STM32的醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)

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XPC_Target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。

隨著我國(guó)逐漸步入老年社會(huì)，對(duì)各類(lèi)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)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。

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。

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。

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。

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2.5μs，并得到更好的控制性能。

2.2 H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。

2. 3 電流檢測(cè)電路

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)。

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)行一停止一反向運(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)

3.1 μC/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)。

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?？刂屏鞒滩僮魅鐖D8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)翟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)。

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艿狡溆绊懀瑢?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。

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。

4 PID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(lèi)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。

根據(jù)工作原理，其實(shí)現(xiàn)分為如下步驟：

(1)用U盤(pán)創(chuàng)建DOS目標(biāo)啟動(dòng)盤(pán)

啟動(dòng)盤(pán)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(pán)。通過(guò)U盤(pán)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)

本文提出了基于STM32微控制器的醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人手臂的控制系統(tǒng)。目前，本系統(tǒng)的樣機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了臨床試驗(yàn)，并得到很好的試驗(yàn)效果。試驗(yàn)中的機(jī)器人手臂有 3個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)等的訓(xùn)練。通過(guò)使用IR2130柵極驅(qū)動(dòng)芯片，板子尺寸、系統(tǒng)穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)靈活性都得到改善。在Simulink上設(shè)計(jì) PID參數(shù)模型，通過(guò)STM32微控制器驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，在末端帶動(dòng)訓(xùn)練者的手臂分別在水平面和垂直平面的固定軌跡訓(xùn)練，并且把采集的運(yùn)行軌跡、速度圖像，以及預(yù)先設(shè)置的手臂運(yùn)行軌跡和速度圖像進(jìn)行對(duì)比和觀察，機(jī)器手臂運(yùn)行平滑，PID參數(shù)穩(wěn)定，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。