PL218185B1 - Sposób sterowania napędami egzoszkieletu zwłaszcza do rehabilitacji nadgarstka - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania napędami egzoszkieletu w robocie rehabilitacyjnym do rehabilitacji nadgarstka.

Robot rehabilitacyjny w pierwszej fazie treningu, po założeniu egzoszkieletu na rękę, umożliwia wykonanie ruchu wzorcowego ręką w zakresach fizjologicznych, gdzie trajektoria ruchu zostaje zapamiętana przez system komputerowy robota do późniejszego wielokrotnego odtworzenia w następnej fazie treningu.

Podczas pierwszej fazy treningu układ sterujący napędami mierzy siły nacisku wywierane przez rękę umieszczoną wewnątrz egzoszkieletu na poszczególne segmenty egzoszkieletu i na podstawie tych informacji przemieszcza poszczególne człony egzoszkieletu, umożliwiając ruch ręki. Informacja z czujników kątów w poszczególnych stopniach swobody egzoszkieletu jest rejestrowana w czasie. System komputerowy, sterujący pracą robota, podczas drugiej fazy treningu odtwarza w pętli zapamiętaną trajektorię ruchu z możliwością określenia ilości powtórzeń.

Realizacje przedstawionych założeń zapewnia taki układ mechaniczny, w którym napęd pojedynczego stopnia swobody jest powiązany z jednym czujnikiem siły lub z parą czujników siły.

Układ sterowania napędami egzoszkieletu składa się z modułów kontrolno-wykonawczych, gdzie jeden moduł kontrolno-wykonawczy steruje pojedynczym napędem elektrycznym i modułu kontrolno-komunikacyjnego, który łączy moduły kontrolno-wykonawcze z komputerem PC, na którym zainstalowane jest oprogramowanie rejestrujące ruch i sterujące przebiegiem ruchu.

Moduł kontrolno-wykonawczy jest autonomicznym kontrolerem danego stopnia swobody robota rehabilitacyjnego, który wykonuje zlecone przez system komputerowy robota zadania. Zadaniem modułu kontrolno-wykonawczego jest realizowanie funkcji: pomiarowych, wykonawczych, a także kontrola pracy danego węzła, zabezpieczając go przed przekroczeniem konfigurowalnych parametrów pracy węzła, jak: zakresy ruchu, maksymalna prędkość ruchu, maksymalny prąd zasilania silnika, maksymalna siła wywierana na segment egzoszkieletu przez rękę, maksymalna temperatura sterownika.

Sposób sterowania napędami egzoszkieletu zwłaszcza do rehabilitacji nadgarstka według wynalazku, charakteryzuje się tym, że para wzmocnionych wzmacniaczami sygnałów z czujników sił trafia na wejścia analogowo-cyfrowe mikrokontrolerów, połączonych modułów kontrolno-wykonawczych. Na podstawie przetworzonych dwóch wartości sił, programy mikrokontrolerów, wypracowują sygnał sterujący. Program mikrokontrolera pozwala wybrać sposób wyliczenia sygnału sterującego, w szczególności sygnał sterujący może być sumą lub różnicą sygnałów wejściowych. W przypadku nadgarstka jeden z modułów kontrolno-wykonawczych steruje silnikiem na podstawie różnicy sygnałów wejściowych, a drugi na podstawie sumy.

Sposób według wynalazku w przykładzie realizacji jest bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia schemat pojedynczego układu sterowania, fig. 2 przedstawia schemat połączenia układów sterowania poprzez moduł kontrolno-komunikacyjny z komputerem, fig. 3 przedstawia schemat połączenia dwóch modułów kontrolno-wykonawczych.

Sercem modułu kontrolno-wykonawczego 1 jest mikrokontroler 7 wyposażony w przetworniki analogowo-cyfrowe i interfejs ułatwiający sterowanie silnikiem prądu stałego z komutacją elektroniczną (BLDC - brushless DC motor). Wyjściem modułu kontrolno-wykonawczego 1 jest blok mocy 8 w postaci mostka 3-fazowego zbudowanego z tranzystorów MOSFET zasilającego silnik prądu stałego z komutacją elektroniczną 13. Komutacja faz silnika zrealizowana jest przy pomocy czujników Halla 15 wbudowanych w silnik. Czujniki Halla 15 oprócz sterowania 3 komutacją faz, pozwalają również na wyliczanie pozycji względnej napędu, a także na wyznaczenie prędkości obrotu do stabilizacji prędkości ruchu.

Pomiar sił nacisku moduł kontrolno-wykonawczy 1 realizuje przez dwa kanały pomiarowe siły z czego jeden z kanałów wyposażony jest we wzmacniacz 12 do bezpośredniego przyłączenia czujnika siły 17 w postaci belki tensometrycznej. Drugi kanał pomiarowy siły, bez wzmacniacza, umożliwia podłączenie wzmocnionego sygnału siły z innego modułu kontrolno-wykonawczego 1, za pomocą złącza 19, co pozwala na połączenie w parę dwóch modułów kontrolno-wykonawczych 1. W trybie pracy „w parze” moduły kontrolno-wykonawcze 1 przekazują sobie nawzajem wzmocnione sygnały z czujników sił 17, pozwala to sterować jednym napędem, wykorzystując informacje z dwóch czujników siły 17 i realizować proste operacje matematyczne. Takie rozwiązanie pozwala sterować napędami np. uchwytu dłoni 22, gdzie napęd rotacji sterowany jest różnicą sił działających na czujniki, a napęd zgięcia nadgarstka góra-dół sumą sił działających na czujniki siły 17.

PL 218 185 B1

Moduły kontrolno-wykonawcze 1, połączone są razem dwiema magistralami, która łączy je z modułem kontrolno-komunikacyjnym 2. Pierwsza magistrala 5 służy do transmisji danych, umożliwia ona sterowanie i kontrolę parametrów sterowania. Magistrala danych, poprzez blok zasilania elektroniki 11, zasila również elementy pomiarowo-sterujące modułu kontrolno-wykonawczego 1. Drugą magistralą jest magistrala zasilania mocy 6, która dostarcza energii do silnika elektrycznego 13 przyłączonego do każdego modułu kontrolno-wykonawczego 1. Ochronę modułu kontrolno-wykonawczego 1 przed przeciążeniem zapewnia czujnik temperatury 9 i czujnik prądu 10, mierzący prąd zasilania tranzystorów w bloku mocy 8.

Informacje o bezwzględnej pozycji napędu po włączeniu zasilania i dodatkową kontrolę zakresu ruchu, zapewnia czujnik kąta 16 zamontowany bezpośrednio na elemencie napędzanym 18 danego węzła. Dla napędów z małą przekładnią 14, a tym samym z niską rozdzielczością kątową pozycji napędu, moduł kontrolno-wykonawczy 1 pozwala na przyłączenie dodatkowego enkodera 20 zamontowanego na wirniku silnika 13. Napędy z małą przekładnia charakteryzują się również brakiem samohamowności, więc w przypadkach koniecznych, taki napęd wyposażony jest w hamulec magnetyczny 21, który zapewnia unieruchomienie danego węzła egzoszkieletu po wyłączeniu zasilania.

Moduł kontrolno-komunikacyjny 2, za pomocą szeregowej magistrali danych 5, umożliwia dwukierunkowe przesyłanie informacji pomiędzy modułami kontrolno-wykonawczymi 1, a komputerem PC 3 z oprogramowaniem sterującym robotem rehabilitacyjnym. Dodatkową funkcją modułu kontrolnokomunikacyjnego 2, jest awaryjne odłączanie zasilania 4 napędów robota rehabilitacyjnego za pomocą wbudowanych przekaźników. Aktywację awaryjnego odłączenia zasilania można zrealizować przy pomocy przycisków awaryjnych, dostępnych dla osoby rehabilitowanej i operatora systemu.

Objaśnienia do rysunku

1. moduł kontrolno-wykonawczy,

2. moduł kontrolno-komunikacyjny,

3. komputer PC,

4. zasilacz,

5. szeregowa magistrala danych,

6. magistrala zasilania mocy,

7. mikrokontroler,

8. blok mocy,

9. czujnik temperatury,

10. czujnik prądu,

11. blok zasilania elektroniki,

12. wzmacniacz,

13. silnik prądu stałego,

14. przekładnia,

15. czujniki Halla,

16. czujnik kąta,

17. czujnik siły,

18. element napędzany,

19. złącze,

20. enkoder,

21. hamulec magnetyczny,

22. uchwyt dłoni.

Claims (2)

1. Sposób sterowania napędami egzoszkieletu zwłaszcza do rehabilitacji nadgarstka, znamienny tym, że para wzmocnionych wzmacniaczami (12) sygnałów z czujników siły (17) trafia na wejścia analogowo-cyfrowe mikrokontrolerów (7) połączonych modułów kontrolno-wykonawczych (1), następnie na podstawie przetworzonych dwóch wartości sił programy mikrokontrolerów (7) wypracowują sygnał sterujący, który steruje silnikiem (13) na podstawie różnicy sygnałów wejściowych albo na podstawie sumy sygnałów.

PL 218 185 B1

2. Sposób sterowania według zastrz. 1, znamienny tym, że program mikrokontrolera (7) pozwala wybrać sposób wyliczenia sygnału sterującego, w szczególności sygnał sterujący może być sumą lub różnicą sygnałów wejściowych.