Реферат - Долматов В.В. - Гібридне керування інвалідним кріслом

Спеціальність Електромеханічні системи автоматизації та електропривод

Керівники: проф. В.Ф. Борисенко (ДонНТУ), Е. Моначеллі (UVSQ)

Вступ
Мета роботи
Принцип роботи крісла
Проблеми та методіки їх рішення
Висновок та майбутня робота
Перелік посилань

Вступ

Розвиток у наш час робототехніки, засобів автоматизації і інноваційних математичних теорій вимагає застосування цих досягнень на практиці в тих галузях, які спрямовані на поліпшення життя людей зі спеціальними потребами.

Пріоритетний напрям, якому приділяють велику увагу в останні десятиліття провідні країни світу - це впровадження інноваційних технологій в медицину, з метою створення і вдосконалення пристроїв, що допомагають в пересуванні людей, здатність до самостійного пересування яких обмежена.

Мета роботи

Показати можливість застосування інноваційних технологій для створення гібридного керування інвалідним кріслом на базі контроллера нечіткої логіки і тензодатчиків, що дозволить людині з обмеженими можливостями руху переміщатися на інвалідному кріслі навіть при найменшому додаванні сил.

Принцип роботи крісла

Людина, щоб переміщатися, обертає два колеса. Якщо його власної сили недостатньо для переміщення, йому починають допомагати електродвигуни. Чим більше людина додає зусиль, тим більшу допомогу йому надають двигуни. Кріслу для повноцінної роботи потрібний два двигуни: для кожного з двох коліс. Якщо виникне необхідність розгорнутися, то тоді людина крутить одне колесо в один бік, а інше в інший, тому необхідно, щоб електропривод забезпечував реверс. Якщо ж людина спускається з похилої поверхні і йому необхідно уповільнити швидкість руху, він докладає руками зусилля до ободів коліс, спрямоване в протилежний до руху напрям. Для полегшення цього маневру процес гальмування „підхоплюють“ двигуни, збільшуючи сумарний гальмівний момент. Гальмування здійснюватиметься переходом двигунів в режим противовмикання. Коли людина переміщається на кріслі за рахунок власної сили (електропривод при цьому не задіяний), тоді двигуни працюють як генератори, постійно заряджаючи акумулятор.

Проблеми та методіки їх рішення

Головною проблемою, пов'язаною з керуванням кріслом, є визначення сили, що прикладається людиною для обертання коліс. У статті [1] був запропонований цікавий метод визначення цієї сили за допомогою датчика моменту, прикріпленого на головну вісь колеса:

Рисунок 1 — Датчик моменту [1]

Цей спосіб дозволяє з достатньою точністю визначити момент, що прикладається людиною для обертання колеса, але він складно реалізовується на практиці, оскільки вимагає заміни способу кріплення обода до колеса. Нами було прийнято рішення використовувати неінвазивний спосіб отримання інформації про величину сили і замість датчика моменту використати датчики сили (тензодатчики), які кріпляться на шпильки, що з'єднують обід з колесом:

Рисунок 2 — Тензодатчики

В процесі обертання обода з колесом відбуваються досить сильні деформації вигину і кручення. Їх можна виміряти якщо приклеїти до шпильки тензорезисторы в такому порядку: два в один ряд з одного боку (працюють на стиснення) і два суворо з протилежного боку шпильки (працюють на розтягування):

Рисунок 3 — Шпилька з приклеєними на неї тензорезисторами

Безпосередньо шпильку необхідно кріпити до ободу таким чином, щоб резистори розташовувалися уздовж лінії, що направляє обертання, щоб вимірювати радіальну деформацію шпильки:

Рисунок 4 — Шпилька, що прикріплена до ободу колеса

У свою чергу тензорезистори на шпильці мають мостову схему з'єднання (рис.5), оскільки саме мостова схема відповідає вимогам точного виміру величини деформації тензорезисторів і дає найменшу помилку:

Рисунок 5 — Схема з'єднання тензорезисторів

При деформації шпильки рівність R1*R3=R4*R2 зберігатися не буде, міст стане неурівноваженим, між точками a і с виникне різниця потенціалів і на підсилювач поступатимуть сигнали.

Для того, щоб отримувати точну інформацію про прикладену до ободу силу необхідно використати як мінімум три шпильки з шести можливих з наклеєними на них датчиками. Ці три шпильки будуть розміщені на ободі таким чином:

Рисунок 6 — Положення шпильок з датчиками на ободі

Зрештою вийде схема з'єднання:

Рисунок 7 — Кінцева схема з'єднання датчиків

Міст буде урівноважений, якщо дотримуватиметься рівність: (R1+R2+R3)*(R10+R11+R12)=(R4+R5+R6)*(R7+R8+R9).

Цікавим є питання принципу керування кріслом. Мною було прийнято рішення скласти схему керування скориставшись підходом, зробленим авторами [2]:

Рисунок 8 — Схема керування кріслом

У роботі [2] автори використали у своїй системі двигун постійного струму з редуктором. Мною було прийнято рішення скористатися їх підходом, але відповідно до своєї системи узяти ДПС з постійними магнітами на статорі. Цей тип двигуна має багато переваг: простоту будови і керування, великий пусковий момент, регулювання швидкості в широкому діапазоні. Гальмування такого двигуна здійснюватиметься противовмиканням:

Спосіб гальмування двигуна (анімація 500x343, тривалість 0,5 с, кадрів 12)

Рисунок 9 — Спосіб гальмування двигуна

Що стосується сигналу, що йде з тензодатчиків на контролер нечіткої логіки, то він є дуже слабким, тому його необхідно підсилювати. У своїй роботі я користуюся підсилювачем, розробленим аспірантами В.Н. Хоменко і А.А. Мельником, що має коефіцієнт підсилення 500 та живиться від двох батарейок в 9 В:

Рисунок 10 — Схема підсилювача

Контролер нечіткої логіки формується на базі плати введення/виведення Arduino Mega 2560, що має програмне середовище Processing/Wiring:

Рисунок 11 — Плата Arduino Mega 2560

Експериментальним шляхом нам вдалося встановити, що при зусиллі в 4 кг на контроллер приходить сигнал в 0,1 В, що дозволяє в подальших розрахунках користуватися коефіцієнтом пропорційності: 0,1/4=0,025 (В/кг).

Дуже важливим для роботи усієї системи є питання, пов'язане з керуванням кріслом за допомогою нечіткої логіки. У роботі [3] автори показали на прикладі як працює нечітка логіка. Відповідно до цього прикладу нами була створена своя структура контролера нечіткої логіки:

Рисунок 12 — Структура контролера нечіткої логіки

На вхід цього контролера подається сила і її похідна (поштовх) у вольтах, що йде з тензодатчиків. Виходом є момент двигуна:

Рисунок 13 — Величини, що обробляються контролером

Вхідні і вихідні змінні складаються з трьох термів: S (small), M (medium) та B (big):

Рисунок 14 — Нечіткі правила

Контролер нечіткої логіки працюватиме в інтервалі прикладеної людиною сили від 10 до 40 кг.

Дуже цікавим для роботи усієї системи є питання вибору двигуна і редуктора. Орієнтуючись на двигун електричного крісла, що стоїть в аудиторії 105, я з массогабаритных міркувань вибрав собі двигун: P = 150 Вт, w = 4000 об/хв, Мн = 0,36 Н*м. Відповідно до цього був вибраний редуктор з передатним відношенням 100.

Висновок та майбутня робота

Інвалідне крісло з гібридним керуванням на базі контролера нечіткої логіки має ряд переваг в порівнянні з інвалідним кріслом, що керується джойстиком: менші витрати ресурсу акумуляторної батареї (непостійна робота двигунів і періодичне заряджання акумулятора під час руху), а відповідно у декілька разів менші масо-габаритні показники, простіший механізм керування поворотом, інтуїтивно зрозумілий для користувача. Єдиною проблемою крісла з гібридним керуванням є складнощі в реалізації інтелектуальної частини системи керування.

На момент написання цього реферату магістерська робота ще не закінчена. Остаточне завершення роботи відбудеться в грудні 2012 року. В найближчому майбутньому я збираюся змоделювати систему керування кріслом в програмному середовищі Matlab і на моделі продемонструвати роботу ДПС від контролера нечіткої логіки, а також реалізувати усю цю систему на практиці.

Перелік посилань