STM32的醫療康復機器人手臂控制系統

摘要：醫療康復機器人是近年出現的一種新型機器人，主要功能是幫助患者完成各種運動(dòng)功能恢復訓練。為此提出通過(guò)STM32微控制器控制無(wú)刷直流電機來(lái)控制機器手臂的運轉，并通過(guò)Simulink建立PID模型，運用XPC_Target和控制板進(jìn)行通信，以此得到電機在調速過(guò)程中合適的PID參數，使機器手臂在運轉的過(guò)程中更加平滑。實(shí)際的臨床試驗操作證明，該系統能夠較好地完成手臂的醫療康復訓練。

隨著(zhù)我國逐漸步入老年社會(huì )，對各類(lèi)康復設備的需求日益增大，對性?xún)r(jià)比高的醫療康復設備控制系統的需求尤為迫切?；贒SP芯片的成本相對較高、設計復雜、研發(fā)周期長(cháng)，芯片的尺寸會(huì )導致印刷電路板的體積變大。

本文基于STM32微控制器設計的醫療康復機器人手臂控制系統，具有杰出的功耗控制和電機控制的高級定時(shí)器，能產(chǎn)生3對可配置并互補輸出的PWM信號。通過(guò)在Simulink上建立雙閉環(huán)PID算法模型，得到合適的PID參數來(lái)改變PWM波的占空比，進(jìn)而精確地實(shí)現電機的調速，保證了機器人手臂運行軌跡平滑，運行速度穩定。由于無(wú)刷直流電機具有體積小、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)，其機器手臂尺寸能夠更加符合人體運動(dòng)學(xué)設計理念。

1 總體方案設計

醫療康復機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)現對手臂各個(gè)關(guān)節的運動(dòng)訓練、肌肉的鍛煉，以及神經(jīng)功能的恢復訓練。以STM32微控制器為控制核心，機器手臂控制總體設計方案如圖1所示。

通過(guò)運用IR2130柵極驅動(dòng)芯片，對STM32輸出的6路PWM信號進(jìn)行特殊處理，滿(mǎn)足H橋中IRF3808高功率MOS管工作的需求。

STM32微控制器通過(guò)不斷地檢測無(wú)刷直流電機中霍爾信號來(lái)改變換相時(shí)序，以此來(lái)控制電機的運轉。當電機在堵轉的時(shí)候會(huì )產(chǎn)生大電流，通過(guò)ADC對其電流值進(jìn)行采樣，當其值超過(guò)閥值的時(shí)候可以停止電機工作，此時(shí)IR2130會(huì )自動(dòng)進(jìn)入自我保護狀態(tài)，關(guān)斷輸出信號，保證手臂運行的安全。

2 硬件電路設計

2.1 柵極驅動(dòng)

柵極驅動(dòng)芯片采用的是美國國際整流器公司的IR2130芯片，它具有高電壓、高速度，并有3個(gè)獨立的高、低側功率MOSFET驅動(dòng)輸出通道。其輸入和輸出信號時(shí)序如圖2所示。其具有過(guò)電流保護、欠壓鎖定功能，并能及時(shí)關(guān)斷6路輸出。在出現異常狀態(tài)時(shí)，逆變電路處于關(guān)斷狀態(tài)，這樣可以保護電機不被燒壞，且具有自我保護功能。

6路輸出信號中的3路具有電平轉換功能，因而它既能驅動(dòng)橋式電路中低壓側的功率器件，又能驅動(dòng)高壓側的功率元件。如圖3所示，將STM32輸出驅動(dòng)H橋的3對互補PWM信號提高至能夠驅動(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)輸入級電源，就能夠自動(dòng)產(chǎn)生成上、下側驅動(dòng)所必需的死區，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)效應管IRF3808組成，如圖4所示。每個(gè)場(chǎng)效應管都并聯(lián)了反接的快速恢復二極管，具有保護和續流的作用。對于24 V電壓的電機，場(chǎng)效應管的VDS至少需要40 V電壓，而漏極電流必須足夠高，以應對電機啟動(dòng)電流。由于軟件中實(shí)現的軟加速機制(小幅提升至所需速度)，啟動(dòng)電流可以進(jìn)一步降低。

2. 3 電流檢測電路

運用一個(gè)0.01 Ω的電流檢測電阻或者是一段蛇形地線(xiàn)，經(jīng)過(guò)電機和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 電機轉矩

對電機來(lái)說(shuō)，機器人手臂在運轉時(shí)是處于負載狀態(tài)下運行，所以要有足夠的轉矩以保證手臂運行正常。跟速度控制一樣，轉矩也由通過(guò)定子線(xiàn)圈的電流大小決定。最大轉矩、定子和轉子磁場(chǎng)之間的角度，應保持在90°。梯形換相如圖6所示，控制分辨率為60°，定子和轉子磁場(chǎng)間的角度在-30?！?30。的范圍內，這會(huì )產(chǎn)生轉矩脈動(dòng)。

電流檢測過(guò)程中的RC低通濾波器可以濾除流入電機的高頻瞬時(shí)脈沖，并改善電機轉矩特性。在改變運轉方向的時(shí)候，為了得到比較大的轉矩選擇直接改變運轉方向，不會(huì )選用運行一停止一反向運行的方式來(lái)進(jìn)行機器人手臂方向的改變。這樣可防止機器人手臂在轉向時(shí)候出現抖動(dòng)現象，也防止了再次啟動(dòng)的時(shí)候啟動(dòng)電流過(guò)大，容易出現堵轉現象，對硬件電路和電機都會(huì )造成損害。

3 軟件設計

3.1 μC/OS—II操作系統

為了讓軟件架構更加穩定清晰，運用一個(gè)可固化、可裁剪的、占先式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統μC/OS—II。它是基于優(yōu)先級調度的搶占式的實(shí)時(shí)內核，并在這個(gè)內核之上提供最基本的系統服務(wù)，如信號量、郵箱、消息隊列、內存管理、中斷管理等。

在μC/OS-II嵌入式操作系統上，對無(wú)刷直流電機中霍爾信號的捕捉中斷、上位機通信中斷、ADC采集中斷、PID速度調節中斷的優(yōu)先級進(jìn)行分配，并且通過(guò)創(chuàng )建醫療康復手臂運轉方向、啟動(dòng)、停止、上位機通信、PID調節等任務(wù)使軟件運行上更加模塊化。任務(wù)與任務(wù)之間通過(guò)郵箱、消息隊列等傳遞信息，并且可以相互掛起和啟動(dòng)相應任務(wù)，使任務(wù)之間能夠協(xié)調的工作、軟件架構更清晰。

3.2 電機速度測量和六步換相

無(wú)刷直流電機的實(shí)際轉速可通過(guò)測量霍爾傳感器信號得到。在電機轉動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)120°分布在電機中的3個(gè)霍爾傳感器可以得到如圖7所示的3路周期信號。

電機每轉一圈，每個(gè)霍爾傳感器產(chǎn)生2個(gè)周期的方波信號，且其周期與電機轉速成反比。其結構比在外圍添加編碼器更加方便靈活。

STM32微控制器的定時(shí)器具有檢測霍爾信號的端口，通過(guò)定時(shí)器對檢測到的3路霍爾信號進(jìn)行異或處理，當其能捕捉到上升沿時(shí)觸發(fā)一次中斷請求，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)間平均值轉化成電機運行的速度值。通過(guò)檢測到的3個(gè)翟爾傳感器的高低電平值來(lái)進(jìn)行電機6步換相時(shí)序，能夠使無(wú)刷直流電機按時(shí)序要求進(jìn)行運轉。

3.3 電機PID算法

由于人體手臂和機器手臂結構都有重量，在電機運行的時(shí)候將受到其影響，導致電機運行速度不斷變化，不利于機器手臂的穩定運行，因此需要把測量到的速度值和設定的速度值進(jìn)行雙閉環(huán)PID運算，使電機運轉速度一直保持設定的速度值。如圖9所示，電機的PID算法是運用改變相電壓脈寬調制(PWM)波的占空比來(lái)實(shí)現，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(xiàn)圈，這會(huì )影響定子磁場(chǎng)和磁通密度，從而改變轉子和定子的之間的力。

通過(guò)得到無(wú)刷直流電機速度的設定值(上位機設置)和實(shí)際檢測到的電機轉速值之間的差值，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調節來(lái)改變STM32輸出驅動(dòng)電機運轉信號的PWM波的占空比，機器手臂能夠平滑和穩定地運行。

4 PID模型設計

運用MathWorks公司開(kāi)發(fā)的基于RTW體系框架的實(shí)時(shí)目標系統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)應用的系統。采用宿主機+目標機的技術(shù)實(shí)現途徑，即“雙機”模式。宿主機和目標機可以是不同類(lèi)型的計算機，兩者之間通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現通信。其實(shí)現模型如圖10所示。

根據工作原理，其實(shí)現分為如下步驟：

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

啟動(dòng)盤(pán)有FDD、HDD和ZIP三種模式，在制作的過(guò)程中根據目標機支持的模式選擇。通過(guò)選用XPC_Target的嵌入式選項來(lái)制作目標啟動(dòng)盤(pán)。通過(guò)U盤(pán)來(lái)調用和啟動(dòng)X(jué)PC_Target的實(shí)時(shí)內核，可以使每次系統啟動(dòng)后自動(dòng)運行目標應用程序。

(2)Simulink模型建立

在宿主機的Simulink上通過(guò)添加各個(gè)驅動(dòng)模塊建立電機調速過(guò)程中電流環(huán)、速度環(huán)的PID模型和下位機的串口通信模塊，然后用RTW代碼生成器和C編譯器來(lái)生成可執行代碼，在目標機上進(jìn)行實(shí)時(shí)運行。

(3)信號采集過(guò)程

通過(guò)XPC_Target實(shí)時(shí)內核將目標應用程序的信號數據存儲在目標機的RAM中，并且在目標機的顯示界面上對信號進(jìn)行監視、記錄、跟蹤，并且繪制出圖像。當下位機通過(guò)串口發(fā)送速度測量值給目標機上運行的通過(guò)Simulink中建立的PID模型生成的可執行代碼時(shí)，通過(guò)可執行代碼程序進(jìn)行速度調節，把其調節后的數據通過(guò)目標機發(fā)送給下位機，從而改變驅動(dòng)電機運轉信號的PWM波占空比。當其速度測量值能夠穩定到速度設定值的時(shí)候，Simulink中設置的 PID參數就是所需要的速度調節的PID參數值。否則，需要改變Simulink中建立的PID參數模型。

結語(yǔ)

本文提出了基于STM32微控制器的醫療康復機器人手臂的控制系統。目前，本系統的樣機已經(jīng)進(jìn)行了臨床試驗，并得到很好的試驗效果。試驗中的機器人手臂有 3個(gè)自由度，能實(shí)現肩關(guān)節、肘關(guān)節等的訓練。通過(guò)使用IR2130柵極驅動(dòng)芯片，板子尺寸、系統穩定性和設計靈活性都得到改善。在Simulink上設計 PID參數模型，通過(guò)STM32微控制器驅動(dòng)板驅動(dòng)無(wú)刷直流電機，在末端帶動(dòng)訓練者的手臂分別在水平面和垂直平面的固定軌跡訓練，并且把采集的運行軌跡、速度圖像，以及預先設置的手臂運行軌跡和速度圖像進(jìn)行對比和觀(guān)察，機器手臂運行平滑，PID參數穩定，進(jìn)一步增強了系統的穩定性和靈活性。