， ，,，，，，,

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.深圳市老年醫(yī)學(xué)研究所，廣東 深圳 518035)

0 引言

踝關(guān)節(jié)是位于足和小腿之間的重要關(guān)節(jié)，目前大多數(shù)應(yīng)用于臨床醫(yī)療和日常生活中的踝關(guān)節(jié)康復(fù)醫(yī)療器械，都相對(duì)簡(jiǎn)單、功能單一[1]，結(jié)合醫(yī)學(xué)與工學(xué)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了各種型式的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人。例如，美國(guó)Northeastern University的生物工程實(shí)驗(yàn)室研制的虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)自行車套件，美國(guó)Rutgers University的Michael Girone等人研制的基于Stewart平臺(tái)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，河北工業(yè)大學(xué)的劉更謙教授提出的基于3RSS/S 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)[2]，北京工業(yè)大學(xué)的李劍鋒等人提出的基于2UPS/RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)[3]。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)和理論的局限性，這些踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人普遍存在機(jī)構(gòu)自由度不足、機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)中心與踝關(guān)節(jié)生理中心不重合、機(jī)構(gòu)復(fù)雜和控制困難等缺點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要手段之一，多領(lǐng)域聯(lián)合仿真技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)之一，并進(jìn)而向協(xié)調(diào)仿真的方向發(fā)展。機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如汽車自動(dòng)防抱死系統(tǒng)ABS、主動(dòng)懸架、飛機(jī)起落架助動(dòng)器和衛(wèi)星姿態(tài)控制等[4]。基于ADAMS和MATLAB的聯(lián)合仿真技術(shù)，利用了ADAMS在動(dòng)力學(xué)分析和MATLAB在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真上的優(yōu)勢(shì)，為機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種全新的設(shè)計(jì)方法，在新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的系統(tǒng)預(yù)測(cè)分析和樣機(jī)性能評(píng)估中都能起到重要的作用。

1 新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

針對(duì)以往踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的缺點(diǎn)，結(jié)合目前最新的踝關(guān)節(jié)醫(yī)學(xué)康復(fù)理論和機(jī)器人技術(shù)，提出了一種基于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人。該新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人主要包括機(jī)械本體、測(cè)量傳感部分、驅(qū)動(dòng)控制部分和人機(jī)交互界面4個(gè)部分，測(cè)量傳感部分嵌在機(jī)械本體中，如圖1所示。與普通的踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備相比，它具備很多自動(dòng)化和智能化的功能，如該新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人可以幫助患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)的主動(dòng)和被動(dòng)訓(xùn)練，可以采集踝關(guān)節(jié)患者的康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，可以由醫(yī)療師在控制界面設(shè)定訓(xùn)練方案和評(píng)估訓(xùn)練效果。

圖1 新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)組成

該新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人分為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其單側(cè)機(jī)構(gòu)從上到下可以分為內(nèi)翻外翻、背屈趾屈和內(nèi)旋外旋3個(gè)機(jī)構(gòu)。每個(gè)機(jī)構(gòu)各自產(chǎn)生1個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[5]，使得最終末端和人體踝關(guān)節(jié)一樣具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，這樣就可以帶動(dòng)踝關(guān)節(jié)患者進(jìn)行靈活的康復(fù)訓(xùn)練。將內(nèi)旋外旋部件放在底層，這樣進(jìn)行內(nèi)旋外旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)自身的重心位置變化不大，可以使得整個(gè)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。特別的，新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的3個(gè)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸垂直相交于機(jī)構(gòu)上方一點(diǎn)，其位置與患者踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心大致重合。

新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人擬采用24 V直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無(wú)刷直流電機(jī)輸出扭矩較小，可以采用齒輪傳動(dòng)(包含渦輪蝸桿)來(lái)增大扭矩減小轉(zhuǎn)速，相比于其他傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊。以背屈趾屈機(jī)構(gòu)為例，介紹機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。背屈趾屈機(jī)構(gòu)的整體布置如圖2所示，主要包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)、小齒輪減速箱和圓弧渦輪。根據(jù)人體踝關(guān)節(jié)生理數(shù)據(jù)，正常人體踝關(guān)節(jié)背屈趾屈運(yùn)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)速為1.4 rad/s，最大扭矩為40 N·m[6]。由此得到電機(jī)的最小功率為56 W，再乘以安全系數(shù)，可以選用100 W無(wú)刷直流電機(jī)，作為新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人背屈趾屈機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)采用齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，其傳動(dòng)比i滿足：

(1)

(2)

n為減速輸出轉(zhuǎn)速；nN為直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；T為減速器輸出扭矩；TN為直流電機(jī)額定扭矩。

當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)確定型號(hào)后，其額定轉(zhuǎn)速和額定扭矩是已知的，進(jìn)一步根據(jù)式(1)和式(2)確定一個(gè)總傳動(dòng)比。為了減小背屈趾屈機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的外形尺寸和方便驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝，采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，前兩級(jí)采用小齒輪減速箱，最后一級(jí)采用圓弧渦輪和蝸桿傳動(dòng)，圓弧渦輪的角度由背屈趾屈運(yùn)動(dòng)范圍確定，圓弧渦輪兩側(cè)通過(guò)滑槽進(jìn)行固定，如圖3所示。

圖2 背屈趾屈機(jī)構(gòu)組成

圖3 背屈趾屈機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

踝關(guān)節(jié)患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，需要將腳固定在踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的踏板上，踏板和踝關(guān)節(jié)患者的雙腳產(chǎn)生相互作用力。對(duì)新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的負(fù)載進(jìn)行建模，患者的雙腳對(duì)踏板產(chǎn)生的相互作用力可以簡(jiǎn)化為腳跟處豎直方向的集中力F和3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的負(fù)載扭矩T。為了方便分析和計(jì)算，假定在踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，F(xiàn)的大小基本不變，T的變化與旋轉(zhuǎn)角度近似成正比，即滿足關(guān)系式T=kθ。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，正常成年人單腳對(duì)踏板的集中力F大小約為78 N，負(fù)載扭矩T≈64.3θ，T的單位為N·m，θ單位為rad。

2 ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真

2.1 ADAMS動(dòng)力學(xué)模型

在SolidWorks中建立新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的三維模型，忽略細(xì)小的零件或者將多個(gè)相鄰零件合并為一個(gè)整體，重新設(shè)定零部件的輸出坐標(biāo)系，另保存為*.x_t文件格式后再導(dǎo)入ADAMS中。首先打開ADAMS軟件，選擇MMKS單位制，角度以弧度為單位，設(shè)定重力方向?yàn)閅，大小為-9 806。逐個(gè)導(dǎo)入各零部件的*.x_t文件，在ADAMS輸入各零部件的初始坐標(biāo)值和方向，賦予每個(gè)零件相應(yīng)的材料(主要零件材料為45鋼和5052鋁合金)，最終在ADAMS中建立好新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人實(shí)體模型。

完成ADAMS實(shí)體模型的導(dǎo)入后，設(shè)置零部件的約束和運(yùn)動(dòng)方式，這里主要為整機(jī)底部的固定約束和零部件間的固定約束、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)副(包括渦輪蝸桿傳動(dòng))。注意齒輪傳動(dòng)的設(shè)置方式：選擇需要旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上添加旋轉(zhuǎn)副，在2個(gè)齒輪的嚙合點(diǎn)處添加MARKER，設(shè)置MARKER的Z軸方向?yàn)辇X輪運(yùn)動(dòng)的公切線方向，最后選擇相鄰齒輪的旋轉(zhuǎn)副和MARKER，完成齒輪嚙合傳動(dòng)設(shè)置。

背屈趾屈機(jī)構(gòu)與其他2個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式相似，但運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)構(gòu)受力相對(duì)復(fù)雜，所以機(jī)構(gòu)選擇背屈趾屈機(jī)構(gòu)作為單關(guān)節(jié)機(jī)械和控制聯(lián)合仿真對(duì)象。內(nèi)旋外旋機(jī)構(gòu)位于背屈趾屈機(jī)構(gòu)下方，不影響背屈趾屈機(jī)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)翻外翻機(jī)構(gòu)與背屈趾屈機(jī)構(gòu)保持相對(duì)靜止，建立好的背屈趾屈機(jī)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。背屈趾屈機(jī)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型包含自身重力、底部的固定約束、減速箱的齒輪傳動(dòng)(4個(gè)JOINT，3個(gè)GEAR)。通過(guò)ADAMS的Controls模塊，導(dǎo)出ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真需要的模型。聯(lián)合仿真需要交換的數(shù)據(jù)變量有：小齒輪的驅(qū)動(dòng)扭矩(驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端)、踏板的負(fù)載(負(fù)載端)和背屈趾屈機(jī)構(gòu)的角速度(負(fù)載端)。以前2個(gè)變量作為ADMAS控制模型的輸入變量，最后1個(gè)變量作為ADMAS控制模型輸出變量，如圖5所示。

圖4 背屈趾屈機(jī)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型

圖5 ADAMS導(dǎo)出的控制模型

2.2 MATLAB伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 無(wú)刷直流電機(jī)控制模型

無(wú)刷直流電機(jī)采用PWM調(diào)速，PWM調(diào)速是通過(guò)控制電子元器件的通斷，改變調(diào)制波的占空比，相當(dāng)于通過(guò)改變輸出電壓來(lái)改變電流和轉(zhuǎn)矩的大小。無(wú)刷直流電機(jī)的建模比較復(fù)雜，分為電機(jī)本體模塊、電流滯環(huán)模塊、速度控制模塊、參考電流模塊、轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和電壓逆變模塊，一般采用電流和速度雙閉環(huán)控制，具有很好的靜、動(dòng)態(tài)特性[7]。為了減少聯(lián)合仿真的運(yùn)算量，將無(wú)刷直流電機(jī)的PWM調(diào)速轉(zhuǎn)換為普通直流電機(jī)的電壓調(diào)速。

普通直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理為：電機(jī)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)和電樞電流的作用下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)扭矩，再通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將扭矩傳遞給負(fù)載，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的模型可以分為電機(jī)的電回路模型和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力平衡模型2部分，其傳遞函數(shù)為：

(3)

根據(jù)式(3)，在MATLAB的Simulink模塊建立直流電機(jī)的電回路開環(huán)控制模型。實(shí)際直流電機(jī)的工作范圍是有限的，為了使仿真結(jié)果能真實(shí)地反應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，必須考慮驅(qū)動(dòng)器輸入電壓u的飽和特性，添加1個(gè)電壓限幅模塊(-24～24 V)，如圖6所示。在聯(lián)合仿真中，對(duì)直流電機(jī)的電回路模型進(jìn)行封裝，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力平衡模型則用前面導(dǎo)出的ADAMS動(dòng)力學(xué)模型替代。

圖6 直流電機(jī)的電回路模型

2.2.2 PID速度伺服系統(tǒng)

在無(wú)刷直流電機(jī)中，通過(guò)電機(jī)末端的增量式光電編碼器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度，編碼器將信號(hào)反饋給控制器，控制器對(duì)期望速度和反饋速度的偏差進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算得到控制量，控制器將控制量傳給驅(qū)動(dòng)器，最后驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易整定，所以一般采用PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度反饋控制，如圖7所示。

圖7 PID速度伺服系統(tǒng)

PID控制算法中的微分作用過(guò)于靈敏，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制過(guò)程振蕩，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此采用不完全微分控制器。不完全微分控制器具有抑制控制系統(tǒng)的高頻干擾，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的控制精度，能夠按照偏差變化的趨勢(shì)在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中起作用等優(yōu)點(diǎn)。不完全微分控制器的標(biāo)準(zhǔn)型為：

(4)

2.2.3 PID位置伺服系統(tǒng)

對(duì)速度進(jìn)行積分得到位置信息，在速度閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，對(duì)位置進(jìn)行類似的PID反饋控制，如圖8所示。為了防止對(duì)踝關(guān)節(jié)患者造成二次傷害，踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人對(duì)響應(yīng)速度要求不是很高，對(duì)定位精度要求較高，因此需要把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成位置無(wú)超調(diào)系統(tǒng)，去掉積分作用，采用PD控制就可以達(dá)到這個(gè)目的。

圖8 PID位置伺服系統(tǒng)

3 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和聯(lián)合仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)整機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和減速器相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算,研制出新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)，如圖9 所示。其中背屈趾屈機(jī)構(gòu)選用功率為100 W，型號(hào)為MT8N42P10V2E的泰科伺服無(wú)刷直流電機(jī)。它的額定電壓為24 V，額定速度為3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為0.32 N·m。當(dāng)背屈趾屈機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為172時(shí)，背屈趾屈機(jī)構(gòu)的額定轉(zhuǎn)速可以達(dá)到17.4 r/min，額定扭矩可以達(dá)到51.6 N·m，滿足背屈趾屈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)需要。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器則選用型號(hào)為IBL3605A 的智能伺服驅(qū)動(dòng)器，它是基于 DSP 的全數(shù)字智能伺服驅(qū)動(dòng)器，集運(yùn)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)和PLC功能于1個(gè)單元。

圖9 新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)

打開智能伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置軟件，測(cè)量得到無(wú)刷直流電機(jī)的參數(shù)：電樞回路的電阻Ra=0.66 Ω，電樞電感La=0.33 mH，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=1.9 V/(kr·min-1)，直流電動(dòng)機(jī)的扭矩常數(shù)Cm=0.06 N·m/A。智能伺服驅(qū)動(dòng)器的PWM控制頻率為20 000 Hz，采用電流和速度雙閉環(huán)控制，速度環(huán)的控制頻率為1 000 Hz，設(shè)置電流環(huán)PID參數(shù)為P=1.328，I=0.16，速度環(huán)的PID參數(shù)為P=460，I=46。

利用伺服驅(qū)動(dòng)器的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行PID速度伺服系統(tǒng)和PID位置伺服系統(tǒng)編程，編程完成后可以在控制界面進(jìn)行速度控制和位置控制調(diào)試，并讀取樣機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[7]對(duì)新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，背屈趾屈機(jī)構(gòu)速度響應(yīng)的上升時(shí)間為37.31 ms，超調(diào)量為18.55%，背屈趾屈機(jī)構(gòu)定位精度為0.81°，說(shuō)明該新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有良好的速度響應(yīng)和位置精度，完全能夠滿足踝關(guān)節(jié)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的需求。

3.1 重力作用仿真

初始狀態(tài)下，新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的各個(gè)機(jī)構(gòu)處于中間位置或者零位。當(dāng)只有重力作用，即驅(qū)動(dòng)函數(shù)等于零時(shí)，在ADAMS軟件中設(shè)定仿真時(shí)間和步數(shù)，運(yùn)行仿真，可以觀察到背屈趾屈機(jī)構(gòu)在重力作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)背屈趾屈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線如圖10所示。

圖10 重力作用下背屈趾屈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線

圖10的運(yùn)動(dòng)曲線說(shuō)明，初始狀態(tài)下，踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人背屈趾屈機(jī)構(gòu)的質(zhì)心并不在旋轉(zhuǎn)軸上，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中背屈趾屈機(jī)構(gòu)自身重力并不平衡。機(jī)構(gòu)自身重力在背屈趾屈運(yùn)動(dòng)的某個(gè)區(qū)間中為阻力，某個(gè)區(qū)間為動(dòng)力，通過(guò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成勢(shì)能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化，這將會(huì)影響背屈趾屈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制。

3.2 速度控制聯(lián)合仿真

設(shè)定PID速度伺服系統(tǒng)聯(lián)合仿真的階躍輸入分別為0.5 rad/s，1 rad/s，1.5 rad/s，仿真時(shí)間為1 s，經(jīng)整定后得到速度控制器的最佳PID參數(shù)為P=13.15，D=0.548，N=100。仿真結(jié)果如圖11所示。

PID速度伺服系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，約0.02 s背屈趾屈機(jī)構(gòu)到達(dá)指定速度，之后速度保持不變，但與指定速度始終存在微小偏差。

圖11 速度伺服系統(tǒng)仿真

3.3 位置控制聯(lián)合仿真

設(shè)定PID位置伺服系統(tǒng)聯(lián)合仿真的階躍輸入分別為-0.6 rad，-0.4 rad，-0.2 rad，0.2 rad，0.4 rad，0.6 rad，仿真時(shí)間為1 s，保持速度控制器的PID參數(shù)不變，經(jīng)整定后得到位置控制器的最佳PID參數(shù)為P=34，D=1.3，N=100。仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 PID速度伺服系統(tǒng)仿真

PID位置伺服系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，約0.4 s背屈趾屈機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置，但機(jī)構(gòu)運(yùn)行并不穩(wěn)定，一直處于振蕩過(guò)程中。在同樣的控制參數(shù)下，背屈運(yùn)動(dòng)位置控制沒(méi)有超調(diào)，趾屈運(yùn)動(dòng)的位置控制超調(diào)。

3.4 運(yùn)動(dòng)軌跡控制聯(lián)合仿真

在進(jìn)行踝關(guān)節(jié)患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，背屈趾屈機(jī)構(gòu)并非一直處于某個(gè)速度或者某個(gè)位置，而是按照某一頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此運(yùn)動(dòng)軌跡控制聯(lián)合仿真更加能反映踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的情況。改變位置控制聯(lián)合仿真的輸入，由階躍輸入變?yōu)檎逸斎?，幅值?.5 rad，頻率為1 Hz，不改變事先整定好的速度控制器和位置控制器的PID參數(shù)。仿真結(jié)果如圖13所示，圖中虛線代表期望軌跡，實(shí)線代表實(shí)際軌跡。

圖13 運(yùn)動(dòng)軌跡控制仿真

運(yùn)動(dòng)軌跡控制仿真結(jié)果表明，整定好的PID速度控制器和PID位置控制器參數(shù)，能夠很好地控制背屈趾屈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)跟隨給定運(yùn)動(dòng)軌跡，雖然其跟隨有微小延遲，在背屈趾屈運(yùn)動(dòng)的極限位置有振動(dòng)出現(xiàn)，但整體速度響應(yīng)較快和位置誤差較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

在完成新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的整機(jī)機(jī)構(gòu)方案分析、背屈趾屈機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型的基礎(chǔ)上，通過(guò)ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真技術(shù)，對(duì)該新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人背屈趾屈機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制進(jìn)行分析。

在新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人聯(lián)合仿真中也遇到了一些困難，如沒(méi)有考慮齒輪傳動(dòng)摩擦和齒輪傳動(dòng)間隙等其他外力，無(wú)刷直流電機(jī)和智能伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件參數(shù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致仿真的控制參數(shù)和運(yùn)行效果與實(shí)際情況存在差距。在某些狀態(tài)下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)振動(dòng)，說(shuō)明電機(jī)驅(qū)動(dòng)有一定困難。這些結(jié)果與樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明聯(lián)合仿真達(dá)到了預(yù)期的目的。聯(lián)合仿真的結(jié)果表明，該新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人背屈趾屈機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，選用電機(jī)在速度PID控制和位置PID控制下能很好地完成康復(fù)訓(xùn)練的需求。

在ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真過(guò)程中，不需要推導(dǎo)機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜的微分方程，與那些近似線性化的數(shù)學(xué)模型相比，通過(guò)ADAMS建立的虛擬樣機(jī)模型能更好地接近實(shí)際物理模型[8]。踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，為了使新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人運(yùn)行更穩(wěn)定，有必要調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，選用性能更好的電機(jī)或采用其他先進(jìn)的控制方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡微微. 一種新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)構(gòu)的研究[D]. 太原：中北大學(xué), 2017.

[2] 劉更謙,高金蓮,楊四新,等.踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2005, 18(5):13-15.

[3] 李劍鋒,李世才,陶春靜,等.并聯(lián)2-UPS/RRR踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)性能分析[J]. 機(jī)器人, 2016, 38(2):144-153.

[4] 李劍鋒,汪建兵，林建軍，等.機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真與集成優(yōu)化案例解析[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5] Li W, Sun T, Wang C, et al. Development of a 3 freedom ankle robot to assist the rehabilitation training[C]// IEEE International Conference on Information and Automation, 2017:1606-1611.

[6] 盧志江.患者自主式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人研發(fā)[D].廣州：華南理工大學(xué),2016.

[7] 紀(jì)志成,沈艷霞,姜建國(guó).基于Matlab無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)仿真建模的新方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2003,15(12):1745-1749,1758.

[8] 葉獻(xiàn)彬, 張東升, 馮斌.基于ADAMS與MATLAB的數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合仿真[J].機(jī)床與液壓,2013, 41(15):160-163.