五自由外骨骼上肢康復機器人系統(tǒng)PPT課件

1、hit引言引言 上肢康復機器人系統(tǒng)是醫(yī)療機器人的一個重要分支，它以偏癱上肢運動再學習理論為依據(jù)，融和了康復醫(yī)學、人體解剖學、機械學、計算學及機器人學等諸多學科技術，是當今國內(nèi)外研究的熱點，為偏癱患者的帶來了福音 五自由度外骨骼上肢康復機器人是結(jié)合了人機工程學、解剖學，融入臨床安全行，舒適性和實用性而研制開發(fā)的一款多功能性、高安全性、易操作性等醫(yī)療機器人 機器人可以結(jié)合不同的康復策略，使醫(yī)師能夠更好的為患者提供康復治療第1頁/共20頁hit系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成機械結(jié)構本體 系 統(tǒng) 組 成硬件控制系統(tǒng)軟件控制系統(tǒng)第2頁/共20頁hit機械結(jié)構本體機械結(jié)構本體 機械臂 康復機器人的主體，具有電機驅(qū)動

2、的5個主動自由度，和可伸縮連桿等 機械臂支架 用來支持和懸掛機械臂，可調(diào)整機械臂的位置，對左臂和右臂分別進行康復 底座 用于支撐整個結(jié)構，并安裝配重塊起到防震穩(wěn)定的作用機械結(jié)構本體第3頁/共20頁hit康復機械臂康復機械臂 1.康復機械臂的組成如右圖所示 2.結(jié)構采用連桿式，關節(jié)處采用電機+減速器的形式，除了腕部回轉(zhuǎn)關節(jié)，各個關節(jié)均有限位開關，防止由于“飛車”造成各種危險，限制關節(jié)運動范圍以及設置回零。 3.機械臂設有五個主動自由度，分別是肩部外展、肩部俯仰、肘部俯仰，腕部回轉(zhuǎn)和腕部俯仰。能夠最大限度的模擬手臂的運動第4頁/共20頁hit關節(jié)電機及機構關節(jié)電機及機構 右圖即是各個關節(jié)的電機及結(jié)

3、構 肩部外展和肩部俯仰均是松下交流伺服電機，增量碼盤，分辨率2500，諧波減速器，減速比1:160 肘部俯仰采用EC90盤式電機，霍爾傳感器，諧波減速器減速比1:160 腕部俯仰采用maxonRE25直流電機，編碼器分辨率1000，通過帶輪傳動，傳動比1：1.6 腕部回轉(zhuǎn)采用maxonA-max19直流電機，編碼器分辨率512，通過帶輪傳動，傳動比1:6.6，軸承采用滑動軸承。 第5頁/共20頁hit硬件控制系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng) 硬件控制系統(tǒng)主要設置在控制柜中控制柜內(nèi)部結(jié)構第6頁/共20頁hit電機驅(qū)動器電機驅(qū)動器 交流驅(qū)動器 松下A4交流伺服驅(qū)動器通過由運動控制卡發(fā)出的控制命令，向交流電機發(fā)出脈

4、沖方向控制信號 直流驅(qū)動器 由于直流電機的功率不同，分別采用兩種驅(qū)動器，一個是ACK-055-06，額定工作電流3A，用在腕部兩個關節(jié)；另外一種是ACK-055-18，額定工作電流6A，用在肘部的盤式電機。通過串口RS232與PC機通訊A4驅(qū)動器ACK-055-06ACK-055-18第7頁/共20頁hit直流驅(qū)動器接口板直流驅(qū)動器接口板 接口板用來擴展驅(qū)動器的外圍電路原理圖實物圖PCB板第8頁/共20頁hit驅(qū)動器參數(shù)設定與電機調(diào)試驅(qū)動器參數(shù)設定與電機調(diào)試 交流電機參數(shù)設定首先選擇控制模式，設定輸出脈沖方向和形式，電子齒輪等，PID的參數(shù)由驅(qū)動器自動設定，同時也可以自動濾波，最后將修改后的參

5、數(shù)寫進room里 直流驅(qū)動器參數(shù)通過CME軟件設定，首先對電機進行初始參數(shù)設置，然后建立串口通訊，進行PID調(diào)節(jié)時，先自動調(diào)節(jié)電流環(huán)，然后調(diào)節(jié)速度環(huán)，最后調(diào)節(jié)位置環(huán)。同時可以設置Home（回零）動作，在遇到正負限位時，回零。第9頁/共20頁hit運動控制卡與力矩傳感器運動控制卡與力矩傳感器 運動控制卡 MAC-3002SSP4是基于PCI高速總線的4軸高性能運動控制卡， 用于控制肩部兩關節(jié)的交流伺服驅(qū)動器，PCI接口與PC機相連，利用接口板與驅(qū)動器相連。通過調(diào)用控制卡的函數(shù)庫，可實現(xiàn)對電機的速度、位置模式的控制。 力矩傳感器 4路信號采集，可實現(xiàn)串口與USB接口與PC機通訊?？蓪崟r采集力矩信號

6、，具有軟硬件濾波。分別采集肩部兩關節(jié)，肘部俯仰以及腕部俯仰運動控制卡接線板力矩傳感器采集器第10頁/共20頁hit限位開關的功能限位開關的功能 限位開關由光電開關通過光電擋片阻擋紅外線而形成的，它分為正限位和負限位，正向運動到達的限位為正限位，反之為負限位 它可以在限制機器人關節(jié)的運動角度，康復機器人關節(jié)運動角度的范圍根據(jù)人體關節(jié)運動角度范圍設定，再人關節(jié)運動角度范圍基礎上減小一部分，這樣可以保證安全，避免”飛車“ 限位開關方便關節(jié)尋零運動，使每次康復運動之后，機器人都能回到最初的位置第11頁/共20頁hit限位開關限位開關第12頁/共20頁hit軟件控制系統(tǒng)軟件控制系統(tǒng) VC+程序 用來控制

7、機器人的運動、聯(lián)動、回零，繪制曲線等。 源代碼 源代碼已經(jīng)公布 接口 交流電機通過運動控制卡提供的庫函數(shù)進行編程，直流電機通過串口通訊，利用coply提供的ASCII編寫的程序 力矩傳感器采集系統(tǒng) 用來實時采集各個關節(jié)處的力矩信號 軟件操作界面第13頁/共20頁hit軟件功能介紹軟件功能介紹 第14頁/共20頁hit軟件功能介紹軟件功能介紹 單軸運動 可以使每個關節(jié)都安裝某一速度和某一絕對位置運動，同時可以顯示速度和位移，直流電機還可以顯示通過串口發(fā)給PC機的命令 多軸聯(lián)動 在設置各個關節(jié)的的運動位置，運動速度即可實現(xiàn)各種姿態(tài)的聯(lián)動如指鼻等運動 顯示運動曲線 在運動后可以顯示各個關節(jié)的運動曲線，利用matlab畫出，同時生成運動數(shù)據(jù) 直流驅(qū)動器復位 如果直流電機出現(xiàn)不動等問題，可以將直流驅(qū)動器復位，這時電機是不動的 回零 電機各個關節(jié)在運動過后通過回零恢復到開機前的狀態(tài)第15頁/共20頁hit機器人運動的圖像機器人運動的圖像單軸運動多軸聯(lián)動第16頁/共20頁hit操作示意圖操作示意圖多軸聯(lián)動及輸出的運動曲線第17頁/共20頁hit力矩傳感器采集系統(tǒng)力矩傳感器采集系統(tǒng) 可以通過串口和USB實時采集力矩信號 可以實時顯示力矩值 可實現(xiàn)多精度的力矩值采集 可實現(xiàn)軟件和硬件濾波