助行器的控制系统设计

摘 要：随着科学研究的不断深入，越来越多的研究成果造福于人类。助行器就是其中一种，它根据正常成年人的第五十百分位数据，基于动力学原理，通过有效的参数控制，建构了人体腿部的三维模型，达到人体助行的目的。助行器控制系统的设计是其功能发挥的关键。本文主要就助行器的控制系统设计进行分析，以更好地推动医学助行走方面的研究与发展。

关键词：助行器；控制系统；人体助行

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）07-0183-02

Abstract：With the deepening of scientific research，more research results benefit mankind. Walking aid instrument is one of them，its fiftieth percentile data according to the normal adults，construct the human leg three-dimensional model based on the dynamics，through effective parameter control，to achieve the purpose of helping the human body. The design of the control system is the key to its function. This paper mainly analyzes the control system design of the walker to better promote the research and development of medical aid walking.

Keywords：walking aid instrument；control system；human body aid

0 引 言

助行器作为人体可以穿戴的人机一体化的机械设备，在控制系统的指引下，将人的两脚与步行机器人结合在一起，发挥控制系统的智能控制优势，让瘫痪的人再次站立行走。助行器类似人的双足，它综合控制学、动力学及物理学的相关知识，实现了行走参数的步态规划和智能控制。控制系统的助行器设计是关键，因此助行器控制系统的精准分析与深入研究具有现实必要性。

1 助行器控制系统的设计原理

助行器基于动力学的原理，建构了人体的腿部三维立体模型，实现了思维控制的目的。控制系统为助行器智能控制提供核心支持，在助行器的帮助下，原本不能行走的人可以站立行走，甚至达到正常人行走的效果。其三维立体模型的构造其实就是即基于动力学原理将人的腿部抽象为平面三连杆机构，引入拉格朗日方程作为有效参数的设置。模型参数以中国正常成年人体尺寸国家标准为基准，选取正常成年男性人体第五十百分位数据作为参数指导。具体参数如表1所示。

助行器的智能控制系统选择的是LD3Hall Effect型电动推杆输出推力作为已知条件，然后将不同值的推力对应到助行器力——位置闭环控制体系中，基于仿真原理获知人体各关节的运动角度，综合VICON系统平台反馈过来的人行走时腿部各关节的运动角度，并在两者的运动角度对比融合的基础上，将人体腿部模型看做有效的控制机构，当助行器模型输出各关节的推力数据达到控制器后，在重力的补偿下，助行器模型输出各关节角度的模拟曲线。构建动力学方程组，在相应技术的辅助下实现助行器智能控制系统仿真模型的打造，以便我们更好地研究人体关节模型的各个运动角度。当人体的髋关节电动推杆输出的推力数值分别为600N、300N、150N时，助行器模型各关节运动角度模拟出来的曲线与正常人体运动时各关节的运动角度曲线最为接近，误差最小。

2 助行器控制系统的构成与功能发挥

控制系统作为助行器功能发挥的关键部分，是伴随计算机技术、微处理技术、电子通讯技术、集成电路技术等技术综合发展起来的，其本质是计算机控制系统。控制系统有硬件系统和软件系统两大部分组成，其中硬件是助行器控制的基础，而软件则是核心部分，是技术支持的主要来源。助行器控制系统想要达成既定的目的，即让穿戴助行器的人可以按照正常人的步态数据正常行走，实现助行的目的。因此对于助行器的控制系统设计来说，步态控制是最为重要的。步态控制系统是由单片机通过TWI总线控制的两个单片机构成，然后两个单片机分别对各个运动关节上的电动推杆进行控制，达到总体控制的目的。机械机构其实是有5个自由度的，但是基于硬件的实际驱动力，我们在分析控制系统中一般选用3个自由度的标准，即一条腿杆需要3个电动推杆和3个霍尔传感器。一个LD3HallEffect型电动推杆的控制线有2个控制端口，霍尔传感器控制线对应5非控制端口，也就说控制一条腿的电动推杆需要的IO端口至少为25个；然后电源端口需要，人机界面按键端口需要，一个单片机的端口是不够的，必须引入3个单片机，以PC通讯的方式进行异步串行通信，从而做好PC命令的传感。助行器控制系统再控制过程中，基于电路中多条电流线的问题，以及不同频率下电磁干扰的问题，需要在控制电路里增设光耦隔离，做好电路带过热或过流电路的保护。

2.1 助行器控制系统的硬件设计

助行器控制系统的硬件主要是ATmegal 128单片机，它有32个8位的通用工作寄存器，附加133条指令集，其算术逻辑单元与寄存器直接关联，单片机CPU执行一条指令时，可以实现一个周期内不同寄存器的同时访问，以减少CPU在处理速度时发生的矛盾。其次是H桥组件LMD18200，它由4个DMOS管集成，组成标准的驱动型H桥。其输出峰值电流可以达到6A，而输出连续电流可以达到3A，工作电压可以达到55V，同时还具备温度报警和过热短路保护功能。再有就是霍尔传感器。它属于电磁传感器，主要负责监测电流磁场与周围电流磁场的变化，具有很强的电流磁场适应性。霍尔效应原理下，传感器处于电流磁场中，磁场方向垂直的向上通电流时，传感器就在磁场和电流垂直方向上产生电势差，但是通过传感器的电流大小和方向保持不变，传感器相对磁钢作运动时，其输出端口对应有电压输出。

2.2 助行器控制系统的软件设计

作为助行器控制系统的核心设计，软件设计在功能发挥中起着重要作用。助行器控制系统的软件设计主要由主程序和中断服务程序两部分构成，采用自上而下的设计原则。主程序主要涉及到控制系统的初始化处理，如电动推杆的启动程序等。首先是主程序设计，系统初始化完成后对ATmega128单片机系统相关的寄存器、端口、系统中断进行初始化处理。LD3电动推杆启动是需要给PWMn相关寄存器TCVTn等设置参数的。其次是中断服务程序设计，主要是确保助行器各个关节的正常运作，实现各个关节点上LD3电动推杆的直线位移信号反馈，以保证各个环节实时协调运动。直线位移信号实时捕捉中断由直线位移捕获中断程序操控。在各个关节的LD3电动推杆运行中，霍尔传感器进行信息号反馈，中断服务程序指引各个关节的LD3电动推杆直线位移调整。位移服务可以借助软件进行速度计算并反馈到控制回路上，即通过测算LD3电动推杆直线变上的两次位移数值之差和时间间隔计算出平均速度。设置定时器寄存器，发生中断时，能有效读取TCNTn窗口数值，测算2次各个关节的LD3电动推杆直线位移的间隔时间。最后是控制算法的实现。速度控制的原理是自适应模糊PID控制，速度控制环计数器达到预定数值，就自动进入到LD3电动退关直流电机转速调节子程序中，基于霍尔传感器的反馈信号计算电机速度，与给定速度进行比较，得出速度误差量，查询模糊控制表进行PID算法计算。

3 结 论

随着我国科技事业的发展，助行器的研究也将更加深入。作为助行器的关键部分，助行器控制系统的设计与研发直接关系到助行器的后续功能体验和运行维护实效。本文主要就助行器的控制系统结构设计和功能实现进行了论述，并分别从软件系统和硬件系统两大部分对其功能实施与运作原理进行了详细分析。随着科研的深入，助行器的控制系统也将更加智能化、简单化、高效化，以便更好的造福人类和社会。

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作者简介：周毅（1985-），男，重庆人，工程师，工学学士。研究方向：飞机维修、机械设计。