ（ｍｉｒｒｏｒ－ｉｍａｇｅｍｏｔｉｏｎ咖ａｂＩｅ一，如图１．３所示。该设各包括左右两个可移动的手臂支撑．由工业机器＾ＰＩＭＡ－５６０操纵患者手臂，为息者提供驱动力，既可以提供平面运动训练，也可以带动肘和肩膀进行三维运动。但是ＰＵＭＡ－５６０本质上是工业机器人。因而从机械的角度上说不具有反向可驱动性以及结构上与人的上肢不完全匹配，该系统在医疗领域的应用有其局限性。１．，错（ａ）嘿黼：：（ｂ）图ｌｏ镜像运动机器＾ＭＩＭＥ１９９３年美国的Ｌ岫等人研制了一种称作手―物体一手的系统（ｈａｎｄ－ｏｂｊｅｃｔ－ｈａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ），尝试对一只手功能受损的患者进行康复训练”．这种飘手物理治疗辅助机器包括两个置于桌面上、可绕转 轴转动的夹板状手柄，其中一个手柄下端连接在驱动电机上，电机可以辅助患者完成动作（如图１－４ 所示ｈ该机器主要帮助完成两个任务动作的训练：双手移动和双手挤压。双手移动任务要求两手夹 持某一物体作前后往返运动，挤压运动要求在物体上产生需要的抓取力。为限制自由度数日，患者 双手要放置在刚性手柄上，以阻止手腕屈伸。东南大学硕±学位论文图１４手．物体一手的系统１９９９年，ＲｅｉａｋｅｎｓｍｅｙｅｒＩｉｏ］等研制了辅助和测量向导器ＡＲＭ－－Ｇｕｉｄｅ，用来测定患者上肢的活动空问。２０００年他们对该装置进行改进，用来辅助治疗和测量脑损伤患者上肢运动功能。如图Ｉ－５所示。该设备为单电机驱动的二自由度装置，包括一个直线轨道，其俯仰角和水平面的倾斜角可咀调接。 试验中患者手臂缚在夹板上，沿亩线轨道运动，传感器可以记录患者前臂所产生的力，但是这种设 备训练方式单一，无法进行更深的研究。（ａ）（ｂ）图Ｉ－５辅助康复和测量向导器ＡＲＭ．Ｇｕｉｄｅ ２００５年，瑞士苏黎世＝ｌ：＝学的Ｎｅ一”等开发了一种新型的上肢康复机器＾ＡＲＭｉｎ，如图ｌ石所示。 它是一种６自由度半外骨架装置，安装有传感器及６维力／力矩传感器，能够进行肘部届伸和肩膀的空问运动，用于临床训练上肢损伤患者日程生活中的话动。第一章绪论型１石ＡＲＭｉｎ康复机器人 此外关于上肢康复训练机器人的报道还有：ＣＰＭ机、ＲＥＨＡＲＯＢ以及华盛顿大学设计的７１Ｘ）Ｆ 上胜外骨架装置等。其中、ＣＰＭ机是利用康复医学中连续被动运动（ｃｏｒＩ【加∞ｌｌｓ Ｐａ女ｉｖｅＭｏｌｌｏ卅ＣＰＭ）［１２１的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置，是目前为止一个机器人生物力学或生物物理化学类型的 应用的例证。由丁受技术水平的限制，ＣＰＭ机长期停留在“大关节”康复的范围内。目前，市场上已经有了用于腕关节和手指关节这样的“小著体”康复的ＣＰＭ札图１Ｊ Ｒｏｌｙａｎ公司的手关节和腕关节ＣＰＭ机ｌ，但他们还不能像“太荧节”ＣＰＭ机那样实现精确的控制，不能对手指抓握等精巧蜘作进行训练，治疗的效果还有待提高。 ￣、婚ｎｅｌｅｃ ８０９１图Ｉ－７ＲｏＨ肌公司的ｃＰＭ机近年来．随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，行行色色的康复训 练机嚣人．如手臂训练机器人、裸关节训练机器人等，以其经济的价格，简易的操作以及适宜的病 情反馈与康复训练指导得到了医学专家与病＾的肯定。１．２．２国内研究现状目前，国内在该领域进行研究的主要有清华大学、东南大学、上海交通大学、复旦大学、浙江 大学、哈尔滨：ｒ程大学和哈尔滨Ｊ二业大学等。其中。上海交通大学和复口大学合作展开了“神经的 运动控制与控制信息源的研究ｍ”ｌ。其研究目的是提Ｉ随神经信息。利用神经信息来控制电子假手。 目前，七个自由度假手模拟装置已设计完成，神经信息的提取正在进行动物试验，信息的整合与控 制电路的设计进展顺利。其原理是借助仪器，通过意识控制动作的反复训练，伴随信息转化、生物 反馈、生物控制和功能训练过程，不断调节和增强脑的指令，从而提高中枢神经系统和骨骼肌肉系Ｅ末南丈学硕士学位论文统的支配和拉制能力，消脒控制机能障碍和运动障碍．改善直至恢复机能状态。清华大学在国家。８６３４ 计划支持下．从２０００年起即开展了机器人辅助神经康复的研究，研制了两款上肢复合运动康复训练 机‘ｉｓ，１６１，他们都可以在平面内进行两个自由度的运行训练，如图１．８示。ｍ岛国１－８上肢复台运动康复训练机（靖华大学研制）东南丈学从２００４年起也开展了康复机器人技术的研究【ｌ”，并设计了一套上肢康复训练机器人系 统（圈１－９），其机械结构如图卜ｌＯ所示。此系统现可以实现被动、主动和带阻尼主动三种锻炼模式和 一对多的训练模式，并为了能眵为治疗医师提供客观的病人康复信息，系统还建立了患者信息数据 库。同时，为了吸引患者的更积极的参与训练，系统利用虚拟现实技术设计了不同难易程度的多套游戏系统．界面如图Ｉ－１ｌ所示。图１－９康复机器人系统运行图（东南大学研制）６第一章绪论削１．１０单自由度上肢康复训练机械臂系统结构（东南大学研制）豳１－ｌＩ三个不同难度的程序界面１３目前存在的问题目前康复机器人偏瘫治疗的研究仍然处于起步阶段．临床应用任重而道远。应用于偏瘫康复训 练的机器人还存在如下问题： （１）患者训练动作种类相对较少且仅限于重复某些单一或倚单的动作，患者肢体的活动范宙主要 限于郇ｌ练身体正前方，运动幅度比较小，不能以大范围话动关节和较多关节的复杂话动为目标．不 能够充分提供中枢神经康复所需的运动刺激。 犯】一般仅限于水平面运动（ＭＩＭＥ可阻训练一些三维运动），不能进行三维或更多维的运动，ｌ｝ 练：仅限于某些关节、肌肉群或局部神经系统的康复； （３）研究的目标主要在于探索机器人能否应用于康复训练中，以及这种钥ｆ练方式有无泊疗效果． 而对于如何提高康复训练的效果的研究井不深入。 Ｈ）机嚣人辅助治疗过程的机制有特深八研究。 （５）机器人的适用面不够广泛。此适用面包括①不同的患者的适用；＠同一患者不同的恢复时期 的适用；＠患者需不同锻炼模式（如患者的主动或被动锻炼等模式）的适用｛＠在患者肌肉出现痉 挛时（此时患肢可能出现较大的阻力或其他干扰），如何缓解痉挛和使康复效果继续维持现有的较好，．―――――――――――――――――――――――――――――――――――――■―――――――――――――――――●的水平，等等方面的适用性。 因此，上肢康复训练机器人系统的应用研究将集中在以下几个方面： 第一康复医疗机器人系统设计：机械结构是康复训练机器人系统的基础，应尽量简沾轻巧，具 有一定的灵活性，提高训练动作的种类，增人动作幅度，在三维空间内对患肢各个关节进行训练。 第二控制策略与运动模式的设计：由于患者的病情千荠万别，冈此，机器人要感知患肢状态（力 量和位置）并采取相应的训练模式和控制策略，在控制系统适应性和稳定性、传感器技术应用、系 统辨识和控制算法设计等方面需要作更深入的研究。 第三力反馈：机器人应该能够实时检测患者与机器人之间的相互作用力，在患者主动能力不足 时提供更人的辅助，而在患者有能力完成动作时，适当减小辅助甚至施加阻力，以便充分发挥患者 残存的功能。 第四安全机制：安全问题是康复机器人设计过程的一个重要方面，康复训练机器人必须根据临 床康复训练的基本动作和安全机制的要求，在设计中除了考虑机器人的功能实现外，还要防止患肢 二次损伤，必须从机构设计（硬件）和控制系统（软件）两个方面保证康复机器人系统的安全性。 第五康复效果的评价机制：与肌电信号检测相结合，探索训练参数与康复效果之间的关系，提 高训练效果。在大量试验的基础上，总结临床康复的初步规律，建立客观、精确的康复评估方法。 第六多路复用：发展“多路复用”的网络康复医疗机器人系统，提高资源利用率。东南大学硕上学位论文１．４本文的研究目的及主要完成工作目前，有较多研究的康复训练机器人还处丁探索阶段，人多数都考虑了多种康复训练模式，但 结构多以工业机器人的串联关节为蓝本，没有很好地考虑康复训练过程的特点。首先，病人的康复 训练首先是在专业医生的指导和参与下完成的，多数情形下是从专业医生手把手地指导下开始的， 而后由病人的健康上肢或其家属、护士人工对病肢反复牵引运动，这一过程漫长而且劳动强度很大， 其二，此过程的一个重要特点医生在指导病人训练时要靠“感觉”获知病人的“反馈”以对训练方 法做出评估，因此人为方式的被动康复训练难以针对病人的训练方法作定量的、精确的评估，也不 能针对病人的个体差异制定有针对性的康复训练方案；其三，由上这两点可知，被动训练模式下应 当有医生的参与指导，而不仅仅是机器人按一定的路径对病人的肢体作牵引，而目前的康复训练机 器人是单边的结构，无法体现这一特点；其四，工业机器人的串联机构具有很好的灵活性，但应用 于康复训练就显得比较笨重，控制复杂，成本也较高，只能实现四种模式中的部分模式或功能，最 后，基于工业机器入的串联或部分关节串联的结构，其逆向运动存在多解性，因此从原理上，这种 结构不适合于病人的主动训练模式。 针对康复训练的特点，本文设计了一种可用于上肢康复训练的三自由度康复训机器人，它可以 实现三维空间运动，并且具有结构简单，成本低廉，功能全，适应性强的特点。 其中第一章介绍本课题的研究目的和意义，并对国内外的研究现状及目前存在的问题作一个简 单的介绍。 第二章提出了具体的本系统的设计方案，包括机械结构设计、机器人运动学分析、安全性设计、８第一蕈绪论驱动方式的选择、计算机控制系统结构的设计等。 第三章详细介绍了整个系统的硬件控制电路，包括电源及抗干扰措施、人机接口模块、通讯电 路的设计、电机驱动模块的设计、位置传感器与检测电路的设计、力传感器及其信号检测电路设计、 系统的抗干扰措施等。 第四章对ＰＩＤ控制算法进行了研究，并在机械结构、硬件平台以及控制策略研究的基础上进行了 系统软件设计。 第五章对整个系统进行了测试，监测康复机器人各项性能是否满足设计要求。 第六章对全文内容进行总结，＿并提出今后进一步研究的建议。９东南大学硕上学位论文第二章三自由度康复训练机器人系统设计方案２．１引言上肢康复训练机器人是对上肢有运动功能障碍的患者进行康复训练的机械装置，帮助冈中风引 起的上肢有运动障碍的患者进行运动机能恢复性训练。本课题设计的三自由度康复机器人系统属于 上肢康复训练机器人，要求系统能够实现三个自由度的空间运动，考虑到关节活动范围，要求水平 旋转活动范围不少于１３０＂，水平屈伸活动范围不少于１８ｃｍ，上下运动活动范围不少于３０ｃｍ，系统能 够帮助患者患肢进行功能恢复性训练，同时要求系统能够安全、稳定地完成康复训练任务，并且要 考虑成本低廉、结构小巧以便于推广到家庭使用，所以在方案设计中必须要兼顾系统可靠性和经济 性等多方面的冈素。２．２系统机械机构２．２．１机械结构设计机械结构设计是机器人辅助康复训练系统的基础，应尽量简洁轻巧、易于控制。到目前为止， 国内外文献报道中有关康复机器人的机械本体结构设计大体分为三种类型：端部结构、外骨骼结构 及混合型结构。 机械本体为端部结构的康复机器人系统通常是在某一点上与患者身体部位相接触，此种结构易 于设计，方便不同患者使用。ＭＩＴ Ｋｒｅｂｓ等研制的ＭＩＴ－Ｍａｎｕｓ，Ｈａｒｗｉｎ等【ｌ列开发的Ｇｅｎｔｌｅ／ｓｓｙｓｔｅｍ，Ｈｅｓｓｅ等【１９ｌ设计的Ａｒｍ．ｔｒａｉｎｅｒ均为此种类型结构。相比较端部结构而言，外骨骼结构的康复机器人 是在多处与患者身体部位相接触，实现在患者的不同身体部位同时施加力／力矩作用，康复训练过程 中可以保持患者训练姿势相对固定，最重要的是这种结构可以对施加在患者身体不同部位的力／力矩 进行独立控制，一定程度上减少了患者在康复训练过程中由于肌肉痉挛等因素造成的二次损伤【２０】。 此种结构的不足之处在于它对不同患者的适应性较差。Ｒｅｉｎｋｅｎｓｍｅｙｅｒ等研制的ＡＲＭ．Ｇｕｉｄｅ、斯坦 福大学康复研究和开发中心设计的ＭＩＭＥ、瑞士苏黎世巴格里斯特人学矫形外科研究小组【２ｌＪ研制的 Ｌｏｋｏｍａｔ，日本Ｋ．Ｋｉｇｕｃｈｉｌ２２１、台湾国立成功大学１２扪、清华大学季林红等［２４１分别研制的上肢康复机器 人皆采用了外骨骼结构。基于混合型结构设计的康复机器人综合了端部结构和外骨骼结构的优点， 既可分别对施加在患者身体不同部位的力／力矩进行独立控制，又可以较方便地满足不同患者的需 要。瑞士苏黎世大学研制的六自由度上肢康复训练机器人ＡＲＭｉｎ其机械本体采用的就是混合式结 构，患者在康复训练过程中，上臂和肘关节的内旋／夕ｐ旋驱动机构采用的是外骨骼类型，而肩部的水 平／垂直旋转运动是由连接在上臂和固定在墙肇上的两轴之间的端部类型结构驱动。考虑剑对不同患 者的实用性以及设计的简易性，本康复训练机器人设计选用端部结构。 机械结构系统一般由基座、手臂、末端操作器三大件组成。工业机器人的串联机构虽然具有很好的灵活性，但应用于康复训练就显得比较笨重，控制复杂，成本也较高，只能实现四种模式中的部分模式或功能，同时，串联或部分关节串联的机构，其逆向运动存在多解性，因此从原理上，这１０第二章三自由度康复机器人系统设计方案种结构不适合于病人的主动训练模式，且在对病人进行被动治疗时还很容易发生手臂脱臼等二次伤 害。针对康复训练的特点，机械臂的设计采用并行连村：机构，连杆机构示意图如图２一ｌ所示。Ｃ，入、／＼Ａ 手柄Ｉ ，Ｚｉ 图２．１连杆机构示意图其中，ＤＥ＝ＡＦ，ＡＥ＝ＤＦ，ＥＤ＞ＣＥ，点Ａ始终位于Ｃ点与Ｂ点的连线上。在平行四边形ＥＤＦＡ 的任意位置，点Ｃ、Ａ和Ｂ始终位于一直线上。当ｃ点Ｉ司定，Ａ点在图示平面沿一给定曲线运动时， 位于直线ＤＢ上的一点Ｂ画出一相似的曲线图形。其相似比例系数ｋ＝ＣＤ／ＣＥ。当Ａ点固定，Ｃ点 在图示平面沿一给定曲线运动时，位于直线ＣＢ上的一点Ｂ画出方向相反、一相似的曲线图形，其相… 似比例系数ｈ＝ＤＥ／ＣＥ。由以上分析可知，机器人操作手柄的运动速度以及位移（水平、垂直）数倍 于（水平运动、垂直运动）滑块的速度及位移，倍数由长连杆和短连杆的艮度比决定，这个数值一 定大于１，其中，当滑块Ａ水平伸缩运动时，若运动位移为■，则操作手柄Ｂ运动位移为Ｘｏ＝红， 当滑块Ｃ垂直上下运动时，若运动位移为２。，则操作手柄Ｂ运动位移为ｚ。＝ｈｚ，。 通过分析，此机构为一个增速机构，优点是易丁控制、机构轻巧，控制两个点就可以让机械臂 在一个范围很大的二维空间内运动，同时，此结构克服了连杆机构传动比不恒定的不利影响，传动 比完全由杆长确定。 在本三自由度康复机器人设计中，滑块Ａ由电机ｌ控制，当电机１转动时，将带动丝杠１作相 应的转动，通过与螺母作啮合运动，实现从旋转剑直线的运动变换，从而带动滑块Ｄ垂直向上或向 下作移动运动，并由小连杆驱动滑块Ａ水平向前或向后作伸缩运动。滑块Ｃ由电机２控制，当电机 ２转动时，将带动丝杠２作相应的转动，通过与螺母作啮合运动，实现从旋转到直线的运动变换， 从而带动滑块Ｃ垂直向上或向下作移动运动。设在ｔ时刻，丝杠１转速为０）Ｉ，，转动角度为只，五为丝杠１导程，互。为滑块Ｄ运动的位移；毛为滑块Ａ运动的位移，它由五。决定，令薯＝ｆ（ｚｊ’）；丝杠２的转速为哆，转动角度为岛，五为丝杠 ２导程，互为滑块Ｃ运动的位移。则有刁＝五鼠＝石ｑ， ｚ，＝瓦岛＝正哆，根据连杆机构的传动比，于是：（２．１） （２．２）东南大学硕上学位论文ｘｏ＝红＝可（互）＝ｋｆ（Ｔｔｃｏｔｔ） ｚ。＝办正幺＝ｈＴ２ｃ０２ｔ（２．３）（２．４）另外，在本设计中，机器人的水平旋转运动通过电机３驱动滚动轴承得以实现， 设滚动轴承转 速为鸭，ｔ为转动时间操作手柄转动角度为∥，则∥＝ｔ０３ｔ（２．５）根据式（２．３）、式（２．４）、式（２．５）可知，机器人三自由度方向的运动互不影响，运动解藕，不存在 多个逆解的问题，控制方便。 目前一般用于康复的机器人只能实现机器人自主完成的康复训练方案，而被动训练模式下应当 有医生的参与指导，针对此特点，此机器人设计采用主、从双边结构，主从边采用机械藕合的方式， 由滑块、小连杆实现，可以实现有医护人员参与的康复训练方案，也可以实现由机器人自主完成的 康复训练方案。本设计三自由度康复训练机器人结构视意图如图２―２所示。电村Ｌ２滑块ｃ图２．２三自由度康复训练机器人结构视意图 主要由机械臂、手柄、位置传感器、力传感器、离合器、接近开关、丝杠、滑块机构及伺服电 机和底座构成１２５ｌ。分为主边和从边两部分，结构和运动完全对称，保证处于主边的医护人员能准确、 直接地体会患者感觉，便于医生直接指导或参与病人的康复训练。训练时，受试者将手放在机械臂 的一端的手柄上，在机器人的牵引下进－ｉ－？ｉ）ｌｌ练。通过控制离合器，可以使丝杠与伺服电机分开，从 而完成主动训练和被动训练的切换。当离合器脱开的时候，可以由医生牵引主动杠杆，从而带动患 者运动训练。当离合器吸合时，系统中的三个自由度通过三个伺服电机控制，每个电机控制一个方 向上的运动。其中，机器人的水平伸缩运动通过电机１带动丝杠转动使得滑块运动得以实现，最大 运动范围为ｏ￣１８．６ｃｍ；机器人的上下移动运动通过电机２带动丝杠转动使得滑块运动得以实现，最 大运动范围为３５．２ｃｍ；机器人的水平旋转运动通过电机３驱动滚动轴承得以实现，最人运动范围为 ０，－－３６０。，这三个方向的运动互不影响，便于控制，运动范围及可控性满足系统设计要求。丝杠的末 端安装了光电编码器，实时检测机械臂的运动情况。通过对三个电机的协调控制可以实现空间内三１２第二章三自由度康复机器人系统设计方案个自由度上的复合运动、从而实现患者上肢的多个方向的运动，例如屈伸、抬举、摆动等。这样就可以充分活动患者的肘关。饥肩关节、腕关节。相对于现有的技术而言，本机构具有结构简单、控制准确、能够实现多种训练模式并且切换方便、运行安全可靠的优点。２．２．２机器人运动学分析】．运动学分析的意义 机器人的运动控制实际上就是控制各关节驱动电机的运动，使各关：书的运动相互协调，以实现 末端执行器在空间中按一定的路径运动。为了控制机器人的末端执行器按照规定路径、速度运动， 必须弄清各关节角及其随时间的变化情况和末端位姿及其随时间变化情况之间的关系。运动学数学 建模的过程就是为求解机器人从关节空间剑末端直角坐标空间的映射与逆映射的过程。建立两个空 间之问的正确映射关系可以计算出各关‘１了运动在任意时刻时机器人末端的位姿，通过预先计算出末 端执行器沿某一特定轨迹运动时相应的各个关节角度值，就可间接地通过控制关节旋转来实现末端 的规划路径。 ２．运动学分析 如图２．３所示为投影到空间坐标系的三自由度康复机器人。图２．３康复机器人的运动学简图 其中，ｏ点为坐标系的原点，此点为机器人位置复位时滑块Ｂ的位置点，Ｚ轴是沿丝杠２方向 箭头向上的直线，ｘ轴是机器人位置复位时沿导轨箭头指向手柄方向的直线，Ｙ轴是ｘ轴在水平面 顺时针旋转９０。得到的直线。Ｐ点为操作手柄的位置点，ｌ。为位置复位时Ｐ点在ｘ轴的分量长度，为 操作手柄不可伸缩的长度，ｌ，为位置复位时Ｐ点在ｚ轴的分量长度，为操作手柄上下不可移动的长 度，ｄ，为操作手柄伸缩的长度（变量），ｄ：为操作手柄上下移动的长度（变量），１３为操作手柄水平旋转 的角度（变量），操作手柄位置点Ｐ（装有力传感器）在三个电机的驱动下做出所要求的轨迹。 由图中运动关系可得运动学正解，如式（２．６）所示：４＝（，ｌ＋ｄ，）ｃｏｓ＃耳＝（毛＋ｄ１）ｓｉｎｆｌｚＰ＝１２＋ｄ２ （２．６）东南大学硕上学位论文式（２．６）可表明在给定ｐ、ｄ，、ｄ：的情况Ｉ－、机器人操作手柄在基础ｌ一＾＂－－小一ｕ。阻．ａ－－置Ｊ。∥一胁妻碣＝扛■可～‘ｄ２＝ｚＰ―１２ （２．７）式（２．７）表明在基础坐标系上给定机器人操作手柄的位置情况下，各自由度上的运动参数是唯一‘确定的。 式（２．６）、（２．７）｜｜－Ｉ为机器人的运动轨迹规划控制提供理论设计参数。 结合式（２．３）、（２．４）、式（２．５）、式（２，６）ｕ－Ｙ知ＸＰ＝（‘＋矿（互ｑ”ｃｏｓ夕 耳＝（‘＋ｋｆ（Ｔｌｑ））ｓｉｎＰ 乙＝厶＋办瓦岛因此，ｆｔ． （２．８）∥…哇ｑ：驾ｆ－，４Ｘｐ２掣＋Ｙｐ２－ｌ，反：兰ｄ２（２．９）ｈＺ在本设计中，为了控制操作手柄的速度和位置、在每个自由度方向上安装了编码器，其中在水 平伸缩、上下移动两个方向，编码器分别安装在丝杠１、丝杠２的木端，在水平旋转方向，编码器 安装在滚动轴承旁边，通过皮带与滚动轴承相连。据上分析可知，要控制好操作手柄按规定轨迹进 行运动只要控制好三个电机的运动。２．３安全性设计由于康复机械人直接对患者的肢体进行操作，而且相对于健康人手臂来说，患者患肢感觉能力 差，部分控制功能缺失，更容易受到损伤，所以康复训练机器人在保障患肢安全性方面要求很高。 针对这一要求，系统在硬件和软件上都做了保护措施，其主要表现为机器人的结构设计和控制系统 的没计。 在结构设计上，牵引机构的运动空间不能与患者的运动空间发生干涉，并且不能对患肢产生过 大的拉扯力。在控制系统的设计中，在软件上，每次训练都会预设一个运动范围，防止转动角度过 大而对患者造成二次伤害，同时机器人不仅要能根据患者康复的具体情况提供动力或者阻力，而且１４第二章三自由度康复机器人系统殴计方案要随时监控患者患肢的受力情况，实时作出调整。 １．位置保护 在康复机器人工作的过程中，为了使关节不超过自身的运动范围，进行位置保护是很有必要的，这 里采用硬件和软件相结合的方式米实现。 机械臂控制轴上安装的霍尔开关作为限位开关用来检测其极限位置，结合设计中安装的增量式 光电编码器为机器人控制轴的相对位置定位，在硬件上确保机器人输出轴不超过其行程范围，并将 机器人的工作空间限制在患者可以接受的范围内。当驱动器带动机器人臂到达设定的极限位置时， 产生极限位置信号，从而实现病肢的硬件保护。 ２．力保护 与患者的患肢进行接触时，为了避免末端与人手臂的接触力过大或相互碰撞而拉伤患肢，在进行 位置保护的同时必须采取力矩保护措施。根据具体的作业任务设定末端作用力的允许范围，在保护 系统中判断力传感器信号是否在该范围之内，从而实现机器人的力保护。２．４驱动方式的选择驱动部分是机器人系统的重要组成部分，机器人常用的驱动方式可分为以下ＪＬ类ｔ２６］：（１汽压驱动使用压力通常在０．４～０．６Ｍｐａ，最高可达ｌ Ｍｐａ。气压驱动主要优点是气源方便（一般工厂都由压缩空气站供应压缩空气），驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶 劣的环境中工作。气压驱动的缺点是功率质龟比小，装置体积人，同时由于空气的可压缩性使得机器人在 任意定位时，位姿精度不高。适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。 （２瑚ｅ压驱动液压驱动系统用２～５Ｍｐａ的油液驱动机器人，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱 动平稳，且系统的同有效率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很人范闱内实现无级调速。 用电液伺服控制液体流量和运动方向时，可以使机器人的轨迹重复性提高。液压驱动的缺点是易漏油，这 不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用１二要求输出力较大，运动速度较低的场合。 （３）电气驱动电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由 电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响 应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱 动已经成为最普遍，应用最多的驱动方式，９０年代后生产的机器人大多数采用这种驱动方式。 由于手臂康复训练机器人的驱动负载小，要求结构简单、易于控制，所以选用了电气驱动方式。机械 人的驱动装置选用具有体积小、重量轻和良好的控制性等特点的直流伺服电机，它通过电机轴与减速 器配合，将电机的旋转运动传递到机械臂，减少了功率损耗。选用电气控制方式，使得整个系统具有结构 紧凑，成本低廉，操作方便等优点，适合于康复训练机器人。２．５计算机控制系统结构的设计机器人控制系统是机器人信息处理和控制的主体，其设计好坏将决定机器人系统的整体行为和 性能。机器人控制系统按其控制方式可分为三类。１５东南大学硕士学位论文１．集中控制方式 用一台微型计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，而且，控制系统不 易维护。 ２．主从控制方式 采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主ＣＰＵ实现管理、坐标变换、轨迹生成和系 统自诊断等；从ＣＰＵ实现所有关：肖的动作控制。主从控制方式系统实时性较好，但其系统扩展性较 差。 ３．分布式控制方式 目前普遍采用这种上、下位机二级分布式结构。上位机负责整个系统管理及运动学计算，轨迹规划等； 下位机由多ＣＰＵ组成，每个ＣＰＵ控制一个关－｛了运动。这些ＣＰＵ和主控机通过总线形式相联系。这种 结构控制器的Ｔ作速度和控制性能明显提高。 由于本康复训练机器人的三个自由度分别用三个直流伺服电机驱动，所以在选择控制方案时， 采用多ＣＰＵ结构（如图２．４所示）。上位机（本文采用Ｐｃ机）通过串行通信接口与下位机（Ｃ８０５１Ｆ３１０ 主单片机）进行通讯，上位机负责整个系统管理及用户界面设计，可以实现康复训练机器人的远程在 线控制，进行训练效果监测，下位机为主从分布式设计，主单片机接收到上位机的控制信息后，通 过ＳＰＩ通信将控制信息传送给从单片机，三个从单片机接受主单片机机的控制指令分别控制三个电 机的运动速度和位置。。Ｉ釜Ｈ函ｉ¨可萃俸主 单 片 机刻｛｝一 善Ｈ竺兰竺堂图２＿４控制系统示意图１６蛩Ｉ－医忑磊订一ｌ２．６本章小结本章介绍了机器人机械结构，通过对三自由度康复机器人系统的需求分析，选择了一套适合本 系统设计要求的方案，为后续设计指明了设计方向和目标。第三章控制系统硬件设计第三章控制系统硬件设计３．１引言控制系统用来对手臂康复训练机器人的运动速度、位置及力进行控制，控制系统按其控制方式 主要有集中控制、主从控制和分布式控制二种。由于分布式控制的实时性好，易丁实现高速、高精 度控制，所以本手臂康复训练机器人的控制系统采用上、下位机分布式控制结构。３．２硬件系统总体设计本三自由度康复机器人控制系统硬件总体框图如图３－１所示。ＳＰＩ／单片机、――＇光耦 隔离 电路■电机 驱动 电路Ｉ －一由加Ｉ－２减速器Ｌ＋＼／（从机１）Ｊ Ｌ Ｊ总线上位置 ，速度测量键／ｔ一卜ＲＳ． ＰＣ ２３２Ｃ盘力传感器单 片 机（ＳＰＩ机／一 、． ｈ、 ／机／＾单片机（从糊．２） 、…Ⅳ－ －，Ｌ▲＼～ ／――’光耦 隔离 电路――■电机 驱动 电路－２电机２士位置 ／速度 测量悻减速器――■总线Ｊ器主 机）ｒ液 晶’Ｊ显人力传感器不电机 驱动 电路 减速器――ＳＰＩ 一、～ ／单片机 （从机３）Ｊ――■光耦 隔离 电路■■电机３―嘈――◆总线Ｌ Ｊ上位置 ／速度 测量力传感器图３―１机器人控制系统硬件总体框图 上位机主要负责进行网络通讯、存储病例数据、以及完成人机界面等；下位机为主从分布式设 计。上位机通过ＲＳ．２３２Ｃ接Ｅ１与下位机进行串口通讯。下位机主、从机均选用Ｃ８０５ＩＦ３１０单片机，主１７东南人学硕士学位论文机设有键盘以及液晶显示。通过ＳＰＩ高速总线通信，主机将上位机传过来的控制信息传送给从机，从 机再根据传过来的控制信息，驱动直流伺服电机，对电机进行速度、位置控制。 三自由度康复训练机器人的硬什控制系统主要包括电源模块、人机接口模块、通讯接口、功放 及电机驱动模块、位置传感器与检测电路设计、力传感器及其信号检测电路设计等。３．３电源及抗干扰措施在本电源设计中，为了抑制干扰，电源输入端加入去耦滤波器，它由一个大容量的电解电容器 和一个小容量的高频电容并联组成。其中，电解电容提供低频去耦通道，小容量电容提供高频玄耦 通道。对于接地来说，遵循的原则是：各电路接地线应尽可能短而粗，以使地电位不随电流变化而 变化，从而提高系统的抗干扰性能；电平低的电路应距地最近，以减少地电位的影响；数字地线和 模拟地线分开。同时，将电源系统中的不同地采取了隔离，模拟地与数字地之间用铁氧体磁珠单点 相连。在本三自由度康复机器人系统中，单片机用３．３Ｖ供电，编码器、霍尔开关等用５Ｖ供电，电机 驱动用至ｌＪ２４Ｖ电压。同时，力传感器输出的信号需放大，ＡＤ６２０和ＴＬ０８４都必须采用正负电源供电， 本设计采用的是＋１２Ｖ电源。因此，在设计中，选用了输入为交流２２０Ｖ电压，输出为直流＋２４Ｖ和 ＋１２Ｖ电压的开关电源。再将２４Ｖ进行调理，使得输出有５Ｖ、３．３Ｖ。电源设计可以分为两种：一是 集成电源模块设计；二是采用电源芯片设计。电源模块能从市场上可以直接采购，且技术相对而言 比较成熟，实现起米较为方便；而采用电源芯片进行设计，电路调试较电源模块而言难度较大。 在２４Ｖ－５Ｖ设计中，考虑更多的是系统整体功能的实现，因此选用了专用电源模块，虽然价格偏 高，但是能：１了省开发时间，选用的是北京星源丰泰有限公司的ＤＣＤＣ模块：２４Ｓ０５实现。只需配以由 极少个电容组成的外围电路即可使用，输出稳定。其最人电流为４Ａ，满足系统设计要求。具体电路 连接图如图３．２所示。Ｐｌ咖４ｙ～仁 删，ｌｆ仁Ｘ―ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ＤＣ￡ＵＣ ＰＧｌｑＤＶＩＮ２４Ｖ图３．２ ＤＣ．ＤＣ模块电路连接图 ＤＣ－ＤＣ隔离电源模块不仅能够实现电压大小的转变，与普通的线性降压型的电压模块相比，它 转换效率可高达９０％以上，大大减小无谓的发热量，有效降低系统功耗。还有一个很重要的好处是， ＤＣ―ＤＣ隔离电源模块实现了输入电压和输出电压对地的完全隔离，这样能大大提高系统的抗干扰能 力。 后续电路使用ＬＭｌ １１７得到３．３ｖ电压，如图３．３所示。ＬＭｌ １１７．３＇３是一种低压线性稳压器，将５Ｖ 直流变为直流３．３Ｖ供Ｃ８０５１Ｆ３１０使用。１８第三章控制系统硬件设计ｍＤＧＮＤＤｌ、‘ｌＤ、图３．３ ＬＭｌｌｌ７．３．３Ｖ电源设计３．４人机接口模块的设计人机接ＶＩ模块设计包括键盘接ＶＩ电路设计以及液晶显示模块的设计。在设计中加入键盘和液品 显示，主要是为了调试以及设计功能更为简单的社区康复机器人。３．４．１键盘接口电路设计键盘是若干个按键的集合，是单片机应用系统最常用的人机接口，操作人员可以通过键盘输入 数据和命令。在本设计中采用的是非编码键盘ｌ”１。非编码键盘常采用矩阵的连接方式，根据实际需 要采用４Ｘ４阵列，共有１６个键。如图３―４所示。产．！矿畜ｉ 。！矿畜ｊ产一！看驽一ｉｒ―＿ｏ产．１醇５尚ｉ．｝６舟ｉ｛酽％ａ ．！酽畜ｉＰ”ｒ―＿ｏｏ一Ｏ―一Ｐ” Ｐ” Ｐ¨ｏ一 ｏ―，―＿ｏｒ―＿ｏｒ―＿ｏｏ―图３．４ ４×４键盘接口电路 其中ＪＰ的１脚ｇＩ；！＋５Ｖ电源相连接，２、３、４、５脚分）ｊｌＪｇ艮主单片机Ｃ８０５１Ｆ３１０的Ｐ１．１、Ｐ１．２、 Ｐ１．３、Ｐ１．４脚相连，６、７、８、９脚分别与主单片机Ｃ８０５１Ｆ３１０的Ｐ３．１、Ｐ３．２、Ｐ３．３、Ｐ３．４脚相连。 设计中，Ｐ０．Ｐ９为数字键ｏ￣９，ＰＩＯ为小数点键，Ｐｌ １．Ｐ１５为功能键，其中Ｐｌｌ为从机选择设置键、 Ｐ１２为模式／速度／位置设置键、Ｐ１３为同车键、Ｐ１４为启动键、Ｐ１５为停止键。１９东南大学硕上．学位论文键盘处理程序实现对键盘的管理，它的主要任务是： （１）确定是否有键按下。首先主单片机向行扫描Ｖ１ＰＩ．Ｉ－Ｐ１．４输出全为０的扫描码，然后从列检测 ＥＩＰ３．１－Ｐ３．４输入列检测信号，只要有一列信号不为ｌ，则表示有键按下。接着就查出按下键所在行、 列的位置。 （２）当有键按下时，则对键进行键译码，找出按下的是哪个键；当无键按下时，即返回。单片机 首先使Ｐ１．１输出为０信号，Ｐ１．２、Ｐ１．３、Ｐ１．４输出为１信号，接着检夯输入的列检测信号，若为全ｌ， 则表示不在第一行。然后使Ｐ１．２输出为０信号，Ｐ１．１、Ｐ１．３、ＰＩ．４输出为ｌ信号，再读入列信号……。 这样逐行发０扫描码，直剑找到按下键所在的行，将该行扫描码取反保留。若各行都扫描以后仍没有 找到，则返回。 （３）当按下的是功能键，即转到对应的键服务程序；如按下的是数字键，便送显示缓冲单元。 （４）去抖动。按键从开启到闭合稳定，或者从闭合剑完全打开，总要有数毫秒的弹跳时间（即抖 动）。弹跳将引起按一次键被多次输入的误操作。为此，在键盘处理程序中，必须设法去除抖动。可 以采用延时的办法，也可以采用硬件去抖动电路，在本设计中采用延时的办法。当发现有键按下时， 不立即进行行扫描，而是延时ｌＯｍｓ后再进行。 键｛｛；ｃ扫描程序框图如图３．５所示。图３―５键盘扫描程序框图 因为是多分支，所以功能散转程序用ｓｗｉｔｃｈ语句来实现。按下不同的功能键，就用不同的功能子 程序。在主机主程序中，当初始化结束后，就调用功能散转程序子程序，若有功能键按下，如按下２０第三章控制系统硬件设计模式／速度／位置信息设置键，则调川模式／速度，位置信息设置子程序，在模式／速度／位置信息子程序中， 第一次按下模式／速度／位置信息设置键，调用模式设置子程序，输入相应的模式，例如输入Ｏ表示被 动模式，输入１表示主动模式等，再按模式／速度／位置信息设置键，调用设置速度子程序，按先十位 再个位的顺序输入控制速度信息，以此类推，直至模式、速度、位置信息全部设置完成，再按，退 出模式／速度／位置信息没置子程序；如按下从机选择设置键，调用从机选择设置子样序。根据按下的 功能键不同，分别调用其他的功能子程序。３．４．２液晶显示模块设计在设计中，系统的显示装置选用由内置Ｔ６９６３液晶显示控制器组成的ＴＸ．Ｇ２４０１２８Ｂ点阵式液 晶显示模块。它不但可以显示数字、字符、而且可以显示汉字及图形曲线。该液晶为２４０＂１２８点阵， 可以显示３０行４８０个字符。 ＴＸ．Ｇ２４０１２８Ｂ液晶显示模块与单片机的连接方式通常有两种：直接访问方式和间接控制方式。 直接访问是把内置Ｔ６９６３Ｃ控制器的液晶显示模块作为存储器或者Ｉ／Ｏ设备直接挂在单片机的总线 上。模块的数据线接单片机的数据总线上，片选及寄存器选择信号由计算机的地址总线提供，读和 写操作由单片机的读写操作信号控制。间接控制方式是与单片机中某个并行Ｉ／Ｏ接口连接，单片机 通过对该Ｉ／Ｏ接口的操作间接地实现对模块的控制。 在本设计中，主单片机Ｃ８０５１Ｆ３１０通过并行接口间接实现对液晶显示模块控制。如下图３－６所 示，主单片机Ｃ８０５１Ｆ３１０的Ｐ２口作为数据总线，引脚接上拉电阻，同时设置成开漏输出方式。Ｐｌ 口中Ｐ１．５、Ｐ１．６、Ｐ１．７二位分别作为弓、读及寄存器选择信号。由于并行接口只用于液晶显示模块， 所以ＣＥ信号接地就行了。为ＰＩＨ图３－６ＴＸ．Ｇ２４０１２８Ｂ与主单片机Ｃ８０５１Ｆ３１０的接口电路 液晶显示模块编程的过程是：首先编制出状态查询、写指令、写数据、读数据等子程序，然后 编写出设置当前地址、清屏等基本子程序，在此基础上编写出显示字符、数字、汉字显示函数。每 条指令的执行都是先送入参数，再送入指令代码。在调试过程中发现，在编写液晶显示程序时，必２ｌ查堡盔兰堡：竺堂垡笙茎‘须严格按照液晶显示器的读写时序。 液晶显示器的接口时序如图３．７所示。Ｃ／ＤＣＥ――、厂一 ＲＤ，ＷＲ――、／－一图３．７接口时序 示数据时向显示模块自动读写数据的程序流程图如图３－９所示。ＤＯ．７――――（二二二＞―一ＣＰＵ向Ｔ６９６３控制器写入每一条指令和数据之前必须先进行状态监测、方式如图３－８所示。显图３．８指令写入流程图图３－９自动读写操作的流程图第二三章控制系统硬件设计３．５通讯电路的设计在三自由度康复训练机器人的控制系统中，ＰＣ机和主单片机之问存在一个数据通讯问题，这种 通讯常常是利用ＰＣ机的串行口和主单片机的ＵＡＲＴ串行口实现的，它们之间是一种串行数据通信。 目前，串行通信接Ｅｌ通常有ＲＳ．２３２Ｃ，ＲＳ．４２２Ａ／４２３Ａ和２０ｍＡ电流环３种接口标准。我们选择 的ＰＣ机配置的是ＲＳ．２３２Ｃ标准接口。 ＲＳ２３２－Ｃ是美国电子工业协会ＥＩＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｄｕｓｔｒｙＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）制定的串行接Ｅｌ标准，目前被广泛应用于３０米距离以内的计算机系统间进行信息传送，信号传输速率可达２０ｋｂ／ｓ。它既是一种 电气标准，又是一种物理接口标准。 鉴于Ｃ８０５１Ｆ３１０单片机串行口ＴＸＤ，ＲＸＤ均为ＴＴＬ电平，而ＰＣ机配置的是ＲＳ．２３２Ｃ标准串行 接口，ＲＳ．２３２Ｃ规定的逻辑电平与一般的微处理器、单片机的逻辑电平不一样。所以在实际应用时， 必须进行电平转换．这种转换是由专门的电平转换芯片来实现的。在标准的ＲＳ．２３２Ｃ串行通讯接口电 路中常用的集成芯片有ＭＡＸ２０１，ＭＡＸ２３２等，本文采用的是ＭＡＸ２３２芯片。ＭＡＸ２３２是由ＭＡＸＩＭ 公司生产的、包含两路接受器和驱动器的Ｉｃ芯片，适用于各种ＥＩＡ一２３２Ｃ的通信接口。ＭＡＸ２３２芯 片内部有一个电源电压变换器。可以把输入的＋５Ｖ电源变换成ＲＳ一２３２Ｃ输出电平所需的±１０Ｖ电压。 因此采用此芯片接口的串行通信系统只需要单一的＋５Ｖ电源就可以了。加上此芯片的价格适中，． 硬件接口简单，因此被广泛的采用。采用ＭＡＸ２３２接口的硬件接口电路如上图３－１０所示。ｎＣｎ图３．１０主单片机和ＰＣ采用ＭＡＸ２３２通信连线图 在计算机和主单片机之间的串行通信中，需要制定相应的通讯协议，以保证数据的接收和发送 功能正常有序的进行。 在串行传输中，数据是按位顺序进行传送的，为使接收端能准确的接收到所传输的信息，接收 端必须知道每一位数据的时间宽度，也就是传输波特率；又需要知道每个完整的信息块的起始和同 步。本设计采用的是串行通信中的异步传输方式。异步传输的特点是，一个字符一个字符地传送， 并且每个字符要用起始位和停Ｊｌ＝位作为字符开始和结束的标志。起始位标志一个字符传送的开始，东南大学顿１：学位论文当它出现时，告诉接收方数据传送即将开始。停止位标志一个字符的结束，它的出现，表示一个字 符传送完毕。这样就为通信双方提供了何时开始收发，何时结束的标志。传送开始前，发收双方把 所采用的起止式格式（包括字符的数据位长度，停Ｊ卜位位数，有无校验位以及是奇校验还是偶校验 等）和数据传输速率作统一规定。传送开始后，接收设备不断地检测传输线，看是否有起始位剑来。 当收到一系列的“ｌ’，（停Ｉ｝：位或空闲位）之后，检测到一个下跳沿，说明起始位出现，起始位经确 认后，就开始接收所规定的数据位和奇偶校验位以及停Ｊ卜位。经过处理将停止位去掉，把数据位拼 装成一个并行字节，并且经校验后，无奇偶错才算正确的接收一个字符。一个字符接收完毕，接收 设备有继续测试传输线，监视“０”电平的到来和下一个字符的开始，直到全部数据传送完毕。 为了降低通讯设备之间数据传输的误码率，在数据传输协议中增加了校验码。凡设有校验码的 代码，是由本体码和校验码两部分组成，本体码是表示编码对象的号码，校验码附加在本体码后边。 每一个本体码只能有一个校验码，在本设计中，校验码采用校验和形式，将本体码所有字节相加， 然后将结果截短到８位。校验码的校验原理是：系统内部预先设置根据校验方法所导出的校验公式 编制成的校验程序，当通讯设备全部接收到带有校验码的代码时，系统利用校验程序对接收到的本 体码进行运算得到校验结果之后，再将校验结果与接收到的代码中的校验码进行对比来检测传输的 正确与否。 在本设计中、计算机与主单片机之间的数据传输其协议如下： Ｉ．传输方式： 通信方式：异步串行通信 波特率：９６００ｂｐｓ 奇偶校验：无 数据帧格式：１个起始位，８个数据位，１个停止位 ２．上、下帧格式： 设计中，单片机与计算机之间的通信采用中断方式，每次接收／发送的命令均采用固定的５字节 作为一命令帧，按功能需求、命令帧格式如下列表３．１所示： 表３．１命令帧格式 第１字节 格式 功能码 第２字节 从站地址 第３字节 信息 第４字节 信息 第５字节 校验码下行帧的功能码为００Ｈ．０４Ｈ，为训练模式控制信息，主单片机接收到命令帧后，根据收到的从 站信息，通过ＳＰＩ通信将控制信息传输给相应的从单片机，当从单片机接收到控制信息后，根据功 能码执行相应的功能动作。其中００Ｈ表示被动训练模式，０１Ｈ表示主动训练模式，０２Ｈ表示助力训 练模式，０３Ｈ表示阻尼训练模式。 上行帧的功能码为０ｘ５５和０ｘ６６。其中功能码０ｘ５５表示接受数据正确，０ｘ６６表示接收数据错误， 要求计算机重新发送。 当主单片机接收到数据时，产生ＵＡＲＴ中断，执行中断接收响应程序，并将接受到的数据保存 到数组ｒｒｄａｔａ中，ｒｒｄａｔａ［１］、ｒｒｄａｔａ［２］、ｒｒｄａｔａ［３］、ｒｒｄａｔａ［４］用来保存接收到的数据信息。其中ｒｒｄａｔａ［１］２４第三章控制系统硬件设计是模式控制信息、ｒｒｄａｔａ［２］是从站地址信息、ｒｒｄａｔａ［３］是位置控制信息、ｒｒｄａｔａ［４］是速度控制信息、 ｒｒｄａｔａ［５］奠Ｊ校验码信息。校验码的计算方法是对前４个字节相加，然后将结果截断到８位，得到８ 位校验和。如果主片机接收到的校验码和计算得剑的校验码一致，则表示接收到的数据正确，返回 正确麻答信号（０ｘ５５），如果错误，则返同失败（０ｘ６６），要求计算机重新发送。在编写串行通信部分 的程序时，需注意发送和接收数据的高低位顺序，在本设计中是高字＋．Ｉ卜在前低字。１了在后。 在本系统中，除了ＰＣ机与主单片机之间要进行数据与信息传输外，下位机采用一主多从分布 式设计，主机与从机之间通过ＳＰＩ总线进行通信，ＳＰＩ总线由ＭＯＳＩ，ＭＩＳＯ，ＳＣＫ和ＮＳＳ构成，在 设计中，三个从机分别控制三个自由度，需用到三根片选线，故还需要两个Ｉ／Ｏ引脚用来控制片选信引２８ｉ。其中，ＭＯＳｌ（ＭａｓｔｅｒＯｕｔ，ＳｌａｖｅＩｎ）为主机输出和从机输入线，ＭＩＳＯ（ＭａｓｔｅｒＩｎ，ＳｌａｖｅＯｕｔ）为主机输入和从机输出线，ＳＣＫ（Ｓｅｒｉａｌ Ｃｌｏｃｋ）为串行时钟线，ＮＳＳ为从机片选线。串行时钟线ＳＣＫ 使得数据与时钟同步，由于总线上接有多个ＳＰＩ器件，因此在设计中接上拉电阻。当从机没有被ＮＳＳ 选中（ＮＳＳ＝Ｉ）时，ＳＣＫ信号对该从机没有影响。需要注意的是，主从之间ＳＰＩ通信是由主机控制 的，当主机ＳＰＩ通信开启，并对ＳＰＩＯＤＡＴ写数据时，ＳＰＩ总线传输开始。在本设计中，主从机成功 收发ｌ字节的数据，进入中断相应处理程序。３．７功放及电机驱动模块３．７．１方式选择按照放大原理不同，功率放大器可以分为线性功率放大、开关功率放大和脉宽调制型功率放大 等几种类型。线性功率放人的优点是控制波形失真度小，控制与调节方便。但放大器的效率低，消 耗在功率放人器件上的功率损耗大。开关功率放大只工作在饱和和截止两种状态，管耗几乎为零。 由于无法进行调节，因此一般只适用于驱动继电器、电磁阀和步进电机；脉宽调制型功率放大器采用 准连续线性放大原理，它通过控制导通脉冲的占空比来实现输出信号在一个周期内的平均值与输入 信号成比例。 直流力矩电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑凋速，调速后的效 率仍然很高，在许多需要调速或电机快速正反转的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流力矩电 动机转速和其它参量之间的稳态关系可表示为式（３．１）刀＝一刀：―Ｕ－―／Ｒ天。①（３．１）～ｊ．１，式中旷转速（ｒ／ｍｉｎ）；ｕ一电枢电压（Ｖ）； １一电枢电流（Ａ）；Ｒ－一电枢同路总电阻（Ｑ）；中一励磁磁通（Ｗｂ）； Ｋ。一由电机决定的电动势常数。由上式可以看出，通过调：ｌ了电压、磁通或电阻可以调节电动机的转速，其中变压调速是直流调 速系统的主要方法。ＰＷＭ控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成脉冲列，，气东南大学硕上学位论文并通过控制电压脉冲宽度以达到变压的目的【２９１。采用直流ＰＷＭ调速，可用脉冲宽度调制的方法把恒定的直流电源调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以方便的改变平均输出电压的 大小，以调节电机转速。３．７．２电机驱动电路电机驱动电路是整个机器人控制系统的关键。在直流电机驱动电路设计中，电机要实现止反转 调速，可以采用４个功率元件组成的Ｈ桥电路或者继电器＋半导体功率器件组成的驱动电路，在设 计初期，驱动电路采用经典的Ｈ桥正转／逆转驱动电路。考虑剑大功率的Ｈ桥集成电路芯片种类很 小，价格也很昂贵。因此，设计初期Ｈ桥电路的驱动原件采用功率ＭＯＳＦＥＴ。功率ＭＯＳＦＥＴ导通 时的损耗很小，开关速度较快。 ＰＷＭ放大器中的功率管选择原则与线形放大器不同，由于其工作在高频开关状态，动态开关 损耗比较人，一般要求选用截止频率比较高的功率ＭＯＳＦＥＴ，以降低开关功耗。另外，由于工作频 率高，线路分布电感及杂感的影响较大，可能会引起较高的尖峰电压，因此，在设计电路时，一方 面要尽量合理布线并选择适当的电路结构，以降低电感、杂感：另一方面，要选择耐压值高的功率 ＭＯＳＦＥＴ。Ｐ沟道功率ＭＯＳＦＥＴ的品种很少，价格较高，电学性能也不如Ｎ沟道ＭＯＳＦＥＴ。比如Ｎ 沟道ＭＯＳＦＥＴ ＩＲＦＺ４８Ｎ的导通电阻仅为１４毫欧，而其互补型ＭＯＳＦＥＴ的导通电阻比ＩＲＦＺ４８Ｎ的 导通电阻大一到两个数量级，因而在使用ＰＷＭ信号对电机进行调速控制时，Ｐ沟道ＭＯＳＦＥＴ发热 量比Ｎ沟道的ＭＯＳＦＥＴ要大得多，冈此，设计初期，电机驱动Ｈ桥四个ＭＯＳＦＥＴ全部采用Ｎ沟 道ＭＯＳＦＥＴ ＩＲＦＺＡ８Ｎ，驱动电路图如图３．１１所示１３０】。ＶＣ亡２●ｐＶ，ＭｌｐＷｌＤＶ１―１一 ｋＤｌ一ｐ３―＿１三ｌｋｋＣｍ＂。石、ｙ啊衄‘‘。‘‘。。。。。。。一ＶｙＢ１ｐＶ，１ｎＩⅥ一ｐ２一ｐ―－１兰、Ｍ图３．１１ Ｈ桥电机驱动电路 ４个开关管分为两组，Ｖ１、Ｖ４为一组，Ｖ２、Ｖ３为一组。ＰＷＭ２为ＰＷＭｌ的反向信号，在每 个ＰＷＭ周期里，当控制信号ＰＷＭＩ高电平时，开关管Ｖ１、Ｖ４导通，此时ＰＷＭ２为低电平，因 此ｖ２、Ｖ３截至，电枢绕组承受从左到右的正向电压；当控制信号ＰＷＭｌ低电平时，开关管Ｖｌ、 Ｖ４截至，此时ＰＷＭ２为高电平，因此Ｖ２、Ｖ３导通，电枢绕组承受从右到左的反向电压；电枢绕 组所受的平均电压取决１－－ＰＷＭＩ高电平占空比ａ大小。当ａ＝０时，电动机反转，且电机转速最大； 当ａ＝１时，电动机正转，且电机转速最大；当ａ＝１／２时，电动机不转。表３．２是驱动电路中输入 信号与电机运行状态之间的关系。从表中可知，电机可以实现止反转。第三章控制系统硬件设计表３．２输入信号与电机的运行状态的关系 输入一 百１了 ＰＷＭｌＨ Ｌ『！ｆ口场效应管 电机ＭＯＳ（Ｎ）ｉ ＭＯＳ（Ｎ）２ ＭＯＳ（Ｎ）３ ＭＯＳ（Ｎ１１４ＰＷＭ２Ｌ Ｈ导通 关断关断 导通犬断 导通导通 关断止转 反转设计中，ＰＷＭｌ和ＰＷＭ２是经光耦隔离后幅值为２４Ｖ的脉宽调制信号，经过实际运行及实验 观察，发现当电路在设计要求所在的电压２４Ｖ时，功率器件发热量比较厉害，运行一段时间后会烧 坏，满足不了系统可靠性的要求。在Ｈ桥电路中，要求同一桥臂上的两个功率ＭＯＳＦＥＴ多工作在 反向状态下，即当一个导通时，另一个就关断。理论上这是没有问题的，但实际上功率ＭＯＳＦＥＴ 的导通、关断是有延时的，且关断延时一般比开通延时长１３¨，而且得到的ＰＷＭ波形不会是我们理 想的波形，总是有一定斜坡的，这就产生了问题，即当功率ＭＯＳＦＥＴ开关信号跳变时，原来关断的 功率ＭＯＳＦＥＴ将很快开通，而原米导通的功率ＭＯＳＦＥＴ却不能立即关断。结果，在这一瞬间同一 桥臂上的两功率ＭＯＳＦＥＴ处丁同时导通状态，形成短路，并可能损坏功率ＭＯＳＦＥＴ。因此，必须 使控制信号由低变高的过程中延时一段时间，以免造成桥臂直通。同时，一般场效应管的最高栅源 承受电压为２０Ｖ左右，而本设计电路中栅源最高电压为２４Ｖ，超过了其承受范围，所以在本设计电 路需要改进，可以从改善ＰＷＭ波形、开通延时、保让栅源承受电压不能超过２０Ｖ方面考虑，这样 就大大增加了电路设计的难度。 综合考虑，决定采用继电器＋半导体功率器件组成的驱动电路，继电器有着电流火，工作稳定 的优点，可以大人简化驱动电路的设计，同时满足系统设计可靠性、稳定性的要求。设计中采用继 电器控制电流流向来控制屯机正反转，而单个的特大电流场效应管ＩＦＲ３２０５来实现ＰＷＭ调速， ＩＦＲ３２０５的导通电阻仅为８毫欧。驱动电路图如下图３．１２所示。芎图３―１２继电器＋半导体功率器件组成的驱动电路 其中，Ｄ１ｌ、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４为续流二极管，可以消除电压尖峰。另外，在电机两端还可以并 接一个小电容，对降低电机两端的尖峰电压有一定的好处。但本电路使用的是ＰＷＭ调速，故电容 容量不能不宜过大，在实际电路设计中，在电机两端并接了１０３电容。ＰＷＭｌＢ其高电平为１２Ｖ，东南大学硕：Ｌ学位论文满足栅源最高电压不能超过２０Ｖ的要求，用来控制电机转速。当ＰＷＭｌＢ高电平占空比ａ＝０时，电 机转速为０。若ａ不为零时，当Ｍ１１＝０、Ｍ１２＝０时继电器Ｊｌｌ、Ｊ１２都动作，电机制动；当ＭＩ１＝０、Ｍ１２＝！时，继电器Ｊ１１动作、Ｊ１２不动作，电机正转，随着占空比ａ的增大，电机转速逐渐增大； 当Ｍ１１＝０、Ｍ１２＝Ｉ时，继电器Ｊ１１不动作、Ｊ１２动作，电机反转，随着占空比ａ的增大，转速逐渐 增大；当Ｍ１１＝１、Ｍ１２＝Ｉ时继电器Ｊ１ｌ、Ｊ１２都不动作，电机处于释放状态；在实际运行中，电机 运行稳定，满足系统设计要求。３．８位置传感器与检测电路设计３．８．１光电编码器原理及其电路设计１．光电编码器原理 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的 圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机 同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号；通过计算每秒光电编 码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 ９０。的两路脉冲信号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度 方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。本设计采用海德 （ＨＥＤＳＳ）ＩＳＣ３００４．００１Ｅ．５００Ｂ．５．１２Ｅ增量式编码器，此编码器体积小，重量轻，结构紧凑，安装方便、供 电电压为５Ｖ，每转产生５００个脉冲。 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲Ａ、Ｂ和Ｚ相；Ａ、Ｂ两组脉冲相位 差９０。，从而可方便地判断出旋转方向，而ｚ相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原 理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。 ２．光电编码器鉴相计数电路７１１Ｊ１｜３图３．１３光电编码器鉴相计数电路 光电编码器鉴相计数电路如上图３．１３所示。设计中，光电编码器通过橡皮带与被测轴连接，将２８第三荦控制系统硬件设计角位移转换为Ａ、Ｂ两路脉冲信号。 当光电编码器逆时针旋转时，如下图３．１４所示，Ａ相脉冲超前Ｂ相脉冲９０。，Ｄ触发器输出 Ｑ（波形ＷＩ）为高电平，石（波形ｗ２）为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过（波形Ｗ３）， 送至般向计数器７４ＬＳｌ９３的加脉冲输入端ＣＵ，进行加法计数；此时，－卜面与非门关闭，其输出为 高电平（波形Ｗ４）。当光电编码器顺时针旋转时，通道Ａ输出波形比通道Ｂ输出波形延迟９０。， Ｄ触发器输出Ｑ（波形Ｗ１）为低电平，石（波形Ｗ２）为高电平，上面与ｔ＃－ｆ－Ｉ关闭，其输出为高电 平（波形Ｗ３）；此时，下面与非门打开，计数脉冲通过（波形Ｗ４），送至双向计数器７４ＬＳｌ９３的 减脉冲输入端ＣＤ，进行减法计数。Ａ厂］广］厂］广］ Ｂ厂］厂］广］厂］图３．１４光电编码器输出波形 在本设计中，计数电路用３片７４ＬＳｌ９３组成，在系统上电初始化时，首先对机器人位置进行复 位，在位置复位后对计数器电路进行初始化设置，将ＣＬＲ＝０，此时计数值设为０，同时使Ｐ０７＝０，电 机顺时针旋转，计数值增人，计数电路的输出范围为０～４０９６，当电机反转时，计数值减少；计数 电路的数据输出Ｄ０～Ｄ１１送至从单片机进行数据采集及处理。３．８．２霍尔开关霍尔开关具有无触点、低功耗、使．辟ｊ寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化， 所以能在各类恶劣环境下可靠的－Ｔ作．霍尔开关可应用于接近开关。 在本系统设计中，为了确保机器人末端在患者运动可以接受的范围内，机械臂上安装有霍尔开 关来检测其极限位置，在每个自由度上装有两个霍尔开关，从而进行位置保护，限位开关保护电路 如下图３．１５所示。一ｓ＾ｊｍ９ｌＯｌ姗ｌ＝馏ｌ舛＾ⅫＵ图３．１５限位开关保护电路图 图中，施密特触发器ＭＣ７４ＨＣｌ４Ｎ以及反相器７４Ｆ０４用以去除瑕疵以防干扰，当机器人运动使 霍尔开关远离磁铁时，开关输出高电平，即ＳＡ―ｌ为高电平，此时，Ｐ００．１为高电平；当机器人运 动使霍尔开关接近磁铁使磁场强度Ｂ达到一定程度时，开关输出电平状态随之翻转，输出低电平， 此时，ＳＡ ｌ为低电平，Ｐ００ ｌ为低电平。在本设计中，霍尔开关除了用来进行位置保护外，还用于２９奎堕查兰堡圭兰垫堡奎在机器人上电对进行位置复位。机器＾位置复位后，若机器人运动到设定的极限保护位置时，霍尔 开关输出低电平，此时Ｆ００＿ｌ为低电平，即单片机辅＾为Ｏ信号，为了防止忠者患肢二次伤害，在 本设计中使电机停转，即：使ＰＷＭ高电平占空比ｇ；０。３．９力传盛器及其信号检测电路设计康复系统要求能够缚知训练者训练过程中反馈力的大小．这就需要有力传感器将信号传入单片 机内。本设计力传感嚣的硬件系统由传感头和信号处理两部分组成。传感头部分由弹性体，应变电 桥和放大电路组成，用干完成力信号的产生和放丈；信号处理部分包括数据采集、数据传输、数据 处理以及结果显示。整个系统框图如图３ １６所示。二难刀传｛登葡■＿＿］：！妻■三｝丑 ｉ区｝怔田霍ｌ…… …… ……：！；’―一心变电桥Ｈ信号放大ｈＬ――――――＿Ｊ Ｌ――――――＿ｊ：：ｇ§ｔ．旦一一，ｔｊ＝＝：：＿：冀譬ｋ＿＿＿＿＿：…＿。＿．：：卜．图３．１６三维力传感器系统框图３．９．１力传感器的机械设计本系统所设计的三维力传感器为横粱结构，其安装完毕后的总体外形如图３－１７所示。一图３．１７总体外形图第三章控制系统硬件设计该传感器机械结构共由四个部分组成：弹性体、底座、暂封盖和底盘。 其中，三维力传感器的弹性体结构设计是影响传感器性能的核心技术，弹性体的设计好坏直接 影响到传蓐器的各项指标。本设计采用的是整体轮辐式十字粱结构的弹性体，其主要结构参数和材 料参数见表３．３、３．４。 表３．３弹性体主要结构参数（单位：ｍｍ） 十字弹性粱长度 宽度 荐动桨 中心台 中心孔 轮缘 轮缘螺孔３６高度直径８０（外径）５６（内径）表３．４弹性体材料参数 牌号弹性模量自竹）７２×１旷泊松比Ｆ密度Ｐ慨／ｍ’）２ＬＹｌ２０ ３３７８×１０３弹性体机械结构如国３－１８所示。十字交叉粱可分为４个正方棱柱嘭主粱，在每个主粱和轮缘的联结处是一个薄板状的浮动粱。它能够检测二维空问的力信息，三维力通过悯定在中心台上的轴传 递给弹性粱。图３－１８弹性体结构图 弹性件通过轮缘上的四个螺钉固定于底座上，见图３一１９及３－２０所示。底座的上半部分用于固 定弹性体，下半部分用于放置屯路板。信号线和电源缱则通过底座下半部分的脚孔引出和接Ａ。东南大学硕士学位论文３．１９底座结构图忿 ⑧３－２０弹性体固定于底座示意图～’底座的琐部安装有一个密封盖，其结构如图３－２１所示。密封盖上设计有四个对称的挡板，该挡 板分别与四个浮动架平行，并与浮动粱保持１．５ｍｍ的间隙。当传感器受到过量程的力作用时，该挡 板可以有效地保护浮动桨．以防止浮动粱发生断裂。此外，密封盖也起到了防灰的作用ｔ 底座的底部安装有一个２ｍｍ厚的底盘，结构如图３－２２所示。整个传感器总高度为３￥ｍｍ。＿３．２１密封盖结构３．２２底盘盖结构图３．９２力传感器的电路设计一、电阻应变电昨的设计及其测量原理 十字粱型传感器在其每根弹性桨的正反面及两个侧面各贴有一对应变片，共有１６个应变片，图 ３―２３是三维力传感嚣的应变片分布图。应变片贴在十字粱靠近中心台的部位，贴片位置选择的琢则 是灵敏度高，有较大的分辨率，维问干扰较小。第三章控制系统硬件设计正面 图３．２３十字弹性梁布片图反面设作用在三维力传感器上沿Ｘ、Ｙ、ｚ轴的力为Ｃ、Ｅ、Ｃ。其中Ｃ、‘的受力分析情况相似，它们都是引起贴在主梁侧面的应变片变形，而Ｆ则是引起贴在主梁正反面的应变片变形。因此，以Ｅ、ｆ为例来分析受力情况。当沿Ｘ轴有Ｃ力作用时，主梁ＯＡ、ＯＣ产生拉压变形，而主梁 ＯＢ、ＯＤ发生弯曲变形，Ｘ向浮动梁此时为柔性环节，主梁ＯＢ、ＯＤ可以看成是简支梁，这样Ｅ就 可由贴住主梁ＯＢ、ＯＤ左、右侧面的席变片组成的电桥测得。同理Ｅ也可类似测得。而当沿Ｚ轴方向有Ｆ作用时，该力引起四个主梁竖直方向上的弯曲变形，此时的浮动梁不再是柔性梁，而是弹 性支撑梁，Ａｏｃ、ＢＯＤ成为两个中心相联的简支梁。这时￡可由贴于主梁正、反面的应变片组成 的电桥测得。 本传感器中应变片采用的是中航电测仪器公司生产的传感器用虑变片，应变片型号为 ＢＦ３５０．３Ａ２３。它是一种用于铝为敏感体的应变片，其尺寸为４．４ｍｍ×７．４ｍｍ，初始电阻值为３５０Ｑ， 敏感系数为２．１％。当传感器受到外力作用时，对应的应变片发生变形。应变片拉伸时，阻值变大； 受压缩时，阻值减小。图３－２４电阻应变电桥丕塑奎兰竺兰堂篁堡兰十字梁上的１６个戍变片共组成３个电桥，每个电桥对应于一个输出分量。上图３．２４给出了１６ 个应变片组成的３个电桥，其中Ｅ为桥路供电电压，本设计中该电压选为＋１２Ｖ。当传感器受剑Ｃ、Ｅ、ｅ的作用后，应变片的零位电阻Ｒ将发生变化。根据应变片在梁上分布的对称性，在参考坐标系ｏｘｙｚ各坐标轴的正方向受力作用时，可以得到如下公式：ＲＩ＝ｅ，ｏ＋＆Ｒ２＝Ｒｏ一％足＝ｅ，ｏ一心Ｒ４２Ｒ＋如，２¨恐＝Ｒ＋ｔ瓦＝Ｒ＋砖马＝蜀一疋墨２％一如 Ｒ＝ｅ，ｏ＋如墨ｏ＝Ｒ一砖Ｒｌｌ＝ｅ，ｏ一如Ｒｉ２＝，Ｄｏ＋砖 Ｒｉ３＝Ｒ＋足≥ 墨４＝ｅ，ｏ＋只声 Ｒ１５＝Ｒｏ一墨≥ Ｒ１６＝Ｒ一犬二式中如、如、＆分别表不受以、，；、ｔ作刚斤应父片％～Ｒ１６阻僵焚化的绝对值。由图３－２４和式（３．２）可以得到三维分量的输出电压表达式如Ｆ；％＝丽９１４ Ｅ一熹Ｅ２去碟％＝面ｅｌ瓦２Ｋ： 声Ｅ一丽ｅ２Ｅ２去砖Ｅ一（３．３）墨垫≥兄＋兄，＋尼＋冠。墨！±墨！尼＋冠．＋足＋见Ｅ：．ｅ％Ｒ；二、放大电路的设计 由于应变式传感器输出的电压信号较弱（．１４ｍＶ～１４ｍＹ），所以需要增加调理放大电路。为减弱 放大电路对测量电桥的影响，放大电路应具有高输入阻抗的特性，并且具有低漂移、较高的精度和 较强的抗干扰能力。基于以上几点特性，我们选用了仪用放大器ＡＤ６２０。 ＡＤ６２０是在传统的三运放仪用放大器基础上改进而成的一种新型单片仪用放大器，在＋３ｖ计１２Ｖ供电下具有轨对轨输出能力（满电源幅度输出），具有低电压偏置、高增益精确度等优良特性，并且只需通过一个外置电阻即可调‘｛了增益的大小，这些性能使得ＡＤ６２０成为目前应用最为广 泛的仪用放大器之一，被广泛应用于低功耗医疗仪器、传感器接口、差分放大、低功耗数据采集等 场合。６输出５参考 图３－２５ＡＤ６２０的内部结构示意图 ＡＤ６２０的内部结构示意图如图３．２５所示，差分电乐经由输出放大器转换为单端电压，同时抑 制掉输入放大器的输出端共模信号，其输出增益可以通过ｌ脚和８脚之间所接的电阻调整，并且满３４第三章控制系统硬件设计足公式Ｇ＝４９．４ ｋＯ／ＲＧ＋ｌ，特别的，当ｌ、８两脚不接时，即ＲＧ＝∞时，增益Ｇ＝ｌ。 由于力传感器电桥输出的差分信号范嗣为．１４ｍＶ～１４ｍＶ，将ＲＧ选为５００欧，根据公式Ｇ＝４９．４ Ｑ／ｌｋ＋ｌ，调理后输出的电压范围约为．１．４Ｖ～１．４Ｖ，即为舣极性输出。ＡＤ６２０的ＲＥＦ引脚（５脚） 接地。 三、信号采集检测电路的设计 如前所述，经过放大电路后，输出电压范闱由－１４ｍＶ～１４ｍＶ放大到一１．４Ｖ～１．４Ｖ。然而，Ｃ８０５ＩＦ３１０ 要求引脚输入电压范围（相对于ＧＮＤ）为ＯＶ至ＶＤＤ，为此，在这里，利用ＴＬ０８４构成差分比例运算 电路，以将放人电路的输出信号抬高１．５Ｖ。差分比例运算电路图如下图３－２６所示。ｋ取墨＝ｑ＝吩＝ｔ＝１０ｋｆｌ，可得Ｖｏ＝Ｋ’－ｖ，。其中，¨为经ＡＤ６２０放人输出的电压信号，Ｋ’为１．５Ｖ电压信号。该１．５Ｖ电压信号通过ＭＣｌ４０３电压基准芯片产生。Ｒｒ图３．２６差分比例运算电路 ＭＣｌ４０３是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源。其输 入电压范围为４．５ｙ至４０Ｖ，输出电压为２．５ｙ±２５ｍＶ。将ＭＣｌ４０３所产生的２．５Ｖ电压通过电阻分 压，并接入电压跟随器即可得到稳定的１．５ｙ电压信号。电压躁随器的电路图如图３―２７所示。Ｒｒ图３－２７电压跟随器电路图 通过电压跟随器，Ｖｏ＝Ｋ，即电压保持不变，但是降低了电路的输出阻抗，提高了带负载能力， 以保证稳定的１．５ｙ屯压输出。 通过抬高１．５ｙ电压，这时传感器的输出信号范围为Ｏ．１Ｖ￣２．９Ｖ的单极性电压，能够满足后续电 路的输入要求。３．１０系统的抗干扰设计在实际应用场合，各种控制系统的干扰主要来自三个方面：电磁波辐射干扰、供电系统干扰和３．５东南大学硕十学位论义系统各组成部分之间的干扰。在本系统中，由丁工作频率较低，电磁波辐射干扰的影响很小，但是 系统中既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分，驱动电路的高电压极易对测量回路造成干扰而 造成系统不能正常运行，因此需要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和强电的隔离，同时又要保证 系统内部控制信号的联系，使系统ｊｉ作稳定。常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔 离等。本系统采用光电隔离器件ＴＬＰ５２ｌ，图３．２８为光电隔离电路。图３．２８光耦隔离电路 图示中Ｒ４的大小很关键，对ＰＷＭ信号的传输质量影响很大，其值既不能过小也不能过大，过 小不利于电流的传输比，使光电三极管的饱和过程延长，造成输出波形的下降沿底部变缓；过大也不 利于光电三极管的快速截止，造成输出波形的上升沿项部变缓．所以，Ｒ４阻值的大小一定要适当，经 实验用示波器观察发现，当Ｒ４在Ｏ．８Ｋ．０．９Ｋ之间取值时，输出波形比较好，同时还可以保证光耦隔 离器的输入波形与输出波形的占空比保持基本不变，在本设计中取Ｒ４＝０．８６Ｋ。 在此光电耦合电路设计中，用达林顿管ＵＬＮ２８０３作为接收管。ＵＬＮ２８０３为高电压、大电流达 林顿管，用来提高驱动能力，获得人电流输出，以驱动电机。其中，ＰＷＭ输出接上拉电阻到１２Ｖ 这样就满足了栅源电压不高于２０Ｖ的要求，用ＰＷＭ输出用米控制电机转速，Ｍ１用米控制电机方 向，当ＭＩ＝Ｉ时，Ｍ１１＝０、Ｍ１２＝１，电机反转；当ＭＩ＝０时，Ｍ１１＝１、Ｍ１２＝０，电机正转。 光电耦合隔离的主要优点是实现电气隔离能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程 通道上的信噪比大大提高。采用光电耦合器将单片机部分与驱动部分实行隔离、浮置的处理方法可 保证微机系统有较高的可靠性。３．１１本章小结本章主要对三自由度康复机器人系统的硬件电路的～ｒ＝作原理进行阐述以及进行具体的电路设 计，其中包括电源模块、通讽模块、人机接口模块、电机控制驱动模块、传感器及其采集模块等模 块的原理阐述以及电路设计，为机器人的控制及软件编程提供了硬什平台和保障。３６第四章控制系统软件设计第四章控制系统软件设计４．１引言康复训练主要有被动、主动、助力、阻尼四种训练模式，其中，被动锻炼模式主要适用于病情 比较严重的患者，这些患者的肢体已经基本丧失了自主运动的能力，此时需要通过设置一定的运动 参数，以运动速度为控制对象，同时通过力传感器限定患者患肢与机器人操作末端之间的最大接触 力，当接触力超过最大值时，使电机停转，训练中，患者的患肢处丁放}