|
基于STM32的下肢外骨骼机器人安全测试系统设计
|
Abstract:
下肢康复外骨骼机器人具有医疗器械属性,对安全性要求极高,因此下肢康复外骨骼机器人安全性研究备受关注。本文设计了一款下肢外骨骼机器人安全测试系统,整个系统包括上位机与以STM32高性能芯片为主控模块的控制系统。采用STM32内置AD转换器采集角度、压力和位移等传感信息,通过USART将传感信息传输至上位机,从而判断穿戴式下肢外骨骼康复机器人关节运动参数是否在安全范围内以及判断运动平稳性。此外控制系统通过控制电磁阀检测外骨骼的痉挛保护能力,通过PWM调频检测力交互能力。系统上位机基于PyQt5搭建,通过串口与主控板进行通讯。实验表明,该检测系统能实时准确检测穿戴式下肢外骨骼的安全性能。
Since they are medical devices and demand a high level of safety, the safety of lower limb rehabilitation exoskeleton robots is of major interest. In this study, we propose a control system with an STM32 high-performance chip as the main control module for a safety testing system for lower limb rehabilitation exoskeleton robots. To determine whether the joint motion parameters of the wearable lower limb exoskeleton rehabilitation robot are within the safe range and to assess the smoothness of the motion, the system uses the built-in AD converter on the STM32 to collect sensing information such as angle, pressure, and displacement and transmits the sensing information via USART to the host computer. The control system also recognizes the spasticity protection capabilities. The control system also recognizes the exoskeleton’s ability to defend against spasticity through the control solenoid valve and the ability to interact with forces through PWM frequency modulation. A serial port is used by the PyQt5-based system higher computer to connect to the main control board. Experiments demonstrate that the testing method can precisely identify the wearable lower limb exoskeleton’s safety performance in real time.
[1] | 丁逸苇, 涂利娟, 刘怡希. 可穿戴式下肢外骨骼康复机器人研究进展[J]. 机器人, 2022, 44(5): 522-532. |
[2] | 康乾. 下肢外骨骼机器人的综合性能评价[D]: [硕士学位论文]. 大连: 大连交通大学, 2018. |
[3] | 薛强, 周金满, 杨硕. 应用于下肢功能障碍者的康复机器人: 综述[J]. 制造业自动化, 2022, 44(7): 50-55. |
[4] | 王辉. 多自由度下肢外骨骼康复机器人结构设计与控制策略的研究[D]: [硕士学位论文]. 青岛: 青岛科技大学, 2022. |
[5] | 李琴. 可穿戴外骨骼机器人的人机协作安全性评价研究[D]: [硕士学位论文]. 杭州: 杭州电子科技大学, 2022. |
[6] | 徐发树. 截瘫助行外骨骼机器人安全性研究[D]: [硕士学位论文]. 成都: 电子科技大学, 2022. |
[7] | Mehr, J.K., Sharifi, M., Mushahwar, V.K., et al. (2021) Intelligent Locomotion Planning with Enhanced Postural Stability for Lower-Limb Exoskeletons. IEEE Robotics and Automation Letters, 6, 7588-7595.
https://doi.org/10.1109/LRA.2021.3098915 |
[8] | 郑书剑. 面向外骨骼机器人的安全监控系统设计及实现[D]: [硕士学位论文]. 成都: 电子科技大学, 2020. |
[9] | 徐国鑫, 贾丙琪, 魏笑, 毕文龙, 张华强, 赵彦峻. 一种新型多体位康复训练下肢外骨骼的设计及实验[J]. 机械传动, 2021, 45(8): 139-143+164. |
[10] | Medical Electrical Equipment-Part 1: General Requirements for Basic Safety and Essential Performance: IEC 60601-1. 2012. |
[11] | 中国机械工业联合会. GB/T 36530-2018机器人与机器人装备-个人助力机器人的安全要求[S]. 北京: 标准出版社, 2018. |
[12] | 国家食品药品监督管理局. GB 9706. 1-2007医疗电气设备-第1部分: 安全通用要求[S]. 北京: 标准出版社, 2007. |
[13] | 全国电磁兼容标准化技术委员会. GB/T 17799. 1-2017电磁兼容通用标准: 居住、商业和轻工业环境中的抗扰度[S]. 北京: 中国质检出版社, 2017. |
[14] | 陈俊炜, 周政, 李宇翔, 缪文南. 基于Modbus通信控制器的设计与实现[J]. 电子测试, 2022(3): 50-52. |
[15] | 龚靖傑, 邓哲, 王家乐, 张永亮, 张梦妍. 基于开关矩阵的多通道信号切换设备研制[J]. 计算机测量与控制, 2021, 29(7): 264-268. |