ａ叶姣２０１７年第３０卷第５期 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ｍａｙ．１５．２０１７ 图像・编码与软件 ｄｏｉ：１０．１６１８０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌＯ０７—７８２０．２０１７．０５．０３９ 上肢康复机器人的运动方向信息处理系统设计 灵 。 ，喻洪流 ，方又方 ，石 萍 ，孟巧玲 ，王金超 。 （１．上海理工大学医疗器械与食品学院，上海２０００９３；２．上海理工大学康复工程与技术研究所，上海２０００９３； ３．上海康复器械工程技术研究中心，上海２０００９３；４．民政部神经功能信息与康复工程重点实验室，上海２０００９３） 摘要针对上肢康复机器人在位置控制过程中，关节电机轴端编码器输出的运动方向信息存在的误差，设计了一 种提高运动方向信息精确度的运动方向信息处理系统。经过该处理系统后，运动方向信息中的抖动被滤除，提高了上肢 康复机器人位置控制的准确性。具备准确位置控制的康复机器人保证了康复过程的舒适性和安全性。 关键词上肢康复机器人；位置控制；运动方向信息；信息处理 中图分类号ＴＰ２４２ 文献标识码Ａ 文章编号１００７—７８２０（２０１７）０５—１４２—０５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｍｏｔｉｏｎ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｕｐｐｅｒ Ｌｉｍｂ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｌ ｂｏｔ ＺＨＡＮＧ Ｌｉｎｌｉｎｇ ’ ， ｌ＿，ＹＵ Ｈｏｎｇｌｉｕ ’ ， ，ＦＡＮＧ Ｙｏｕｆａｎｇ ， ’。 ＳＨＩ Ｐｉｎｇ ＇ ， ， ，ＭＥＮＧ Ｑｉａｏｌｉｎｇ ・ ， ．．，ＷＡＮＧ Ｊｉｎｃｈａｏ ， ， ， （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ Ｆｏｏｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ａｓｓｉｓｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３， Ｃｈｉｎａ；４．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｅｕｒａｌ—ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ａｆｆａｉｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉｒ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ，ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏ— ｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｃｏｄｅｒ ｍｏｕｎｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｍｏｔｏｒ ｓｈａｆｔ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ， ｗｅ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｍｏｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍ ｔｎｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａ— ｔｉｏｎ ｎｏｉｓｅ ｉｓ ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ａｃｃｕｒａｔｅｎｅｓｓ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉ— ｓｉｏｎ ｅｎｓｕｒｅｓ ｃｏｍｆｏｒｔ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｂ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｍｏｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ 上肢康复机器人是科学技术与康复技术紧密结合 的产物…，其作用是取代康复医师，引导患者进行上肢 康复训练 Ｊ。上肢康复机器人不仅将康复医师从繁重 的康复训练中出来，而且为患者提供了专业统一 制。常用传感器有角度传感器、位移传感器、编码器 等 Ｊ。编码器是在运动关节电机轴端常用的传感 器，但在实验室研发３自由度驱动式上肢康复机 器人过程中发现编码器输出的运动方向信息存在误 差。故本文设计了一种具有辩向功能的运动方向处理 的上肢康复训练 ｊ。上肢康复训练按照患者的损伤程 度分为被动训练、助力训练和抗阻训练 Ｊ。虽然分 为３种训练模式，但每种模式都涉及到相关关节的位 置控制，所以位置控制非常重要。在位置控制中，必须 采集系统，该系统能够提高采集运动方向信息的准确 性，从而确保康复训练顺利进行。 通过传感器采集实时运动方向信息，实现闭环位置控 １ 总体设计 １．１位置控制系统 收稿日期：２０１６－０５－２５ 本文设计的运动方向信息处理系统基于一个３自 基金项目：上海市科技支撑项目（１６４４１９０５６０２）；上海市科委平 台建设项目（１５ＤＺ２２５１７００） 由度的驱动式上肢康复训练机器人 Ｊ。该机器人 使用集中安装在设备底座的驱动电机作为动力输出装 作者简介：灵（１９９２一），女，硕士研究生。研究方向：智能 置，通过套筒及齿轮将动力传递输出到上肢的肘关节 与肩关节处，完成肩关节屈伸、肩关节收展以及肘关节 康复等。喻洪流（１９６６一），男，博士，教授，博士生导师。研究 方向：人体仿生机械及智能控制等。 １４２——ＷＷＷ．屈伸这３个自由度的运动 ｄｉ￣ｎｚｉｋｅｊ１．ｔ］ｒｇ 。上肢康复训练机器 灵，等：上肢康复机器人的运动方向信息处理系统设计 ＩｔＢ像・编码与软件 人的位置控制系统结构如图１所示。 输出Ａ相滞后 相９０。时，代表控制肩关节屈伸的电 机反转，肩关节伸展 。由此可见，判断关节运动方 向的依据就是电机轴端编码器Ａ， 相输出相位差。 由于编码器自身的原因，当存在干扰脉冲时，输出 的关节运动方向信息存在高频抖动，这使得后续的关 节运动无法正常进行。本文采用微控制单元（ＭＣＵ） 的Ｔｉｍｅｒ捕获中断来采集编码器输出的关节运动方向 信息，针对脉冲信号进行捕获，并且在捕获的边沿处判 断关节处电机的旋转方向。在编码器的关节运动方向 －－１步进电机驱动制 ＿叫步进电机驱动别 ．－ －－ｔ步进电机驱动利 ｌ肩关节屈曲伸展电机ｌ Ｉ肩关节外展内收电驯 Ｉ肘关节屈曲伸展电机Ｉ ● ｔ ● ｌ 减速系统 卜＿＿ ｌ 减速系统 卜＿ Ｉ 减速系统 Ｓ－ ‘ ｌ位置信息采集 ｌ位置信息采集Ｉ ｌ位置信息采集Ｉ Ｉ．．．．．．．．．一 ———＿｝一 、．．．．．．．．． ｌ 控制系统卜＿一 千 信号进入ＭＣＵ之前，需要去除脉冲中的抖动。为保证 图ｌ 上肢康复训练机器人的位置控制系统结构 运动方向信号的准确性，先将编码器输出信号输入到 位置控制系统采用位置闭环控制 。位置信息 运动方向信息处理系统的硬件部分。 采集模块实时采集各个关节的位置信息后送人控制系 当关节电机沿着一个方向转动转动时，在正常编 统。控制系统将测量值与给定值比较计算出各个关节 码器输出的运动方向信号中，同一时刻，其中一相的两 的位置调整量¨引，并将调整量传送给步进电机驱动 个相邻跳变沿和对应的另外一相的输出电平必然是相 反的。如果此时编码器出现了正常的换向，则会出现 器，从而实现上肢康复训练机器人的位置闭环控制。 一次电平相同的情况，但仅会出现一次换向完成后脉 １．２位置信息采集 冲变为正常状态。而一旦干扰脉冲出现，则会在其中 上肢康复训练机器人位置控制系统中的位置信息 一相电平保持不变期间，另一相出现高频抖动，该频率 采集模块，主要包括对３个关节在运动过程中角度信 比编码器正常频率高许多。测试过程中编码器轴的转 息的采集和方向信息的采集。通过安装在关节电机轴 速为，则正常的１０００线编码器输出脉冲频率为２００× 端的编码器实时输出关节运动的角度信息。结合编码 ６／０．３６ ３．３ ｋＨｚ，干扰脉冲约为１００—２００ ｋＨｚ。根据 器和运动方向信息处理系统，实现关节运动方向信息 上述分析，设计出了以下运动方向信息处理电路，如图 的实时采集。位置信息采集流程图如图２所示。 ３所示。 Ｉ电机轴端编码器Ｉ ｌ 输出 ｒ 、 运动关节角度信息 动方向信息处理系 ．输出 运动关节方向信息 图２位置信息采集流程图 运动方向信息处理系统包含运动方向信息处理电 图３运动方向信息处理电路 路和软件去抖算法两部分。由编码器输出的运动方向 图３中，运动方向信息处理电路的基本思路为：利 信息先送人运动方向信息处理电路处理后经由软件去 用积分电路和异或门，提取出Ａ相和 相的跳变沿， 抖算法处理，得到最终的运动方向信息。 在该跳变沿处，利用Ｄ锁存器锁存另外一相的电 ２硬件设计 平 ，从而去除在一相电平保持期间另外一相的高频 抖动，后面再使用一个Ｄ锁存器来判定编码器的旋转 关节运动方向信息的实时采集主要通过安装在关 方向，关节运动方向信号接人ＭＣＵ的ＩＯ口，该运动方 节电机轴端的编码器、运动方向信息处理系统两部分 向信息处理电路逻辑如图４所示。 实现。编码器通过减速系统与电机相连，实时输出关 根据分析，这里假设高频抖动脉冲出现在Ａ相和 节运动方向信息。通常，编码器的Ａ相输出和 相输 相脉冲中的情况，如图４所示。积分电路的特性是 出存在９０。的相位差。以肩关节屈伸为例，当控制肩 使得方波的边沿变缓，利用变缓边沿与原始信号异或 关节屈伸的电机轴端编码器输出Ａ相超前Ｂ相９０。 获得方波的边沿脉冲信号，并作为第一级Ｄ锁存器的 时，代表控制肩关节屈伸的电机正转，肩关节屈曲；当 时钟，故在Ａ相的上升沿和下降沿均有一次 相电平 ＷＷＷ．［１ｉａｎｚｉｌｌｅｊｉ．ｏｒｇ————————— １４３ 田像・编码与软件 灵，等：上肢康复机器人的运动方向信息处理系统设计 Ａ／ｔｌ￣ 朔ｉ厂Ｔ］ ：：：：：：： ｉ ：：…：：：：：：：：：｝：：｝ ３软件设计 硬件部分设计了运动方向信息处理电路，在软 Ａ相边沿黼电平 ｌ；１；…川…㈨：ｌ Ｉ ｉ ｌ： 碉边沿姒相电平 ｉ Ｉ ｉＩ… Ｉ…… １ ；ＩＩ ｊ ｌｉ㈦ｉ ｉ Ｉ ；卜＿ｔ 甘汁 甘＿＿ …：：ｒ一— 件部分将运动方向信息处理电路的输出脉冲信号接 到定时器捕获引脚。定时器设置在捕获状态，当该 引脚处捕获到脉冲信号，定时器会进入捕获中断，在 中断服务函数中读取方向信号，并且对脉冲计数值 再次异或］『＿］ ■ 『－１ ｎ 广 存器输出 累加或者累减，从而完成对方向信号的采集。上文 中分析了增量式光电编码器的抖动产生的原因，如 果不对抖动信号进行处理，则会对测量结果造成影 响，在软件采集程序中也会因为抖动而发生错误的 动作，故在运动方向信息处理电路的基础上，软件方 面也进行了相应的去抖处理。软件去抖的基本思路 图４运动方向信息处理电路逻辑关系 的输出。据此原理，画出Ａ相或Ｂ相在跳变沿处另外 一相电平，如图中第３和第４行波形所示。从图中可 以看出，高频的抖动脉冲没有出现在Ｄ锁存器的输出 脉冲中，从而达到了消除抖动的目的。将这两路去抖 之后的脉冲再使用Ｄ锁存器则可以获得编码器的旋 转方向。 为：在几个连续边沿处，读取方向信号，并判断当前 方向和前一次方向是否发生改变，改变则认为抖动１ 次，当抖动次数＞ｌ时，则认为发生了抖动，在总计数 值中将抖动值剔除；如果抖动次数＝０则是正常的信 号；如果抖动次数＝１，则认为是编码器发生了正常 换向，而不是抖动信号，从而达到去抖的目的，软件 去抖的基本思路如图６所示。 上文详细描述了对各个关节处电机轴端编码器输 前文分析了旋转方向保持不变的正常输出脉冲过 程，论证了其中一相的两个相邻跳变沿，另外一相的电 平必然是相反的结论。假如编码器是正常的变换方 向，则会出现其中一相的两个相邻跳变沿，另一相电平 保持一致的现象。这种现象只会在变向的边界出现一 次，之后编码器输出正常脉冲。现在假设关节处电机 从正转变为反转，将编码器输出脉冲经过运动方向信 息处理电路的逻辑关系分析如图５所示。 出的运动方向信息去抖的过程，上述思路中，判断抖动 是在９个连续边沿捕获中断中进行的，该数值９可以 根据实际测试结果作调整，设置太小则可能无法达到 去抖效果，如果太大则造成方向判断和角度测量不及 时，带来测量滞后的不良影响，一般设置为５～９比较 合适。 Ａ相边沿处日相电平 ４实验结果 ｊ ｌ＿Ｈ！ｌ＿Ｈ ｌ＿—ｌ＿Ｈ ｌ＿ｌ＿ Ｂ相边沿处Ａ相电平— ：Ｉ ｌ— ｉ Ｌ— 再次异或；Ｌ— ：Ｉ 光电编码器作为本文中关节运动方向信息采集 的传感器，其测量准确性对控制系统的执行效果有 着显著的影响。文中设计的运动方向信息处理系统 包含运动方向信息处理电路以及软件去抖算法，这 Ｌ＿Ｊ Ｕ Ｌ＿Ｊ Ｌ＿Ｊ Ｉ：Ｌ－Ｊ Ｕ ；： ！ ｊ：ｉ；ｉ： Ｉ Ｉ Ｈ— Ｄ锁存器输出 ：ｉ １ １ ：ｉ ０１ ｊ １ｊ１ ｊ１ ０ｊ ｊ：１ ０‘ Ｉ图５编码器变向一次逻辑关系 从图中可以看出，经过第一级Ｄ锁存器之后的 波形在Ａ相超前区间和Ａ相滞后区间有明显的区 别。第二级判向用的Ｄ锁存器能正确判断方向的变 两种方式的目的均是为了提高关节运动方向信息的 准确性。为验证这两种方式对抖动消除的效果，设 计了对比实验。根据物理常识可知，无论编码器的 精度如何，其转动轴每转过１圈则必定是，基于这种 思路，将编码器的ｚ相作为圈数计数标志，每发生一 次ｚ相中断表明编码器转过一圈，分别在无信号干 扰、人为加入干扰、缺陷编码器自身干扰等３种条件 下分别测量１０次，结果如表ｌ一表３所示。（Ｉ组：无 化，但判断时刻滞后了一个周期。由此可见，上述运 动方向信息处理电路在提高抗干扰能力的同时，在 方向判断时间上有所牺牲，但是编码器旋转速度越 快时判断滞后的影响就越小，在可以接受的范围内。 当抖动干扰的频率较小而接近编码器正常旋转的频 率时，则可能会无法区分正常换向还是发生了抖动， 本文将使用软件算法进一步减小抖动现象对关节运 动方向信息影响。 Ｊ ——ＷＷＷ．软件处理，无硬件处理；ＩＩ组：有软件处理，无硬件处 理；ＩＩＩ组：无软件处理，有硬件处理；ＩＶ组：有软件处 理，有硬件处理） ｄｉａｎｚｉｔｅｊｉ．０ｒｑ 灵，等：上肢康复机器人的运动方向信息处理系统设计 图像・编码与软件 图６软件去抖算法流程图 表１ 无信号干扰时方向判断出错情况 ／次 在步进电机变速过程中，是需要判断当前电机旋 转方向的，如果判断错误，将导致相反的结果，后果十 分严重，故在软硬件处理去抖的过程中将方向判断准 ５结束语 针对关节电机轴端编码器输出的运动方向信息存 在的抖动误差，本文设计了一个运动方向信息处理系 统通过系统内的软硬件去抖提高了运动方向信息的精 确度。优点在于低成本，高精度，结构简单。从而确保 了上肢康复机器人位置控制的准确性，有助于上肢康 复机器人的被动训练，助力训练与抗阻训练顺利进行。 确作为首要考虑因素，实验结果也证明了这一点。表 １～表３的结果表明，无论是人为加入的干扰还是编码 器自身缺陷造成的干扰，软件去抖方式和硬件去抖方 式对方向误判的纠正效果十分明显，混合使用时有效 提高了方向判断的准确性。 ＷＷＷ．ｄｌａｎｚｉｋ ｅｊｉ．ｏｒ［Ｉ————————— １４５ 图像・编码与软件 灵，等：上肢康复机器人的运动方向信息处理系统设计 ｔｉｏｎ，２０１４（１１）：３—９． 但本文设计的运动方向信息处理系统也存在不足，如 在运动方向信息处理电路中，运动方向信号的输出存 在滞后的现象；在软件去抖算法中存在一定误差。 参考文献 ［１］Ｍｅｈｒｈｏｌｚ Ｊ，Ｐｌａｔｚ Ｔ，Ｋｕｇｌｅｒ Ｊ，ｅｔ １．Ｅｌａｅｃｔｍｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｒｏｂｏｔ—ａｓｓｉｓｔｅｄ ｇｒｉｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ａｌＴｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ［６］ 龙耀斌．康复机器人训练对脑卒中偏瘫患者上肢功能的 影响［Ｊ］．中国康复，２０１２（３）：１７１—１７３． ［７］杜宁．基于３一ＲＲＣ并联机构的上肢康复机器人设计 ［Ｄ］．秦皇岛：燕山大学，２０１２． ［８］方又方，喻洪流，官龙，等．基于肌电触发的上肢康复训练 机器人的实现［Ｊ］．上海理工大学学报，２０１５（４）： ３５５—３６１． ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ ｄａｉｌｙ ｌｉｖｉｎｇ ａｆｔｅｒ 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