毕业答辩-BUEX外骨骼控制系统硬件设计与分析.pptx

,BUEX外骨骼控制系统硬件设计与分析,学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化,答辩人：指导老师：,CONTENTS,1,4,2,5,3,6,研究背景,BUEX硬件设计,BUEX动力学建模,BUEX防倾倒研究,BUEX模型验证,BUEX电机控制设计,RESEARCHBACKGROUNDS,DYNAMICSMOEDL,MODELVERIFICATION,HARDWAREDESIGN,THERESEARCHOFANTIDUMPING,THEDESIGNOFMOTORCONTROL,以外骨骼的轻量化为突破点，设计一款商业化的可穿戴外骨骼,关键词A,轻量化：碳纤维材料、无刷电机线驱动关节运动，精简化的PCB、优化的机械结构,关键词B,商业化；人机友好、方便穿戴、使用、具有优秀的控制算法、能胜任医疗、康复、助力多种领域,关键词C,高度的扩展性：电池模块化、硬件控制系统模块化，电机驱动模块化，便于产品升级、维修,1,研究背景,RESEARCHBACKGROUNDS,BiomimeticUltralightExoskeleton(BUEX),中南大学机电工程学院CentralSouthUniversity,1,研究背景,RESEARCHBACKGROUNDS,主题研究RESEARCHTOPIC,团队课题的研究内容为可穿戴机械外骨骼。通过阅读文献，在分析了国内外大学和科研院所的相关研究成果、研究了现有设计生产可穿戴外骨骼的公司产品后，得出了现阶段的可穿戴机械外骨骼的几个弊端：包括整机质量大，人机友好程度低，使用范围狭窄，扩展升级能力差。这些问题直接导致了机械外骨骼的商业化进程缓慢。在以上结论的支持下，课题研究的目标为设计一款质量轻、人机友好、适用范围广泛、标准化、易于扩展升级的机械外骨骼。研究的最终目的是实现机械外骨骼的商业化。,国内现状,国外现状,在机械外骨骼的研究上与国际先进水平有差距，各大高校的研究基本停留在机械外骨骼的原理样机上。在商业化领域，有以尖叫机器人、傅里叶机器人为代表的公司，产品涉及医疗、康复领域。,从上世纪60年代开始研究机械外骨骼，有一批高校和科研院所在做持续性的研究。整体上，美国、日本的技术较为领先。在商业化领域，进程也比较缓慢。现价段投放市场的商品也主要集中在医疗、康复领域。,1,研究背景,RESEARCHBACKGROUNDS,1,4,2,5,3,明确建模的目的为指导外骨骼的运动控制。通过模型的计算在程序中得出准确的控制量，使得外骨骼的控制更为有效,第一阶段,对人体和BUEX组成的系统进行抽象化、模型化，选择合适的理论进行建模,第三阶段,对模型动力学方程的计算进行校对、核验，保证计算的准确性。在上肢模型中，运用KANE方法进行尝试性的计算。,最终阶段,明确物理量之间的关系：控制系统用传感器采回的各个关节的角速度、角加速度，得到各个关节的力矩以控制电机。,第二阶段,选用拉格朗日方程对抽象后的系统进行动力学建模，以各个关节的角度为广义坐标，求解各个关节的力矩,第四阶段,2,BUEX动力学建模,DYNAMICSMODEL,2,BUEX动力学建模,DYNAMICSMODEL,1,4,2,3,将人体和外骨骼组合的系统简化为五杆模型，分别为上肢躯干、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿，标出各部分的长度、质心,确定拉格朗日方程的广义坐标各个关节的角度，根据传感器的特性，将夹角数值定义为杆件与竖直方向的角度值。,用广义坐标表示系统的动能，势能，建立拉格朗日方程，得出方程表达式。,经过一系列的计算，得出单个关节处的力矩随各个关节的角度变化关系，得出力矩计算的函数。,2,BUEX动力学建模,DYNAMICSMODEL,其中：,2,BUEX动力学建模,DYNAMICSMODEL,在双腿均接地的情况下，添加约束：()=0运用拉格朗日乘子法，引入拉格朗日乘子，得到：,经过后续计算，得出最后的关节力矩方程：,2,BUEX动力学建模,DYNAMICSMODEL,在上肢建模中，采用了KANE方法，通过状态转移矩阵对上肢的各个部分进行描述。经过计算得到：,通过,得出所需要算的力矩。其中，R为广义力，可以代表力矩。,关键词,作为控制策略的基础，采用的动力学模型必须是正确的。在第二部分的动力学建模中，有大量的计算，包括求偏导和矩阵变换。为了保证动力学模型的正确性，需要对其进行验证。,通过MATLAB计算得出的数据与ADAMS建模得出的数据对比,MATLAB,数据对比,ADAMS,3,BUEX模型验证,MODELVERTIFICATION,Methods,将两种得出力矩的结果进行比较，验证模型正确与否,方法一,方法二,在ADAMS中对五杆模型进行建模，得出各关节力矩,在MATLAB中用拉格朗日方程计算各关节力矩,3,BUEX模型验证,MODELVERTIFICATION,Methods,将两种得出力矩的结果进行比较，验证模型正确与否,ADAMS,MATLAB,3,BUEX模型验证,MODELVERTIFICATION,1=70+10cos()2=1+15cos=75+25cos3=12+225cos=874=3+75+2030cos=18230cos()5=19260cos(),在Adams中，添加的驱动是两个连杆之间的角度变化方程，首先将设置的各个关节相对于竖直轴的角度转化为相对于连杆的角度。,在Matlab中，根据设计的角度变化函数，将不同关节的角度、角速度、角加速度离散化，存储到相应的数组中。在拉格朗日方程中，将前一时刻各个关节处的参数值代入，即可得到该时刻的力矩。,Methods,将两种得出力矩的结果进行比较，验证模型正确与否,ADAMS,MATLAB,3,BUEX模型验证,MODELVERTIFICATION,在左脚支撑的踝关节处，通过ADAMS和MATLAB得出的关节力矩曲线。,B,C,S,D,电源管理Battery,机械外骨骼的能源核心。采用串联的18650型锂电池供电。在使用过程中需要对电池的充电、放电进行约束保护，设计可以满足充放电保护要求的电源管理模块。,控制模块Control,机械外骨骼的控制核心，通过单片机处理外骨骼采样得到的各种各样的数据，在运算后给出合适的控制策略指导外骨骼的运动。,电机驱动Drive,机械外骨骼的动力核心，每个关节有一个无刷电机，其通过钢索牵引传递力矩，控制每个关节运动。电机驱动模块需要满足控制过程中电机的位置、速度、力矩输出要求,传感器Sensors,机械外骨骼中与人体交互的部分，承担在控制算法中所需要的各种外部变量的采集与初步处理工作。包括EMG肌电信号采集传感器、角速度计、角加速度计和压力传感器。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,电源管理Battery,机械外骨骼的能源核心。采用串联的18650型锂电池供电。在使用过程中需要对电池的充电、放电进行约束保护，设计可以满足充放电保护要求的电源管理模块。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,B,电源电压值为36V，通过10串18650型锂电池串联得到。在充放电的过程中，每个电池电压通过BQ76930芯片的内部自平衡和外部平衡均衡化以延长电池寿命。增加电池组过热保护。为了节省MCU资源，方便布线，BQ76930通过一个51单片机控制。,电源管理Battery,机械外骨骼的能源核心。采用串联的18650型锂电池供电。在使用过程中需要对电池的充电、放电进行约束保护，设计可以满足充放电保护要求的电源管理模块。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,B,电源电压值为36V，通过10串18650型锂电池串联得到。在充放电的过程中，每个电池电压通过BQ76930芯片的内部自平衡和外部平衡均衡化以延长电池寿命。增加电池组过热保护。为了节省MCU资源，方便布线，BQ76930通过一个51单片机控制。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,控制模块Control,机械外骨骼的控制核心，通过单片机处理外骨骼采样得到的各种各样的数据，在运算后给出合适的控制策略指导外骨骼的运动。,C,单片机需要控制直流无刷电机驱动关节跟随人体运动，所以对单片机的频率要求较高（设定控制电机的采样频率为100KSPS）硬件在信号采集、处理、控制的过程中，需要ADC、SPI、GPIO、USB等之类的外设，在扩展方面也需要考虑。最终选择ARM内核的芯片。从成本、性能、使用范围的平衡性考虑，选择STM32的F1系列芯片。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,控制模块Control,机械外骨骼的控制核心，通过单片机处理外骨骼采样得到的各种各样的数据，在运算后给出合适的控制策略指导外骨骼的运动。,C,从产品成本、可维护性考虑，PCB板的数量应尽可能少。各部分关节的控制在协调中也需要独立，所以选用六片STM32芯片控制10个电机，每个芯片有一个主控板。从节约成本角度考虑，一个主控板上集成一个电机驱动模块和该部分关节所需的传感器端口。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,控制模块Control,机械外骨骼的控制核心，通过单片机处理外骨骼采样得到的各种各样的数据，在运算后给出合适的控制策略指导外骨骼的运动。,C,电源供电部分，为了缩小稳压模块的体积，采用金升阳电压模块，将36V供给驱动模块后，也将其转为24V，再转为5V，供给控制板，在板中，设有CAN总线模块，该控制板上的STM32芯片通过CAN总线与其它控制板上的芯片进行信息的交互，达到协调、同步。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,在动力的选型中，驱动模块需要具备产品商业化所需要的轻、小、稳定的优点，首先将液压、电力、气压三种驱动方式比较，虽然液压的功率密度更大，但是在配属相应的设备后体积非常大。而气压驱动的精度差，所以选择电力驱动。电机选型：因为要控制关节运动，电机需要堵转，也需要频繁换向，在有刷电机与无刷电机中，选择直流无刷电机作为驱动方式。,电机驱动Drive,机械外骨骼的动力核心，每个关节有一个无刷电机，其通过钢索牵引传递力矩，控制每个关节运动。电机驱动模块需要满足控制过程中电机的位置、速度、力矩输出要求,D,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,得出无刷电机的功率范围。无刷电机中，选用瑞士MAXON系列电机，根据峰值力矩、峰值功率，对电机及减速器进行选型。得出合适的组合为MAXON-EC430电机和GP32-HP减速器。MAXON公司提供了相应的驱动器，但是体积较大。所以，自行设计无刷电机的驱动器。,电机驱动Drive,机械外骨骼的动力核心，每个关节有一个无刷电机，其通过钢索牵引传递力矩，控制每个关节运动。电机驱动模块需要满足控制过程中电机的位置、速度、力矩输出要求,D,根据力矩变化曲线和医学临床数据：,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,电机驱动Drive,机械外骨骼的动力核心，每个关节有一个无刷电机，其通过钢索牵引传递力矩，控制每个关节运动。电机驱动模块需要满足控制过程中电机的位置、速度、力矩输出要求,D,根据无刷电机的特性，选用IR2136芯片对无刷电机进行控制，系统中有电压、电流采样，电机转动位置通过霍尔元件检测，同时有三相编码器对电机的转速进行精确的测量,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,电机驱动Drive,机械外骨骼的动力核心，每个关节有一个无刷电机，其通过钢索牵引传递力矩，控制每个关节运动。电机驱动模块需要满足控制过程中电机的位置、速度、力矩输出要求,D,根据无刷电机的特性，选用IR2136芯片对无刷电机进行控制，系统中有电压、电流采样，电机转动位置通过霍尔元件检测，同时有三相编码器对电机的转速进行精确的测量,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,S,在神经控制肌肉运动时，沿神经方向有电势差，EMG肌电传感器通过检测压差，判断是否有控制肌肉运动的神经信号。根据传感器的走线比较近，放大器需要有很好的共模抑制比，选用AD8221对信号进行处理。在AD8221前端，有TL084运算放大器对信号进行第一步的放大。,传感器Sensors,机械外骨骼中与人体交互的部分，承担在控制算法中所需要的各种外部变量的采集与初步处理工作。包括EMG肌电信号采集传感器、角速度计、角加速度计和压力传感器。,1、肌电信号传感器（EMG）,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,S,传感器Sensors,机械外骨骼中与人体交互的部分，承担在控制算法中所需要的各种外部变量的采集与初步处理工作。包括EMG肌电信号采集传感器、角速度计、角加速度计和压力传感器。,2、压力传感器,压力传感器用来检测人体皮肤与外骨骼外层织物之间的压力，用来作为反馈信号指导电机的驱动。最优目标是在各个方向，人体和外骨骼之间的压力为零。压力传感器为薄膜式压阻传感器，通过电阻电桥中受压电阻的阻值变化产生的电压变化来测量压力。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,S,传感器Sensors,机械外骨骼中与人体交互的部分，承担在控制算法中所需要的各种外部变量的采集与初步处理工作。包括EMG肌电信号采集传感器、角速度计、角加速度计和压力传感器。,2、压力传感器,压力传感器用来检测人体皮肤与外骨骼外层织物之间的压力，用来作为反馈信号指导电机的驱动。最优目标是在各个方向，人体和外骨骼之间的压力为零。压力传感器为薄膜式压阻传感器，通过电阻电桥中受压电阻的阻值变化产生的电压变化来测量压力。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,S,传感器Sensors,机械外骨骼中与人体交互的部分，承担在控制算法中所需要的各种外部变量的采集与初步处理工作。包括EMG肌电信号采集传感器、角速度计、角加速度计和压力传感器。,3、角速度计和角加速度计,角速度计和角加速度计跟人体每一个肢体绑定，不产生相对移动，测定该肢体相对于竖直平面的角度变化。其中，MPU-3050为三轴陀螺仪，测量角度。MMA8421为三轴加速度计，测量加速度。它们测量的数据即为拉格朗日方程中广义变量的原始数据。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,S,传感器Sensors,机械外骨骼中与人体交互的部分，承担在控制算法中所需要的各种外部变量的采集与初步处理工作。包括EMG肌电信号采集传感器、角速度计、角加速度计和压力传感器。,3、角速度计和角加速度计,在硬件设计中，将角速度计和角加速度计集成在一块0.5cm1cm的小PCB板中，其与所要测量的肢体通过绑带固定，PCB板通过排针与主控板相连，将信号传回单片机。,4,BUEX硬件设计,HARDWAREDESIGN,S,传感器Sensors,机械外骨骼中与人体交互的部分，承担在控制算法中所需要的各种外部变量的采集与初步处理工作。包括EMG肌电信号采集传感器、角速度计、角加速度计和压力传感器。,角速度计、角加速度计接口,压力传感器、EMG肌电信号传感器接口,36V电源入口,电机供电接口,霍尔、编码器接口,5,BUEX防倾倒研究,ANTIDUMPING,在外骨骼用于人体增强时，当人体在搬运重物时，由于重心的变化，在行走或者上下台阶的过程中容易发生倾倒。此时，外骨骼可以协助穿戴者避免倾倒；在用于医疗康复时，由于穿戴者自身机能的下降，本身控制平衡的能力就很差，如果用外骨骼进行康复，则外骨骼也需要考虑如何避免患者摔倒。,5,BUEX防倾倒研究,ANTIDUMPING,目前的设计为髋关节有一个旋转自由度，未来会进一步模仿人体结构，具有三个方向的自由度。另外，踝关节也可以加上电机辅助运动。在本章节的内容中，先预设外骨骼机器人在髋关节具有三个方向完全的自由度，踝关节也有一个受电机控制的自由度。,5,BUEX防倾倒研究,ANTIDUMPING,以质量中心为坐标系的起点，在其前后左右四个方向定义四个基准点。简化条件后，通过两脚距离质量中心的距离为评判标准判断系统是否不会倾倒。,5,BUEX防倾倒研究,ANTIDUMPING,130后倒13=0不倒,240右倒24=0不倒,5,BUEX防倾倒研究,ANTIDUMPING,判断出那一条腿为支撑腿，模糊控制的对象即为这一条支撑腿。,5,BUEX防倾倒研究,ANTIDUMPING,两输入、七输出模糊控制器