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基于6-DOF并聯(lián)機(jī)器人醫(yī)療器械道路運(yùn)輸模擬平臺的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2013-12-05 09:36裴毅東裴葆青李慧樊瑜波
中國醫(yī)療器械雜志 2013年1期
關(guān)鍵詞:平度并聯(lián)醫(yī)療器械

【作 者】裴毅東、裴葆青,李慧,樊瑜波

北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,北京市,100191

0 引言

在醫(yī)療器械向鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村等基層地區(qū)的運(yùn)輸過程中,路途的顛簸、振動[1]等特殊的運(yùn)輸路況通常對醫(yī)療器械產(chǎn)生危害作用,使醫(yī)療器械可靠性發(fā)生變化,成為導(dǎo)致失效的主要環(huán)境因素。

目前國內(nèi)在醫(yī)療器械道路運(yùn)輸?shù)难芯糠矫?,還未出現(xiàn)專門的用于醫(yī)療器械道路運(yùn)輸?shù)哪M平臺,更多的方法是使用傳統(tǒng)的振動試驗(yàn)機(jī)作為替代品或從國外引進(jìn)道路模擬試驗(yàn)機(jī)。對于傳統(tǒng)的振動試驗(yàn)機(jī),雖然在一定程度上能夠產(chǎn)生振動,但因運(yùn)動速度、振動幅度及調(diào)速方式等因素的影響,其運(yùn)動的方式僅局限于回轉(zhuǎn)式或正弦式,單一性的運(yùn)動方式使其無法根據(jù)道路實(shí)況實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)動。對于從國外引進(jìn)的道路模擬試驗(yàn)機(jī),其功能的設(shè)計(jì)決定了該試驗(yàn)機(jī)主要用途在于對整車的性能、零部件耐久性進(jìn)行測試,與醫(yī)療器械的道路運(yùn)輸研究有一定的偏差,而且這種試驗(yàn)機(jī)操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴。使用6-DOF并聯(lián)機(jī)器人作為醫(yī)療器械道路運(yùn)輸模擬平臺,不僅能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)道路運(yùn)輸中的多種運(yùn)動規(guī)律,真實(shí)反映醫(yī)療器械道路運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)動狀況,而且良好的控制性能和簡便的操作方式,使其能夠針對醫(yī)療器械的道路運(yùn)輸問題開展專業(yè)性的研究。

1 平臺組成及工作原理

醫(yī)療器械道路運(yùn)輸模擬平臺由激勵(lì)源、6-DOF并聯(lián)機(jī)器人、醫(yī)療器械道路運(yùn)輸模擬軟件和醫(yī)療器械固定裝置四部分組成。其工作原理為:將仿真產(chǎn)生的三維道路譜作為激勵(lì)源,轉(zhuǎn)化為6-DOF并聯(lián)機(jī)器人所需的運(yùn)動數(shù)據(jù)并加載至機(jī)器人;通過控制并聯(lián)機(jī)器人使其能夠高效準(zhǔn)確地模擬車輛在不同車速、各種等級路面上的運(yùn)動。模擬平臺的工作原理如圖1所示。

激勵(lì)源是模擬平臺的原始輸入部分,提供了驅(qū)動6-DOF并聯(lián)機(jī)器人完成道路運(yùn)輸模擬運(yùn)動所需的原始數(shù)據(jù)。本文通過改進(jìn)諧波疊加算法,建立三維道路的路面譜模型,以此作為模擬平臺的激勵(lì)源。

圖1 醫(yī)療器械道路運(yùn)輸模擬平臺工作原理Fig.1 The principle of simulation platform for medical equipment road transportation

6-DOF并聯(lián)機(jī)器人是整個(gè)模擬平臺的一個(gè)重要組成部分,由運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)、驅(qū)動裝置和機(jī)器人本體三部分組成,如圖2所示。它提供了道路運(yùn)輸模擬過程中的瞬時(shí)過載、重力分量的持續(xù)感、運(yùn)輸過程中的振動和沖擊信息,使道路運(yùn)輸模擬運(yùn)動更加逼近醫(yī)療器械的真實(shí)運(yùn)輸環(huán)境。本模擬平臺使用的6-DOF并聯(lián)機(jī)器人采用伺服電機(jī)驅(qū)動,負(fù)載能力為200 kg,重復(fù)定位精度為±0.1 mm,平動位移定位精度為0.2 mm,轉(zhuǎn)動角度定位精度為0.02o,機(jī)器人在X、Y、Z三個(gè)方向的平動位移范圍為±200 mm,繞X、Y、Z三個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動角度范圍為±20o,驅(qū)動軸最大線速度和角速度分別為200 mm/s和30o/s。

圖2 6-DOF并聯(lián)機(jī)器人各部分組成Fig.2 The parts of 6-DOF parallel robot

醫(yī)療器械道路運(yùn)輸模擬軟件是模擬平臺的軟件控制部分,其主要功能有:(1)完成模擬平臺的初始化工作;(2)提供模擬平臺所能完成的各種道路等級路面和運(yùn)輸車輛的車速信息;(3)控制6-DOF并聯(lián)機(jī)器人在選定的道路等級路面和車速下完成模擬運(yùn)動;(4)完成6-DOF并聯(lián)機(jī)器人復(fù)位工作以及為機(jī)器人模擬運(yùn)動提供安全保障。

醫(yī)療器械固定裝置是模擬平臺中對醫(yī)療器械進(jìn)行固定的裝置,裝置主體部分選用強(qiáng)度高、重量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)的鋁型材作為原材料加工而成。其位置處于6-DOF并聯(lián)機(jī)器人動平臺上方,并通過螺栓與機(jī)器人動平臺固定。該固定裝置不僅對醫(yī)療器械具有固定的作用,而且在模擬運(yùn)輸過程中對所載醫(yī)療器械具有保護(hù)作用。

2 獲取激勵(lì)源

激勵(lì)源是根據(jù)國家道路等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[2]產(chǎn)生的八種道路等級(A-H級)的路面譜數(shù)據(jù),其準(zhǔn)確性直接影響到道路運(yùn)輸模擬平臺的性能[3]。本文從空間頻率出發(fā),改進(jìn)了諧波疊加算法,使之能夠反映車輛運(yùn)動的動態(tài)特性和實(shí)際路面隨機(jī)特性的三維空間道路譜,并從功率譜密度的角度驗(yàn)證所建路面模型的有效性,從而保證激勵(lì)源的準(zhǔn)確性。

2.1 改進(jìn)的諧波疊加算法

改進(jìn)的諧波疊加法是針對現(xiàn)有的道路譜仿真模型不符合實(shí)際道路隨機(jī)分布,各態(tài)歷經(jīng)特性以及缺少車輛行駛動態(tài)特性的問題,在原有諧波疊加法基礎(chǔ)上,將仿真模型由路面長度和路面不平度組成的二維模型擴(kuò)展到由路面的長度、寬度和不平度組成的三維模型,并通過增加車輛速度和相位差的方法建立符合實(shí)際路面特性的三維道路譜模型。

按照GB7031-2005[2],路面不平度位移功率譜密度可用冪級數(shù)作為擬合表達(dá)式:

式中:n0為參考空間頻率,單位為m-1;n0=0.1m-1;Gd(n0)為參考空間頻率n0下的路面不平度系數(shù),單位為m2/m-1;w=2為頻率指數(shù),決定了路面譜的頻率結(jié)構(gòu)。

已知在空間頻率n1<n<n2內(nèi)的路面位移譜密度為Gd(n),將區(qū)間(n1,n2)劃分為n個(gè)小區(qū)間,取每個(gè)小區(qū)間的中心頻率nmid-i(i=1,2,...n)處的譜密度值Gd(nmid-i)代替Gd(n)在整個(gè)小區(qū)間內(nèi)的值,利用平穩(wěn)隨機(jī)過程的平均功率的頻譜展開性質(zhì),路面不平度的方差為:

式中:θ為[0,2π]上均勻分布的隨機(jī)數(shù);x為頻域路面方向的值。

車輛行駛是一個(gè)動態(tài)過程,仿真建立的道路譜模型除包含路面不平度信息外,還需要考慮車輛行駛速度,因此將式(1)轉(zhuǎn)換為時(shí)間功率譜:

其中f =u×n,同理,將f ( f1≤ f≤ f2)劃分為n個(gè)區(qū)間,用每個(gè)區(qū)間的中心頻率fi處的功率譜密度值Gd( fi)代替Gd(f)在整個(gè)小區(qū)間內(nèi)的值,則可以在時(shí)域內(nèi)用三角級數(shù)模擬隨機(jī)路面不平度:

式中θi為[0,2π]的隨機(jī)數(shù),t為給定車速下的時(shí)間歷程。

為了表示路面的三維特性,需要增加路面的寬度,利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生路面長度和寬度兩個(gè)方向上的隨機(jī)數(shù)作為三角級數(shù)的相位差。將(5)式轉(zhuǎn)換為空間域內(nèi)的諧波疊加式,由于,

將x看作空間點(diǎn)到初始點(diǎn)的距離,式(7)改為:

增加路面寬度,拓展到三維空間后

至此,通過離散路面空間頻域n和時(shí)間頻率f,得到了空間頻域和時(shí)間域下三維道路譜的數(shù)學(xué)模型。

2.2 三維道路譜模型仿真與驗(yàn)證

根據(jù)改進(jìn)諧波疊加法建立的數(shù)學(xué)模型,將空間頻率(0.011 m-1≤n≤2.83 m-1)劃分為200等分,即 N=200采樣頻率dt=0.003 s。以E級路面為例,產(chǎn)生2 m×100 m區(qū)域三維道路譜仿真模型,如圖3所示。選取 y=0.6 m處的x方向路面不平度,將其轉(zhuǎn)化為時(shí)域路面不平度信號,得到E級路面車速為20 m/s時(shí)路面不平度曲線,如圖4所示。將仿真生成的車速為20 m/s時(shí)E級路面的路面不平度功率譜密度,與標(biāo)準(zhǔn)功率譜譜密度對比,驗(yàn)證仿真三維路面的有效性。

圖3 E級路面三維道路譜仿真模型Fig.3 The simulation model of 3-D road spectrum for E grade road

圖4 y=0.6 m處的x方向路面不平度Fig.4 The road roughness of y=0.6 m in the x direction

標(biāo)準(zhǔn)功率譜密度曲線由路面時(shí)間功率譜密度計(jì)算得出。E級路面功率譜密度曲線,由E級路面不平度信號經(jīng)FFT轉(zhuǎn)換為頻率信號,再進(jìn)行周期圖法功率譜估計(jì)得出[4],如圖5所示。

圖5 仿真E級路面不平度功率譜密度與標(biāo)準(zhǔn)譜密度對比Fig.5 The comparision of results between simulated E grade road roughness PSD and standard PSD

圖5中data2所示的曲線代表仿真產(chǎn)生的E級路面的功率譜密度分布曲線,data1所示的直線代表標(biāo)準(zhǔn)功率譜密度線。從圖5可以看出,兩者的走向趨勢一致,只是在幅度上有所不同。這是為了表示隨機(jī)道路路面各態(tài)歷經(jīng)的特性而增加相位差隨機(jī)數(shù)發(fā)生器引起的,因此改進(jìn)諧波疊加算法生成的三維道路譜模型可以較好地表示實(shí)際路面不平度且符合國家道路等級劃分標(biāo)準(zhǔn),從而證明了路面數(shù)據(jù)可以作為模擬平臺的激勵(lì)源。利用改進(jìn)的算法依次仿真出A-H八種等級路面的三維道路譜模型,并記錄三維路面譜仿真數(shù)據(jù)作為模擬平臺的激勵(lì)源。

3 道路運(yùn)輸模擬平臺運(yùn)動控制

醫(yī)療器械道路運(yùn)輸模擬平臺模擬車輛的運(yùn)輸過程是通過控制6-DOF并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的,仿真產(chǎn)生的三維道路譜為機(jī)器人運(yùn)動提供了原始的激勵(lì)源。然而,根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)特性,該激勵(lì)源不能被機(jī)器人直接使用,需要轉(zhuǎn)化為機(jī)器人需要的運(yùn)動數(shù)據(jù),才能加載至機(jī)器人而控制其運(yùn)動。

3.1 獲取機(jī)器人運(yùn)動數(shù)據(jù)

6-DOF并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動是通過各驅(qū)動軸長度發(fā)生變化,從而使動平臺位姿發(fā)生改變實(shí)現(xiàn)的。動平臺位姿是指動平臺幾何中心相對于靜平臺的位置(x、y、z)和轉(zhuǎn)角(α,β,γ),因此首先需要求出機(jī)器人動平臺的位姿,再由位姿求出機(jī)器人各驅(qū)動軸長度,驅(qū)動軸長度的變化量對應(yīng)的脈沖數(shù)即為機(jī)器人運(yùn)動數(shù)據(jù)。假設(shè)某種輪距為1500 mm、軸距為2500 mm的型號汽車(假設(shè)為剛性),在上述仿真路面上以一定速度行駛,由道路譜計(jì)算出車輛在仿真三維道路上的狀態(tài)角,這樣就得到了車輛幾何中心在道路行駛中垂直方向的位移(路面不平度)及車身轉(zhuǎn)角。根據(jù)6-DOF并聯(lián)機(jī)器人的位置反解算法[5],求出動平臺的位姿,得到機(jī)器人所需的運(yùn)動數(shù)據(jù)。機(jī)器人數(shù)據(jù)獲取過程如圖6所示。

圖6 機(jī)器人數(shù)據(jù)獲取過程Fig.6 The acquisition process of robotic data

3.2 機(jī)器人運(yùn)動控制

機(jī)器人運(yùn)動控制由自行開發(fā)的醫(yī)療器械道路運(yùn)輸模擬軟件完成。運(yùn)動控制過程如圖7所示。

(1)運(yùn)行控制軟件,初始化機(jī)器人各驅(qū)動軸和運(yùn)動控制卡;(2)選定需要模擬的等級路面與車速并對車速進(jìn)行判斷;(3)控制卡接收運(yùn)動數(shù)據(jù)后以脈沖方式發(fā)送給各驅(qū)動軸的伺服電機(jī);(4)監(jiān)視一號軸和三號軸的寄存器值是否為3,若為3,則繼續(xù)監(jiān)視寄存器狀態(tài),否則存儲該時(shí)刻各驅(qū)動軸脈沖數(shù),用于計(jì)算各驅(qū)動軸的運(yùn)動速度;(5)監(jiān)視各驅(qū)動軸運(yùn)動速度,防止運(yùn)動速度大于2 m/s;(6)使用絕對位置S形直線插補(bǔ)方法,對各驅(qū)動軸進(jìn)行運(yùn)動控制;(7)機(jī)器人各驅(qū)動軸完成一組運(yùn)動數(shù)據(jù),取下一組數(shù)據(jù)繼續(xù)運(yùn)動;(8)模擬運(yùn)動結(jié)束后,機(jī)器人進(jìn)行復(fù)位操作。

4 結(jié)論

作為一個(gè)高效、可控的醫(yī)療器械道路運(yùn)輸模擬平臺,激勵(lì)源和運(yùn)動控制是其中兩個(gè)關(guān)鍵部分。采用改進(jìn)諧波疊加算法建立的三維道路譜,可以準(zhǔn)確地表示隨機(jī)路面的各態(tài)歷經(jīng)的特性以及車輛運(yùn)動的動態(tài)特性。保證了加載至6-DOF并聯(lián)機(jī)器人的數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性,通過絕對模式的S形直線插補(bǔ)方法控制并聯(lián)機(jī)器人,并實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動速度和寄存器狀態(tài),保證了機(jī)器人完成運(yùn)動數(shù)據(jù)的精確性,從而使醫(yī)療器械道路運(yùn)輸模擬平臺能夠高效準(zhǔn)確地模擬車輛在不同車速、各種等級路面上的運(yùn)動情況。該平臺與國內(nèi)現(xiàn)有的振動試驗(yàn)機(jī)相比,具有模擬真實(shí)、可控性好、針對性強(qiáng)和運(yùn)動多樣化等優(yōu)勢,而且比國外的道路模擬試驗(yàn)機(jī)價(jià)格低廉。

圖7 機(jī)器人運(yùn)動控制流程Fig.7 The controlling process of robotic motion

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