气动比例控制技术在下肢康复训练中的应用.pdf

2 0 1 3年 2月 第 4 1卷 第4期 机床与液压 MACHI NE TOOL＆ HYDRAUL I CS Fe b ． 2 01 3 Vo l _ 41 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 3 1 气动 比例控制技术在 下肢康复训练中的应用 王基威 ，韩建 海 ，胡传龙 河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 4 7 1 0 0 3 摘要通过分析下肢康复训练的要求，设计减重机构气动系统和助力腿驱动气动系统。利用气缸、比例阀、位移传感 器、拉力传感器、数据采集卡及计算机等元件组成下肢康复训练控制系统，搭建实验平台，证明气动 比例控制技术在人体 下肢康复训练中的可行性和有效性。 关键词气动比例控制；康复训练；数据采集 中图分类号 T H1 3 8 ． 9 ；R 4 9 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 41 0 5 3 App l i c a tio n o f Pne u ma tic Pr o p o r t i o na l Co n t r o l Te c hno l o g y i n t h e Lo we r Li mb Re ha bi l i t a t i o n Tr a i n i ng ‘ W AN G J i we i ，HAN J i a n h a i ，HU C h u a n l o n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，H e n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y a n g He n a n 4 7 1 0 0 3．C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h a n a l y z i n g t h e r e q u i r e me n t o f l o w e r l i mb r e h a b i l i t a t i o n t r a i n i n g ，t h e we i g h t l o s s me c h a n i s m p n e u ma t i c s y s t e m a n d b o o s t i n g l e g d ri v e n p n e u ma t i c s y s t e m we r e d e s i g n e d ． Us i n g c y l i n d e r s ，p r o p o r t i o n al v alv e s ， d i s p l a c e me n t s e n s o r ， t e n s i o n s e n s o r ， d a t a a c q u i s i t i o n c a r d，c o mp u t e r a n d o t h e r c o mp o n e n t s ，t h e l o w e r l i mb r e h a b i l i t a t i o n t r a i n i n g c o n t r o l s y s t e m w a s b u i l t ． T h e e x p e ri me n t r e s u l t s p r o v e t h e f e a s i b i l i t y an d v ali d i t y o f p n e u ma t i c p r o p o r t i o n al c o n t r o l t e c h n o l o g y i n h u ma n l o we r l i mb r e h a b i l i t a t i o n t r a i n i n g ． Ke y wo r d s P n e u ma t i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l ； R e h ab i l i t a t i o n t r ain i n g ； Da t a c o l l e c t i o n 气 动 比例 控制系统的原 理是实现系统或元件 的控 制量 输 入 与被 控制 量 输 出 之 间线 性化 ，保 证控制量和被控制量按给定的比例关系变化，从而实 现流量、压力连续变化的高精度控制，最终实现控制 要求。近年来，随着材料、电子、传感器及控制理论 等科学技术的发展 ，气动比例控制技术的应用在各领 域也得 到快速 提高 。由于空气 的压 缩性 大 、黏性 小 ， 控制 系统可实 现流量 、压力 连续变化的高精度和驱动 设备高速运动控制。 文中通过分析下肢康复训练系统原理，搭建实验 平台进行实时控制，阐述了气动比例控制技术在下肢 康复训 练中应用 的有 效性和优越性。 1 下肢康复训练机器人整体 结构 首先设计 了下肢 康复训 练 系统 的整体 机械结 构 ， 如图 1 所示。该机构主要由外部框架、减重机构 、重 心平衡机构、腿部机构以及跑步机等组成。其中减重 机构气动系统主要是根据患者 的自身体重及病情轻 重 ，通过连接在绳尾部的气缸来减轻患者的 自重，同 时通过实验实现减重力恒定。实验过程中，通过外部 框架顶端弯管上边的双弹簧及滑轮来实现重心左右变 化 ，通过安装于平行四边形机构的气弹簧来实现重心 上下变化 ，综合作用实现人体重心的平衡。助力腿驱 动气动系统主要是将患者的双腿捆绑在腿部机构上， 用 气压 驱动的方式控制髋关节 、膝关 节来实现仿人行 走 ，从而实现患者的步态矫正。通过整体的调试配合 最终实现康复训练的目的。 图 1 下肢康复训练机器人整体结构 2减重机构气动系统设计 根据康复理论 ，在减重支撑训练时保证减重力 的恒定对患者的康复效果是最有效的。在减重状态 下 ，当患者 按照设 定 的步 态在 跑 步机 上 行 走 时 ，随 着腿部 的抬起 和下 落 ， 自身 的重 心会 发 生一 定 的变 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 0 7 作者简介王基威 1 9 8 6 一 ，男 ，硕士研究生，研究方向为机电一体化技术。Em a i l m e l o d y w j w 1 6 3 ． c o rn。 1 0 6 机床与液压 第 4 1 卷 化 ，从而带 动钢丝绳 上 的拉力 发生 一个 随 步态变 化 而变化的力 ，这个变化的力对于患者的康复治疗效 果 是不利 的。 目前康 复 医疗 的减重 设备 多采 用 电机 驱动的方式来实现减重 ，而电机驱动存在操作力较 大、动作较慢、环境要求较高等缺点 ；并且存在构 造复杂 、维护要求高、价格昂贵等不足，利用电机 驱动来实现患者的减重训练，其刚性较大，容易对 患者产生较大的冲击 ，可能使人体的肌肉受伤害。 而气体的可压缩性使得气压驱动的方式在很大程度 上能满 足系统 的安 全性 、柔顺 性 、轻 巧性 要 求 。所 以文 中通过气压 驱动 的方式 来实 现 减重 ，同 时通过 实验实 现减重力 的恒定 ，并设 计 出减 重机 构气 动 系 统 ，如 图 2所示 。 图2 减重机构气动系统原理图 系统 的工作 原理 是 通过 并联 的两 个缸 径为 3 2 m m、行程 5 0 0 m m的气缸连接减 重钢丝绳 ，钢丝绳另 一 端穿过外部框架上的滑轮，接上蚌埠天光传感器有 限公司生产的T J L 一 1型拉力传感器，患者通过可穿戴 式吊带在跑步机上行走时，传感器采集到电压信号经 c S I B动态 电阻应变仪将 电压 放大 ，送入 U S B 2 0 0 9阿 尔泰数据采集卡 ，最终通 过计算 机将 数据保存 处理 。 减重原理是通过控制 电磁换 向阀的磁铁断电和带电实 现减重气缸 的伸缩 ，通过 S M C公 司 V Y 1系列 比例减 压阀来调节减重气缸的供气压力，控制 吊起力的大 小 ，在患者行走过程 中，重心随步态上下移动 ，钢丝 绳会随着重心上下移动而拉紧和松开，当拉紧时气缸 减压 ，使钢丝绳松弛些，反之则气缸增压，最终得到 相对恒定 的减重力 。 在该实验中，实验对象是一名 7 5 的正常健康 男性 ，试验用跑步机的速度设定为 3 k m ／ h ，其速度 基本为人的正常行走速度。把被测对象安全 吊起来 ， 当拉力传感器测到当前拉力后 ，经应变仪放大，通过 数据采集卡做 A ／ D转换后 给 P C ，计算机 经过控制算 法后做 D ／ A转换 ，输 出一 个 电压 送 入 比例 减 压 阀 ， 其压力范 围为 0～ 0 ． 5 M P a ，电压 量程 为 0～5 V，继 而驱动气缸动作 ，最终实现减重力 的恒定和动态调整 减重系统减重力的大小，最后通过测试程序来保存该 数据。为比较实验数据，做了无反馈试验和有反馈实 验，通过处理实验数据，得到有反馈和无反馈时的一 组实验数据 图 ，见 图 3 。 根据图形显示在 5 s 内 ，一 共有 7次 电压 幅值 的 变化，也就是拉力传感器的拉力值有 7个周期变化。 分析可知 这正好 与正常人行走过程 中，人的抬腿与 落腿时人体重心随着钢丝绳伸缩成相应变化。分析图 3可得 在无 反馈条件 下 ，拉力为 1 0 0～ 3 7 5 N，加入 反馈以后，拉力为 1 2 5～ 3 0 0 N，平均拉力为 2 1 2 ． 5 N，对于体重为 7 5 k g的健康人来说其减重 比例为 2 8 ％ 。由此 可 见 ，增 加反馈 以后 ，减 重力 的变 化 范 围 明 显 减专如。 小 ，减 重 力 更 为 稳 ⋯ 定 ，起到了恒定减重 力的作用。同时在增 1 0 0 加反 馈机 制 以后 ，曲 线变 很 比较 平 滑 ，没 有 出现 电压突 变 ，这 对于康复效果也是很 有利 的。 O l 2 3 4 5 时 间， s 图 3 减重力反馈对 比实验变化图 3 助力腿驱动气动系统设计 在该实验 中 ，助行腿控制实验的 目的主要是为了 实现下肢康复训练机器人腿部机构按照设计要求做往 复运动，并最终实现仿人行走。该试验平台主要由气 缸、费斯托 M P Y E - 5 - 1 ／ 8 - L F - 0 1 0 一 B比例流量阀、K T M 微型电阻尺、数据采集卡及计算机等元件组成。实验 原理是基于 U S B 2 0 0 9阿尔泰数据采集卡，通过控 制接在康复训练机器人上 的气缸运动从而达到控制关 节的运动。经过对助力腿上每个关节 的动作控制 ，以 及关 节与关 节之间的协调控制 ，达到助力腿能够按照 设定轨迹运动，最终双腿能够实现仿人行走，达到康 复训 练的 目的。这里仅 以髋关节为例来说 明。图 4为 髋关节气动控制系统的原 理图。 比例 流 量阀 J‘一 数据采集卡 f D ／ A 图4 髋关节气动控制系统原理图 助行腿控制实验分三阶段进行 ，分别是单关节控 制实验、单腿双关节控制实验、双腿联动控制实验。 文中仅介绍髋关节的控制实验。试验时，空压机连接 气缸，电阻尺连接到气缸，并能随着气缸的运动而伸 第 4期 王基威 等 气动比例控制技术在下肢康复训练中的应用 1 0 7 缩。传感器实时的电压信号经过数据采集卡做 A ／ D 转换 ，数据采集卡接入 P c机，在 P c机内部利用 P I D 控制算法 ，经 D ／ A后输出一个电压送入比例流量阀， 从而 驱动气 缸动作 ，来 达到关节控制 ，从而实现 了一 个动 态跟踪 控制。同时通 过程序将采集到 的数据保存 并经数据处 理在 P C机上作 出显示 。 在实验 中分别 设定 0 ． 0 5 H z 和 0 ． 1 H z 的正弦 曲线 为 目标曲线 ，对步态控制康复训练系统做了髋关节跟 踪试 验。 从图5 、6中不同频率的跟踪轨迹能够看 出在 系统 响应 的整个 周期 中 ，基本 上能够 跟踪 预设 轨迹 ， 证明了控制策略的有效性和可行性。 l 一 预 设轨 迹2 一跟 踪 曲线 1 一 预 设轨 迹 2 一 跟 踪 曲线 时间／ s 图 5 0 ． 0 5 Hz 髋关 节跟踪曲线 5O ， 、 4O 0 30 璧 。 1 0 0 0 1 0 2O 3O 时 间， s 图 6 0 ． 1 Hz 髋关 节跟踪 衄线 4 结束语 根据下肢康复训练机器人的设计要求 ，设计了康 复训练机器人的三维实际模型并搭建了完整的实验平 台；做了减重力恒定实验和助力腿控制实验 ，阐明气 动比例控制技术在下肢康复训练中应用的有效性 ；为 以后实现基于肌电信号的下肢康复训练机器人整体系 统研究提供 了依据 。并对进一步优化这种新型 的下肢 康复训练机器人提供了参考。 参考文献 【 1 】诸静． 模糊控制原理与应用 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 5 ． 【 2 】H E S S E S ， WE R N E R C ， B A R D E L E B E N A， e t a 1 ． B o d y We i g h t - s u p p o T r e a d m i l l T r a i n i n g a f t e r S t r o k e [ J ] ． C u r t A t h e r o s c l e r R e p ， 2 0 0 1 3 2 8 7 2 9 4 【 3 】韩建海， 张河新． 气动 比例／ 伺服控制技术及应用 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 1 1 3 6 ． 【 4 】 刘延俊， 李兆文， 陈正洪． 气动比例位置系统的建模与仿 真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 2 4 5 6 5 7 ． 【 5 】 刘延俊． 气动比例位置系统的控制方法及动态特性研究 [ D] ． 济南 山东大学， 2 0 0 7 ． 【 6 】 隋立明， 包钢， 王祖温． 一种由气动肌肉驱动的关节模型 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 2 6 5 5 5 6 ． 上接第 8 8页 当变量 泵排量最小 、变量马达排量最大时 ，马达 输 出转速最小可以达到 0 ；当变量泵 排量最 大 、变量 马达 排量最小时 ，马达输 出转速最大可 以达到泵转速 的 1 ． 8 8 倍。变量泵与马达的这种排量搭配大大增加 了被试 泵的调速范 围，扩大 了实验 台的适用范 围。 在正常运行时，由于液压缸把被试泵的功率进行 回收再利用，主电机的输出功率仅为系统各部件的功 率损耗，远小于被试泵的额定功率 ，因此主电机功率 可低于被试泵的额定功率。同时出于安全裕量及系统 后续各辅助功能完善的考虑，主电机选择 3 8 0 V、1 5 k W 的三相异步 电动机 ，额定转速 为 1 4 7 0 r ／ m i n 。 电控 系 统 中 ，P L C选 择 西 门 子 7 - 2 0 0系 列 的 C P U 2 2 4型，具有 1 4输A／ l O输出共 2 4个数字量 I ／ O 点，满足系统的输人输出要求。 图4 实验台样机 实验台泵、马达、液压缸与其他元件间用胶管连 接 ，以隔离振动 。建成 的实验 台样机如 图 4所示 。 4结束语 1 该实验 台以液压 缸 作为 泵检 测 的功率 回收 元件，结构简单 ，可靠性高 ，功率回收系数高，可以 有效地降低装机功率 ，节约能源。 2 实验 台 以变量 泵 和变量 马达 的排 量来 控 制 调节被试泵的运行参数，方法简单 ，调速范围大，适 用范围广 ；两套液压缸错开换向及蓄能器可以有效保 证 系统运行 的平稳性 。 3 实 验 台电控 系统 可 以实 时检 测 、显 示 系统 主要元件的运行参数，分析系统运行状态，自动化程 度高 。 参考文献 【 1 】 付永领， 汪明霞． 液压泵加速寿命试验台中的节能设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 4 4 0 4 1 ． 【 2 】 郑 明辉 ， 江吉彬， 郭嫖． 液压泵性能测试实验 台设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 2 0 7 6 7 8 ． 【 3 】沙明元， 李建英 ， 李春林． 大型液压试验台功率回收系统 研究[ J ] ． 石家庄铁道学院学报 ， 1 9 9 8 4 8 4 8 7 ． 【 4 】L I Y i l e i ， Z H U Z h e n c a i ， C H E N G u o a n ． A N o v e l T e s t S y s t e m 0 f Hi g h E n e r g y E f fi c i e n c y f o r E m u l s i o n P u m p [ J ] ． A p p l i e d Me c ha n i c s a nd Ma t e r i a l s， 2 01 1 6， 6 6 ／67 ／ 68 1 01 71 0 21． 【 5 】范天锦， 朱真才， 陈国安 ， 等． 一种乳化液泵测试系统 中 国， C N 2 0 0 9 1 0 0 3 2 3 5 8 ． 1 [ P ] ． 2 0 0 9 0 61 1 ．