自动平衡机器人,帮助我们上肢的康复!

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该研究的目的是设计并制造一个平衡被动机械臂,使之能够在末端执行器上施加变质量,以实现上肢的康复。为了达到这个目的,第一步是在CAD环境下建立机器人结构设计。下一步的重点是开发基于下肢自由度和关节活动度的运动学模型。然后,确定了应用于机构的弹簧和部件重量的势能函数。采用遗传算法作为优化程序提取系统设计参数,包括弹簧刚度系数及其在系统内的放置位置。


制作了平衡机器人的原型,利用末端执行器质量的变化来开发可调平衡能力。为了使系统保持平衡,设计了几个部件,包括一个控制面板、两个电动机和一个电子处理器。这种情况提供了一个等效的力,等于从末端执行器到用户手的选定质量的重量。本文以“Design and fabrication of a passive upper limb rehabilitation robot with adjustable automatic balance based on variable mass of end-effector”为题于2020年11月19日发布于《Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering》杂志上。


研究背景


在脊髓损伤性肌肉骨骼系统疾病患者的治疗过程中,康复被认为是最重要的优先事项之一。技术的进步使康复科学能够与其他科学(例如,机器人)相结合。这种情况已导致病人治疗条件的改善。一般来说,正形矫正器分为两类,包括被动矫正器和主动矫正器。


根据影响运动范围的因素来区分这两组。在被动情况下设计的机器人有更高的优先级。这组机器人的优点是对患者使用安全,制造和维护成本低,易于根据患者的情况使用。具有平衡能力的机械臂为受伤肢体的运动提供了便利,因此机械臂的制作是康复机械臂设计领域的突出和重要问题之一。


目前的研究集中在康复领域。这是由于在各种实际应用中建立一个自动平衡对应于不同权重的末端执行器的重要性而发展起来的。在总结前人相关研究的基础上,指出了该方法实施的必要性。


该研究不仅提供了互联弹簧机构的优点(这在其他研究中还相对较少),而且包含了末端执行器的变质量和自动平衡系统。根据辅助机器人应用机构的类型和自由度,考虑了末端执行器的三维运动能力,对辅助机器人进行了独特的结构设计。所提出的方法是通过开发一个运动学模型和使用CAD环境进行初始设计开始的。


机器人手臂相对于人的手必须具有自适应的运动条件。因此,设计了基于人手运动机构模式的机器人结构。


图为在CAD中设计机器人模型


在这种环境下,所需的变化是根据机器人手臂的运动范围和自由度的数量来进行的。其次,通过在CAD/SIMULINK环境下实现几个步骤,对其运动学进行了评价和分析。


在该研究中,康复机构的主要设计准则主要集中在关节角度的变化范围、考虑用户与被动机器人之间的最小接触和交互作用的上肢自由度等几个方面。


图为机器人平衡结构


在得到参数的最优值后,进行了优化设计,并推导出了相应的制造方案。然后,机械零件被加工和使用MO 40铣削。在确定两个弹簧刚度系数的基础上,结合机器人零件的尺寸,设计并制作了合适的弹簧。在此基础上,确定并提供了适合机器人弹簧接头运动功率和转矩的电机。在此基础上,对机器人零件进行精确装配,并将电机安装在给定的位置上。


图为机器人的仿真模型


图为指令继电器电路原理图


为了利用光电反馈精确地控制系统,并在接收到Arduino板的指令后提供PID控制器机制,伺服电机开始根据预定的重量运动。在达到预定的旋转后,微控制器发送停止命令并中断中继电路命令,从而控制电机。


为了评估和验证建模和设计的系统平衡,首先根据末端执行器的可变质量对参数进行优化,并实现四个步骤。在所有四个步骤中,在实际的和建模的情况下,最终执行器的质量值都有很小的差别。这个问题表明了建模的准确性,并建立了机器人平衡。


图为设计装置的平衡评定


应该指出,这些误差要么是由参数不确定性(例如,质量差和构件长度)造成的,要么是由结构不确定性(例如,在模拟过程中忽略节点之间的微小摩擦)造成的。另外,通过增加末端执行器的选择权重,参数和结构不确定性对仿真结果的影响减小(仿真空间与现实空间的比较)。这导致了更准确的结果。


研究结论


该研究旨在利用末端执行器的可变质量,设计制造一种具有自动平衡调节能力的被动上肢康复机器人。对机器人零件进行了运动学设计、建模和加工图提取。然后,根据所进行的分析,机器人的尺寸,以及确定的弹簧刚度系数,以及特定功率和扭矩的电动机进行安装。


采用Arduino-Mega2560模块设计处理电路,测量瞬时变化。因此,发出了所需的命令。系统评估分四个阶段进行。在被动机器人的平衡过程中产生的误差部分是由于制造过程中的误差和部件接触摩擦的存在造成的。


然而,这些不确定性并没有在模拟过程中建模。改变使用者手的重量是机器人设计的重要优势之一。控制面板是用来提供一个智能机器的能力,调整平衡。通过考虑复原过程中命令能力的逆向过程,系统通过改变弹簧的压缩值,将给定的权重施加到用户的手上。


这一成果将很快应用于不同的医学领域。特别是,这可以用于物理治疗患者的上肢残疾。它为病人和这种设备之间的双向互动创造了新的愿景。此外,该机器人还可以与虚拟现实相结合,创造接近真实世界的条件,这是医学和康复领域的一个重要课题。这被认为是研究者研究团队最重要的目标之一。


参考文献:Majid Eslami, Ali Mokhtarian, Mostafa Pirmoradian, Alireza Seifzadeh & Masoud Rafiaei Design and fabrication of a passive upper limb rehabilitation robot with adjustable automatic balance based on variable mass of end-effector  Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering 629 (2020)


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