CN104375503A

CN104375503A - 一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法

Info

Publication number: CN104375503A
Application number: CN201310596476.1A
Authority: CN
Inventors: 孙平; 赵明; 宗良; 彭万平
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: CN104375503B

Abstract

本发明公开了一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，根据康复者训练过程中重心的恒定偏移，得到了独立于康复者质量特征的偏移特性；根据偏移特性，利用路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器；基于单片机实现主控制器的设计，将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参考轨迹信号的跟踪。本发明有效解决了机器人重心和几何中心不重合问题，并且避免自适应参数估计康复者的质量，简化了控制器的设计过程，对不同体重的训练者，都能实现对医生指定训练路径的精确跟踪。

Description

一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法

技术领域：

本发明涉及轮式康复机器人的自动控制领域，尤其是关于独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法。

背景技术：

随着老龄化社会的到来，由于疾病和交通事故等原因，使步行功能障碍患者逐年增多。然而，我国医护资源的不足和医疗费用昂贵等问题，使许多患者错过了最佳恢复期，从而导致患者步行功能逐渐丧失，给家庭和社会带来沉重的负担。因此，发展康复机器人及时有效对患者进行步行功能训练，具有重要意义。

康复机器人按照医生指定的训练路径，对康复患者的腿部肌肉进行全面锻炼。当机器人运动时，系统某些参数的确定是很困难的，尤其是康复患者未知质量对机器人的影响，不仅会降低控制精度，而且会导致机器人重心和几何中心的不重合，往往使机器人重心偏移到固定位置。如果不从控制方法上解决机器人重心恒定偏移和康复患者质量问题，将不可避免地使机器人偏离医生指定的训练路径，这样不但影响训练效果，而且撞到障碍物会使系统不稳定，威胁康复患者的安全。

发明内容：

发明目的：

为了解决上述问题，本发明提供了一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤如下：

1）分析康复机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重心偏移的动力学模型，基于该模型，根据康复者实际训练过程中重心偏移到固定点，得到重心恒定偏移的特性；

2）基于路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器，解决康复者质量定常改变问题，并且避免了对康复者质量参数进行自适应估计；

3）基于89S51系列高性能单片机将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参考轨迹信号的跟踪。

步骤1）是根据地面力学理论，建立重心偏移的动力学模型：

M_{0} K \overset{\cdot \cdot}{X} + M_{0} \overset{\cdot}{K} \overset{\cdot}{X} = B (θ) F - - - (1)

其中M₀为包含机器人质量M、康复者质量m和转动惯量I₀的系数矩阵，K为机器人偏移重心到各轮子距离的系数矩阵，X为机器人的实际行走路径，B(θ)为机器人旋转角度构成的系数矩阵，F表示机器人的控制输入力，θ表示水平轴和机器人中心到第一个轮子距离间的夹角，有θ＝θ₁，θ₃＝θ+π，

θ_{4} = θ + \frac{3 π}{2} .

步骤2）解决康复者质量定常改变问题是指，解决不同体重康复者使康复机器人重心发生恒定偏移问题，对动力学模型（1）系数矩阵M₀K进行矩阵分解，将康复者质量m与机器人质量M和转动惯量I₀进行分解，将式（1）的两侧同时左乘分离后含有机器人质量M和转动惯量I₀的系数矩阵将式（1）化为如下表达形式:

M_{1} \overset{\cdot \cdot}{X} + M_{2} \overset{\cdot}{X} + m M_{3} \overset{\cdot \cdot}{X} + m M_{4} \overset{\cdot}{X} = M_{11}^{T} B (θ) F - - - (2)

。

康复机器人重心恒定偏移且M+m＝C时，C为常数，有偏移特性成立；根据偏移特性，设计独立于康复质量的控制器。

根据医生指定的训练路径X_d和康复机器人实际行走路径X的跟踪误差e，得到如下形式的误差状态模型：

(M_{1} + m M_{3}) \overset{\cdot \cdot}{e} + (M_{2} + m M_{4}) \overset{\cdot}{e} = (M_{1} + m M_{3}) {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{d} + (M_{2} + m M_{4}) {\overset{\cdot}{X}}_{d} - u (t) - - - (3)

其中

u (t) = M_{11}^{T} B (θ) F .

基于误差状态模型，设计独立于康复者质量特性的控制器：

F = B^{T} (θ) {[M_{11}^{T} (B (θ) B^{T} (θ))]}^{- 1} (M_{1} {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{d} + M_{2} {\overset{\cdot}{X}}_{d} - M_{2} \overset{\cdot}{e} + Q_{1} \overset{\cdot}{e} + \frac{M_{2} + M_{2}^{T}}{2} \overset{\cdot}{e}) - - - (4)

在控制器F作用下，解决康复者质量定常改变问题，避免对康复者质量参数进行自适应估计，实现对医生指定训练路径的精确跟踪。

步骤3）中以89S51系列高性能单片机为主控制器，主控器与外围扩展电路、输入/输出电路相连；驱动电路与直流电机相连；电源系统连接各个电气设备供电。

主控制器的控制方法为：采集参考轨迹X_d形成四路模拟信号，四路模拟信号分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，主控器单片机参照用户操作指令和传感器反馈信息，实现控制命令，信号进入单片机处理后输出，将输出信号通过D/A转换，提供给电机驱动单元，从而实现机器人的跟踪控制；同时，通过读取电机编码器的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号X对比得出误差信号，根据误差信号，单片机按照预定的控制算法计算电机的给定量，送给执行器，执行电机带动轮子维持自身平衡及按指定方式运动。

优点及效果：

本发明是一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，具有如下优点：

（1）本发明对于轮式移动机器人运动控制问题进行深入研究。研究表明，康复机器人运动时，机器人系统某些参数的确定是很困难的，未知质量等因素不仅会降低控制精度，同时，康复患者训练位姿的保持，往往会导致重心偏移到固定位置。利用重心恒定偏移特性，提出独立于康复者质量的控制方法，应用此方法，确保机器人跟踪医生指定的训练路径并且使康复者达到训练效果。

（2）本发明设计独立于康复者质量特性的控制方法，解决了因个体情况不同导致的质量定常改变问题，避免了对康复者质量参数进行重新自适应估计，简化了控制器的设计。

附图说明：

图1为本发明控制器工作框图；

图2为本发明控制工作流程图；

图3为本发明的硬件最小系统；

图4为本发明的处理器外围扩展电路；

图5为本发明的A/D转换电路；

图6为本发明的D/A转换电路；

图7为本发明的串口MAX232电路；

图8为本发明的ISP接口下载电路；

图9为本发明硬件总体原理电路。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不受实施例的限制。

为了解决不同体重康复者使机器人重心发生恒定偏移，影响机器人对医生指定训练路经的跟踪，本发明提出一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法。

独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，步骤如下：

1）分析康复机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重心偏移的动力学模型，基于该模型，根据康复者实际训练过程中重心偏移到固定点，得到了重心恒定偏移的特性；2）基于路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器，解决康复者质量定常改变问题，并且避免对康复者质量参数进行自适应估计；3）基于89S51系列高性能单片机将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参考轨迹信号的跟踪。

步骤1），根据地面力学理论，机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重心偏移的动力学模型

M_{0} K \overset{\cdot \cdot}{X} + M_{0} \overset{\cdot}{K} \overset{\cdot}{X} = B (θ) F - - - (1)

θ_{4} = θ + \frac{3 π}{2} .

不同体重康复者训练位姿的保持，会使机器人的重心发生恒定偏移，解决康复者质量定常改变问题是指，解决不同体重康复者使康复机器人重心发生恒定偏移问题，对动力学模型（1）系数矩阵M₀K进行矩阵分解，将康复者质量m与机器人质量M和转动惯量I₀进行分解，为了得到独立于康复者质量的控制器，将式（1）的两侧同时左乘系数矩阵分离后含有机器人质量M和转动惯量I₀的系数矩阵得到如下的模型表达形式

M_{1} \overset{\cdot \cdot}{X} + M_{2} \overset{\cdot}{X} + m M_{3} \overset{\cdot \cdot}{X} + m M_{4} \overset{\cdot}{X} = M_{11}^{T} B (θ) F - - - (2)

。

不同康复者导致机器人重心恒定偏移，且M+m＝C时，C为常数，有偏移特性成立。根据偏移特性，设计独立于康复质量的控制器，从而避免了对康复者质量重新进行参数设定，简化了控制器的设计过程，依然能保证康复机器人的正常安全训练。

步骤2）中康复机器人需要根据医生指定的训练路径X_d对患者进行康复训练，因此所设计的控制器要精确跟踪医生指定的训练路径。根据医生指定训练路径X_d和康复机器人实际行走路径X的跟踪误差e，得到如下形式的误差状态模型：

(M_{1} + m M_{3}) \overset{\cdot \cdot}{e} + (M_{2} + m M_{4}) \overset{\cdot}{e} = (M_{1} + m M_{3}) {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{d} + (M_{2} + m M_{4}) {\overset{\cdot}{X}}_{d} - u (t) - - - (3)

其中

u (t) = M_{11}^{T} B (θ) F .

基于误差状态模型，设计独立于康复者质量特性的控制器：

F = B^{T} (θ) {[M_{11}^{T} (B (θ) B^{T} (θ))]}^{- 1} (M_{1} {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{d} + M_{2} {\overset{\cdot}{X}}_{d} - M_{2} \overset{\cdot}{e} + Q_{1} \overset{\cdot}{e} + \frac{M_{2} + M_{2}^{T}}{2} \overset{\cdot}{e}) - - - (4)

在控制器F作用下，解决康复者质量定常改变问题，避免对康复者质量参数进行自适应估计，能够实现对医生指定训练路径的精确跟踪。

步骤3）中以89S51系列高性能单片机为主控制器，主控器与外围扩展电路、输入/输出电路相连；驱动电路与直流电机相连；电源系统连接各个电气设备供电，通过独立于康复者质量的控制方法完成康复机器人的跟踪控制。

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是本发明控制器设计框图，本发明的电气控制系统以89S51系列高性能单片机为核心，图2为本发明控制工作流程图，图3为单片机最小系统，图4为处理器外围扩展电路，单片机电源通过RS232串口通信将PC串口电平转换为高+5v，低0v供电。采集参考轨迹信号X_d经过IN0～IN7任意管脚与A/D转换芯片ADC0809C22(28)相连，形成四路数字信号，如图5所示，四路模拟信号分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，芯片内部地址锁存及译码电路完成对A0～A1三个地址的锁存及译码。其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出。主控器单片机参照用户操作指令和传感器反馈信息，实现控制命令，信号进入单片机处理输出，将输出信号通过D/A转换如图6，提供给电机驱动单元，从而实现机器人的控制。同时，通过读取电机编码器的反馈信号X与主控制器给定的控制命令信号X_d对比得出误差信号，根据误差信号，单片机按照预定的控制算法计算电机的给定量，发送给执行器，执行电机带动轮子维持自身平衡并按指定训练方式运动。

本发明研究了康复机器人重心恒定偏移的运动跟踪控制问题，基于重心偏移的动力学模型，通过左乘转置矩阵方法，得到了康复机器人重心恒定偏移的特性。设计了独立于康复者质量特性m的控制器，在解决重心恒定偏移问题的基础上，进一步解决了质量m定常改变的问题，从而避免了对人的质量进行自适应估计。

Claims

1.一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤如下：

2.根据权利要求1所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤1）是根据地面力学理论，建立重心偏移的动力学模型：

M_{0} K \overset{\cdot \cdot}{X} + M_{0} \overset{\cdot}{K} \overset{\cdot}{X} = B (θ) F - - - (1)

θ_{4} = θ + \frac{3 π}{2} .

3.根据权利要求1所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤2）解决康复者质量定常改变问题是指，解决不同体重康复者使康复机器人重心发生恒定偏移问题，对动力学模型（1）系数矩阵M₀K进行矩阵分解，将康复者质量m与机器人质量M和转动惯量I₀进行分解，将式（1）的两侧同时左乘分离后含有机器人质量M和转动惯量I₀的系数矩阵将式（1）化为如下表达形式:

M_{1} \overset{\cdot \cdot}{X} + M_{2} \overset{\cdot}{X} + m M_{3} \overset{\cdot \cdot}{X} + m M_{4} \overset{\cdot}{X} = M_{11}^{T} B (θ) F - - - (2)

。

4.根据权利要求3所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：康复机器人重心恒定偏移且M+m＝C时，C为常数，有偏移特性成立；根据偏移特性，设计独立于康复质量的控制器。

5.根据权利要求1所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：根据医生指定的训练路径X_d和康复机器人实际行走路径X的跟踪误差e，得到如下形式的误差状态模型：

(M_{1} + m M_{3}) \overset{\cdot \cdot}{e} + (M_{2} + m M_{4}) \overset{\cdot}{e} = (M_{1} + m M_{3}) {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{d} + (M_{2} + m M_{4}) {\overset{\cdot}{X}}_{d} - u (t) - - - (3)

其中

u (t) M_{11}^{T} B (θ) F .

6.根据权利要求4或5所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：基于误差状态模型，设计独立于康复者质量特性的控制器：

F = B^{T} (θ) {[M_{11}^{T} (B (θ) B^{T} (θ))]}^{- 1} (M_{1} {\overset{\cdot \cdot}{X}}_{d} + M_{2} {\overset{\cdot}{X}}_{d} - M_{2} \overset{\cdot}{e} + Q_{1} \overset{\cdot}{e} + \frac{M_{2} + M_{2}^{T}}{2} \overset{\cdot}{e}) - - - (4)

7.根据权利要求1所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤3）中以89S51系列高性能单片机为主控制器，主控器与外围扩展电路、输入/输出电路相连；驱动电路与直流电机相连；电源系统连接各个电气设备供电。

8.根据权利要求1或7所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：主控制器的控制方法为：采集参考轨迹X_d形成四路模拟信号，四路模拟信号分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，主控器单片机参照用户操作指令和传感器反馈信息，实现控制命令，信号进入单片机处理后输出，将输出信号通过D/A转换，提供给电机驱动单元，从而实现机器人的跟踪控制；同时，通过读取电机编码器的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号X对比得出误差信号，根据误差信号，单片机按照预定的控制算法计算电机的给定量，送给执行器，执行电机带动轮子维持自身平衡及按指定方式运动。