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)動功能恢復(fù)訓(xùn)練。為此提出通過STM32微控制器控制無刷直流電機(jī)來控制機(jī)器手臂的運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過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)速過程中合適的PID參數(shù)，使機(jī)器手臂在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中更加平滑。實際的臨床試驗操作證明，該系統(tǒng)能夠較好地完成手臂的醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練。

隨著我國逐漸步入老年社會，對各類康復(fù)設(shè)備的需求日益增大，對性價比高的醫(yī)療康復(fù)設(shè)備控制系統(tǒng)的需求尤為迫切?；贒SP芯片的成本相對較高、設(shè)計復(fù)雜、研發(fā)周期長，芯片的尺寸會導(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)控制的高級定時器，能產(chǎn)生3對可配置并互補(bǔ)輸出的PWM信號。通過在Simulink上建立雙閉環(huán)PID算法模型，得到合適的PID參數(shù)來改變PWM波的占空比，進(jìn)而精確地實現(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)動學(xué)設(shè)計理念。

1 總體方案設(shè)計

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作，通過創(chuàng)造虛擬工作環(huán)境實現(xiàn)對手臂各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動訓(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)計方案如圖1所示。

通過運(yùn)用IR2130柵極驅(qū)動芯片，對STM32輸出的6路PWM信號進(jìn)行特殊處理，滿足H橋中IRF3808高功率MOS管工作的需求。

STM32微控制器通過不斷地檢測無刷直流電機(jī)中霍爾信號來改變換相時序，以此來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)在堵轉(zhuǎn)的時候會產(chǎn)生大電流，通過ADC對其電流值進(jìn)行采樣，當(dāng)其值超過閥值的時候可以停止電機(jī)工作，此時IR2130會自動進(jìn)入自我保護(hù)狀態(tài)，關(guān)斷輸出信號，保證手臂運(yùn)行的安全。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 柵極驅(qū)動

柵極驅(qū)動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個獨(dú)立的高、低側(cè)功率MOSFET驅(qū)動輸出通道。其輸入和輸出信號時序如圖2所示。其具有過電流保護(hù)、欠壓鎖定功能，并能及時關(guān)斷6路輸出。在出現(xiàn)異常狀態(tài)時，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路輸出信號中的3路具有電平轉(zhuǎn)換功能，因而它既能驅(qū)動橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又能驅(qū)動高壓側(cè)的功率元件。如圖3所示，將STM32輸出驅(qū)動H橋的3對互補(bǔ)PWM信號提高至能夠驅(qū)動MOSFET開關(guān)電壓電平。

1片IR2130可取代3片IR2110，且僅需要一個輸入級電源，就能夠自動產(chǎn)生成上、下側(cè)驅(qū)動所必需的死區(qū)，時間為2.5μs，并得到更好的控制性能。

2.2 H橋功率電路

高功率場效應(yīng)管可以輸出高電壓。逆變電路主要由6個大功率場效應(yīng)管IRF3808組成，如圖4所示。每個場效應(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。對于24 V電壓的電機(jī)，場效應(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)對電機(jī)啟動電流。由于軟件中實現(xiàn)的軟加速機(jī)制(小幅提升至所需速度)，啟動電流可以進(jìn)一步降低。

2. 3 電流檢測電路

運(yùn)用一個0.01 Ω的電流檢測電阻或者是一段蛇形地線，經(jīng)過電機(jī)和MOSFET的電流全都從它那里經(jīng)過并流向地。如圖5所示，經(jīng)過電機(jī)的總電流經(jīng)過這個小阻值的電阻而流向地，這個電流檢測電阻的阻值很小，但如果電流夠大的時候，會在其兩端產(chǎn)生一個小的電壓，經(jīng)過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

對電機(jī)來說，機(jī)器人手臂在運(yùn)轉(zhuǎn)時是處于負(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)矩也由通過定子線圈的電流大小決定。最大轉(zhuǎn)矩、定子和轉(zhuǎn)子磁場之間的角度，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)子磁場間的角度在-30?！?30。的范圍內(nèi)，這會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。

電流檢測過程中的RC低通濾波器可以濾除流入電機(jī)的高頻瞬時脈沖，并改善電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性。在改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向的時候，為了得到比較大的轉(zhuǎn)矩選擇直接改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向，不會選用運(yùn)行一停止一反向運(yùn)行的方式來進(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)向時候出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，也防止了再次啟動的時候啟動電流過大，容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，對硬件電路和電機(jī)都會造成損害。

3 軟件設(shè)計

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)用一個可固化、可裁剪的、占先式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)μC/OS—II。它是基于優(yōu)先級調(diào)度的搶占式的實時內(nèi)核，并在這個內(nèi)核之上提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、郵箱、消息隊列、內(nèi)存管理、中斷管理等。

在μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)上，對無刷直流電機(jī)中霍爾信號的捕捉中斷、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)先級進(jìn)行分配，并且通過創(chuàng)建醫(yī)療康復(fù)手臂運(yùn)轉(zhuǎn)方向、啟動、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)之間通過郵箱、消息隊列等傳遞信息，并且可以相互掛起和啟動相應(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)速度測量和六步換相

無刷直流電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速可通過測量霍爾傳感器信號得到。在電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中，通過120°分布在電機(jī)中的3個霍爾傳感器可以得到如圖7所示的3路周期信號。

電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，每個霍爾傳感器產(chǎn)生2個周期的方波信號，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微控制器的定時器具有檢測霍爾信號的端口，通過定時器對檢測到的3路霍爾信號進(jìn)行異或處理，當(dāng)其能捕捉到上升沿時觸發(fā)一次中斷請求，在中斷中記錄產(chǎn)生此次中斷需要的時間，并進(jìn)行定時器清零。控制流程操作如圖8所示，通過幾次中斷時間求取平均值，把得到的時間平均值轉(zhuǎn)化成電機(jī)運(yùn)行的速度值。通過檢測到的3個翟爾傳感器的高低電平值來進(jìn)行電機(jī)6步換相時序，能夠使無刷直流電機(jī)按時序要求進(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)行的時候?qū)⑹艿狡溆绊?，?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)波的占空比來實現(xiàn)，通過增大或減小占空比，每個換相步驟會有部分電流流過定子線圈，這會影響定子磁場和磁通密度，從而改變轉(zhuǎn)子和定子的之間的力。

通過得到無刷直流電機(jī)速度的設(shè)定值(上位機(jī)設(shè)置)和實際檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)速值之間的差值，使其經(jīng)過速度PID控制環(huán)和電流PID控制環(huán)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)來改變STM32輸出驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號的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

運(yùn)用MathWorks公司開發(fā)的基于RTW體系框架的實時目標(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時應(yīng)用的系統(tǒng)。采用宿主機(jī)+目標(biāo)機(jī)的技術(shù)實現(xiàn)途徑，即“雙機(jī)”模式。宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)可以是不同類型的計算機(jī)，兩者之間通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通信。其實現(xiàn)模型如圖10所示。

根據(jù)工作原理，其實現(xiàn)分為如下步驟：

(1)用U盤創(chuàng)建DOS目標(biāo)啟動盤

啟動盤有FDD、HDD和ZIP三種模式，在制作的過程中根據(jù)目標(biāo)機(jī)支持的模式選擇。通過選用XPC_Target的嵌入式選項來制作目標(biāo)啟動盤。通過U盤來調(diào)用和啟動XPC_Target的實時內(nèi)核，可以使每次系統(tǒng)啟動后自動運(yùn)行目標(biāo)應(yīng)用程序。

(2)Simulink模型建立

在宿主機(jī)的Simulink上通過添加各個驅(qū)動模塊建立電機(jī)調(diào)速過程中電流環(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編譯器來生成可執(zhí)行代碼，在目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行實時運(yùn)行。

(3)信號采集過程

通過XPC_Target實時內(nèi)核將目標(biāo)應(yīng)用程序的信號數(shù)據(jù)存儲在目標(biāo)機(jī)的RAM中，并且在目標(biāo)機(jī)的顯示界面上對信號進(jìn)行監(jiān)視、記錄、跟蹤，并且繪制出圖像。當(dāng)下位機(jī)通過串口發(fā)送速度測量值給目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的通過Simulink中建立的PID模型生成的可執(zhí)行代碼時，通過可執(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)通過目標(biāo)機(jī)發(fā)送給下位機(jī)，從而改變驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號的PWM波占空比。當(dāng)其速度測量值能夠穩(wěn)定到速度設(shè)定值的時候，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

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，并得到很好的試驗效果。試驗中的機(jī)器人手臂有 3個自由度，能實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)等的訓(xùn)練。通過使用IR2130柵極驅(qū)動芯片，板子尺寸、系統(tǒng)穩(wěn)定性和設(shè)計靈活性都得到改善。在Simulink上設(shè)計 PID參數(shù)模型，通過STM32微控制器驅(qū)動板驅(qū)動無刷直流電機(jī)，在末端帶動訓(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。