STM32的医疗恢复机器人手臂控制系统

摘要：医疗恢复机器人是近年呈现的一种新式机器人，主要功用是协助患者完结各种运动功用恢复练习。为此提出经过STM32微操控器操控无刷直流电机来操控机器手臂的作业，并经过Simulink树立PID模型，运用XPC_Target和操控板进行通讯，以此得到电机在调速进程中适宜的PID参数，使机器手臂在作业的进程中愈加滑润。实践的临床实验操作证明，该体系可以较好地完结手臂的医疗恢复练习。

跟着我国逐步步入晚年社会，对各类恢复设备的需求日益增大，对性价比高的医疗恢复设备操控体系的需求尤为火急。依据DSP芯片的本钱相对较高、规划杂乱、研制周期长，芯片的尺度会导致印刷电路板的体积变大。

本文依据STM32微操控器规划的医疗恢复机器人手臂操控体系，具有出色的功耗操控和电机操控的高档定时器，能发生3对可装备并互补输出的PWM信号。经过在Simulink上树立双闭环PID算法模型，得到适宜的PID参数来改动PWM波的占空比，然后精确地完成电机的调速，确保了机器人手臂作业轨道滑润，作业速度安稳。因为无刷直流电机具有体积小、功用安稳等长处，其机器手臂尺度可以愈加契合人体运动学规划理念。

1 整体方案规划

医疗恢复机器人手臂可以模仿日常日子中手臂的一些动作，经过发明虚拟作业环境完成对手臂各个关节的运动练习、肌肉的练习，以及神经功用的恢复练习。以STM32微操控器为操控中心，机器手臂操控整体规划方案如图1所示。

经过运用IR2130栅极驱动芯片，对STM32输出的6路PWM信号进行特别处理，满意H桥中IRF3808高功率MOS管作业的需求。

STM32微操控器经过不断地检测无刷直流电机中霍尔信号来改动换相时序，以此来操控电机的作业。当电机在堵转的时分会发生大电流，经过ADC对其电流值进行采样，当其值超越阀值的时分可以中止电机作业，此刻IR2130会主动进入自我维护状况，关断输出信号，确保手臂作业的安全。

2 硬件电路规划

2.1 栅极驱动

栅极驱动芯片选用的是美国世界整流器公司的IR2130芯片，它具有高电压、高速度，并有3个独立的高、低侧功率MOSFET驱动输出通道。其输入和输出信号时序如图2所示。其具有过电流维护、欠压确定功用，并能及时关断6路输出。在呈现异常状况时，逆变电路处于关断状况，这样可以维护电机不被烧坏，且具有自我维护功用。

6路输出信号中的3路具有电平转化功用，因而它既能驱动桥式电路中低压侧的功率器材，又能驱动高压侧的功率元件。如图3所示，将STM32输出驱动H桥的3对互补PWM信号进步至可以驱动MOSFET开关电压电平。

1片IR2130可替代3片IR2110，且仅需求一个输入级电源，就可以主动发生成上、下侧驱动所必需的死区，时刻为2.5μs，并得到更好的操控功用。

2.2 H桥功率电路

高功率场效应管可以输出高电压。逆变电路主要由6个大功率场效应管IRF3808组成，如图4所示。每个场效应管都并联了反接的快速恢复二极管，具有维护和续流的作用。关于24 V电压的电机，场效应管的VDS至少需求40 V电压，而漏极电流有必要满足高，以应对电机发动电流。因为软件中完成的软加快机制(小幅提升至所需速度)，发动电流可以进一步下降。

2. 3 电流检测电路

运用一个0.01 Ω的电流检测电阻或者是一段蛇形地线，经过电机和MOSFET的电流全都从它那里经过并流向地。如图5所示，经过电机的总电流经过这个小阻值的电阻而流向地，这个电流检测电阻的阻值很小，但假如电流够大的时分，会在其两头发生一个小的电压，经过RC构成的一阶低通滤波电路可以滤去一些偶然发生的瞬时高频分量。其截止频率可以由RC的详细值算出。最终可以把其接入STM32的ADC通道进行电流收集。

2.4 电机转矩

对电机来说，机器人手臂在作业时是处于负载状况下作业，所以要有满足的转矩以确保手臂作业正常。跟速度操控相同，转矩也由经过定子线圈的电流巨细决议。最大转矩、定子和转子磁场之间的视点，应坚持在90°。梯形换相如图6所示，操控分辨率为60°，定子和转子磁场间的视点在-30。～+30。的范围内，这会发生转矩脉动。

电流检测进程中的RC低通滤波器可以滤除流入电机的高频瞬时脉冲，并改进电机转矩特性。在改动作业方向的时分，为了得到比较大的转矩挑选直接改动作业方向，不会选用作业一中止一反向作业的方法来进行机器人手臂方向的改动。这样可避免机器人手臂在转向时分呈现颤动现象，也避免了再次发动的时分发动电流过大，简单呈现堵转现象，对硬件电路和电机都会形成危害。

3 软件规划

3.1 μC/OS—II操作体系

为了让软件架构愈加安稳明晰，运用一个可固化、可裁剪的、占先式多使命实时操作体系μC/OS—II。它是依据优先级调度的抢占式的实时内核，并在这个内核之上供给最基本的体系服务，如信号量、邮箱、音讯行列、内存办理、中止办理等。

在μC/OS-II嵌入式操作体系上，对无刷直流电机中霍尔信号的捕捉中止、上位机通讯中止、ADC收集中止、PID速度调理中止的优先级进行分配，而且经过创立医疗恢复手臂作业方向、发动、中止、上位机通讯、PID调理等使命使软件作业上愈加模块化。使命与使命之间经过邮箱、音讯行列等传递信息，而且可以彼此挂起和发动相应使命，使使命之间可以和谐的作业、软件架构更明晰。

3.2 电机速度丈量和六步换相

无刷直流电机的实践转速可经过丈量霍尔传感器信号得到。在电机滚动进程中，经过120°散布在电机中的3个霍尔传感器可以得到如图7所示的3路周期信号。

电机每转一圈，每个霍尔传感器发生2个周期的方波信号，且其周期与电机转速成反比。其结构比在外围增加编码器愈加便利灵敏。

STM32微操控器的定时器具有检测霍尔信号的端口，经过定时器对检测到的3路霍尔信号进行异或处理，当其能捕捉到上升沿时触发一次中止请求，在中止中记载发生此次中止需求的时刻，并进行定时器清零。操控流程操作如图8所示，经过几回中止时刻求取平均值，把得到的时刻平均值转化成电机作业的速度值。经过检测到的3个翟尔传感器的凹凸电平值来进行电机6步换相时序，可以使无刷直流电机按时序要求进行作业。

3.3 电机PID算法

因为人体手臂和机器手臂结构都有分量，在电机作业的时分将遭到其影响，导致电机作业速度不断改动，不利于机器手臂的安稳作业，因而需求把丈量到的速度值和设定的速度值进行双闭环PID运算，使电机作业速度一向坚持设定的速度值。如图9所示，电机的PID算法是运用改动相电压脉宽调制(PWM)波的占空比来完成，经过增大或减小占空比，每个换相进程会有部分电流流过定子线圈，这会影响定子磁场和磁通密度，然后改动转子和定子的之间的力。

经过得到无刷直流电机速度的设定值(上位机设置)和实践检测到的电机转速值之间的差值，使其经过速度PID操控环和电流PID操控环进行PID调理来改动STM32输出驱动电机作业信号的PWM波的占空比，机器手臂可以滑润和安稳地作业。

4 PID模型规划

运用MathWorks公司开发的依据RTW体系结构的实时方针体系XPC_Target建模，其供给了一种低价本钱、功用较高的可快捷实时运用的体系。选用宿主机+方针机的技能完成途径，即“双机”形式。宿主机和方针机可所以不同类型的计算机，两者之间经过以太网完成通讯。其完成模型如图10所示。

依据作业原理，其完成分为如下进程：

(1)用U盘创立DOS方针发动盘

发动盘有FDD、HDD和ZIP三种形式，在制造的进程中依据方针机支撑的形式挑选。经过选用XPC_Target的嵌入式选项来制造方针发动盘。经过U盘来调用和发动XPC_Target的实时内核，可以使每次体系发动后主动作业方针运用程序。

(2)Simulink模型树立

在宿主机的Simulink上经过增加各个驱动模块树立电机调速进程中电流环、速度环的PID模型和下位机的串口通讯模块，然后用RTW代码生成器和C编译器来生成可执行代码，在方针机上进行实时作业。

(3)信号收集进程

经过XPC_Target实时内核将方针运用程序的信号数据存储在方针机的RAM中，而且在方针机的显现界面上对信号进行监督、记载、盯梢，而且制作出图画。当下位机经过串口发送速度丈量值给方针机上作业的经过Simulink中树立的PID模型生成的可执行代码时，经过可执行代码程序进行速度调理，把其调理后的数据经过方针机发送给下位机，然后改动驱动电机作业信号的PWM波占空比。当其速度丈量值可以安稳到速度设定值的时分，Simulink中设置的 PID参数便是所需求的速度调理的PID参数值。不然，需求改动Simulink中树立的PID参数模型。

结语

本文提出了依据STM32微操控器的医疗恢复机器人手臂的操控体系。现在，本体系的样机现已进行了临床实验，并得到很好的实验作用。实验中的机器人手臂有 3个自由度，能完成肩关节、肘关节等的练习。经过运用IR2130栅极驱动芯片，板子尺度、体系安稳性和规划灵敏性都得到改进。在Simulink上规划 PID参数模型，经过STM32微操控器驱动板驱动无刷直流电机，在结尾带动练习者的手臂分别在水平面和笔直平面的固定轨道练习，而且把收集的作业轨道、速度图画，以及预先设置的手臂作业轨道和速度图画进行比照和调查，机器手臂作业滑润，PID参数安稳，进一步增强了体系的安稳性和灵敏性。