下肢康复机器人机电一体化系统探究

2022-09-21 16:36:36 来源:写作指导

摘要:作为机械专业重要的基础课程,机电一体化系统设计具有综合性高、应用性强的特点。为了提高学生知识集成与应用能力,采用案例式、启发式教学法尤为必要。然而现有教材中附加的机电一体化系统案例多为XY平台与汽车电控系统等,这些案例普遍存在时间久、涉及专业知识点不多、控制方面的内容过少、内容较为陈旧等不足,学生难以对机电产品开发过程中的系统设计与模块化思想有着全面、系统的认识。为此,设计了一种基于下肢康复机器人的机电一体化系统,用于本课程的案例教学,以帮助学生树立工程意识,提高对复杂工程问题的分析和解决能力。通过化解学习难点,便于反复学习、对比记忆,使教学内容更具吸引力。

关键词:机电一体化;案例教学;开发流程;系统设计;模块化

“机电一体化系统设计”是机械工程专业一门重要的专业基础课程[1]。它是从“系统”的观点出发,利用机械技术、微电子技术和信息技术,通过“一体化”即机电有机结合的方法,构造出最佳的系统(或产品)[2]。该课程的任务是通过机械设计理论、控制原理、传感检测技术以及信号处理等多方面基本知识的学习,使学生掌握机电一体化系统设计的主要步骤、过程和方法。“机电一体化系统设计”是一门偏向工程实践与技术应用的机械工程专业课程,对提高机电专业类毕业生的综合专业素养及专业创新能力十分重要[3]。然而,传统的教学模式多注重对知识系统的传授以及理论知识的考察,难以对学生的机电系统设计创新能力进行有针对性的培养[4]。作为一种开放性与互动性较强的教学方式,案例教学法能够给予学生较大程度的自主发挥、自由创造的空间,从而有效地实现学生由注重理论知识向注重动手能力与创新能力方向的转变[5]。该教学方法适用于有一定的专业基础背景知识的学生,而机电一体化系统设计课程通常安排在机械、机电专业类学生在大学三年级下学期开设,此时学生的机械原理、机械设计、控制工程基础、单片机原理以及信号处理等基础课和专业基础课均已修完,具有一定的专业基础知识[6]。本课程的特点使得授课教师有机会通过提高学生对机电产品设计的兴趣,激发并鼓励学生主动补习相关理论基础知识,并且可以促进学生融会贯通,加深对各专业基础知识的交叉理解。因此,在“机电一体化系统设计”课程中添加案例分析环节就显得尤为重要。但是,现有教材中附加的机电一体化系统案例多为XY平台与汽车电控系统等,这些案例普遍存在时间久、涉及专业知识点不多、控制方面的内容过少、内容较为陈旧等不足,学生难以对机电产品开发过程中的系统设计与模块化思想有着全面、系统的认识。此外,由于条件限制,普通教师一般难以将某一机电产品的设计与开发流程向学生系统地展示。为此,本文以一种下肢康复机器人———AirGait的系统设计为例,介绍该机电系统的设计思路与方法,使学生熟悉机电产品开发流程。该案例式教学具有知识集成性强、模块化清晰、直观生动的优点,同时能够调动学生学习的主动性,促使学生注意力能够得到及时调节,有利于学生保持良好的学习状态。

1总体方案设计

机电一体化系统的设计包括总体设计、部件与零件的选择与设计。根据子系统划分思想,将步态模拟机构划分为3个子系统:机械系统主要用于支撑并驱动人体下肢进行康复训练,主要包括气动人工肌肉的布局、框架设计和构型设计;气动系统主要用于驱动下肢康复机器人运动,主要包括气动人工肌肉的选型,电磁阀的选型和气动回路的布局;控制系统主要用于实时采集机器人运动过程中的轨迹和气压信号等运动参数,并进行分析与反馈,为实施准确的运动控制提供参考,它主要包括控制系统的硬件选型、布局和运动控制程序的编写。通过该部分的学习,使学生熟悉并掌握机电一体化系统设计的程序、准则与规律,相应的毕业要求指标点分解及其对应的主要课程如表1所示。正常人体下肢踝关节运动主要包括背伸/趾屈运动和内翻/外翻运动,为了实现该运动,所设计机构应具备两个方向的旋转自由度。此外,为配合下肢的抬腿/落腿运动,所设计的机构应具备垂直方向的自由度。由于直线导轨传动组装容易、重复定位精度高,且可以承受较大载荷,因此采用直线导轨传动形式作为步态模拟机构的移动方式。考虑到结构强度、模块化以及便于布置安装设备,下肢康复机器人总体结构采用框架式结构,通过框架来固定气动人工肌肉和气压传感器等元件。其主体采用20×20的铝型材,型材之间采用角件连接固定。各气动人工肌肉均匀分布于框架四周,其进气端通过力传感器与顶端支架相连,自由端通过滑动板与滑块相连,滑块的导轨固定于铝型材中,位移传感器通过滑动板与气动人工肌肉相连。在综合考虑负载、与电磁阀的匹配和进气量等因素的情况下,选用DMSP-20-190N-RM-CM型的气动人工肌肉,其内径20mm,长190mm,单向径向气接口,它所允许的最大收缩率为25%,最大负载为80kg。比例调压阀具有控制精度高、输出压力不受负载变化的影响以及对气源要求低的优点。由于其自带出口压力闭环反馈控制功能,因而具有压力补偿的性能,能够自动调节气压。因此,比例调压阀能够对气缸和气动人工肌肉等气动执行原件的位置和速度进行连续可调的高精度控制。与VisualStudio、PowerBuilder和Delphi等文本式软件开发平台相比,LabVIEW采用图形化编程,具有如下独特的优点:(1)开发组件丰富,包括数据采集与分析模块、运动控制模块、网络通信模块等;(2)兼容性好,可同时兼容多种开发平台的源代码程序,包括MAT-LAB脚本程序、C/C++语言和动态链接库;(3)模块化程度高,LabVIEW中使用的基本节点和函数等均为可直接使用的模块,所编写的程序除了作为独立程序运行外还可以作为模块供其他程序调用。这些优点使得基于LabVIEW的程序开发简单、通用、重用性和可维护性好。因此这里采用LabVIEW编写系统的控制程序。

2结语

“机电一体化系统设计”是一门偏向技术应用的机械工程专业课程,理论结合实际尤为重要。该课程是面向大学三年级学生开设的专业课程,而大部分机械工程专业学生的毕业设计需要用到机电一体化产品设计思想。基于AirGait的机电产品开发流程案例分析的开设有助于教学目标的达成,并为学生毕业设计打下坚实的基础。值得指出的是,开发类似的案例对丰富机电一体化系统案例非常重要,满足机械工程专业认证的培养目标要求。

作者:谢胜龙 万延见 张远辉 李孝禄 单位:中国计量大学机电工程学院